DE4406404C2

DE4406404C2 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Lage und Bewegung eines Objekts

Info

Publication number: DE4406404C2
Application number: DE4406404A
Authority: DE
Inventors: Josef Buechler
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1994-02-26
Filing date: 1994-02-26
Publication date: 2000-01-20
Anticipated expiration: 2014-02-27
Also published as: DE4406404A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Lage und Bewegung eines Objekts relativ zu einer Sende-Empfangs-Einrichtung.

Derartige Verfahren und Anordnungen sind insbesondere vorgesehen als Geschwindigkeits- und Lage-Sensoren in Kraftfahrzeugen, um die Momentangeschwindigkeit eines Fahrzeugs ohne Verfälschung durch Schlupf der Räder und darüberhinhaus aktuelle Werte für z. B. Bodenfreiheit oder Neigung des Fahrzeugs zu gewinnen.

Bekannt ist beispielsweise eine Anordnung mit einer sogenannten Janus-Antenne, welche mittels zweier Sende- Empfangs-Antennen in und entgegen der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs schräg zur Fahrbahnoberfläche elektromagnetische Wellen abstrahlt und die dopplerverschobenen reflektierten Wellen empfängt und daraus die Momentangeschwindigkeit be bestimmt.

Aus US 4050071 und DE 40 40 599 sind Verfahren bekannt, die mittels eines Sendeempfängers und eines Empfängers, die in Fahrt- und Gegenfahrtrichtung den selben Bereich auf der Straßenoberfläche ausleuchten, Fehler in der Geschwindigkeitsschätzung, die von Fahrzeugeigenbewegungen herrühren, korrigieren. Das reflektierte Signal, das von dem in Spiegelrichtung angebrachten Empfänger detektiert wird, ist dopplerverschoben für den Fall, daß sich das Fahrzeug aus seiner Nullage bzgl. der Straßenoberfläche bewegt. Durch geeigneten Vergleich der Dopplerspektren in den beiden Empfängern läßt sich somit ein Korrekturfaktor berechnen. Die Verwendung zweier Sendeempfänger, die bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, ermöglicht es, dem Verfahren aus DE 35 40 426 beide Sendeempfangsanlagen in nächster Nähe zueinander bei unterschiedlicher Antennenausrichtung anzuordnen. Eine Auswerteeinheit vergleicht die Dopplerverschiebungen in den beiden Empfangskanälen, erkennt daraus eine Lageänderung des Fahrzeugs und errechnet gegebenenfalls einen Korrekturwert für die Geschwindigkeitsschätzung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, welche mit geringem Aufwand die Gewinnung dieser und wei terer Information ermöglicht.

Die Erfindung und vorteilhafte Ausführungen und Weiterbil dungen derselben sind in den Patentansprüchen beschrieben.

Das Verfahren basiert auf der Messung mindestens dreier Dopplerfrequenzen mittels einer Anordnung mit zwei Sende- Empfangs-Modulen, die Signale unterschiedlicher Frequenzen aussenden und das Objekt, dessen Relativbewegung bestimmt werden soll, unter unterschiedlichen Aspektwinkeln be leuchten und die jeweils vom eigenen Sendesignal um eine Dopplerfrequenz verschobenen reflektierten Signale empfan gen. Darüberhinaus empfängt zumindest ein Modul, vorzugs weise aber beide Module, die gestreuten Sendesignale des jeweils anderen Moduls, welche durch Frequenzumsetzung mit der lokalen Sendefrequenz zu Signalen im Bereich der Dif ferenzfrequenz zwischen den beiden Sendefrequenzen führen, wobei diese Signale um eine Differenz-Dopplerfrequenz ge gen die Differenzfrequenz versetzt sind. Aus der Kenntnis der beiden Dopplerfrequenzen im Basisband und einer oder beiden Differenz-Dopplerfrequenzen im Band um die Differenzfrequenz können die Geschwindigkeit, Bewegungs richtung, Neigungswinkel und Abstand des Objekts relativ zu der Anordnung ermittelt werden. Darüberhinaus kann durch Auswertung der Leistungsverteilung in den Spektren der Empfangssignale eine Grobklassifikation des Meßobjekts vorgenommen werden.

Für die Erfindung ist nur eine Auswertung von Frequenzen, insbesondere Dopplerfrequenzen erforderlich, hingegen keine Phasen- oder Amplitudenmessung, so daß die Anordnung mit geringem Aufwand ausgeführt werden kann.

Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung ist die Verwen dung zweier unterschiedlicher Sendefrequenzen in räumlich getrennten Sende-Empfangs-Modulen und in zumindest einem Modul der Empfang gestreuter Strahlung des (jeweils) ande ren Moduls. Hierfür sind die Antennendiagramme der beiden Module so auszurichten, daß die auf dem Objekt, z. B. der Fahrbahn von den beiden Diagrammen ausgeleuchteten Berei che sich zumindest teilweise überdecken. Vorzugsweise ist die Breite (gemessen z. B. als Halbwertsbreite) des Anten nendiagramms des einen Moduls klein gegenüber der Breite des Antennendiagramms des anderen Moduls. Damit unmittel bar korreliert ist das Größenverhältnis der ausgeleuchte ten Bereiche. Durch die verschiedenen Sendefrequenzen und den Empfang von gestreuter Strahlung des anderen Moduls in dem einen Modul kann neben den Doppelfrequenzen der ge trennt betriebenen Sende-Empfangs-Module zumindest eine Differenz-Dopplerfrequenz ermittelt werden, welche eine wesentlich weitergehende Informationsgewinnung ermöglicht.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Figur noch einge hend veranschaulicht. Dabei wird beispielhaft der bevor zugte Anwendungsfall in einem Straßenfahrzeug zugrundege legt, bei welchem zwei Sende-Empfangs-Module 1 und 2, fest an einem Fahrzeug angeordnet und in Fahrtrichtung vonein ander beabstandet sind. Der Abstand der Module ist mit d, die Verbindungsgerade zwischen den beiden Modulen mit L bezeichnet. Die mit R₁ und R₂ bezeichneten Haupt strahlrichtungen der schraffiert gezeichneten Antennendia gramme A1 bzw. A2 der Sende-Empfangs-Antennen der beiden Module 1 und 2 bilden Winkel b1 bzw. b2 mit der Verbin dungsgeraden L. Die Verbindungsgerade nimmt gegenüber einer Linie LO, die parallel zu der Fahrbahnoberfläche 3 in Fahrtrichtung (Pfeil) verläuft und/oder eine Normallage für die Verbindungsgerade L darstellt, im skizzierten Bei spiel einen Neigungswinkel -n ein. Der Abstand des ersten Moduls 1 von der Fahrbahn ist mit h bezeichnet. Das Anten nendiagramm A1 des ersten Moduls 1 weist nur eine geringe Halbwertbreite c1 auf und leuchtet einen Bereich F1 der Fahrbahn 3 aus. Das Antennendiagramm A2 des zweiten Moduls 2 ist deutlich breiter und leuchtet einen Ausschnitt F2 der Fahrbahn aus. Die Ausschnitte F1 und F2 überdecken sich zumindest teilweise, wobei die einzelnen Winkel so bemessen und aufeinander abgestimmt sind, daß bei zulässi gen Extremwerten von h und n sich F1 und F2 noch soweit überdecken, daß von Modul 2 unter dem Winkel b2m in Rich tung R_2m ausgesandte und an der Fahrbahn gestreute Strah lung von Modul 1 noch in zur Auswertung ausreichender Lei stung empfangen wird. Die Richtungen R₁ und R_2m bilden unterschiedliche Winkel (b1 - n), (b2m + n) gegen die Bewe gungsrichtung. Als Breite c1, c2 der Antennendiagramme können z. B. in üblicher Weise deren Halbwertbreiten ange sehen werden.

Die Differenzfrequenz Δf = fs1 - fs2 zwischen den beiden Suchfrequenzen ist klein gegenüber den Sendefrequenzen. Die Sendefrequenz des Moduls 1 sei mit fs1, die des Moduls 2 mit fs2 bezeichnet. Die Empfangssignale E1 bzw. E2 der Module enthalten bei einer Bewegung des Fahrzeugs (bzw. der Anordnung) mit den Modulen relativ zu der Fahrbahn 3 in Pfeilrichtung mit einer Geschwindigkeit v Anteile bei der Sendesignale mit von der Geometrie der Anordnung und der Relativbewegung abhängigen Dopplerfrequenzverschiebun gen.

Die Empfangssignale werden vorzugsweise in an sich ge bräuchlicher Art mit der lokalen Sendefrequenz des jewei ligen Moduls umgesetzt. Dabei entstehen insbesondere Si gnale bei den Dopplerfrequenzen im Basisband und im Be reich der Differenzfrequenz zwischen den Sendefrequenzen.

Entsprechend der endlichen Breite der Antennendiagramme insbesondere bei A2 variiert der für das Maß der Dopple frequenzverschiebung wesentliche Winkel zwischen Strah lungsrichtung und Bewegungsrichtung über die Diagramm breite, insbesondere C2. Im folgenden seien für die da durch verbreiterten Dopplerspektren lediglich deren Linienmittenfrequenz betrachtet.

Der von Modul 1 aus Richtung R1 empfangene Anteil des ei genen reflektierten Sendesignals (fs1) führt zu einem Dopplersignal bei der Dopplerfrequenz fD1 im Basisband. Der vom Modul 2 aus Richtung R2 empfangene Anteil dessen eignen reflektierten Sendesignals (fs2) führt zu einem Dopplersignal bei der Dopplerfrequenz fD2. Der vom Modul 2 aus Richtung R_2m empfangene Anteil der vom Modul 1 in Richtung R₁ gesandten Strahlung der Sendefrequenz fs1 wird auf eine erste Zwischenfrequenz f12 = Δf + ΔfD1 umgesetzt, wobei Δf = fs1 - fs2 die Differenzfrequenz zwischen den Sen defrequenzen fs1 und fs2 und ΔfD1 eine erste gesuchte Dif ferenz-Dopplerfrequenz ist. In entsprechend reziproker Weise führt ein vom Modul 1 aus Richtung R_2m empfangener Anteil der vom Modul 2 in Richtung R_2m ausgesandten Strah lung der Sendefrequenz fs2 auf eine zweite Zwi schenfrequenz f21 = Δf - ΔfD2 mit ΔfD2 als zweiter Diffe renz-Dopplerfrequenz. Die Differenz-Dopplerfrequenzen ΔfD1, ΔfD2 sind klein gegenüber der Differenzfrequenz Δf. Durch Kombination der beiden Zwischenfrequenzen kann als weitere Differenz-Dopplerfrequenz eine vom Wert der Diffe renzfrequenz Δf unabhängige Größe ΔfD = f12 - f21 = ΔfD1 + ΔfD2 gewonnen werden, wodurch Schwankungen der Fre quenzdifferenz Δf nicht mehr in das Ergebnis eingehen. In Fig. 2 sind die amplitudenstärksten Dopplersignalanteile der beiden Empfangssignale E1 und E2 über der Frequenz als diskrete Linien eingetragen.

Mit Kenntnis der Frequenzen fD1, fD2 sowie ΔfD1 und/oder ΔfD2 und/oder ΔfD können die beispielhaft genannten Größen z. B. wie folgt bestimmt werden.

Bewegungsrichtung V ≶ 0
V < 0 für (Δf - ΔfD2) < Δf oder (Δf + ΔfD1) < Δf
V < 0 für (Δf - ΔfD2) < Δf oder (Δf + ΔfD1) < Δf

Neigungswinkel n

mit
fD = (fD1 - fD2)/(fD1 + fD2)
K^± = fs1 cos b1 ± fs2 cos b2
s^± = fs1 sin b1 ∓ fs2 sin b2

Geschwindigkeit V

Höhe h

Anstelle einer Berechnungsvorschrift kann auch eine Ta belle mit entsprechenden Einträgen oder eine Kombination dieser Auswertemöglichkeiten treten.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Lage und Bewegung eines Objekts relativ zu einer Sende- Empfangs-Einrichtung mit zwei unterschiedlich ausgerichteten Sende-Empfangs-Modulen, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Modulen (1, 2) sich zumindest teilweise überdeckende Bereiche des Objekts unter verschiedenen Aspektwinkeln ausgeleuchtet werden, daß von den beiden Modulen Signale unterschiedlicher Sendefrequenz fs1, fs2 ausgesandt und die jeweils vom eigenen Sendesignal um eine Dopplerfrequenz fD1, fD2 verschobenen reflektierten Signale empfangen werden, daß von mindestens einem der Module darüberhinaus das von dem anderen Modul ausgesandte und um eine Differenzdopplerfrequenz ΔfD1 oder ΔfD2 verschobene gestreute Signal empfangen wird, daß die Dopplerfrequenzen fD1, fD2 und zumindest eine Differenzdopplerfrequenz ΔfD1 oder ΔfD2 ermittelt und ausgewertet werden, und daß aus den Sendefrequenzen fs1, fs2, den Dopplerfrequenzen fD1, fD2 und mindestens einer Differenz-Dopplerfrequenz ΔfD1 oder ΔfD2 die Geschwindigkeit V, die Bewegungsrichtung der Neigungswinkeln und der Abstand h des Objekts relativ zur Sende-Empfangseinrichtung ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von beiden Modulen die Signale des jeweils anderen Moduls empfangen und die jeweiligen Differenzdopplerfrequenzen ΔfD1, ΔfD2 ermittelt werden und ausgewertet werden, derart, daß der vom Modul 2 empfangene Anteil der vom Modul 1 ausgesandten Strahlung der Sendefrequenz fs1 auf eine erste Zwischenfrequenz f12 = Δf + ΔfD1 umgesetzt wird, wobei Δf = fs1 - fs2 die Differenzfrequenz zwischen den Sendefrequenzen fs1 und fs2 und ΔfD1 eine erste Differenz-Dopplerfrequenz ist, daß der vom Modul 1 empfangene Anteil der vom Modul 2 ausgesandten Strahlung der Sendefrequenz fs2 auf eine zweite Zwischenfrequenzen f21 = Δf - Δfd2 mit ΔfD2 als zweiter Differenz-Dopplerfrequenz umgesetzt wird und daß daraus die Differenzdoppplerfrequenz ΔfD1 und ΔfD2 bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch kombinierte Auswertung der beiden Differenzdopplerfrequenzen eine von der Frequenzdifferenz zwischen den beiden Sendefrequenzen fs1, fs2 unabhängige Größe ΔfD = ΔfD1 + ΔfD2 ermittelt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der spektralen Leistungsverteilung der Dopplerfrequenzen und/oder der Differenzdopplerfrequenzen eine Klassifizierung des Objekts abgeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von einer in einem Fahrzeug angeordne ten Radaranordnung die Fahrbahnoberfläche angestrahlt wird und daß aus den Dopplerfrequenzen und mindestens einer Dopplerdifferenzfrequenz mehrere der Größen Bewegungsrich tung, Geschwindigkeit, Neigungswinkel, Höhe abgeleitet werden.

6. Radaranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit zwei Sende-/Empfangs-Modulen, deren Anten nendiagramme schräg zur Fahrbahnoberfläche ausgerichtet sind und die Einrichtungen zur Ermittlung und Auswertung von Dopplerfrequenzverschiebungen in den Empfangssignalen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sende- /Empfangs-Module in Fahrtrichtung des Fahrzeugs beabstan det angeordnet sind, daß die von den beiden Antennendia grammen ausgeleuchteten Fahrbahnbereiche sich zumindest teilweise überdecken, daß die Sendefrequenzen der beiden Module sich um eine Differenzfrequenz unterscheiden, daß beide Module die Dopplerverschiebung im reflektierten ei genen Sendesignal als Dopplerfrequenzen ermitteln, daß zu mindest eines der Module zum Empfang von gestreuter Strah lung des anderen Moduls eingerichtet ist und die Doppler verschiebung dieses Empfangssignals als Differenzdoppler frequenz ermittelt und daß die die Auswerteeinrichtungen die beiden Dopplerfrequenzen und mindestens eine Diffe renzdopplerfrequenz auswerten.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Module zum Empfang gestreuter Strahlung des jeweils anderen Moduls eingerichtet sind und jeweils eine Diffe renzdopplerfrequenz ermitteln.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Ermittlung und Auswertung durch Kombination der beiden Differenzdopplerfrequenzen eine von der Frequenzdifferenz zwischen den beiden Sendefrequenzen fs1, fs2 unabhängige Größe Δf1 = ΔfD1 + ΔfD2 ermitteln.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Antennendiagramms des einen Moduls klein ist gegen die des anderen Moduls.