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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit mehreren baugleichen, auf das Umfeld des Kraftfahrzeugs gerichteten Radarsensoren, wobei die Radarsensoren jeweils eine Antennenanordnung aufweisen, die eine Winkelmessung ausschließlich in einer ersten Ebene bezüglich des Radarsensors erlaubt oder in der ersten Ebene eine bessere Winkelauflösung als in einer zweiten, hierzu senkrechten Ebene ermöglicht.
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Die Verwendung von Radarsensoren in Kraftfahrzeugen ist im Stand der Technik bereits weitgehend bekannt. Radarsensoren werden heutzutage meist als Umfeldsensoren für einen mittleren und größeren Distanzbereich eingesetzt, um andere Verkehrsteilnehmer oder größere Objekte in Distanz, Winkel und Relativgeschwindigkeit bestimmen zu können. Derartige Radardaten können in Umfeldmodelle eingehen oder auch unmittelbar Fahrzeugsystemen zur Verfügung gestellt werden. Nutzen aus Radardaten ziehen im bekannten Stand der Technik beispielsweise Längsführungssysteme, wie ACC, oder auch Sicherheitssysteme. Auch die Nutzung von Radarsensoren im Innenraum des Kraftfahrzeugs wurde bereits vorgeschlagen.
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Radarsensoren herkömmlicher Bauart weisen meist eine größere Ausdehnung auf und sind eher klobig, nachdem die Antennen sowie die unmittelbar an der Antenne benötigten Elektronikkomponenten, also das Radar-Frontend, in einem Gehäuse integriert sind. Hauptsächlich bilden die Elektronikkomponenten dabei den Radar-Transceiver, der eine Frequenzsteuerung (üblicherweise umfassend eine Phasenregelschleife - PLL), Mischeinrichtungen, einem Low Noise Amplifier (LNA) und dergleichen enthält, oft werden jedoch auch Steuermodule und digitale Signalverarbeitungskomponenten antennennah realisiert, beispielweise um bereits aufbereitete Sensordaten, beispielsweise Objektlisten, auf einen angeschlossenen Bus, beispielsweise einen CAN-Bus, geben zu können.
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Die Realisierung von Radarkomponenten auf Halbleiterbasis erwies sich lange Zeit als schwierig, da teure Spezialhalbleiter, insbesondere GaAs, benötigt wurden. Es wurden kleinere Radarsensoren vorgeschlagen, deren gesamtes Radar-Frontend auf einem einzigen Chip in SiGe-Technologie realisiert ist, ehe auch Lösungen in der CMOS-Technologie bekannt wurden. Solche Lösungen sind Ergebnis der Erweiterung der CMOS-Technologie auf Hochfrequenzanwendungen, was oft auch als RF-CMOS bezeichnet wird. Ein solcher CMOS-Radarchip ist äußerst kleinbauend realisiert und nutzt keine teuren Spezialhalbleiter, bietet also vor allem in der Herstellung deutliche Vorteile gegenüber anderen Halbleitertechnologien. Eine beispielhafte Realisierung eines 77 GHz-Radar-Transceivers als ein CMOS-Chip ist in dem Artikel von Jri Lee et al., „A Fully Integrated 77-GHz FMCW Radar Transceiver in 65-nm CMOS Technology“, IEEE Journal of Solid State Circuits 45 (2010), S. 2746-2755, beschrieben.
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Nachdem zudem vorgeschlagen wurde, den Chip und die Antenne in einem gemeinsamen Package zu realisieren, ist ein äußerst kostengünstiger kleiner Radarsensor möglich, der Bauraumanforderungen deutlich besser erfüllen kann und aufgrund der kurzen Signalwege auch ein sehr niedriges Signal-Zu-Rausch-Verhältnis aufweist sowie für hohe Frequenzen und größere, variable Frequenzbandbreiten geeignet ist. Daher lassen sich derartige, kleinbauende Radarsensoren auch für Kurzreichweiten-Anwendungen, beispielsweise im Bereich von 30 cm bis 10 m, einsetzen.
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Es wurde auch bereits vorgeschlagen, einen solchen CMOS-Transceiver-Chip und/oder ein Package mit CMOS-Transceiver-Chip und Antenne auf einer gemeinsamen Leiterplatte mit einem digitalen Signalverarbeitungsprozessor (DSP-Prozessor) vorzusehen oder die Funktionen des Signalverarbeitungsprozessors ebenso in den CMOS-Transceiver-Chip zu integrieren. Eine ähnliche Integration ist für Steuerungsfunktionen möglich.
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Es ist bekannt, in Kraftfahrzeugen eine Mehrzahl von Radarsensoren zur Umfelderfassung einzusetzen. Beispielsweise können Radardaten der Radarsensoren für Fahrzeugsysteme wie Einparkhilfen, Totwinkelwarner, Sicherheitssysteme und Stop-and-Go-Systeme genutzt werden. Moderne, auf Halbleitertechnologie basierende Radarsensoren werden dabei häufig verdeckt innerhalb des Kraftfahrzeugs verbaut, beispielsweise innerhalb eines Stoßfängers in beziehungsweise hinter einem für Radarstrahlung durchlässigen Bauteil, beispielsweise einer Kunststoffabdeckung.
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Für die meisten Anwendungen, in denen Radardaten benötigt werden, ist es ausreichend, den Winkel im Azimut, also in der horizontalen Ebene, zu vermessen. Beispielsweise sollen bei einem Spurwechselassistenzsystem überholende Verkehrsteilnehmer detektiert werden, um den Fahrer bei einem kritischen Spurwechsel warnen zu können. Auch bei längsführenden Assistenzsystemen, beispielsweise ACC-Systemen, werden Abstand und Winkel zum vorderen bewegten Objekt gemessen und die ermittelten Daten entsprechend verwendet.
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Neue, moderne Anwendungsvorschläge für Radardaten benötigen idealerweise Informationen in drei Dimensionen, so dass auch eine Winkelmessung in der Elevation, also in der vertikalen Ebene, gewünscht wird. Hierfür wurde vorgeschlagen, die Antennenanordnungen der Radarsensoren so auszubilden, dass neben Antennenelementen für die horizontale Winkelmessung im Azimut auch Antennenelemente für die Elevations-Winkelmessung vorgesehen werden, was zu einem größeren Aufwand und einem komplexeren Aufbau der Antennenanordnung führt, um mit einem Radarsensor gleichzeitig im Azimut und in der Elevation eine Winkelmessung vornehmen zu können. Häufig wird dabei in einer der beiden Ebenen, insbesondere in der Elevation, eine Einbuße in der Winkelauflösung akzeptiert.
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DE 101 46 712 A1 offenbart eine Einparkhilfsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, bei der vorgeschlagen wird, zwei Abstands-Sensoren zu verwenden, die zusammen eine „Kreuzkeule“ erzeugen. Dabei soll ein Sensor in horizontaler Richtung eine schmale und in vertikaler Richtung eine breite Strahlkeule aufweisen, die als Fläche angenähert werden kann, deren Normale horizontal in Fahrtrichtung verläuft. Der andere Sensor weist dieselbe geometrische Konfiguration auf, jedoch um 90° verdreht. Damit soll eine Messgenauigkeit für die Parklückenlänge wesentlich weniger durch unterschiedliche geometrische Parklücken-Begrenzungsformen beeinflusst werden. Dabei soll beispielsweise genutzt werden, dass ein Sensor über Objekte hinwegsehen kann. Über Rückstreuintensitäten können Formen unterschieden werden.
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DE 10 2006 007 150 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Parklückenvermessung. Dabei wird ein Sensorsystem verwendet, das wenigstens zwei zueinander geneigte Messebenen aufweist, wobei beide Messebenen gegen die horizontale Lage der Fahrbahnebene geneigt sind und einen von der horizontalen Lage der Fahrbahnebene abweichenden Winkel aufweisen. Dabei geht es ersichtlich, wie aus den Figuren hervorgeht, um verschiedene Möglichkeiten überlappender, flacher, unterschiedlich orientierter Erfassungsbereiche, wobei auch Radarantennen, die schmal fokussiert sind, eingesetzt werden können. Damit soll erreicht werden, ein dreidimensionales Abbild der Fahrzeugumgebung in besonders einfacher Weise zu erhalten.
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DE 10 2015 004 468 A1 betrifft die Ermittlung der Positionen von Felgen anderer Kraftfahrzeuge, um eine relative Orientierung zu ermitteln. Dabei können auf Halbleitertechnologie basierende Radarsensoren eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach und aufwandsarm zu realisierende Möglichkeit zur dreidimensionalen Erfassung des Umfelds eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Erfindungsgemäß wird mithin vorgeschlagen, baugleiche Radarsensoren geschickt anzuordnen, so dass ihre Einbauorientierung unterschiedlich ist und somit ihre ersten Ebenen unterschiedlich liegen, mithin eine Winkelmessung in unterschiedlichen ersten Ebenen ermöglicht wird. Dabei wird es bevorzugt, wenn wenigstens ein erster Teil der Radarsensoren so verbaut sind, dass die erste Ebene eine Azimutalebene ist und ein weiterer Teil der Radarsensoren so verbaut ist, dass die erste Ebene eine Elevationsebene ist. Mithin kann durch die unterschiedliche Einbauausrichtung eine kombinierte Azimut- und Elevationsmessfähigkeit kostengünstig realisiert werden, insbesondere, indem in Umfangsrichtung des Kraftfahrzeugs alternierend Radarsensoren aufeinanderfolgen, bei denen eine gute Winkelmessfähigkeit im Azimut und eine gute Winkelmessfähigkeit in der Elevation gegeben ist. Letztlich wird ein Teil der Radarsensoren mithin um 90° gedreht gegenüber den anderen Radarsensoren eingebaut, so dass diese Drehung auch für die Antennenanordnungen gilt und mithin die ersten Ebenen um 90° gegeneinander verdreht sind. So können bereits bekannte, gängige Radarsensoren, insbesondere Radarsensoren, die in Halbleitertechnologie, bevorzugt CMOS-Technologie, realisiert sind, genutzt werden, um hinreichende Messfähigkeiten sowohl im Azimut als auch in der Elevation zu erreichen, ohne dass aufwendige und komplexe Modifizierungen nötig werden, insbesondere bezüglich der Antennenanordnung. Damit wird es auf einfache Weise ermöglicht, das Umfeld des Kraftfahrzeugs dreidimensional zu erfassen. Bevorzugt weisen dabei, allgemein gesagt, die Erfassungsbereiche benachbarter, gegeneinander verdreht verbauter Radarsensoren einen Überlappungsbereich auf, in dem eine hervorragende dreidimensionale Erfassung gegeben ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn von jeweils zwei einen wenigstens teilweise überlappenden Erfassungsbereich aufweisende und/oder in Umfangsrichtung des Kraftfahrzeugs unmittelbar aufeinanderfolgend verbauten Radarsensoren einer dem ersten Teil und einer dem zweiten Teil der Radarsensoren angehört. Das bedeutet, es folgen in Umfangsrichtung immer ein Radarsensor mit guter Winkelauflösung in der Elevation und ein Radarsensor mit guter Winkelauflösung im Azimut aufeinander, wobei die Erfassungsbereiche der Radarsensoren einen Überlapp aufweisen, in dem mithin sowohl hochauflösende Winkelinformationen im Azimut wie auch hochauflösende Winkelinformationen in der Elevation ermittelt werden können. Insbesondere führt die unterschiedliche Einbauorientierung der Radarsensoren auch dazu, dass im Überlappungsbereich die Hindernisse unter unterschiedlichen vertikalen Abstrahlwinkeln vermessen werden können, was eine bessere Performance in der Höhenvermessung von Objekten im Umfeld des Kraftfahrzeugs mit sich bringt.
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In einer konkreten zweckmäßigen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug acht Radarsensoren aufweist, von denen einer auf das Vorfeld des Kraftfahrzeugs, einer in den Rückraum des Kraftfahrzeugs, zwei jeweils zu einer Seite des Kraftfahrzeugs, zwei diagonal nach vorne messend und zwei diagonal nach hinten messend angeordnet sind. Beispielsweise kann dann eine Konfiguration gewählt werden, in der die nach vorne und hinten sowie zu den Seiten messenden Radarsensoren eine hervorragende horizontale Winkelmessung erlauben, die diagonal ausgerichteten Radarsensoren eine hervorragende vertikale Winkelmessung. Die Überlappungsbereiche sind dann zweckmäßig so gewählt, dass dennoch eine komplette Abdeckung des Umfelds auch für die 3D-Vermessung gegeben ist. Alternativ können die nach vorne beziehungsweise hinten sowie zu den Seiten gerichteten Radarsensoren die mögliche beziehungsweise bessere Winkelauflösung auch in der Elevation aufweisen, wobei die diagonal ausgerichteten Radarsensoren in der Horizontalen, also im Azimut, einen hochaufgelösten Winkel liefern. Betrachtet man also beispielsweise das Vorfeld des Kraftfahrzeugs, ist sowohl eine V-H-V- wie auch eine H-V-H-Konfiguration denkbar, wobei H für horizontal, also gute Winkelauflösung im Azimut, und V für vertikal, also gute Winkelauflösung in der Elevation, steht. Durch die Überlappungsbereiche der jeweiligen Erfassungsbereiche ist eine gute dreidimensionale Erfassung des Umfelds des Kraftfahrzeugs möglich.
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In einer allgemein vorteilhaften Ausbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug ferner eine Steuereinrichtung aufweist, die zur gemeinsamen Auswertung der Radardaten von gegeneinander verdreht verbauten Radarsensoren wenigstens bezüglich eines Überlappungsbereichs ihrer Erfassungsbereiche und/oder zur Berücksichtigung der Radardaten der Radarsensoren zur Ermittlung eines die erfasste Umgebung des Kraftfahrzeugs dreidimensional beschreibenden Umfeldmodells ausgebildet ist. Mithin können beispielsweise die Überlappungsbereiche der Erfassungsbereiche als dreidimensional vermessen angesehen werden, woraus wiederum dreidimensionale Informationen für ein Umfeldmodell abgeleitet werden können. Die Steuereinrichtung kann dabei besonders bevorzugt ein Steuergerät sein, beispielsweise ein Steuergerät eines sogenannten zentralen Fahrerassistenzsystems, wo Sensordaten verschiedener Sensoren des Kraftfahrzeugs, umfassend auch die Radarsensoren, gemeinsam ausgewertet, mithin fusioniert, werden, um ein Umfeldmodell des Kraftfahrzeugs zu ermitteln, welches verschiedenen Funktionen unterschiedlicher Fahrzeugsysteme zur Verfügung gestellt wird, die ebenso in dem Steuergerät realisiert sein können.
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Die Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei der Radarsensoren, deren Erfassungsbereiche wenigstens teilweise überlappen, in unterschiedlichen Einbauhöhen im Kraftfahrzeug verbaut sind. Durch eine Variation von Einbauhöhen der Radarsensoren kann es möglich sein, den vertikalen Eindeutigkeitsbereich der Elevationsmessung zu erhöhen.
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Wie bereits erwähnt, werden besonders zweckmäßig Radarsensoren in Halbleitertechnologie im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt, da diese kleinbauend realisiert werden können, verdeckt verbaut werden können und ein hervorragendes Signal-zu-Rauschverhältnis liefern. Mithin sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass jeder Radarsensor einen einen Radartransceiver realisierenden Halbleiterchip, insbesondere CMOS-Chip, aufweist. Durch den Halbleiterchip können auch eine digitale Signalverarbeitungskomponente und/oder eine Steuereinheit des Radarsensors realisiert werden, um die Signalwege kurz zu halten und eine weitere Hochintegration zu erlauben. Zweckmäßigerweise können ferner der Halbleiterchip und die Antennenanordnung des Radarsensors in einem gemeinsamen Package und/oder auf einer gemeinsamen Leiterplatte vorgesehen sein. Dabei wird es bevorzugt, um in einer der ersten Ebene entsprechenden Richtung eine größere Anzahl von Antennenelementen der Antennenanordnung nebeneinander zu platzieren, den Halbleiterchip und die Antennenanordnung auf einer gemeinsamen Leiterplatte aufzubringen, da dann die Größe der Antennenanordnung nicht durch die des Halbleiterchips beschränkt wird.
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Dabei sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich bevorzugt ist, wenn durch die Radarsensoren eine Erfassung des Umfelds des Kraftfahrzeugs in einem 360°-Radius ermöglicht wird. Hierbei überlappen zweckmäßigerweise die Erfassungsbereiche der Radarsensoren derart, dass ohnehin immer eine redundante Erfassung der entsprechenden Winkelbereiche gegeben ist, das bedeutet, dass auch bei Ausfall eines Radarsensors der entsprechende Winkelbereich weiterhin erfasst würde, dann in einem Randbereich eines Erfassungsbereichs eines benachbarten Radarsensors. Bei einer abwechselnden Winkelmessfähigkeit in Elevation und Azimut führt dies dazu, dass letztlich der gesamte 360°-Radius um das Kraftfahrzeug sowohl in der Elevation als auch im Azimut hochauflösend vermessen wird, so dass eine insgesamt vorhandene dreidimensionale Abdeckung des Umfelds des Kraftfahrzeugs gegeben ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
- 2 einen in dem Kraftfahrzeug verbauten Radarsensor,
- 3 Erfassungsbereiche von auf das Vorfeld des Kraftfahrzeugs gerichteten Radarsensoren in einer ersten Konfiguration, und
- 4 Erfassungsbereiche von auf das Vorfeld des Kraftfahrzeugs gerichteten Radarsensoren in einer zweiten Konfiguration.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1. Dieses weist vorliegend acht Radarsensoren 2a, 2b auf, die baugleich sind, wobei jedoch die Radarsensoren 2a, worauf im Folgenden noch näher eingegangen wird, um 90° verdreht im Vergleich zu den Radarsensoren 2b eingebaut sind. Drei der Radarsensoren 2a, 2b sind dabei verdeckt im vorderen Stoßfänger des Kraftfahrzeugs 1 verbaut, drei im hinteren Stoßfänger und zwei in den Türen des Kraftfahrzeugs 1. Bei den Radarsensoren 2a, 2b handelt es sich um Weitwinkel-Radarsensoren mit Erfassungsbereichen 3, die, wie gezeigt, nicht nur eine Erfassung des Umfelds des Kraftfahrzeugs 1 in einem 360°-Radius ermöglichen, sondern zudem zu großen Überlappungsbereichen der Erfassungsbereiche 3 benachbarter Radarsensoren 2a, 2b führen.
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2 zeigt den Aufbau eines der Radarsensoren 2a, 2b (in 2 kurz als 2 bezeichnet) genauer. Jeder der Radarsensoren 2 weist dementsprechend eine Leiterplatte 4 auf, auf der ein Halbleiterchip 5, hier ein CMOS-Chip, und eine Antennenanordnung 6 aufgebracht sind. Der Halbleiterchip 5 realisiert vorliegend neben einem Radartransceiver des Radarsensors 2 auch eine digitale Signalverarbeitungskomponente (DSP) des Radarsensors 2 und eine Steuereinheit des Radarsensors 2.
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Die Antennenanordnung 6 umfasst ersichtlich eine Mehrzahl von matrixartig angeordneten Antennenelementen 7 als Microstrip-Patches, wobei in einer Richtung 8 mehr Antennenelemente 7 aufeinanderfolgen als in einer dazu senkrechten Richtung 9. Das bedeutet aber, dass die Winkelauflösung in einer ersten Ebene, die durch die Richtung 8 festgelegt wird, deutlich besser ist als die Winkelauflösung in einer zweiten, dazu senkrechten Ebene, die durch die Richtung 9 festgelegt wird. Wird der Radarsensor 2 mithin, wie in 2 dargestellt, in einer Einbauausrichtung verbaut, bei der die Richtung 8 einer horizontalen Richtung entspricht, ist eine hervorragende Winkelauflösung im Azimut gegeben, während die Winkelauflösung in der Elevation deutlich schlechter ist. Wird der Radarsensor 2 jedoch um 90° verdreht derart verbaut, dass die Richtung 8 eine Vertikalrichtung ist, entspricht die erste Ebene einer vertikalen Ebene, so dass die Winkelauflösung in der Elevation deutlich besser ist als im Azimut.
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Diesen Gedanken macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, indem die Radarsensoren 2a um 90° verdreht zu den Radarsensoren 2b verbaut sind, so dass der erste Teil von Radarsensoren 2a vorliegend eine hervorragende Winkelauflösung im Azimut bietet, der zweite Teil der Radarsensoren 2b jedoch eine hervorragende Winkelauflösung in der Elevation. Selbstverständlich ist auch die umgekehrte Konfiguration grundsätzlich denkbar (Radarsensoren 2a - gute Winkelauflösung der Elevation; Radarsensoren 2b - gute Winkelauflösung im Azimut).
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Die Radardaten der Radarsensoren 2a, 2b werden an ein zentrales Steuergerät 10 als Steuereinrichtung 11 geliefert, wo die Radardaten zur Erstellung und Aktualisierung eines dreidimensionalen Umfeldmodells des Kraftfahrzeugs 1 ausgewertet werden, indem insbesondere die Überlappungsbereiche benachbarter Radarsensoren 2a, 2b beziehungsweise konkret die Radardaten hieraus gemeinsam ausgewertet werden, da dort eine dreidimensionale Abtastung vorliegt. In das Umfeldmodell können selbstverständlich auch Sensordaten weiterer, hier nicht näher dargestellter Umfeldsensoren des Kraftfahrzeugs 1 eingehen. Das Steuergerät 10 ist ein Steuergerät eines zentralen Fahrerassistenzsystems, so dass das Umfeldmodell unmittelbar an Funktionen von Fahrzeugsystemen, insbesondere Fahrerassistenzsystemen, bereitgestellt werden kann, die ebenso durch das Steuergerät 10 realisiert werden.
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3 zeigt beispielhaft Erfassungsbereiche 3a, 3b von auf das Vorfeld des Kraftfahrzeug gerichteten Radarsensoren 2a, 2b in einer ersten Konfiguration. Der horizontal wie in 2 gezeigt verbaute Radarsensor 2a weist dabei eine hervorbringende Winkelauflösung im Azimut, also in der horizontalen Ebene, auf, was durch den Erfassungsbereich 3a mit auch größerem Öffnungswinkel im Azimut dargestellt wird. Die Radarsensoren 2b sind um 90° verkippt verbaut und weisen daher eine hervorragende Winkelauflösung in der Elevation, also einer vertikalen Ebene, auf, vgl. die Erfassungsbereiche 3b. In den hier besonders großen Überlappungsbereichen 12 liegt mithin letztlich eine dreidimensionale hochauflösende Erfassung vor, da sowohl Radardaten zum hochaufgelösten Azimutwinkel wie zum hochaufgelösten Elevationswinkel vorliegen.
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4 zeigt eine weitere Konfiguration, in der die Radarsensoren 2a und 2b gerade umgekehrt verbaut sind, mithin der mittlere Radarsensor 2a in der Elevation den Winkel äußerst genau misst, die äußeren Radarsensoren 2b in der horizontalen Ebene, also im Azimut, was zu den gezeigten Erfassungsbereichen 3a, 3b und den Überlappungsbereichen 12 führt. Dabei ist zu beachten, dass üblicherweise rechts und links mit den Überlappungsbereichen 3b wiederum überlappend Erfassungsbereiche 3a der wiederum benachbarten seitlichen Radarsensoren 2a anschließen können.
