DE102009042102A1 - Object i.e. wide object, position determining method for use in assistance system i.e. adaptive-cruise-control-system, for motor vehicle e.g. lorry, involves calculating object position based on reception signal distributions - Google Patents
Object i.e. wide object, position determining method for use in assistance system i.e. adaptive-cruise-control-system, for motor vehicle e.g. lorry, involves calculating object position based on reception signal distributions Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objektes mittels eines Radarsensors und einen entsprechenden Radarsensor, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen.The invention relates to a method for determining the position of an object by means of a radar sensor and a corresponding radar sensor, in particular for use in motor vehicles.
In Assistenzsystemen für Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise dem Adaptive-Cruise-Control-System, werden sogenannte FMCW-Radarsensoren eingesetzt. FMCW ist eine Abkürzung für Frequency Modulated Continuous Wave und beschreibt die Funktionsweise des Radarsensors. Die Sendefrequenz des Radarsensors wird nach einem beispielsweise rampenförmigen Frequenzmuster definiert variiert, so dass das von einem Objekt reflektierte Empfangssignal abhängig von der Objektdistanz und der Zeit eine eindeutige Frequenzverschiebung aufweist. Aus dem Empfangssignal kann somit eindeutig auf die Objektdistanz bzw. die Objektposition sowie die Relativgeschwindigkeit zu dem Objekt geschlossen werden. In Abhängigkeit von der Antennenauslegung sowie der Sendefrequenz des Radarsensors hat dieser typischerweise eine Winkelauflösung, die im Bereich der Halbwertsbreite der von den Antennen emittierten Antennenkeulen liegt. Hierdurch lassen sich detektierte Objekte unterschiedlichen Azimutwinkeln zuordnen und unterscheiden. Nachteilig bei derartigen FMCW-Radarsensoren ist, dass deren Messgenauigkeit durch die von der Antennenauslegung vorgegebene Winkelauflösung begrenzt ist.In assistance systems for motor vehicles, such as the Adaptive Cruise Control System, so-called FMCW radar sensors are used. FMCW is an abbreviation for Frequency Modulated Continuous Wave and describes the operation of the radar sensor. The transmission frequency of the radar sensor is varied in a defined manner according to an example ramp-shaped frequency pattern, so that the received signal reflected by an object has a definite frequency shift as a function of the object distance and the time. From the received signal can thus be concluded clearly on the object distance or the object position and the relative speed to the object. Depending on the antenna design and the transmission frequency of the radar sensor, this typically has an angular resolution which is in the range of the half-width of the antenna lobes emitted by the antennas. As a result, detected objects can be assigned and distinguished from different azimuth angles. A disadvantage of such FMCW radar sensors is that their accuracy is limited by the predetermined by the antenna design angular resolution.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objektes mittels eines Radarsensors sowie einen entsprechenden. Radarsensor derart weiterzubilden, dass auf einfache Weise eine höhere Genauigkeit bei der Positionsbestimmung des Objektes erzielbar ist.The invention is therefore based on the object, a method for determining the position of an object by means of a radar sensor and a corresponding. Further develop radar sensor such that in a simple manner, a higher accuracy in determining the position of the object can be achieved.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch einen Radarsensor mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch die Vorgabe von mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzmustern innerhalb eines Messzyklus bzw. einer Frequenzmuster-Sequenz eine entsprechende Anzahl von zeitlich zugeordneten Empfangssignalverteilungen erzeugt werden kann, aus denen die Objektposition mit einer Winkelauflösung berechenbar ist, die höher als die durch die Antennenauslegung vorgegebene Winkelauflösung ist. Die Variation der jeweiligen Sendefrequenz führt bei FMCW-Radarsensoren zu einer Variation des Abstrahlwinkels sowie des Profils der jeweiligen Antennenkeule. Daraus ergibt sich eine entfernungsabhängige Abweichung der gemessenen Objektposition von der realen Objektposition, die bei herkömmlichen FMCW-Radarsensoren rechnerisch korrigiert wird, um die reale Objektposition zu ermitteln. Bei der Erfindung wird diese primär ungewollte Abweichung der gemessenen Objektposition von der realen Objektposition aufgrund der Variation der jeweiligen Sendefrequenz dazu genutzt, die begrenzte Winkelauflösung des Radarsensors und dementsprechend die Objekterkennungsrate zu verbessern. Der Effekt der Abweichung der gemessenen Objektposition von der realen Objektposition bei Variation der jeweiligen Sendefrequenz wird aktiv dazu genutzt, um die gemessene Objektposition abhängig von der aktuellen Sendefrequenz um einen definierten Differenzwert von der realen Objektposition abweichen zu lassen. Bei dem FMCW-Radarsensor führt die durch die Variation der Sendefrequenz erzwungene Verschiebung der gemessenen Objektposition dazu, dass die in unterschiedlichen, jedoch überlappenden Antennenbereichen gemessenen Empfangssignale deutlich unterschiedliche Werte annehmen. Die jeweilige Sendefrequenz einer Sendeantenne wird nach den Frequenzmustern variiert, wobei jedes Frequenzmuster eine eindeutige Änderung der Empfangssignalverteilung in den Empfangsantennen erzeugt. Durch die Auswertung mehrerer aufeinanderfolgender Empfangssignalverteilungen und anschließender Korrektur eines etwaigen durch das jeweilige Frequenzmuster erzeugten Winkelversatzes bei der Messung der Objektposition wird die reale Objektposition ermittelt. Die Winkelauflösung des Radarsensors kann aufgrund der Auswertung von mehreren Empfangssignalverteilungen ohne konstruktiven Zusatzaufwand deutlich verbessert werden. Dies führt auch zu einer genaueren Bestimmung der Objektdistanz, der Objektposition sowie der Relativgeschwindigkeit zu dem Objekt. Darüber hinaus kann aufgrund der Empfangssignalverteilungen genauer zwischen einem vom zu messenden Objekt resultierenden Nutzsignal und diesem überlagerten Störsignalen, wie beispielsweise Reflexionen an dem Radarsensor selbst oder Signalanteilen aufgrund von Antennennebenkeulen, unterschieden werden, da derartige Störsignale nicht oder nur schwach von den unterschiedlichen Frequenzmustern abhängig sind und sich diese dementsprechend nicht oder nur schwach in den gemessenen Empfangssignalverteilungen auswirken. Die Messgenauigkeit des FMCW-Radarsensors kann dementsprechend auf einfache Weise deutlich verbessert werden. Die Sendefrequenzen werden auch als Tx-Frequenzen bezeichnet.This object is achieved by a method having the features of
Die Messgenauigkeit des Radarsensors kann darüber hinaus noch verbessert werden, in dem die im Betrieb gemessenen Empfangssignalverteilungen mit erwarteten Soll-Empfangssignalverteilungen verglichen werden, die in einer prädiktiven Berechnung aus Kalibrierdaten des Radarsensors ermittelt werden. Hierzu werden in Kalibriermessungen die Auswirkungen der unterschiedlichen Frequenzmuster in den zugehörigen Empfangssignalverteilungen ermittelt. Derartige Kalibriermessungen finden für jeden einzelnen Radarsensor in einer Messkammer mit einem Referenzobjekt statt. Mittels dieser Kalibriermessungen werden sensorspezifische Kalibrierdaten für die frequenzabhängige Änderung des Abstrahlwinkels und für das frequenzabhängige Signal-Untergrund-Verhältnis (S/N-Verhältnis) ermittelt und abgespeichert, aus denen dann für die einzelnen Frequenzmuster Soll-Empfangssignalverteilungen berechnet werden können. Durch den Vergleich mit Soll-Empfangssignalverteilungen kann die reale Objektposition sensorspezifisch exakter ermittelt werden. Darüber hinaus kann auch die Objektausdehnung genauer berechnet werden.The measurement accuracy of the radar sensor can be further improved by comparing the received signal distributions measured during operation with expected desired received signal distributions, which are determined in a predictive calculation from calibration data of the radar sensor. For this purpose, the effects of the different frequency patterns in the associated received signal distributions are determined in calibration measurements. Such calibration measurements take place for each individual radar sensor in a measuring chamber with a reference object. By means of this Calibration measurements are determined and stored sensor-specific calibration data for the frequency-dependent change in the radiation angle and for the frequency-dependent signal-to-background ratio (S / N ratio), from which then can be calculated for each frequency pattern target received signal distributions. By comparing with desired received signal distributions, the real object position can be determined sensor-specifically more accurately. In addition, the object extent can be calculated more accurately.
Prinzipiell können mehrere unterschiedliche Frequenzmuster zu einer Benutzerdefinierten Frequenzmuster-Sequenz aneinandergereiht werden. Eine solche Sequenz kann der individuellen Codierung des Radarsensors dienen. Weiterhin werden beim Einsatz mehrerer Radarsensoren, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, die Sequenzen dazu eingesetzt, um systematische Störungen bei der FMCW-Messung zu unterdrücken und die Radarsensoren zur Vermeidung einer wechselseitigen Beeinflussung wirksam voneinander zu entkoppeln.In principle, several different frequency patterns can be strung together to form a user-defined frequency pattern sequence. Such a sequence can serve the individual coding of the radar sensor. Furthermore, the use of multiple radar sensors, for example in a motor vehicle, the sequences used to suppress systematic interference in the FMCW measurement and decouple the radar sensors to avoid mutual interference effectively from each other.
Ein Frequenzmuster nach einem der Ansprüchen 2 bis 6 gewährleistet eine hohe Flexibilität bei der Positionsbestimmung. Die Anfangsfrequenzen und/oder die Endfrequenzen der Frequenzmuster können gleiche und/oder unterschiedliche Anfangsfrequenzversätze und/oder Endfrequenzversätze aufweisen. Darüber hinaus können die Frequenzmuster einer Frequenzmuster-Sequenz gleiche und/oder unterschiedliche Frequenzverläufe aufweisen. Vorzugsweise sind die Frequenzverläufe rampenförmig. Die rampenförmigen Frequenzverläufe können gleiche und/oder unterschiedliche Steigungen aufweisen.A frequency pattern according to one of
Eine erste Frequenzmuster-Sequenz weist beispielsweise mehrere rampenförmige Frequenzverläufe auf, die jeweils gleiche Steigungen, jedoch unterschiedliche Anfangs- und Endfrequenzen haben. Die Anfangs- und Endfrequenzen weisen jeweils gleiche Anfangsfrequenzversätze und Endfrequenzversätze auf. Die Antennenkeulen der Sendeantennen überstreichen somit ausgehend von unterschiedlichen und in Abhängigkeit der Anfangsfrequenzen versetzten Anfangswinkeln im Wesentlichen identische Abstrahlbereiche in Azimutrichtung.For example, a first frequency pattern sequence has a plurality of ramped frequency responses, each having equal slopes, but different start and end frequencies. The start and end frequencies each have equal initial frequency offsets and end frequency offsets. The antenna lobes of the transmitting antennas thus cover essentially identical emission ranges in the azimuth direction starting from different initial angles which are offset in dependence on the initial frequencies.
Eine zweite Frequenzmuster-Sequenz weist beispielsweise mehrere rampenförmige Frequenzverläufe mit unterschiedlichen Steigungen auf, die ausgehend von gleichen Anfangsfrequenzen bei unterschiedlichen Endfrequenzen enden. Eine derartige Frequenzmuster-Sequenz gewährleistet eine genauere Bestimmung der Objektdistanz in Abhängigkeit der Steigung der rampenförmigen Frequenzverläufe, da ein Objekt in Abhängigkeit von seiner Objektdistanz zum Radarsensor in unterschiedlichen Abstrahlwinkeln erfasst wird.A second frequency pattern sequence has, for example, a plurality of ramp-shaped frequency characteristics with different slopes, which end, starting from the same starting frequencies at different end frequencies. Such a frequency pattern sequence ensures a more accurate determination of the object distance as a function of the slope of the ramped frequency curves, since an object is detected at different angles of emission as a function of its object distance to the radar sensor.
Eine dritte Frequenzmuster-Sequenz weist beispielsweise mehrere Frequenzmuster mit rampenförmigen Frequenzverläufen auf, die jeweils unterschiedliche Anfangsfrequenzen und unterschiedliche Steigungen haben. Durch die Kombination von unterschiedlichen Anfangsfrequenzen und unterschiedlichen Steigungen wird eine Verbesserung der Winkeltrennfähigkeit des Radarsensors erzielt. Die unterschiedlichen Anfangsfrequenzen führen zu einem konstanten Winkeloffset aller gemessenen Objekte im Erfassungsbereich. Gleichzeitig wird durch die unterschiedlichen Steigungen eine positionsabhängige Verbreiterung des gemessenen Winkelbereichs für unterschiedlich positionierte Objekte erzielt. Der Winkelbereich wird bei einer Erhöhung der Steigung also gespreizt. Da beide Effekte simultan gemessen und mathematisch separiert werden können, kann die Winkeltrennfähigkeit verbessert werden. Durch eine Erhöhung der Steigung bei nur einem Teil der Frequenzmuster kann darüber hinaus die Winkeltrennfähigkeit für einen lokalen Winkelbereich erhöht werden, wodurch eine Art Lupeneffekt erzielbar ist. Dies ist sinnvoll, wenn bei einer vorangegangenen Messung ein ausgedehntes Objekt erfasst, aber nicht in Doppel- oder Mehrfachobjekte aufgelöst werden konnte. Ein Anwendungsfall wäre beispielsweise ein ausgedehntes Objekt, bei dem ein Motorrad neben einem Lastkraftwagen angeordnet ist. Nach Messung des ausgedehnten Objektes und der ungefähren Winkelbestimmung erfolgt eine weitere Messung mit erhöhter Steigung des Frequenzmusters im interessierenden Winkelbereich.For example, a third frequency pattern sequence has a plurality of frequency patterns with ramped frequency responses, each having different initial frequencies and different slopes. The combination of different initial frequencies and different gradients improves the angular separation capability of the radar sensor. The different initial frequencies lead to a constant angular offset of all measured objects in the detection range. At the same time a position-dependent broadening of the measured angular range for differently positioned objects is achieved by the different slopes. The angular range is thus spread at an increase in the slope. Since both effects can be simultaneously measured and mathematically separated, the angular separation capability can be improved. By increasing the slope in only a part of the frequency pattern beyond the angular separation capability for a local angle range can be increased, whereby a kind of magnifying effect can be achieved. This is useful if a large object was detected in a previous measurement, but could not be resolved into double or multiple objects. An application would be, for example, a large object in which a motorcycle is placed next to a truck. After measuring the extended object and the approximate angle determination, a further measurement with increased slope of the frequency pattern takes place in the angular range of interest.
Darüber hinaus kann durch das erfindungsgemäße Verfahren der Arbeitspunkt des Radarsensors in einen Frequenzbereich mit einem optimalen Signal-Untergrund-Verhältnis (S/N-Verhältnis) verschoben werden. Radarsensoren unterliegen bei der Fertigung einer Exemplarstreuung, so dass nicht jeder einzelne Radarsensor bei seiner Design-Sendefrequenz auch gleichzeitig das optimale S/N-Verhältnis aufweist. Indem die Anfangsfrequenzen der Frequenzmuster um einen definierten Anfangsfrequenzversatz verschoben werden und die frequenzbedingte Verschiebung der jeweiligen Antennenkeule mechanisch gegenkompensiert wird, kann durch einen Vergleich der zu den Frequenzmustern gehörigen Empfangssignale eine frequenzbedingte Änderung des S/N-Verhältnisses bestimmt werden. Auf diese Weise kann das optimale S/N-Verhältnis ermittelt und der Radarsensor dementsprechend mit seinen Sendefrequenzen in dem zugehörigen Frequenzbereich betrieben werden. Die Detektionsschwelle für ein Objekt wird primär durch das S/N-Verhältnis bestimmt, so dass bei einem Betrieb mit optimalem S/N-Verhältnis die Detektionsschwelle erniedrigt werden kann und dementsprechend zu detektierende Objekte besser erfasst werden können.Moreover, by the method according to the invention, the operating point of the radar sensor can be shifted into a frequency range with an optimum signal-to-background ratio (S / N ratio). Radar sensors are subject to a sample scattering during production, so that not every single radar sensor also has the optimum S / N ratio at its design transmission frequency. By the initial frequencies of the frequency patterns are shifted by a defined initial frequency offset and the frequency-related displacement of the respective antenna lobe is mechanically counter-compensated, a frequency-dependent change of the S / N ratio can be determined by comparing the received signals belonging to the frequency patterns. In this way, the optimum S / N ratio can be determined and the radar sensor can accordingly be operated with its transmission frequencies in the associated frequency range. The detection threshold for an object is determined primarily by the S / N ratio, so that when operating with an optimal S / N ratio, the detection threshold can be lowered and accordingly objects to be detected can be better detected.
Ein Verfahren nach Anspruch 7 gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit bei der Positionsbestimmung des Objektes.A method according to
Ein Verfahren nach Anspruch 8 gewährleistet eine hohe Flexibilität bei der Kombination von unterschiedlichen Frequenzmustern zu einer Frequenzmuster-Sequenz.A method according to
Ein Verfahren nach Anspruch 9 gewährleistet eine gleichmäßig hohe Messgenauigkeit des Radarsensors im gesamten Abstrahlbereich.A method according to
Ein Verfahren nach Anspruch 10 ermöglicht eine Anpassung der Messgenauigkeit in Abhängigkeit von im Abstrahlbereich detektierten Objekten. Wird beispielsweise in einem bestimmten Winkelbereich ein Objekt detektiert, so können die für diesen Winkelbereich vorgesehenen Sendeantennen gegenüber den restlichen Sendeantennen mit anderen Frequenzmuster-Sequenzen betrieben werden, um die Messgenauigkeit des Radarsensors gezielt für das detektierte Objekt zu erhöhen.A method according to
Ein Assistenzsystem nach Anspruch 12 stellt eine vorteilhafte Anwendung dar.An assistance system according to
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of several embodiments. Show it:
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
Die Antennen
Der Radarsensor
Die Antennen
Zum Ausrichten des Abstrahlbereichs
Für den Abstrahlwinkel β in der x-y-Abstrahlebene gilt folgende Abhängigkeit von der Sendefrequenz f:
- n
- die Beugungsordnung,
- c
- die Lichtgeschwindigkeit,
- f
- die Sendefrequenz,
- a
- der Abstand benachbarter Gitterlinien des
Gitters 21 , - α
- der Einfallswinkel der Radarwelle und
- β
- der Abstrahlwinkel der gebeugten Radarwelle ist.
- n
- the diffraction order,
- c
- the speed of light,
- f
- the transmission frequency,
- a
- the distance between adjacent grid lines of the
grid 21 . - α
- the angle of incidence of the radar wave and
- β
- is the angle of emission of the diffracted radar wave.
Der Einfallswinkel α in der x-y-Abstrahlebene ist in
Die Steuereinheit
Die Frequenzmuster-Sequenzen S werden durch mehrere aufeinanderfolgende Frequenzmuster F gebildet, die im Einzelnen mit F1 bis F4 bezeichnet werden. Die Frequenzmuster F1 bis F4 haben jeweils eine Anfangsfrequenz F1A bis F4A und eine zugehörige Endfrequenz F1E bis F4E. Zeitlich benachbarte Frequenzmuster F weisen gleiche Anfangsfrequenzversätze ΔFA und gleiche Endfrequenzversätze ΔFE auf. Der zwischen den Anfangsfrequenzen FA und den Endfrequenzen FE liegende zeitliche Frequenzverlauf FV ist rampenförmig bzw. linear und wird für die einzelnen Frequenzmuster F1 bis F4 mit F1V bis F4V bezeichnet. Die Frequenzverläufe FV weisen eine einheitliche Steigung s auf. Die Frequenzmuster F weisen weiterhin eine einheitliche zeitliche Länge Δt auf.The frequency pattern sequences S are formed by a plurality of successive frequency patterns F, which are designated in detail by F 1 to F 4 . The frequency patterns F 1 to F 4 each have an initial frequency F 1A to F 4A and an associated end frequency F 1E to F 4E . Time-adjacent frequency patterns F have the same initial frequency offsets ΔF A and the same final frequency offsets ΔF E. The temporal frequency curve F V lying between the initial frequencies F A and the end frequencies F E is ramp-shaped or linear and is denoted by F 1V to F 4V for the individual frequency patterns F 1 to F 4 . The frequency curves F V have a uniform slope s. The frequency patterns F continue to have a uniform time length .DELTA.t.
Zur Positionsbestimmung eines zu messenden Objektes
Die Funktionsweise des Radarsensors
Allen Antennen
All
Mittels der Auswerteeinheit
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf
Prinzipiell können alle Antennen
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