Die sensorbasierte Erfassung des Nahfeldes im Kontext des hochautomatisierten Fahrens erfährt einen spürbaren Trend bei der Integration von Radarsensorik. Fortschritte in der Mikroelektronik erlauben den Einsatz von hochauflösenden Radarsensoren, die durch effiziente Verfahren sowohl im Winkel als auch in der Entfernung und im Doppler die Messgenauigkeit kontinuierlich ansteigen lassen. Dadurch ergeben sich neuartige Möglichkeiten bei der Bestimmung der geometrischen und kinematischen Beschaffenheit ausgedehnter Ziele im Fahrzeugumfeld, die zur gezielten Entwicklung von automotiven Sicherheitssystemen herangezogen werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit werden ungeschützte Verkehrsteilnehmer wie Fußgänger und Radfahrer mittels eines hochauflösenden Automotive-Radars analysiert. Dabei steht die Erscheinung des Mikro-Doppler-Effekts, hervorgerufen durch das hohe Maß an kinematischen Freiheitsgraden der Objekte, im Vordergrund der Betrachtung. Die durch den Mikro-Doppler-Effekt entstehenden charakteristischen Radar-Signaturen erlauben eine detailliertere Perzeption der Objekte und können in direkten Zusammenhang zu ihren aktuellen Bewegungszuständen gesetzt werden. Es werden neuartige Methoden vorgestellt, die die geometrischen und kinematischen Ausdehnungen der Objekte berücksichtigen und echtzeitfähige Ansätze zur Klassifikation und Verhaltensindikation realisieren.
Wird ein ausgedehntes Ziel (z.B. Radfahrer) von einem Radarsensor detektiert, können aus dessen Mikro-Doppler-Signatur wesentliche Eigenschaften bezüglich seines Bewegungszustandes innerhalb eines Messzyklus erfasst werden. Die Geschwindigkeitsverteilungen der sich drehenden Räder erlauben eine adaptive Eingrenzung der Tretbewegung, deren Verhalten essentielle Merkmale im Hinblick auf eine vorausschauende Unfallprädiktion aufweist. Ferner unterliegen ausgedehnte Radarziele einer Orientierungsabhängigkeit, die deren geometrischen und kinematischen Profile direkt beeinflusst. Dies kann sich sowohl negativ auf die Klassifikations-Performance als auch auf die Verwertbarkeit von Parametern
auswirken, die eine Absichtsbekundung des Radarziels konstituieren. Am Beispiel des Radfahrers wird hierzu ein Verfahren vorgestellt, das die orientierungsabhängigen Parameter in Entfernung und Doppler normalisiert und die gemessenen Mehrdeutigkeiten kompensiert.
Ferner wird in dieser Arbeit eine Methodik vorgestellt, die auf Grundlage des Mikro-
Doppler-Profils eines Fußgängers dessen Beinbewegungen über die Zeit schätzt (Tracking) und wertvolle Objektinformationen hinsichtlich seines Bewegungsverhaltens offenbart. Dazu wird ein Bewegungsmodell entwickelt, das die nichtlineare Fortbewegung des Beins approximiert und dessen hohes Maß an biomechanischer Variabilität abbildet. Durch die Einbeziehung einer wahrscheinlichkeitsbasierten Datenassoziation werden die Radar-Detektionen ihren jeweils hervorrufenden Quellen (linkes und rechtes Bein) zugeordnet und
eine Trennung der Gliedmaßen realisiert. Im Gegensatz zu bisherigen Tracking-Verfahren weist die vorgestellte Methodik eine Steigerung in der Genauigkeit der Objektinformationen auf und stellt damit einen entscheidenden Vorteil für zukünftige Fahrerassistenzsysteme dar, um deutlich schneller auf kritische Verkehrssituationen reagieren zu können.:1 Introduction 1
1.1 Automotive environmental perception 2
1.2 Contributions of this work 4
1.3 Thesis overview 6
2 Automotive radar 9
2.1 Physical fundamentals 9
2.1.1 Radar cross section 9
2.1.2 Radar equation 10
2.1.3 Micro-Doppler effect 11
2.2 Radar measurement model 15
2.2.1 FMCW radar 15
2.2.2 Chirp sequence modulation 17
2.2.3 Direction-of-arrival estimation 22
2.3 Signal processing 25
2.3.1 Target properties 26
2.3.2 Target extraction 28
Power detection 28
Clustering 30
2.3.3 Real radar data example 31
2.4 Conclusion 33
3 Micro-Doppler applications of a cyclist 35
3.1 Physical fundamentals 35
3.1.1 Micro-Doppler signatures of a cyclist 35
3.1.2 Orientation dependence 36
3.2 Cyclist feature extraction 38
3.2.1 Adaptive pedaling extraction 38
Ellipticity constraints 38
Ellipse fitting algorithm 39
3.2.2 Experimental results 42
3.3 Normalization of the orientation dependence 44
3.3.1 Geometric correction 44
3.3.2 Kinematic correction 45
3.3.3 Experimental results 45
3.4 Conclusion 47
3.5 Discussion and outlook 47
4 Micro-Doppler applications of a pedestrian 49
4.1 Pedestrian detection 49
4.1.1 Human kinematics 49
4.1.2 Micro-Doppler signatures of a pedestrian 51
4.1.3 Experimental results 52
Radially moving pedestrian 52
Crossing pedestrian 54
4.2 Pedestrian feature extraction 57
4.2.1 Frequency-based limb separation 58
4.2.2 Extraction of body parts 60
4.2.3 Experimental results 62
4.3 Pedestrian tracking 64
4.3.1 Probabilistic state estimation 65
4.3.2 Gaussian filters 67
4.3.3 The Kalman filter 67
4.3.4 The extended Kalman filter 69
4.3.5 Multiple-object tracking 71
4.3.6 Data association 74
4.3.7 Joint probabilistic data association 80
4.4 Kinematic-based pedestrian tracking 84
4.4.1 Kinematic modeling 84
4.4.2 Tracking motion model 87
4.4.3 4-D radar point cloud 91
4.4.4 Tracking implementation 92
4.4.5 Experimental results 96
Longitudinal trajectory 96
Crossing trajectory with sudden turn 98
4.5 Conclusion 102
4.6 Discussion and outlook 103
5 Summary and outlook 105
5.1 Developed algorithms 105
5.1.1 Adaptive pedaling extraction 105
5.1.2 Normalization of the orientation dependence 105
5.1.3 Model-based pedestrian tracking 106
5.2 Outlook 106
Bibliography 109
List of Acronyms 119
List of Figures 124
List of Tables 125
Appendix 127
A Derivation of the rotation matrix 2.26 127
B Derivation of the mixed radar signal 2.52 129
C Calculation of the marginal association probabilities 4.51 131
Curriculum Vitae 135 / Sensor-based detection of the near field in the context of highly automated driving is experiencing a noticeable trend in the integration of radar sensor technology. Advances in
microelectronics allow the use of high-resolution radar sensors that continuously increase measurement accuracy through efficient processes in angle as well as distance and Doppler.
This opens up novel possibilities in determining the geometric and kinematic nature of extended targets in the vehicle environment, which can be used for the specific development
of automotive safety systems.
In this work, vulnerable road users such as pedestrians and cyclists are analyzed using a high-resolution automotive radar. The focus is on the appearance of the micro-Doppler
effect, caused by the objects’ high kinematic degree of freedom. The characteristic radar signatures produced by the micro-Doppler effect allow a clearer perception of the objects
and can be directly related to their current state of motion. Novel methods are presented that consider the geometric and kinematic extents of the objects and realize real-time
approaches to classification and behavioral indication.
When a radar sensor detects an extended target (e.g., bicyclist), its motion state’s fundamental properties can be captured from its micro-Doppler signature within a measurement
cycle. The spinning wheels’ velocity distributions allow an adaptive containment of the pedaling motion, whose behavior exhibits essential characteristics concerning predictive
accident prediction. Furthermore, extended radar targets are subject to orientation dependence, directly affecting their geometric and kinematic profiles. This can negatively affect
both the classification performance and the usability of parameters constituting the radar target’s intention statement. For this purpose, using the cyclist as an example, a method
is presented that normalizes the orientation-dependent parameters in range and Doppler and compensates for the measured ambiguities.
Furthermore, this paper presents a methodology that estimates a pedestrian’s leg motion over time (tracking) based on the pedestrian’s micro-Doppler profile and reveals valuable
object information regarding his motion behavior. To this end, a motion model is developed that approximates the leg’s nonlinear locomotion and represents its high degree of biomechanical variability. By incorporating likelihood-based data association, radar detections are assigned to their respective evoking sources (left and right leg), and limb separation is
realized. In contrast to previous tracking methods, the presented methodology shows an increase in the object information’s accuracy. It thus represents a decisive advantage for
future driver assistance systems in order to be able to react significantly faster to critical traffic situations.:1 Introduction 1
1.1 Automotive environmental perception 2
1.2 Contributions of this work 4
1.3 Thesis overview 6
2 Automotive radar 9
2.1 Physical fundamentals 9
2.1.1 Radar cross section 9
2.1.2 Radar equation 10
2.1.3 Micro-Doppler effect 11
2.2 Radar measurement model 15
2.2.1 FMCW radar 15
2.2.2 Chirp sequence modulation 17
2.2.3 Direction-of-arrival estimation 22
2.3 Signal processing 25
2.3.1 Target properties 26
2.3.2 Target extraction 28
Power detection 28
Clustering 30
2.3.3 Real radar data example 31
2.4 Conclusion 33
3 Micro-Doppler applications of a cyclist 35
3.1 Physical fundamentals 35
3.1.1 Micro-Doppler signatures of a cyclist 35
3.1.2 Orientation dependence 36
3.2 Cyclist feature extraction 38
3.2.1 Adaptive pedaling extraction 38
Ellipticity constraints 38
Ellipse fitting algorithm 39
3.2.2 Experimental results 42
3.3 Normalization of the orientation dependence 44
3.3.1 Geometric correction 44
3.3.2 Kinematic correction 45
3.3.3 Experimental results 45
3.4 Conclusion 47
3.5 Discussion and outlook 47
4 Micro-Doppler applications of a pedestrian 49
4.1 Pedestrian detection 49
4.1.1 Human kinematics 49
4.1.2 Micro-Doppler signatures of a pedestrian 51
4.1.3 Experimental results 52
Radially moving pedestrian 52
Crossing pedestrian 54
4.2 Pedestrian feature extraction 57
4.2.1 Frequency-based limb separation 58
4.2.2 Extraction of body parts 60
4.2.3 Experimental results 62
4.3 Pedestrian tracking 64
4.3.1 Probabilistic state estimation 65
4.3.2 Gaussian filters 67
4.3.3 The Kalman filter 67
4.3.4 The extended Kalman filter 69
4.3.5 Multiple-object tracking 71
4.3.6 Data association 74
4.3.7 Joint probabilistic data association 80
4.4 Kinematic-based pedestrian tracking 84
4.4.1 Kinematic modeling 84
4.4.2 Tracking motion model 87
4.4.3 4-D radar point cloud 91
4.4.4 Tracking implementation 92
4.4.5 Experimental results 96
Longitudinal trajectory 96
Crossing trajectory with sudden turn 98
4.5 Conclusion 102
4.6 Discussion and outlook 103
5 Summary and outlook 105
5.1 Developed algorithms 105
5.1.1 Adaptive pedaling extraction 105
5.1.2 Normalization of the orientation dependence 105
5.1.3 Model-based pedestrian tracking 106
5.2 Outlook 106
Bibliography 109
List of Acronyms 119
List of Figures 124
List of Tables 125
Appendix 127
A Derivation of the rotation matrix 2.26 127
B Derivation of the mixed radar signal 2.52 129
C Calculation of the marginal association probabilities 4.51 131
Curriculum Vitae 135
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:79098 |
| Date | 12 May 2022 |
| Creators | Held, Patrick |
| Contributors | Schwarz, Ulrich Theodor, Brandmeier, Thomas, Technische Universität Chemnitz, Technische Hochschule Ingolstadt |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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