DE10200945B4 - Verfahren zum automatischen Korrigieren von Ausgangswerten eines Abstandssensors bei einem Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum automatischen Korrigieren von Ausgangswerten eines Abstandssensors bei einem Fahrzeug, das sich auf einer Bahn fortbewegt, das die Schritte umfasst:
Aussenden wenigstens eines elektromagnetischen Pulses durch den Abstandssensor,
Erfassen einer Amplitude eines von einem Gegenstand reflektierten elektromagnetischen Reflexionssignals, das durch den wenigstens einen elektromagnetischen Puls erzeugt wurde, in Abhängigkeit von einem Winkel gegenüber einer Abstandssensorachse,
Ermitteln eines Querabstandes des Gegenstands von der Bahn des Fahrzeugs in Abhängigkeit von der Laufzeit und der Amplitude des Reflexionssignals und dem Winkel,
Vergleichen von mehreren Querabstandswerten und Ermitteln eines Korrekturwinkels für den Abstandssensor aus dem Vergleichsergebnis,
wobei das Vergleichen der mehreren Querabstandswerte das Bestimmen einer Regressionskurve umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regressionskurve mehrdimensional ist und die Regressionsparameter in Abhängigkeit von den Bahnparametern der Bahn des Fahrzeugs bestimmt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Korrigieren von Ausgangswerten eines Abstandssensors bei einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Ein Verfahren zur Überwachung der Dejustage eines Abstandssensors an einem Fahrzeug ist beispielsweise aus der DE 100 19 182 A1 bekannt. Aus der DE 196 10 351 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Strahlachsenkorrekturwertes einer Kraftfahrzeug-Radarvorrichtung bekannt. Die DE 197 51 004 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Verarbeitung von Radarsignalen und zur Ermittlung einer Fehlausrichtung einer Kraftfahrzeug-Radaranordnung. Diese bekannten Verfahren sind insbesondere bei Kurvenfahrt und hinsichtlich ihres Automatisierungsgrades nicht ausreichend genau.
  • Für die korrekte Funktion von Fahrerassistenzsystemen, die auf Sensoren basieren, die Informationen über den umgebenden Verkehr liefern, ist die Justage dieser Sensoren von entscheidender Bedeutung. Ein Beispiel für ein derartiges System ist der abstandsgeregelte Tempomat ACC. Im allgemeinen ist es erforderlich, dass die Sensorachse parallel zur Fahrtrichtung steht. Ein solcher Sensor wird als justiert bezeichnet. Erkennt das System automatisch eine Dejustage des Sensors, so können die Positionen der vom Sensor detektierten Objekte im nachhinein korrigiert werden, oder bei Überschreiten eines kritischen Grenzwertes kann sich das System selbständig abschalten.
  • Ein bekanntes Messprinzip zur Dejustageerkennung beruht auf der Tatsache, dass bei einem ideal justierten Radarsensor die gemessenen Querabstände eines stationären Ziels für alle Abstände zu diesem Ziel den gleichen Wert haben (abgesehen vom unvermeidlichen Messrauschen). Bedingung dafür ist aber, dass sich das Sensorfahrzeug auf einer Geraden bewegt. Nähert sich hingegen ein Fahrzeug mit einem dejustierten Sensor geradlinig einem Standziel, so weichen die gemessenen Querabstände zunächst vom Idealwert q0 = yZ – y0 ab, den ein justierter Sensor messen würde. Im Laufe der Annäherung werden diese Abweichungen immer kleiner. Der tatsächliche Querabstand wird also mittels linearer Regression aus einer Folge von fortlaufend errechneten Querabstandswerten extrapoliert.
  • Als nachteilig hat sich bei diesem Stand der Technik herausgestellt, dass die Grenzen der Methode der linearen Regression erreicht sind, wenn das Sensorfahrzeug von der geradlinigen Bewegung abweicht. Eine nicht-geradlinige Bewegung des Fahrzeugs führt dazu, dass selbst bei einem ideal justierten Sensor der gemessene Querabstand eines Standziels in Abhängigkeit des Messabstandes schwankt, da sich die horizontale Blickrichtung des Radarsensors im Laufe der Zeit verändert. Über die oben beschriebene Methode der linearen Regression kann der Korrekturwinkel nicht mehr bestimmt werden.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem Ausgangswerte eines Abstandssensors eines Kraftfahrzeuges auch dann automatisch korrigiert werden, wenn sich das Fahrzeug nicht geradlinig fortbewegt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum automatischen Korrigieren von Ausgangswerten eines Abstandssensors bei einem Fahrzeug nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die tatsächliche Bahn des Fahrzeugs in einem Modell zu beschreiben. Das Modell weist Parameter auf, die neben dem unbekannten Querabstand q0 und dem unbekannten Korrekturwinkel δ als weitere Bahnparameter ermittelt werden. Anhand des Modells für die Bahnkurve des Fahrzeugs und für den Querabstand des Standziels als Bezugspunkt werden die optimalen Parameter in dem Modell nach der Methode der kleinsten quadratischen Abweichung ermittelt, so dass sich daraus Korrekturgrößen für die Messwerte des Abstandssensors ergeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum automatischen Korrigieren von Ausgangswerten eines Abstandssensors bei einem Fahrzeug, das sich auf einer Bahn fortbewegt, das die Schritte umfasst: Aussenden wenigstens eines elektromagnetischen Pulses durch den Abstandssensor, Erfassen einer Amplitude eines von einem Gegenstand reflektierten elektromagnetischen Reflexionssignals, das durch den wenigstens einen elektromagnetischen Puls erzeugt wurde, in Abhängigkeit von einem Winkel gegenüber einer Abstandssensorachse, Ermitteln eines Querabstandes des Gegenstands von der Bahn des Fahrzeugs in Abhängigkeit von der Laufzeit und der Amplitude des Reflexionssignals und dem Winkel, Vergleichen von mehreren Querabstandswerten und Ermitteln eines Korrekturwinkels für den Abstandssensor aus dem Vergleichsergebnis, wobei das Vergleichen der mehreren Querabstandswerte das Bestimmen einer Regressionskurve umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass Regressionskurve mehrdimensional ist und die Regressionsparameter in Abhängigkeit von den Bahnparametern der Bahn des Fahrzeugs bestimmt werden.
  • Insbesondere wird als Bahn des Fahrzeugs eine Funktion y(x) = yA·sin(ω·x + γ0) mit einer Amplitude, einer Schlingerfrequenz und einem Anfangszustand als Bahnparameter angenommen wird.
  • Vorzugsweise wird ein Korrekturwinkel des Abstandssensors ermittelt, indem eine Gütefunktion χ2(q0, δ, yA, ω, γ0) minimiert wird, die von einem angenommenen Querabstand, dem Korrekturwinkel und mehreren Bahnparametern abhängt.
  • Besonders bevorzugt erfolgt die Minimierung der Gütefunktion χ2(q0, δ, yA, ω, γ0) iterativ mittels Marquardt-Levenberg- Algorithmus.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Erkennung einer Dejustage gegenüber Schwankungen in der Fahrzeugbewegung robust ist, so dass bereits die Auswertung einer einzelnen Standzieltrajektorie einen genauen Korrekturwinkel liefert. Damit können bisher nicht mögliche Anwendungen realisiert werden, nämlich eine schnelle Erkennung einer Dejustage, z.B. nach einem Parkrempler, und die Qualitätsüberprüfung der Anlagen zur Sensorjustage in der Produktion auf einer Referenzstrecke.
    •
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
  • 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einem dejustierten Abstandssensor auf einer geradlinigen Bahn.
  • 2 dient zur Erläuterung der Auswertung einer Folge von mit einem dejustierten Abstandssensor gewonnenen Abstandswerten nach dem Stand der Technik.
  • 3 zeigt die erfindungsgemäße Auswertung von Messsignalen eines dejustierten Abstandssensors.
  • In 1 ist ein Fahrzeug 1 gezeigt, das einen Abstandssensor umfasst. Von dem Abstandssensor wird wenigstens ein elektromagnetischer Puls ausgesendet. Die Amplitude eines von einem Gegenstand 3 reflektierten elektromagnetischen Reflexionssignals, das durch den wenigstens einen elektromagnetischen Puls erzeugt wurde, wird in Abhängigkeit von einem Winkel gegenüber einer Abstandssensorachse 4 erfasst.
  • Der Abstandssensor kann eine rotierende Radarantenne sein, über die ein kurzer Radarpuls ausgesendet und empfangen wird. Je nach Winkelstellung der rotierenden Antenne in der Fahrbahnebene lässt sich die Richtung ermitteln, aus der das Signal am stärksten reflektiert wird. Aus der Laufzeit des Reflexionssignals ergibt sich somit der Abstand des Gegenstandes von dem Fahrzeug. Aus diesem Gesamtabstand und dem Winkel, unter dem die maximale Amplitude erfasst wurde, lässt sich darüber hinaus ein Querabstandes q des Gegenstandes von der Bahn des Fahrzeugs errechnen.
  • Das gleiche Messverfahren lässt sich aber auch mit anderen Radargeräten durchführen. Beispielsweise können statt einer rotierenden Radarantenne mehrere, z.B. 3 fest installierte Antennen verwendet werden, deren jeweilige Hauptkeulenachsen paarweise einen Winkel miteinander einschließen. Das Messprinzip ist in diesem Fall das gleiche wie oben.
  • Entscheidend für die Berechnung des Querabstandes des Gegenstandes 3 ist es, dass die Abstandssensorachse 4 mit der Symmetrieachse 2 des Fahrzeugs 1 zusammenfällt. Um eventuelle Dejustagewinkel δr zwischen der Abstandssensorachse 4 und der Symmetrieachse 2 des Fahrzeugs 1 zu erkennen zu können und die errechneten Querabstandswerte korrigieren zu können, werden Querabstandswerte an mehreren Fahrpositionen errechnet und zwischengespeichert.
  • Aus dem Vergleich der Folge von Querabstandswerten wird der Dejustagewinkel δr bestimmt. In 2 ist gezeigt, wie aus der Folge von einzelnen Querabstandswerten 5 ein Korrekturwinkel δr für den Abstandssensor ermittelt wird. Auf der Ordinatenachse ist der ermittelte Querabstand aufgetragen (z.B. in Metern), auf der Abszisse ist die Zeit der Messung und Berechnung aufgetragen (z.B. in Sekunden).
  • Die Querabstandswerte 5 werden zeitlich als Messpunkte aufgetragen. Anschließend wird eine lineare Regression durchgeführt, d.h. durch die Messpunkte wird eine Regressionsgerade 6 gelegt.
  • Der gemessene Querabstand gmess setzt sich aus dem Idealwert q0 und einem zweiten Antil qdeju zusammen, der durch den Korrekturwinkel δ verursacht wird: qdeju ≈ δ·Zielabstand (gültig für kleine Winkel), also insgesamt: gmess = q0 + δ·Zielabstand + Messrauschen.
  • Der gemessene Querabstand qmess hängt also linear vom Zielabstand ab, wobei der Korrekturwinkel δ die Steigung bestimmt. Für das Vorzeichen für δ gilt folgende Konvention:
    δ < 0°: Dejustage nach links; δ > 0°: Dejustage nach rechts.
  • Durch N Messpunkte, die sich aus den gemessenen Abständen zum Standziel dmess(i) und aus den gemessenen Querabständen des Standziels gmess(i) zusammensetzen (i = 1,..., N), wird eine Ausgleichsgerade gelegt. Die Steigung dieser Regressionsgerade entspricht dem Tangens des geschätzten Korrekturwinkels δr. Für den Spezialfall eines ideal justierten Sensors, würde man eine waagrechte Ausgleichsgerade erhalten, was einem Korrekturwinkel von Null Grad entspricht. Der Ordinatenabschnitt der Geraden entspricht dem Querabstand q0 des Standziels, den ein ideal justierter Sensor messen würde.
  • Bei der Berechnung der Regressionsgeraden wird angenommen, dass das Winkelrauschen des Sensors unabhängig vom Abstand des Standzieles ist, das Rauschen des gemessenen Querabstandes ist somit proportional zu diesem Abstand (gültig für kleine Winkel). Aus den Zwischengrößen S = Σ(1/(dmess(i))2) SX = Σ(1/dmess(i)) SY = Σ(qmess(i)/(dmess(i))2) SXY = Σ(qmess(i)/dmess(i)) SXX = N können die Parameter der Regressionsgeraden δ = arctan[(S·SXY – SX·SY)/(S·SXX – SX·SX)] q0_r (SXX·SY – SX·SXY)/(S·SXX – SX·SX),berechnet werden, wobei δr der Winkel der Steigung der Geraden ist und q0_1 der ermittelte Querabstand ist.
  • Als Ergebnis erhält man einerseits wie gewünscht den Dejustagewinkel δr der Abstandssensorachse 4. Dieser Dejustagewinkel δr fließt in die spätere Bearbeitung der Ausgangssignale des Abstandssensors als Korrekturwinkel δr ein. Andererseits erhält man aus der Darstellung in 1 den korrekten Querabstand q0 des Gegenstandes 3 von der Bahn, auf der sich das Fahrzeug fortbewegt. Der korrekte Querabstand q0 ist der Schnittpunkt der Regressionsgeraden mit der Auerabstandsachse bei der Zeit Null. In 1 ist sowohl dieser korrekte Querabstandswert q0 als auch der gemessene falsche Querabstand q gezeigt.
  • Um das bisher bekannte Verfahren auch für die Fortbewegung des Fahrzeugs auf einer gekrümmten Bahn anwendbar zu machen, wird das Verfahren dahingehend erweitert, dass erfindungsgemäß die Regression mehrdimensional durchgeführt wird. Mit anderen Worten, es wird eine mehrdimensionale Regressionskurve 13 an die Messwerte angelegt, deren Regressionsparameter von den Bahnparametern der Bahn des Fahrzeugs abhängen. Die Regressionsparameter werden durch die Methode der kleinsten quadratischen Abweichung optimiert. Ein besonders elegantes Verfahren zur Optimierung der Regressionsparameter, das auf der Einführung eine Gütefunktion beruht, wird weiter unten erläutert.
  • Bei dem erfindungsgemäß erweiterten Regressionsmodell wird nicht nur der Korrekturwinkel geschätzt, sondern es werden auch die Parameter der nichtlinearen Bewegung geschätzt. Dazu wird folgendes Modell für die Bahnkurve des Fahrzeugs angenommen: y(x) = yA·sin(ω·x + γ0),yA ist die Amplitude der Bewegung, ω die Schlingerfrequenz, und γ0 legt den Anfangszustand der Bewegung fest.
  • Dieses Modell ist sowohl für die Beschreibung von Schlingerfahrten als auch von Kurvenfahrten geeignet. Es lassen sich jedoch in Spezialfällen Näherungen einführen. Wenn beispielsweise für den Anfangszustand γ0 = 90° gilt und |ω·x| klein ist, kann eine an sich bekannte Parabelnäherung der Kurve vorgenommen werden: y(x) ≈ yA·(1 – ½·(ω·x)2)).
  • Für den Querabstand eines Standziels wird folgendes Modell zugrunde gelegt: qModell(x) = q0 + δ·x – α(x)·x – y(x) = q0 + δ·x – yA·ω·cos((ω·x +γ0)·x – yA·sin(ω·x + γ0).
  • Im Gegensatz zur linearen Regression müssen nun nicht nur der unbekannte Querabstand q0 und der unbekannte Korrektunnrinkel δ ermittelt werden, sondern auch die unbekannten Bahnparameter yA, ω und γ0. Die optimalen Parameter sind dann gefunden, wenn der Unterschied zwischen den gemessenen Querabständen und den aus dem Modell berechneten Querabständen am kleinsten ist. Dazu wird die Gütefunktion χ2 eingeführt, die ein Maß für diesen Unterschied repräsentiert. Dabei werden die einzelnen Messpunkte durch ihren Fehler σi gewichtet: χ2(q0, δ, yA, ω, γ0) = Σi=1..N((qmess(i) – gModell(dmess(i)))/σi)2
  • Mit anderen Worten, es wird das globale Minimum der Funktion χ2 bezüglich q0, δ, yA, ω, γ0 bestimmt. Da die Parameter yA, ω und γ0 nicht-linear im Modell vorliegen, gibt es keine direkte Berechnungsvorschrift wie im Falle der linearen Regression, sondern die Minimumsuche erfolgt iterativ z.B. über den Marquardt-Levenberg-Algorithmus.
  • Dieses Verfahren wurde auf die Daten einer simulierten Schlingerfahrt angewandt. Die Messdaten 7 sind in 3 dargestellt. Die Messdaten wurden bei einer Schwankungsamplitude des Fahrzeugs von 20 cm und einer Kurvenfahrt mit einem Radius R = 50 km aufgenommen. Die Messdaten weisen ein Gaußverteiltes Rauschen für Abstand und Winkel mit den Standardabweichungen σx = 1,0 m und σφ= 0,3° auf.
  • Wendet man die Methode der linearen Regression auf diese Daten an, so ergibt sich die Regressionsgerade 8 mit einem Korrekturwinkel von 0,74°. Um zu besseren Schätzwerten zu gelangen, wird deshalb über die Einzelergebnisse sehr vieler Standzieltrajektorien gemittelt, so dass sich die Kurve 9 ergibt. Ein Nachteil der Mittelwertbildung sehr vieler Standzieltrajektorien besteht darin, dass dies im allgemeinen sehr lange Messzeiten bis zu einigen Stunden erfordert. Außerdem ist der gewonnenen Mittelwert 9 meist immer noch stark fehlerbehaftet.
  • Erfindungsgemäß wird daher das oben erläuterte Verfahren angewendet, was zu einer nicht-linearen Ausgleichskurve 10 führt, die einen Korrekturwinkel von 0,31 ° ergibt. Während beim Stand der Technik bereits minimale Abweichungen von der geradlinigen Bewegung zu groben Fehlschätzungen des Korrekturwinkels führen, stimmt der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Korrekturwinkel mit 0,31° hervorragend mit dem vorgegebenen Korrekturwinkel überein, der 0,3° betrug.
    • 1
    Fahrzeug
    2
    Fahrzeugsymmetrieachse
    3
    Gegenstand, Fixpunkt für Eichung, 3a erster Gegenstand, 3b zweiter
    Gegenstand
    4
    Abstandssensorachse
    5
    ermittelte Querabstandswerte
    6
    Ausgleichsgerade
    7
    (verrauschtes) Messsignal des Querabstandes, Rohdaten
    8
    Regressionsgerade durch verrauschtes Querabstandssignal
    9
    Bemitteltes Querabstandssignal
    10
    nicht-lineare Ausgleichskurve

Claims (4)

  1. Verfahren zum automatischen Korrigieren von Ausgangswerten eines Abstandssensors bei einem Fahrzeug, das sich auf einer Bahn fortbewegt, das die Schritte umfasst: Aussenden wenigstens eines elektromagnetischen Pulses durch den Abstandssensor, Erfassen einer Amplitude eines von einem Gegenstand reflektierten elektromagnetischen Reflexionssignals, das durch den wenigstens einen elektromagnetischen Puls erzeugt wurde, in Abhängigkeit von einem Winkel gegenüber einer Abstandssensorachse, Ermitteln eines Querabstandes des Gegenstands von der Bahn des Fahrzeugs in Abhängigkeit von der Laufzeit und der Amplitude des Reflexionssignals und dem Winkel, Vergleichen von mehreren Querabstandswerten und Ermitteln eines Korrekturwinkels für den Abstandssensor aus dem Vergleichsergebnis, wobei das Vergleichen der mehreren Querabstandswerte das Bestimmen einer Regressionskurve umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Regressionskurve mehrdimensional ist und die Regressionsparameter in Abhängigkeit von den Bahnparametern der Bahn des Fahrzeugs bestimmt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bahn des Fahrzeugs eine Funktion y(x) = yA·sin(ω·x + γ0) mit einer Amplitude (yA), einer Schlingerfrequenz (ω) und einem Anfangszustand (γ0) als Bahnparameter angenommen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwinkel (δ) des Abstandssensors ermittelt wird, indem eine Gütefunktion χ2(q0, δ, yA, ω, γ0) minimiert wird, die von einem angenommenen Querabstand (q0), dem Korrekturwinkel (δ) und mehreren Bahnparametern (yA, ω, γ0) abhängt.
  4. Verfahren nach Anspruch3, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimierung der Gütefunktion χ2(q0, δ, yA, ω, γ0) iterativ mittels Marquardt-Levenberg- Algorithmus erfolgt.
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