DE102006049879B4

DE102006049879B4 - Radarsystem für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102006049879B4
Application number: DE102006049879.8A
Authority: DE
Inventors: Dieter Hoetzer; Thomas Kropf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2026-10-24
Also published as: WO2008058777A1; EP2084554A1; DE102006049879A1

Abstract

Radarsystem für Kraftfahrzeuge, mit mehreren vorn im Fahrzeug (26) eingebauten Radarsensoren zur Überwachung des Vorfelds des Fahrzeugs, wobei mindestens zwei der Radarsensoren LRR-Sensoren (16, 18; 42, 44) sind, die dazu ausgebildet sind, frequenzmodulierte Radarsignale zu senden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Treibermodul (24) dazu ausgebildet ist, die LRR-Sensoren (16, 18) so anzusteuern, daß sie jeweils mindestens zwei abwechselnd durchlaufene Meßzyklen (C1, C2) aufweisen, die sich in ihrer Frequenzmodulation in der Weise unterscheiden, daß die Modulation eines Sensors für den Nahbereich optimiert ist, während sie bei dem anderen Sensor für den Fernbereich optimiert ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Radarsystem für Kraftfahrzeuge, mit mehreren vorn im Fahrzeug eingebauten Radarsensoren zur Überwachung des Vorfelds des Fahrzeugs, wobei mindestens zwei der mehreren Radarsensoren LRR-Sensoren sind, die dazu ausgebildet sind, frequenzmodulierte Radarsignale zu senden.
Ein Radarsystem dieser Art ist aus DE 102 41 456 A1 bekannt.
Solche Radarsysteme dienen in Kraftfahrzeugen zur Ortung von vorausfahrenden Fahrzeugen und zur Messung der Abstände, Relativgeschwindigkeiten und Azimutwinkel dieser Fahrzeuge, so daß eine automatische Abstandsregelung (ACC; Adaptive Cruise Control) und/oder ein elektronisches Warnsystem (PSS; Predictive Safety System) ermöglicht wird.
Herkömmliche ACC-Systeme weisen einen einzigen LRR-Sensor (Long Range Radar) auf, beispielsweise ein 76 GHz FMCW-Radar, das eine Ortungstiefe von 100 m oder mehr hat. Ab Abständen von etwa 20 m ist die Radarkeule dieses Sensors so weit aufgefächert, daß sie zumindest die gesamte Breite der von dem eigenen Fahrzeug befahrenen Fahrspur abdeckt, so daß relevante Zielobjekte für die Abstandsregelung zuverlässig geortet werden können. Diese ACC-Systeme sind für den Einsatz auf Autobahnen oder gut ausgebauten Landstraßen vorgesehen und lassen sich nur bei Geschwindigkeiten von mehr als beispielsweise 30 km/h aktivieren. In diesem Geschwindigkeitsbereich sind die üblichen Fahrzeugabstände so groß, daß mit einem einzelnen LRR-Sensor eine hinreichend verläßliche Ortung vorausfahrender Fahrzeuge sichergestellt werden kann.
Es sind jedoch sogenannte ACC FSR Systeme (Full Speed Range) in Entwicklung, deren Einsatzbereich den gesamten Geschwindigkeitsbereich bis hinab zur Geschwindigkeit null abdecken soll und die es insbesondere auch erlauben sollen, beispielsweise beim Auffahren auf ein Stauende, das eigene Fahrzeug in den Stand zu bremsen, wenn das Vorderfahrzeug anhält. Bei solchen ACC FSR Systemen kann eine zusätzliche Sensorik zur Überwachung des Nahbereichs vor dem Fahrzeug eingesetzt werden. Als Sensoren für die Nahbereichsortung sind bisher Videosensoren, LIDAR-Sensoren und SRR-Sensoren (Short Range Radar) in Betracht gezogen worden. Ein typisches Beispiel eines SRR-Sensors ist ein 24 GHz Impulsradar, dessen Ortungswinkelbereich im Azimut etwa ±60° beträgt, so daß der Nahbereich im Vorfeld des Fahrzeugs nahezu lückenlos überwacht werden kann. Zur Steigerung der Ortungssicherheit ist es auch bekannt, zwei SRR-Sensoren symmetrisch beiderseits der Längsmittelachse des Fahrzeugs anzuordnen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Radarsystem für Kraftfahrzeuge zu schaffen, das eine Überwachung sowohl des Fernbereichs als auch des Nahbereichs gestattet und insbesondere eine gute Abdeckung des nahen Frontbereichs ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Treibermodul dazu ausgebildet ist, die LRR-Sensoren so anzusteuern, daß sie jeweils mindestens zwei abwechselnd durchlaufene Meßzyklen aufweisen, die sich in ihrer Frequenzmodulation in der Weise unterscheiden, daß die Modulation eines Sensors für den Nahbereich optimiert ist, während sie bei dem anderen Sensor für den Fernbereich optimiert ist.
Erfindungsgemäß werden die Sensoren abwechselnd mit unterschiedlichen Frequenzmodulationen betrieben. In jedem Zyklus ist die Modulation eines Sensors für den Nahbereich optimiert, während sie bei dem anderen Sensor für den Fernbereich optimiert ist. Auf diese Weise erhält man sowohl für den linken als auch für den rechten Sensor in jedem zweiten Zyklus ein Signal mit guter Abstandsauflösung, während zugleich durch Fusion der Daten der beiden Sensoren eine optimale Fernbereichsortung in jedem Zyklus möglich ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine gute Abdeckung des Nahbereichs läßt sich z.B. dadurch erreichen, daß die beiden LRR-Sensoren in der Nähe der linken und rechten seitlichen Begrenzungen des Fahrzeugs montiert werden, so daß insbesondere Einscherer von der linken oder rechten Nebenspur frühzeitig erkannt werden können. Eine weitere Verbesserung läßt sich dadurch erreichen, daß die optischen Achsen der beiden Sensoren nicht parallel, sondern leicht divergierend angeordnet werden.
Anhand der bekannten Strahlgeometrie der Sensoren läßt sich ein Überlappungsbereich bestimmen, in dem ein Objekt von beiden Sensoren geortet wird. Wenn ein Objekt in diesem Überlappungsbereich nur von einem der Sensoren geortet wird, so deutet dies auf eine Fehlfunktion, beispielsweise eine Erblindung durch Schnee oder Verschmutzung, des anderen Sensors hin. Auf diese Weise wird durch die Erfindung zugleich eine erhöhte Ausfallsicherheit und eine Selbstüberwachung des Systems erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines ACC-Systems mit einem erfindungsgemäßen Radarsystem;
2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung eines Radarsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein Schema für die Frequenzmodulation eines Radarsensors in dem erfindungsgemäßen System; und
4 eine Prinzipskizze eines Radarsystems gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel; und
5 und 6 schematische Darstellungen von LRR-Sensoren bei dem Ausführungsbeispiel nach 4.

Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein an sich bekanntes ACC-System 10 für ein Kraftfahrzeug vereinfacht als Block dargestellt. Im gezeigten Beispiel enthält dieses System einen ACC FSR Regler 12, mit dem eine Abstands- und Geschwindigkeitsregelung über den gesamten Geschwindigkeitsbereich des mit diesem System ausgerüsteten Fahrzeugs möglich ist. Zur Ortung von Objekten im Vorfeld des Fahrzeugs ist ein Radarsystem 14 vorgesehen, das im gezeigten Beispiel durch zwei im wesentlichen baugleiche LRR-Sensoren 16, 18 gebildet wird, beispielsweise durch FMCW-Radarsensoren. Jeder der beiden LRR-Sensoren 16, 18 ist in der Lage, das Objekt zu orten und seinen Abstand und seine Relativgeschwindigkeit zu messen sowie seinen Azimutwinkel zu berechnen. Aus dem Abstand und dem Azimutwinkel läßt sich dann die Querabiage des Objekts in Bezug auf die Querposition des betreffenden Sensors berechnen.
Das ACC-System 10 enthält eine Fusionseinrichtung 20, mit der die von den beiden LRR-Sensoren gelieferten Daten zusammengeführt (fusioniert) werden. Beispielsweise wird von der Fusionseinrichtung 20 in jedem Meßzyklus für jedes geortete Objekt an den Regler 12 nur ein Datensatz übermittelt, der beispielsweise den Abstand, die Relativgeschwindigkeit und die Querablage des Objekts angibt.
Der Regler 12 enthält eine Moduswahleinrichtung 22, mit der je nach Betriebszustand des Fahrzeugs zwischen verschiedenen Betriebsmodi umgeschaltet werden kann, beispielsweise zwischen einem Hochgeschwindigkeitsmodus für Fahrten mit höherer Geschwindigkeit, bei denen eine Überwachung des Nahbereichs nicht zwingend erforderlich ist, und einem Stop & Go Modus für Fahrten mit niedriger Geschwindigkeit, bei denen eine genauere und lückenlose Überwachung des Nahbereichs erwünscht ist. Die Art und Weise, in der die Daten in der Fusionseinrichtung 20 fusioniert werden, kann vom jeweiligen Betriebsmodus abhängig sein. Des weiteren enthält das ACC-System 10 ein Treibermodul 24, das es erlaubt, die beiden LRR-Sensoren 16, 18 in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebsmodus mit voneinander unabhängigen Treibersignalen anzusteuern.
In 2 ist skizzenhaft dargestellt, wie die beiden LRR-Sensoren 16, 18 in einem Fahrzeug 26 eingebaut sind. Die beiden Sensoren sind symmetrisch zur Längsmittelachse des Fahrzeugs 26 angeordnet und befinden sich jeweils in der Nähe der linken bzw. rechten Fahrzeugbegrenzung. Jeder der beiden Sensoren erzeugt eine divergente Radarkeule 28 bzw. 30, die jeweils ab einem gewissen Abstand die gesamte Breite der von dem Fahrzeug 26 befahrenen Fahrspur 32 überstreicht. Die beiden Radarkeulen bilden eine Überlappungszone 34, in der Objekte von jedem der beiden LRR-Sensoren geortet werden können. Im Nahbereich nimmt die Überlappung zwischen den beiden Radarkeulen ab, und es entsteht ein toter Winkel 36, der nicht direkt überwacht werden kann. Aufgrund der gewählten Anordnung der Sensoren kann jedoch kein Objekt in diesen toten Winkel 36 eindringen, ohne vorher mindestens eine der Radarkeulen 28, 30 zu durchqueren. So wird auch im Nahbereich eine lückenlose Überwachung des Vorfelds des Fahrzeugs 26 sichergestellt.
Die optischen Achsen 38 der beiden LRR Sensoren 16, 18 verlaufen nicht parallel zur Längsachse des Fahrzeugs 26, sondern sind jeweils um einen Winkel d von beispielsweise 3° nach außen geschwenkt. Dadurch wird erreicht, daß ein etwa von einer Nebenspur einscherendes Fahrzeug 40 früher erkannt werden kann. Da der Öffnungswinkel der Radarkeulen (mit beispielsweise ±8°) jedoch größer ist als der Winkel d, sind die Radarkeulen dennoch im wesentlichen nach vorn gerichtet.
Das Radarsystem 14 kann beispielsweise im Hochgeschwindigkeitsmodus so betrieben werden, daß in den aufeinanderfolgenden Meßzyklen abwechselnd die Daten des LRR-Sensors 16 und des LRR-Sensors 18 von der Fusionseinrichtung 20 an den Regler 12 übermittelt werden. In dem Fall kann das Treibermodul 24 dafür sorgen, daß der Sensor, dessen Daten nicht benötigt werden, gänzlich inaktiv bleibt. Falls der von der Fusionseinrichtung 20 an den Regler 12 übermittelte Datensatz anstelle der Querablage des Objekts dessen Azimutwinkel enthält, muß zusätzlich spezifiziert werden, mit welchem der beiden Sensoren die Daten gewonnen wurden, damit sich die Querablage dann im Regler 12 korrekt berechnen läßt.
Vorzugsweise wird in der Fusionseinrichtung 20 oder im Regler 12 auch geprüft, ob ein geortetes Objekt sich in der Überlappungszone 34 der beiden Radarkeulen befindet, und in dem Fall wird weiter geprüft, ob ein von einem der beiden Sensoren geortetes Objekt im nächsten Zyklus auch von dem anderen Sensor geortet wird. Wenn dies nicht der Fall ist, wird (ggf. erst nach 2 bis 3 weiteren Zyklen) eine Fehlermeldung ausgegeben, da dann offensichtlich einer der beiden Sensoren nicht einwandfrei arbeitet.
Wahlweise kann das Radarsystem 14 auch so betrieben werden, daß beide Sensoren synchrone Meßzyklen ausführen und die Meßdaten der beiden Sensoren in der Fusionseinrichtung 20 auf Konsistenz geprüft und ggf. einer Mittelwertbildung unterzogen werden. Dies erfordert eine höhere Datenverarbeitungskapazität, hat jedoch den Vorteil einer größeren Ortungsgenauigkeit und Fehlersicherheit.
Ebenso ist eine Betriebsweise denkbar, bei der die Meßzyklen der beiden LLR-Sensoren 16, 18 um eine halbe Zyklusperiode zeitversetzt sind, so daß eine höhere zeitliche Auflösung erreicht wird.
Eine weitere zweckmäßige Betriebsweise des Radarsystems 14 soll nun anhand von 3 erläutert werden. Diese Figur zeigt in einem Frequenz/Zeit-Diagramm ein Beispiel für die Modulation des Radarsignals, das von einem der beiden LRR-Sensoren, beispielsweise dem Sensor 16, gesendet wird. Der in 3 dargestellte Zeitraum umfaßt zwei Meßzyklen C1 und C2. Entsprechend dem Funktionsprinzip eines FMCW-Radars wird die Frequenz in jedem Meßzyklus rampenförmig moduliert, mit einer steigenden Rampe R1 s bzw. R2s und einer symmetrisch dazu fallenden Rampe R1f bzw. R2f. Das von einem Objekt reflektierte und wieder vom Sensor empfangenen Radarsignal wird mit dem zum Empfangszeitpunkt von diesem Sensor gesendeten Signal gemischt, so daß man ein Zwischenfrequenzsignal erhält, dessen Frequenz dem Frequenzunterschied zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal entspricht. Dieser Frequenzunterschied ist einerseits von der Signallaufzeit und damit vom Abstand des Objekts abhängig und andererseits von der Dopplerverschiebung, die das reflektierte Signal aufgrund der Relativgeschwindigkeit des Objekts erfährt. Wenn man die für ein gegebenes Objekt auf der steigenden Rampe R1s und der fallenden Rampe R1f erhaltenen Frequenzunterschiede addiert, so mitteln sich die abstandsabhängigen Anteile aufgrund der entgegengesetzt gleichen Rampensteigung heraus, und man erhält ein Maß für die Relativgeschwindigkeit. Bildet man andererseits die Differenz der Frequenzunterschiede, so mittelt sich der Doppleranteil heraus, und man erhält ein Maß für den Abstand.
Im zweiten Meßzyklus C2 wird mit einer steileren Rampe gearbeitet. Bei gleichem Frequenzhub ist somit im zweiten Zyklus die Dauer T2 einer Rampe kleiner als die Dauer T1 einer Rampe im ersten Meßzyklus C1. Für den Rest des zweiten Meßzyklus C2 kann der Sensor stumm geschaltet werden oder gleichsam im Leerlauf arbeiten, ohne daß das Signal ausgewertet wird. Die steilere Rampe im zweiten Meßzyklus C2 hat zur Folge, daß der Frequenzunterschied empfindlicher auf Abstandsänderungen reagiert, so daß eine höhere Auflösung bei der Abstandsmessung erreicht wird. Dies ist insbesondere bei Objekten im Nahbereich von Vorteil. Andererseits kann die Steilheit der Rampe im ersten Meßzyklus C1 für den Fernbereich, und hier insbesondere für die Ortung von Zweirädern optimiert werden. Wenn die Meßzyklen C 1 und C2 periodisch wiederholt werden, erhält man so abwechselnd eine Frequenzmodulation, die für den Nahbereich und für den Fernbereich optimiert sind. Dieses Modulationsschema ist daher besonders geeignet für das hier beschriebene Radarsystem, bei dem die LRR-Sensoren sowohl für die Fernbereichsortung als auch für eine optimierte Nahbereichsortung eingesetzt werden.
Zugleich kann die steilere Rampe R2s dazu benutzt werden, Mehrdeutigkeiten zu beseitigen, die andernfalls entstehen können, wenn mehrere Objekte gleichzeitig geortet werden. Selbstverständlich ist auch ein Modulationsschema denkbar, bei dem mit drei oder mehr unterschiedlichen Rampen gearbeitet wird.
Die Radarsignale der beiden LRR-Sensoren 16, 18 können synchron oder asynchron nach demselben Modifikationsschema oder nach unterschiedlichen Modulationsschemata moduliert werden. Wahlweise können die beiden Sensoren dabei auch in unterschiedlichen Frequenzbändern arbeiten, so daß sich bei Empfang eines Signals durch einen der beiden Sensoren entscheiden läßt, ob dieses Signal von demselben Sensor oder von dem anderen Sensor gesendet wurde. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten, die Genauigkeit und insbesondere die Winkelauflösung des Radarsystems zu verbessern.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die beiden LRR-Sensoren so angesteuert, daß die Meßzyklen C1 des einen Sensors mit den Meßzyklen C2 des anderen Sensors zusammenfallen. Auf diese Weise erhält man in jedem Meßzyklus ein Signal, das für die Fernbereichsortung optimiert ist, sowie ein Signal, das für die Nahbereichsortung optimiert ist. Zur Begrenzung des Verarbeitungsaufwands kann dabei die Auswertung des Signals, das für den Nahbereich optimiert ist, auf den unteren Abstandsbereich beschränkt werden, während umgekehrt bei der Auswertung des für den Fernbereich optimierten Signals die Auswertung auf den größeren Abstandsbereich beschränkt wird.
Anhand von 4 bis 6 wird nun ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem sich die beiden LRR-Sensoren 16, 18 in ihrer Richtcharakteristik unterscheiden.
4 zeigt ein Radarsystem mit zwei LRR-Sensoren 42, 44, die an den gleichen Positionen und in der gleichen Orientierung wie in 2 in das Fahrzeug 26 eingebaut sind, sich jedoch in der Aufweitung und Reichweite ihrer Radarkeulen 46, 48 unterscheiden. Die Radarkeule 48 des LRR-Sensors 44 ist relativ schmal, während die Radarkeule 46 des LRR-Sensors 42 einen deutlich größeren Winkelbereich überstreicht, dafür jedoch aufgrund der schnelleren Abnahme der Signalintensität nur eine geringere Reichweite hat. Auch bei dieser Ausführungsform können beide LRR-Sensoren 42, 44 gemeinsam sowohl zur Fernbereichsüberwachung als auch zur Nahbereichsüberwachung eingesetzt werden. Aufgrund der speziell angepaßten Richtcharakteristik ist jedoch bei dem Sensor 44 die Qualität der Fernbereichsortung und bei dem Sensor 42 die Qualität der Nahbereichsortung verbessert.
In 5 ist der Aufbau des LRR-Sensors 44 schematisch dargestellt. Dieser Sensor weist vier nebeneinander angeordnete Antennenpatches 50 auf, denen ein identisches Sendesignal zugeführt wird, deren empfangene Signale jedoch getrennt ausgewertet werden. Die von den Patches emittierten Radarstrahlen werden durch eine gemeinsame Linse 52 gebündelt, so daß vier leicht gegeneinander winkelversetzte Teilkeulen 54 entstehen, die zusammen die verhältnismäßig schmale Radarkeule 48 in 4 bilden. Durch Vergleich der Amplituden und Phasen der von den Antennenpatches 50 empfangenen Signale läßt sich der Azimutwinkel eines georteten Objekts bestimmen.
In 6 ist auf analoge Weise der Aufbau des LRR-Sensors 42 dargestellt. Hier ist die Linse 52, die im gezeigten Beispiel die gleiche Brennweite hat wie in 5, in geringerem Abstand vor den Antennenpatches 50 angeordnet, so daß schwächer gebündelte Teilkeulen 56 entstehen, die zusammen die Radarkeule 46 in 4 bilden. Aufgrund des geringeren Linsenabstands ist hier auch der Winkelversatz zwischen den Teilkeulen 56 größer, so daß die Radarkeule 46 nicht nur weiter aufgefächert ist, sondern aufgrund des größeren Winkelversatzes der Teilkeulen auch eine gleichmäßig hohe Winkelauflösung in dem vergrößerten Ortungswinkelbereich ermöglicht wird.
Alternativ oder zusätzlich können sich die Linsen 52 der in 5 und 6 gezeigten Sensoren auch in ihrer Geometrie unterscheiden.
Ebenso lassen sich die unterschiedlichen Richtcharakteristiken der LRR-Sensoren 42, 44 auch mit sogenannten Phased-Array Antennen erzeugen. Die hier beschriebene Ausführungsform hat jedoch den Vorteil, daß die LRR-Sensoren in ihrem Grundaufbau identisch sein können und lediglich die Form und/oder Halterung der Linse 52 modifiziert zu werden braucht. Dies erleichtert eine rationelle und kostengünstige Fertigung des Radarsystems.
Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel läßt sich auch dahingehend modifizieren, daß beispielsweise der LRR-Sensor 42 mit der weiter aufgefächerten Radarkeule auf der Längsmittelachse des Fahrzeugs 26 angeordnet wird. In dem Fall ist auch eine symmetrische Anordnung mit zwei LRR-Sensoren 44 beiderseits des Sensors 42 möglich, so daß das Radarsystem insgesamt drei LRR-Sensoren aufweist.

Claims

Radarsystem für Kraftfahrzeuge, mit mehreren vorn im Fahrzeug (26) eingebauten Radarsensoren zur Überwachung des Vorfelds des Fahrzeugs, wobei mindestens zwei der Radarsensoren LRR-Sensoren (16, 18; 42, 44) sind, die dazu ausgebildet sind, frequenzmodulierte Radarsignale zu senden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Treibermodul (24) dazu ausgebildet ist, die LRR-Sensoren (16, 18) so anzusteuern, daß sie jeweils mindestens zwei abwechselnd durchlaufene Meßzyklen (C1, C2) aufweisen, die sich in ihrer Frequenzmodulation in der Weise unterscheiden, daß die Modulation eines Sensors für den Nahbereich optimiert ist, während sie bei dem anderen Sensor für den Fernbereich optimiert ist.
Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei LRR-Sensoren (16, 18; 42, 44) in der Nähe der seitlichen Fahrzeugbegrenzung auf der linken und rechten Seite des Fahrzeugs (26) angeordnet sind.
Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die LRR-Sensoren (16, 18; 42, 44) so orientiert sind, daß ihre optischen Achsen (38) divergieren.