DE102018215151A1 - Verfahren und Steuerungseinheit für eine Radarsensorarchitektur - Google Patents

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Abstract

Radarsteuerungseinheit, die einen Prozessor (510) umfasst, der dazu ausgelegt ist, eine Filterung von Radardaten vorzunehmen, die von einer Antennenanordnung (31) gewonnenen wurden, wobei bei der Filterung der Radardaten Teile der Radardaten, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, eliminiert werden, um die Menge an Radardaten zu reduzieren.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und eine Steuerungseinheit für eine Radarsensorarchitektur.
  • Die Radar-Technologie („Radio Detection and Ranging“) bezieht sich auf Vorrichtungen, Verfahren und Systeme zur Ortung und Erkennung von Objekten auf Basis von elektromagnetischen Wellen im Radiofrequenzbereich. Das Radar sendet ein elektromagnetisches Signal und empfängt Echos von Objekten. Mittels der Radar-Technologie kann beispielsweise über die Auswertung von Laufzeiten eine Position und unter Berücksichtigung von Frequenzsignaländerung (Doppler-Effekt) eine relative Geschwindigkeit eines Objekts ermittelt werden.
  • Die Radar-Technologie wird beispielsweise in autonomen Fahrzeugen eingesetzt. Autonome Fahrzeuge erhalten mittels Radar Position und Geschwindigkeiten von Objekten, wie anderen Verkehrsteilnehmern oder Hindernissen.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren, Steuerungseinheiten für eine Radarsensorarchitektur bereitzustellen womit das Verhalten der Radarsensorarchitektur optimiert wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die Radarsteuerungseinheit nach Anspruch 1, das System nach Anspruch 8, das Kraftfahrzeug nach Anspruch 9 und das Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
  • Gemäß den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen wird eine Radarsteuerungseinheit bereitgestellt, die einen Prozessor umfasst, der dazu ausgelegt ist, eine Filterung von Radardaten vorzunehmen, die von einer Antennenanordnung gewonnenen wurden, wobei bei der Filterung der Radardaten Teile der Radardaten, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, eliminiert werden, um die Menge an Radardaten zu reduzieren.
  • Bei der Radarsteuerungseinheit kann es sich beispielsweise um ein elektronisches Steuergerät (engl. ECU = electronic control unit oder ECM = electronic control module) einer Radareinheit (z.B. eines Radarsensors) handeln. Die Steuerungseinheit kann beispielsweise eine elektronische Steuereinheit einer Radareinheit eines autonomen Fahrzeugs, z.B. einer Radarsensorarchitektur sein. Eine Radareinheit sendet elektromagnetische Signale und empfängt Echos von Objekten. Das empfangene Echo-Signal wird durch einen Analog-Digital-Wandler in digitale Radardaten umgewandelt werden. Die Radardaten beinhalten Information bezüglich dem Echo-Signal wie beispielsweise Amplituden-, Frequenz- und Zeitinformationen. Die Radareinheit kann beispielsweise ein oder mehrere Antennarrays umfassen und z.B. ein Multi-Radar-360°-Perzeptionssystem sein.
  • Bei dem Prozessor der Radarsteuerungseinheit kann es sich beispielsweise um eine Recheneinheit wie eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU = central processing unit) handeln, die Programminstruktionen ausführt.
  • Potentielle Zielobjekte sind beispielsweise Verkehrsteilnehmer oder Hindernisse auf einer Straße, die vom der Radareinheit erfasst werden.
  • Vorzugsweise wird in der Radarsteuerungseinheit - bis auf die Filterung, bei der Teile der Radardaten, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, eliminiert werden - keine weitere verlustbehaftete Weiterverarbeitung der Radardaten vorgenommen. Dadurch wird vermieden, dass aufgrund mehrerer Verarbeitungsschritte in der Radareinheit (Radarsensor) die Radarsensorhardware aufwendig und teuer wird. Dadurch, dass - bis auf die Eliminierung von Teilen der Radardaten, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, keine starke modellbasierte Datenreduktion angewendet wird, können die von der Radareinheit übertragenen Daten von einer nachgeschalteten Auswerteeinheit wie beispielsweise einer zentralen Steuerungseinheit eines Kraftfahrzeugs oder einer Steuerungseinheit für autonomes oder teilautonomes Fahren rekonstruiert werden. Die Gesamtleistung der erfindungsgemäßen Radarsteuerungseinheit ist daher erhöht und reicht beispielsweise für das automatisierte Fahren aus. So können Hochleistungsalgorithmen (wie zum Beispiel „Deeplearning“) auf die Radardaten angewendet werden und wird auch eine kohärente Verarbeitung der Daten mehrerer Radarsensoren des Systems möglich.
  • Da in der erfindungsgemäßen Radarsteuerungseinheit lediglich Teile der Radardaten eliminiert werden, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, ist die Vorverarbeitung der Radardaten in der Radarsteuerungseinheit quasi verlustfrei. Durch die intelligente verlustfreie Datenkompression im Radarsensor und durch Entpacken in der Fahrzeugsteuereinheit wird es möglich, die Radarrohdaten verlustfrei vom Radarsensor an eine Steuereinheit des Fahrzeugs zu übertragen, um der zentralen Steuerungseinheit vollen Datenzugriff zu ermöglichen. Die Radarsteuerungseinheit der Ausführungsbeispiele überträgt somit nicht modellbasiert ermittelte „Ziellisten“ oder verfolgte Objekte, sondern Radarrohdaten, in denen lediglich jene Teile eliminiert wurden, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist.
  • Die Filterung der Radardaten kann beispielsweise das Durchführen eines CFAR-Algorithmus zur Erkennung der Teile der Radardaten umfassen, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist. Die Erfassung einer konstanten Fehlalarmrate bezieht sich auf eine übliche Form eines adaptiven Algorithmus, der in Radarsystemen verwendet wird, um ein Zielobjekt vor einem Hintergrund von Rauschen und Interferenz zu detektieren.
  • Die Radardaten können beispielsweise in Form von Range-Doppler-Daten, beispielsweise als eine Range-Doppler-Karte vorliegen. Bei der Filterung werden beispielsweise Zellen der Range-Doppler-Karte, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, eliminiert. Durch dieses Herausfiltern von Zellen der Range-Doppler-Karte, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, können jene Teile der Radardaten, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, eliminiert werden, um die Menge an Radardaten zu reduzieren. Da lediglich jene Zellen des Spektrums eliminiert werden, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, treten keine wesentlichen Verluste auf, so dass die Vorverarbeitung der Radarrohdaten als verlustfrei bezeichnet werden kann.
  • Gemäß der Ausführungsbeispiele umfasst die Radarsteuerungseinheit eine mit einer Antennenanordnung verbindbare Kommunikationsschnittstelle, um die von der Antennenanordnung gewonnenen Radardaten entgegenzunehmen. Eine Antennenanordnung umfasst beispielsweise eine oder mehrere Antennen, wobei die Antennen integrierte Patch-Antennen sein können. Die Sende- und Empfangs-Patch-Antennen können beispielsweise auf einem Substrat aufgebaut sein. 4 bis 16 Patch-Antennen oder mehr können auf einem Substrat gebaut werden, um ein Antennenarray zu bilden. Je mehr Patch-Antennen verwendet werden, desto schmaler ist das Antennenmuster der Gruppe. Es ist auch möglich, nur eine Antenne zum Senden und Empfangen eines Radarsignals zu verwenden, wobei in diesem Fall ein Schalter vorgesehen ist, um zwischen dem Sendezustand und dem Empfangszustand umzuschalten.
  • Die Radarsteuerungseinheit kann ferner eine mit einem Fahrzeugkommunikationssystem verbindbare Kommunikationsschnittstelle umfassen, um die gefilterten Radardaten an eine Auswertungseinheit zu übertragen. Bei der Kommunikationsschnittstelle handelt es sich bevorzugt um eine Schnittstelle zu einem Fahrzeugkommunikationssystem mit hoher Bandbreite, wie beispielsweise Ethernet oder einen LVDS-Bus. So kann die Bandbreite kontrolliert werden und es werden kosteneffiziente Schnittstellen und Verbindungen für die Übertragung der Radardaten ermöglicht.
  • Bei der Auswertungseinheit kann es sich beispielsweise um eine zentrale Steuerungseinheit eines Kraftfahrzeugs oder eine Steuerungseinheit für autonomes oder teilautonomes Fahren handelt. Auch könnte es sich bei der Auswertungseinheit um eine dedizierte Auswertungseinheit für die Nachverarbeitung von Radarrohdaten handeln. Die Auswertungseinheit ermittelt beispielsweise modellbasiert „Ziellisten“ oder verfolgte Objekte aus den von der Radarsteuerungseinheit empfangenen Rohdaten.
  • Der Prozessor der Radarsteuerungseinheit kann ferner dazu ausgelegt sein, eine verlustfreie Kompression der gefilterten Radardaten vorzunehmen. So kann die Radarsteuerungseinheit optional auch eine weitere verlustfreie Kompression der gefilterten Radardaten vornehmen. Wenn Daten verlustfrei komprimiert werden, können die ursprünglichen Daten nach der Komprimierung aus den komprimierten Daten verlustfrei wiederhergestellt werden. Die verlustfreie Komprimierung kann beispielsweise auf Algorithmen wie Lauflängenkodierung (RLC), Variabellängenkodierung (VLC), Huffman-Kodierung oder arithmetische Kodierung basieren. Wird verlustfrei komprimiert, so können die Radarrohdaten aus den komprimierten Radardaten rekonstruiert werden. Die verlustfrei komprimierten Radarrohdaten tragen - bis auf die eliminierten Teile, in denen keine Zielobjekte vorhanden sind - weiterhin den vollen Informationsgehalt der Radarrohdaten.
  • Die Ausführungsbeispiele zeigen auch ein System umfassend eine Radarsteuerungseinheit, wie sie oben und in den detaillierten Ausführungsbeispielen beschrieben wird, sowie eine Auswerteeinheit für den Empfang der von der Radarsteuerungseinheit gefilterten Radardaten, wobei die Auswerteeinheit einen Prozessor umfasst, der dazu ausgelegt ist, jene Teile der Radardaten, die durch die Filterung eliminiert wurden, mit erwartetem Rauschen zu füllen.
  • Bei der Auswerteeinheit kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät (engl. ECU = electronic control unit oder ECM = electronic control module) handeln. Die Auswerteeinheit könnte eine Steuerungseinheit für autonomes Fahren sein oder eine zentrale Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs sein. Die Steuereinheit für autonomes Fahren (z.B. ein „Autopilot“) kann beispielsweise in einem autonomen Fahrzeug eingesetzt werden, so dass dieses ganz oder teilweise ohne Einfluss eines menschlichen Fahrers im Straßenverkehr agieren kann. Bei dem Prozessor kann es sich beispielsweise um eine Recheneinheit wie eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU = central processing unit) handeln, die Programminstruktionen ausführt.
  • Die Auswerteeinheit kann sich im Fahrzeug befinden, oder auch außerhalb oder teilweise außerhalb des Fahrzeugs. Die Rohradardaten können von dem Fahrzeug zu einem Server oder in ein Cloud-System übertragen werden, wo auf Grundlage der übermittelten Rohradardaten und eines geplanten Fahrmanövers eine optimale Fahrposition des Fahrzeugs ermittelt wird und das Ergebnis wieder an das Fahrzeug rückübermittelt wird. Demgemäß ist vorgesehen, dass die Zentralsteuerungseinheit bzw. Steuerlogik ganz oder teilweise auch außerhalb des Fahrzeugs liegen kann. So kann es sich bei der Steuerlogik beispielsweise um einen Algorithmus handeln, der auf einem Server oder einem Cloud-System abläuft.
  • Die Ausführungsbeispiele offenbaren auch ein Kraftfahrzeug, das eine Radarsteuerungseinheit und/oder eine Auswertungseinheit, wie oben und in den Ausführungsbeispielen beschrieben, umfasst. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um ein autonomes oder teilautonomes Kraftfahrzeug wie einen PKW, einen LKW oder dergleichen handeln.
  • Die Ausführungsbeispiele offenbaren ferner auch ein Verfahren, umfassend ein Filtern von Radardaten, die von einer Antennenanordnung gewonnenen wurden, wobei bei der Filterung der Radardaten Teile der Radardaten, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, eliminiert werden, um die Menge an Radardaten zu reduzieren. Das Verfahren kann sämtliche oben bezüglich der Radarsteuerungseinheit und Auswertungseinheit beschriebenen Funktionen ausführen.
  • Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • 1 ein Blockdiagramm zeigt, das schematisch die Konfiguration eines Fahrzeugs mit einer Steuerungseinheit für autonomes (oder teilautonomes) Fahren,
    • 2 ein Blockdiagramm zeigt, das eine beispielhafte Konfiguration einer Steuerungseinheit (ECU 1, 2, 3, 4 und 5 in 1) darstellt,
    • 3 zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration einer Radareinheit darstellt,
    • 4 ein Blockdiagramm zeigt, das eine beispielhafte Konfiguration der Antennen anordnung des Radarsystems darstellt,
    • 5 ein Blockdiagramm zeigt, das eine beispielhafte Konfiguration der Radarsteuerungseinheit des Radarsystems darstellt,
    • 6 eine typische Fahrsituation eines autonom fahrenden Fahrzeugs zeigt,
    • 7 ein Flussdiagramm eines Prozesses der Vorverarbeitung von Radarrohdaten zeigt,
    • 8 eine Range-Doppler-Karte beispielhafter Radardaten zeigt,
    • 9 als Beispiel einen Algorithmus zur Ermittlung der konstanten Falschalarmrate (CFAR) basierend auf einem Cell-Averaging-Algorithmus beschreibt,
    • 10 als ein Beispiel eine Range-Doppler-Karte nach Anwendung eines CFAR-Algorithmus auf die Radardaten der 8 zeigt,
    • 11 ein Flussdiagramm der Zentralsteuerungseinheit des autonomen Fahrzeuges zeigt, und
    • 12 als ein Beispiel eine Range-Doppler-Karte nach Auffüllen der eliminierten Teilbereiche des Spektrums mit dem erwarteten Rauschpegel zeigt.
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch die Konfiguration eines Fahrzeugs mit einer Steuerungseinheit für autonomes (oder teilautonomes) Fahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das autonome Fahrzeug ist ein Fahrzeug, das ohne Einfluss eines menschlichen Fahrers im Straßenverkehr agieren kann. Beim autonomen Fahren übernimmt das Steuerungssystem des Fahrzeugs vollständig oder weitestgehend die Rolle des Fahrers. Autonome (bzw. teilautonome) Fahrzeuge können mit Hilfe verschiedener Sensoren ihre Umgebung wahrnehmen, aus den gewonnenen Informationen ihre Position und die anderen Verkehrsteilnehmer bestimmen und mithilfe des Steuerungssystems und der Navigationssoftware des Fahrzeugs das Fahrziel ansteuern und im Straßenverkehr entsprechend agieren.
  • Das autonome Fahrzeug 1 umfasst mehrere elektronische Komponenten, welche via ein Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 miteinander verbunden sind. Das Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 kann beispielsweise ein im Fahrzeug eingebautes standardgemäßes Fahrzeugkommunikationsnetzwerk wie etwa ein CAN-Bus (controller area network), ein LIN-Bus (local interconnect network), ein Ethernet-basierter LAN-Bus (local area network), ein MOST-Bus, ein LVDS-Bus oder dergleichen sein.
  • In dem in 1 dargestellten Beispiel umfasst das autonome Fahrzeug 1 eine Steuerungseinheit 12 (ECU 1). Diese Steuerungseinheit 12 steuert ein Lenksystem. Das Lenksystem bezieht sich dabei auf die Komponenten, die eine Richtungssteuerung des Fahrzeugs ermöglichen. Das autonome Fahrzeug 1 umfasst ferner eine Steuerungseinheit 14 (ECU 2), die ein Bremssystem steuert. Das Bremssystem bezieht sich dabei auf die Komponenten, die ein Bremsen des Fahrzeugs ermöglichen. Das autonome Fahrzeug 1 umfasst ferner eine Steuerungseinheit 16 (ECU 3), die einen Antriebsstrang steuert. Der Antriebsstrang bezieht sich dabei auf die Antriebskomponenten des Fahrzeugs. Der Antriebsstrang kann einen Motor, ein Getriebe, eine Antriebs-/Propellerwelle, ein Differential und einen Achsantrieb umfassen.
  • Das autonome Fahrzeug 1 umfasst ferner eine Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18 (ECU 4). Die Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18 ist dazu ausgelegt, das autonome Fahrzeug 1 so zu steuern, dass dieses ganz oder teilweise ohne Einfluss eines menschlichen Fahrers im Straßenverkehr agieren kann. Die Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18 steuert ein oder mehrere Fahrzeugsubsysteme, während das Fahrzeug im autonomen Modus betrieben wird, nämlich das Bremssystem 14, das Lenksystem 12 und das Antriebssystem 14. Hierfür kann die Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18 beispielsweise über das Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 mit den entsprechenden Steuerungseinheiten 12, 14 und 16 kommunizieren.
  • Die Steuerungseinheiten 12, 14 und 16 können ferner von den oben genannten Fahrzeugsubsystemen Fahrzeugbetriebsparameter empfangen, die diese mittels einem oder mehreren Fahrzeugsensoren erfassen. Fahrzeugsensoren sind vorzugsweise solche Sensoren, die einen Zustand des Fahrzeugs oder einen Zustand von Fahrzeugteilen erfassen, insbesondere deren Bewegungszustand. Die Sensoren können einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, einen Gierraten-Sensor, einen Beschleunigungssensor, einen Lenkradwinkelsensor, einen Fahrzeuglastsensor, Temperatursensoren, Drucksensoren und dergleichen umfassen. Beispielsweise können auch Sensoren entlang der Bremsleitung angeordnet sein, um Signale auszugeben, die den Bremsflüssigkeitsdruck an verschiedenen Stellen entlang der hydraulischen Bremsleitung anzeigen. Andere Sensoren in der Nähe des Rades können vorgesehen sein, welche die Radgeschwindigkeit und den Bremsdruck erfassen, der am Rad aufgebracht wird.
  • Die Fahrzeugsensorik des autonomen Fahrzeugs 1 umfasst ferner eine Satellitennavigationseinheit 24 (GPS-Einheit) und einen oder mehrere optische Sensoren 20, die dazu ausgelegt sind, optische Informationen zu erfassen. Die optischen Sensoren 20 können innerhalb des Fahrzeugs oder außerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Kamera in einem vorderen Bereich des Fahrzeugs 1 zur Aufnahme von Bildern eines vor dem Fahrzeug befindlichen Bereichs eingebaut sein.
  • Das autonome Fahrzeug 1 umfasst ferner eine Radareinheit 26. Bei der Radareinheit 26 kann es sich beispielsweise um ein Dauerstrichradar (CW-Radar) oder ein moduliertes Dauerstrichradar (FMCW-Radar) handeln. Radardaten werden von der Radareinheit 26 erfasst und beispielsweise an eine Zentralsteuerungseinheit 22 (oder alternativ an die Steuerungseinheit für autonomes Fahren, ECU 4) übertragen.
  • Die Zentralsteuerungseinheit 22 ist dazu ausgelegt, die Radardaten von der Radareinheit 26 zu empfangen und die Radardaten zu verarbeiten. Die Radardaten umfassen Informationen, wie beispielsweise die zeitliche Verschiebung zwischen Sende- und Empfangsradarstrahlen und Dopplerfrequenz. Basierend auf der Zeitverschiebung wird ein Abstand zwischen dem autonomen Fahrzeug 1 und einem Objekt bestimmt und eine relative Bewegung wird durch die Dopplerfrequenz bestimmt. Die Zentralsteuerungseinheit 22 kann die erhaltene Information selbst auswerten oder beispielsweise an die Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18 weiter übertragen.
  • Wenn steuerungsseitig oder fahrerseitig ein Betriebszustand für das autonome Fahren aktiviert ist, bestimmt die Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18, auf Grundlage von zur Verfügung stehenden Daten über eine vorgegebene Fahrtstrecke, auf Grundlage der von der Radareinheit 26 empfangenen Daten, auf Grundlage von mittels Umweltsensoren aufgenommenen Umgebungsdaten, sowie auf Grundlage von mittels den Fahrzeugsensoren erfassten Fahrzeugbetriebsparametern, die der Steuerungseinheit 18 von den Steuerungseinheiten 12, 14 und 16 zugeleitet werden, Parameter für den autonomen Betrieb des Fahrzeugs (beispielsweise Soll-Geschwindigkeit, Soll-Moment, Abstand zum Vorausfahrzeug, Abstand zum Fahrbahnrand, Lenkvorgang und dergleichen).
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration einer Steuerungseinheit (ECU 1, 2, 3, 4 und 5 in 1) darstellt. Bei der Steuerungseinheit kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät (electronic control unit ECU oder electronic control module ECM) handeln. Die Steuerungseinheit umfasst einen Prozessor 210. Bei dem Prozessor 210 kann es sich beispielsweise um eine Recheneinheit wie eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU = central processing unit) handeln, die Programminstruktionen ausführt. Die Radarsteuerungseinheit umfasst ferner einen Nur-Lese-Speicher, ROM 230 (ROM = Read-only memory) und einem Direktzugriffsspeicher, RAM 220 (RAM = Random Access Memory) (z. B. dynamischer RAM („DRAM“), synchron DRAM („SDRAM“) usw.), die als Programmspeicherbereich und als Datenspeicherbereich dienen. Ferner umfasst die Radarsteuerungseinheit zur Speicherung von Daten und Programmen ein Speicherlaufwerk 260, wie beispielsweise ein Festplattenlaufwerk (hard disk drive: HDD), ein Flashspeicher-Laufwerk oder ein nicht flüchtiges Festkörperlaufwerk (solid state drive: SSD). Die Steuerungseinheit umfasst ferner eine Fahrzeugkommunikationsnetzwerk-Interface 240, über welche die Steuerungseinheit mit dem Fahrzeugkommunikationsnetzwerk (28 in 2) kommunizieren kann. Jede der Einheiten der Steuerungseinheit ist über ein Kommunikationsnetzwerk 250 verbunden. Insbesondere kann die Steuerungseinheit der 2 als eine Implementierung der Zentralsteuerungseinheit 22, ECU 5, der 1 dienen, wobei ROM 230, RAM 220 und Speicherlaufwerk 260 als Programmspeicherbereich für Programme zur Auswertung von Radardaten (z.B. dem Prozess der 11) und als Datenspeicherbereich für Radardaten dienen.
  • 3 zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration einer Radareinheit darstellt. Die Radareinheit (26 in 1) umfasst eine Antennenanordnung 31, einen Analog-Digital-Wandler 32 und eine Radarsteuerungseinheit (ECU 6) 33. Die Antennenanordnung 31 sendet und empfängt elektromagnetische Wellen im Radiofrequenzbereich und ist näher in 4 beschrieben. Der Analog-Digital-Wandler 32 wandelt ein analoges Eingangssignal, hier die von der Antennenanordnung 31 empfangenen Radarsignale, in einen digitalen Datenstrom um, um die empfangenen Radarrohdaten als digitale Daten darzustellen und in Zellen zu verteilen („Binning“). Die Radarsteuerungseinheit 33 empfängt die digitalen Radardaten des Analog-DigitalWandlers 31, um diese vorzuverarbeiten, zwischenzuspeichern und beispielsweise über ein Fahrzeugkommunikationsnetzwerk (28 in 1) an eine Zentralsteuerungseinheit (22 in 1) weiterzugeben. Eine detaillierte beispielhafte Konfiguration der Radarsteuerungseinheit 33 ist unten in 5 bereitgestellt.
  • 4 zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration der Antennen anordnung des Radarsystems darstellt. Die Antennenanordnung (31 in 3) umfasst eine Sendeantenne 40, einen Leistungsteiler 41, einen Generator 42, eine Empfangsantenne 43, einen Vorverstärker 44, einen Mischer 45, einen Tiefpassfilter 46, einen Basisverstärker 47 und eine Schnittstelle 48. Die Sendeantenne 40 sendet einen Radarstrahl basierend auf der Frequenz des Generators 42, der als spannungsgesteuerter Oszillator ausgebildet ist und dessen Ausgangsfrequenz von einer Steuerspannung abhängig ist. Die Empfangsantenne 43 empfängt ein Echosignal, das das reflektierte Signal des gesendeten Radarstrahls von einem Objekt ist. Dieses Echosignal wird vom Vorverstärker 44 verstärkt und vom Mischer 45 mit dem Signal des Generators 42 gemischt, wobei das Signal des Generators 42 über den Leistungsteiler 41 übertragen wird. Das gemischte Signal wird zu dem Tiefpassfilter 46 weitergeleitet und die niedrige Frequenz des Signals wird gefiltert. Die niedrigere Frequenz des gefilterten Signals wird durch den Basisverstärker 47 verstärkt und über die Schnittstelle 48 an den Analog-Digital-Wandler (32 in 3) weitergeleitet. 4 zeigt zwei verschiedene Antennen zum Senden und Empfangen eines Radarstrahls. Es ist jedoch möglich, eine gemeinsame Antenne zum Senden und Empfangen vorzusehen, in diesem Fall umfasst die Antennenanordnung einen weiteren Schalter. Die vorliegende Ausführungsform ist auch nicht auf die Anzahl von Antennen beschränkt. Vorzugsweise wird eine Antennenanordnung mit Antennenarrays mit mehreren Sende- und Empfangsantennen verwendet, um ein Beamforming zu ermöglichen, bei dem ein Radarstrahl in ein oder mehrere Raumrichtungen gelenkt werden kann, um die Umgebung „abzutasten“ und so eine mehrdimensionale Umgebungskarte zu erzeugen.
  • 5 zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration der Radarsteuerungseinheit des Radarsystems darstellt. Bei der Radarsteuerungseinheit (33 in 3) des Radarsystems (26 in 1) kann es sich beispielsweise um ein Steuergerät (electronic control unit ECU oder electronic control module ECM) handeln. Die Radarsteuerungseinheit umfasst einen Prozessor 510. Bei dem Prozessor 510 kann es sich beispielsweise um eine Recheneinheit wie eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU = central processing unit) handeln, die Programminstruktionen ausführt. Der Prozessor 510 der Radarsteuerungseinheit ist dazu ausgelegt, das empfangen Radardaten zu bearbeiten. Der Prozessor 510 führt eine Vorverarbeitung der Radarrohdaten aus (insbesondere eine Filterung der empfangene Radarrohdaten, wie in 6 beschrieben, basierend auf einer konstanten Falschalarmrate, CFAR) aus. Die Radarsteuerungseinheit umfasst ferner einen Nur-Lese-Speicher, ROM 530 (ROM = Read-only memory) und einem Direktzugriffsspeicher, RAM 520 (RAM = Random Access Memory) (z. B. dynamischer RAM („DRAM“), synchron DRAM („SDRAM“) usw.), die als Programmspeicherbereich (z.B. für die Implementierung des Prozesses der 6) und als Datenspeicherbereich dienen (z.B. zur Speicherung von Radarrohdaten oder vorverarbeiteten Radardaten). Ferner umfasst die Radarsteuerungseinheit zur Speicherung von Daten und Programmen ein Speicherlaufwerk 560, wie beispielsweise ein Festplattenlaufwerk (hard disk drive: HDD), ein Flashspeicher-Laufwerk oder ein nicht flüchtiges Festkörperlaufwerk (solid state drive: SSD).
    Die Radarsteuerungseinheit der 5 umfasst ferner eine Input/Output Schnittstelle 540, über welche die Radarsteuerungseinheit Radarrohdaten von Radar-Antennenanordnung (31 in 3) empfangen kann, sowie ein Fahrzeugkommunikationsnetzwerk-Interface 570, zur Anbindung der Radarsteuerungseinheit an das Fahrzeugkommunikationsnetzwerk (28 in 1). Jede der Einheiten der Radarsteuerungseinheit ist über ein Kommunikationsnetzwerk 550, beispielsweise einen parallelen oder seriellen Datenbus wie I2C oder dergleichen verbunden.
  • 6 zeigt eine typische Fahrsituation eines autonom fahrenden Fahrzeugs. Ein autonom fahrendes Fahrzeug 1 fährt auf einer Straße. Das autonome Fahrzeug 1 (vgl. 1) umfasst die Radareinheit (26 in 1) und sendet einen Radarstrahl R1 in der Bewegungsrichtung BR1 aus. Ein zweites Fahrzeug O1 fährt in Richtung BR2 auf das autonome Fahrzeug 1 zu und ein stationäres Objekt O2 befindet sich hinter dem Fahrzeug O1. Der Radarstrahl R1 wird an dem zweiten Fahrzeug O1 und dem stationären Objekt O2 reflektiert. Die Radareinheit wertet die empfangenen Informationen aus, um die Radarrohdaten zu erzeugen, die von der Radarsteuerungseinheit (33 in 3) ausgewertet werden.
  • 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses der Vorverarbeitung von Radarrohdaten, wie er in der Radarsteuerungseinheit der Radareinheit implementiert ist. Der Prozess läuft beispielsweise auf dem Prozessor (510 in 5) der Radarsteuerungseinheit (33 in 3) ab. In Schritt S100 empfängt die Radarsteuerungseinheit (33 in 3) Radarrohdaten von der Antennenanordnung (31 in 3). In Schritt S110 wird eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) auf die Radarrohdaten angewendet, so dass die Radarrohdaten in einer Frequenzdomäne dargestellt werden. Die Fourier-transformierten Daten können beispielsweise in Form von Zellen einer Range-Doppler-Karte vorliegen. In Schritt S120 wird ein Algorithmus zur Ermittlung der konstanten Falschalarmrate (CFAR) angewendet um falsche Objekterkennungsereignisse herauszufiltern und dadurch die Übertragung von unnötigen Daten zu vermeiden. In Schritt S130 wird eine verlustfreie Kompression auf die verbleibenden Radardaten angewendet, um die zu übertragende Datenmenge weiter zu reduzieren. Die verlustfreie Komprimierung kann zum Beispiel auf Algorithmen wie Lauflängenkodierung (RLE) oder Huffman-Kodierung basieren. In Schritt S140 werden die vorverarbeiteten Radardaten (CFAR-gefilterte Radardaten) an die Zentralsteuerungseinheit (22 in 1) übertragen.
  • 8 zeigt eine Range-Doppler-Karte beispielhafter Radardaten, wie sie in dem Szenario der 6 erzeugt werden. Die Abszisse repräsentiert den Laufzeitunterschied der empfangenen Radarsignale, die jeweils einem Abstand („Range“) zwischen der Antennenordnung und einem reflektierten Echosignal entsprechen. Die Ordinate repräsentiert die Dopplerverschiebung zwischen ausgesandtem und empfangenem Radarsignal, die für die Relativgeschwindigkeit eines erfassten Objekts bezüglich der Antennenordnung bzw. dem autonomen Fahrzeug steht. In der Darstellung der 8 nimmt der Abstand von links nach rechts zu und die Dopplerverschiebung steigt von unten nach oben. Eine höhere Dopplerverschiebung repräsentiert eine schnellere Relativbewegung des Objekts. Die Radardaten liegen in Form von Zellen vor, hier - im Sinne einer vereinfachten Darstellung - entsprechend einer beispielhaften Auflösung von 20 Range-Bins x 20 Doppler-Bins. In einer praktischen Anwendung kann die Anzahl der Zellen auch im Bereich von beispielsweis 512, 1024, oder mehr Range-Bins bzw. Doppler-Bins liegen. In 8 sind - ebenfalls beispielhaft und vereinfacht - fünf Intensitätswerte W0, W1, W2, W3, W4 dargestellt, wobei W0 einem niedrigsten Intensitätswert entspricht, der im Wesentlichen dem Hintergrundrauschen entspricht, und W5 einem höchsten Intensitätswert entspricht. Die als Range-Doppler-Karte dargestellten Radardaten zeigen zwei Intensitäts-Cluster CL1, CL2, wobei der erste Cluster CL1 das Echosignal gemäß dem zweiten Fahrzeug O1 in 6 repräsentiert und der zweite Cluster CL2 das Echosignal gemäß dem stationären Objekt O2 in 6 repräsentiert.
  • CFAR-Algorithmen, wie in Schritt S120 der 7 realisiert, sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Im Rahmen dieser Erfindung können beliebige CFAR-Algorithmen verwendet, um falsche Objekterkennungsereignisse herauszufiltern.
  • 9 beschreibt als Beispiel einen Algorithmus zur Ermittlung der konstanten Falschalarmrate (CFAR) basierend auf einem Cell-Averaging-Algorithmus. Jedoch ist die Ausführungsform nicht auf einen Cell-Averaging Algorithmus beschränkt, sondern es können auch andere CFAR-Algorithmen verwendet werden, wie GO-CFAR oder LO-CFAR, oder dergleichen. Der Cell-Averaging-Algorithmus der 9 basiert auf einer Zelleneinheit 91, einer ersten Summierungseinheit 92, einer zweiten Summierungseinheit 93, einer Mittelwerteinheit 94, einer Mischeinheit 95 und einer Entscheidungseinheit 96. Jede der Zellen der Zelleneinheit 91 stellt hier - zur Veranschaulichung - eine Zelle einer Range-Zeile der Range-Doppler-Karte (vgl. 8) dar. Die Zelleneinheit 91 umfasst einen ersten Block von Zellen B1 und einen zweiten Block von Zellen B2 , zwei Schutzzellen G1 , G2 und eine Zelle Y im Test. Die Schutzzellen G1 , G2 sind direkt benachbart zu der zu testenden Zelle Y. Die Gesamtzellzahl des Blocks ist N, wobei der erste Block B1 Zellen von X1 bis XN/2 enthält und der zweite Block B2 Zellen von XN/2,1 bis XN enthält. Die erste Summierungseinheit 92 summiert jeden Intensitätswert von Zellen des ersten Blocks B1 , und die zweite Summierungseinheit 92 summiert jeden Intensitätswert von Zellen des zweiten Blocks B2 . Die summierten Intensitätswerte U, V werden an die Mittelwerteinheit 94 angelegt, wo die summierten Intensitätswerte U, V zueinander addiert und durch N geteilt werden. Der Wert Z, der sich aus der Mittelwerteinheit 94 ergibt, wird mit einem vorbestimmten Faktor T multipliziert und ein CFAR-Schwellenwert Z x T wird bestimmt. Der CFAR-Schwellenwert Z x T wird mit dem Intensitätswert der zu testenden Zelle Y verglichen. Wenn der Intensitätswert der getesteten Zelle Y größer als der CFAR-Schwellenwert Z x T ist, wird die Zelle Y weiterverarbeitet. Die Größe der Zelleneinheit 91 kann so groß wie die gesamte Messlänge sein oder kann nur ein Teil der Messlänge sein. Das Prinzip der 9 auf Range-Doppler-Daten bzw. mehrdimensionale Daten eines zwei oder drei-dimensionalen Antennen-Arrays zu verallgemeinern liegt im Fachwissen.
  • 10 zeigt als ein Beispiel eine Range-Doppler-Karte nach Anwendung eines CFAR-Algorithmus auf die Radardaten der 8. Wie in 9 gezeigt, werden die Zellen der Range-Doppler-Karte mit einem Intensitätswert unterhalb des CFAR-Schwellenwerts eliminiert. Diese eliminierten Zellen sind in der Range-Doppler-Karte der 10 durch ein „X“ dargestellt. Auf diese Weise werden Teile des Spektrums, in denen sich ersichtlich kein Zielobjekt befindet, herausgefiltert, beispielsweise spezifische Geschwindigkeitsbereiche der Range-Doppler-Karte. Nur die Zellen mit einem Intensitätswert oberhalb des CFAR-Schwellenwerts („Spares Spectrum“) werden beibehalten und nach ggf. verlustfreier Komprimierung (S130 in 7) zur Zentralsteuerungseinheit (22 in 1) übertragen (S140 in 7). Die CFAR-gefilterten Radardaten haben eine geringere Datenmenge als die Radarrohdaten. Somit kann die Datenrate auf der Radardatenebene beispielsweise auf bis zu 1000 MB/s pro Radarsensor oder mehr erhöht werden. Daher wird die Rechenlast der Zentralsteuerungseinheit 22 reduziert. Die verringerte Rechenlast führt effektiv zu einer „erhöhten“ Rechenleistung der Zentralsteuerungseinheit 22 und ermöglicht die Anwendung komplexerer Algorithmen. Aufgrund der üblichen Fernaktualisierungsfähigkeit („Overthe-Air“ Software-Updates über LTE, WLAN oder dergleichen) der Zentralsteuerungseinheit (22 in 1) kann in der Praxis eine Anpassung der Verarbeitungsalgorithmen an die erhöhte Leistungsfähigkeit ohne Änderung der Radaranordnung leicht durchgeführt werden.
  • Eine Radareinheit mit zweidimensionalen Antennen-Array ermöglicht eine Strahllenkung mittels Beamforming in zwei Dimensionen (Azimut und Elevation), so dass die Radardaten als 4D-Spektrum vorliegen. Jedem Paar aus Azimut- und Elevationswinkel ist eine Range-Doppler-Karte zugeordnet. Die CFAR-Filterung kann in diesem Fall beispielsweise für das vollständige 4D-Spektrum oder nur für kleinere 4D-Volumenkästen des Spektrums erfolgen. Je nach Radartyp kann auch ein anderer Datensatz, beispielsweise nur ein 3D-Volumenkasten bei einem eindimensionalen Antennen-Array, der CFAR-Filterung unterzogen werden.
  • 11 zeigt ein Flussdiagramm der Zentralsteuerungseinheit des autonomen Fahrzeuges, die dazu ausgelegt ist, Radardaten von einer Radareinheit zu empfangen. In Schritt S200 empfängt die Zentralsteuerungseinheit (22 in 1) CFAR-gefilterte Radardaten von einer Radareinheit (26 in 1). In Schritt S210 wird eine verlustfreie Dekompression auf die CFAR-gefilterten Radardaten angewendet. In Schritt S220 werden die eliminierten Teilbereiche des Spektrums mit dem erwarteten Rauschpegel wieder aufgefüllt. Beispielsweise werden Zellen einer Doppler-Abstands-Karte, die vor der Datenübertragung eliminiert wurde durch einen vordefinierten erwarteten Rauschpegel aufgefüllt. In Schritt S240 stehen die vollständigen Rohdaten (kohärent) aller Radarsystem für die weitere Verarbeitung (Objekterkennung, Tracking, etc.) zur Verfügung.
  • 12 zeigt als ein Beispiel eine Range-Doppler-Karte nach Auffüllen der eliminierten Teilbereiche des Spektrums mit dem erwarteten Rauschpegel (Schritt S220 der 11). Die eliminierten Zellen des Spektrums, die in 10 durch die Kreuze „X“ gekennzeichnet sind werden in der Zentralsteuerungseinheit durch das erwartete Rauschen ersetzt. Zellen mit dem aufgefüllten erwarteten Rauschen sind in 12 durch „R“ gekennzeichnet. Es kann für alle Zellen der Radardaten ein einheitliches erwartetes Rauschen verwendet werden, oder aber das erwartete Rauschen kann in Abhängigkeit der Parameter Range, Doppler und ggf. Azimut und Elevation auch unterschiedlich sein. Das erwartete Rauschen kann beispielsweise bei der Kalibrierung der Radareinheit ermittelt und vorab in der Zentralsteuerungseinheit hinterlegt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    autonomes Fahrzeug
    12
    Steuerungseinheit für Lenksystem
    14
    Steuerungseinheit für Bremssystem
    16
    Steuerungseinheit für Antriebstrang
    18
    Steuerungseinheit für autonomes Fahren
    20
    optische Sensoren
    22
    Zentralsteuerungseinheit
    24
    Satellitennavigationseinheit
    26
    Radareinheit
    28
    Fahrzeugkommunikationsnetzwerk
    31
    Antennenanordnung
    32
    Analog-Digital- Wandler
    33
    Radarsteuerungseinheit
    40
    Sendeantenne
    41
    Leistungsteiler
    42
    Generator
    43
    Empfangsantenne
    44
    Vorverstärker
    45
    Mischer
    46
    Tiefpassfilter
    47
    Basisverstärker
    48
    Schnittstelle
    91
    Zelleneinheit
    92
    ersten Summierungseinheit
    93
    zweiten Summierungseinheit
    94
    Mittelwerteinheit
    95
    Mischeinheit
    96
    Entscheidungseinheit
    210
    Prozessor einer Steuerungseinheit
    220
    RAM einer Steuerungseinheit
    230
    ROM einer Steuerungseinheit
    240
    Fahrzeugkommunikationsnetzwerk-Interface einer Steuerungseinheit
    250
    Kommunikationsnetzwerk einer Steuerungseinheit
    260
    externes Speicherlaufwerk einer Steuerungseinheit
    510
    Prozessor einer Steuerungseinheit
    520
    RAM einer Radarsteuerungseinheit
    530
    ROM einer Radarsteuerungseinheit
    540
    Input/Output Schnittstelle einer Radarsteuerungseinheit
    550
    Kommunikationsnetzwerk einer Radarsteuerungseinheit
    560
    externes Speicherlaufwerk einer Radarsteuerungseinheit
    570
    Fahrzeugkommunikationsnetzwerk-Interface einer Radarsteuerungseinheit
    B1, B2
    Block von Zellen
    G1, G2
    Schutzzellen
    X1,.., XN
    Zellen
    Y
    testenden Zelle
    U, V
    summierten Intensitätswerte
    Z
    Mittelwert
    Z x T
    CFAR-Schwellenwert
    BR1, BR2
    Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs
    R1
    Radarstrahl
    O1, O2
    Objekt
    W0, W1, W2, W3, W4
    Intensitätswerte
    CL1, CL2
    Cluster

Claims (10)

  1. Radarsteuerungseinheit (33), die einen Prozessor (510) umfasst, der dazu ausgelegt ist, eine Filterung von Radardaten vorzunehmen, die von einer Antennenanordnung (31) gewonnenen wurden, wobei bei der Filterung der Radardaten Teile der Radardaten, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, eliminiert werden, um die Menge an Radardaten zu reduzieren.
  2. Radarsteuerungseinheit (33) nach Anspruch 1, bei der in der Radarsteuerungseinheit (33) - bis auf die Filterung, bei der Teile der Radardaten, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, eliminiert werden - keine weitere verlustbehaftete Weiterverarbeitung der Radardaten vorgenommen wird.
  3. Radarsteuerungseinheit (33) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Filterung der Radardaten das Durchführen eines CFAR-Algorithmus zur Erkennung der Teile der Radardaten umfasst, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist.
  4. Radarsteuerungseinheit (33) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Radardaten in Form von Range-Doppler-Daten, beispielsweise als eine Range-Doppler-Karte vorliegen und bei der Filterung Zellen der Range-Doppler-Karte, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, eliminiert werden.
  5. Radarsteuerungseinheit (33) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Radarsteuerungseinheit (33) eine mit einer Antennenanordnung (31) verbindbare Kommunikationsschnittstelle (540) umfasst, um von der Antennenanordnung (31) gewonnenen Radardaten entgegenzunehmen.
  6. Radarsteuerungseinheit (33) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Radarsteuerungseinheit (33) eine mit einem Fahrzeugkommunikationssystem (28) verbindbare Kommunikationsschnittstelle (570) umfasst, um die gefilterten Radardaten an eine Auswertungseinheit (18, 22) zu übertragen.
  7. Radarsteuerungseinheit (33) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Prozessor (510) ferner dazu ausgelegt ist, eine verlustfreie Kompression der gefilterten Radardaten vorzunehmen.
  8. System umfassend eine Radarsteuerungseinheit (33) nach einem der vorstehenden Ansprüche, sowie eine Auswerteeinheit (18, 22) für den Empfang der von der Radarsteuerungseinheit (33) gefilterten Radardaten, wobei die Auswerteeinheit (18, 22) einen Prozessor (210) umfasst, der dazu ausgelegt ist, jene Teile der Radardaten, die durch die Filterung eliminiert wurden, mit erwartetem Rauschen zu füllen.
  9. Kraftfahrzeug, das eine Radarsteuerungseinheit (33) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6 oder ein System nach Anspruch 7 umfasst.
  10. Verfahren, umfassend ein Filtern von Radardaten, die von einer Antennenanordnung gewonnenen wurden, wobei bei der Filterung der Radardaten Teile der Radardaten, in denen kein potentielles Zielobjekt enthalten ist, eliminiert werden, um die Menge an Radardaten zu reduzieren.
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