雷达传感器以及使用雷达传感器的机器人的制作方法

本发明涉及雷达传感器，以及涉及其中使用雷达传感器的机器人。

雷达传感器广泛地用于汽车技术中，以用于检测车辆附近的人和对象。例如，de102013010993a1描述了一种雷达系统，该雷达系统被安装到车辆主体的后面，并且在它检测到用户在接近时触发车辆后备箱（boot）的自动开启。

在机器人学中，一般的实践是在机器人附近安装能够检测人的存在的传感器，以便在此人足够接近而在被机器人撞击时损伤时停止机器人的移动。

在de102013010993al的情况下，如果雷达传感器没有正确操作并且无法检测人的接近，则车辆后备箱保持为闭合并且必须用手开启。另一方面，在机器人系统中，如果人的接近未被检测，则机器人可移动到与人相同的位置，以及如果两者碰撞，则存在严重的损伤风险。因此，在机器人应用中，必需检测雷达传感器的可能失败，使得仅当明确确定雷达传感器在正确地操作并且能够检测人的接近时，才启用机器人的操作。

例如在ep2199763b1和ep2829852a2中示出的这样做的常规方式是通过检测来自参考元件的雷达回波，该参考元件被放置在雷达传感器的泄漏（leakage）区外部，放置在来自传感器的收发器的雷达波束被预计传播到的区域中。

这种方式的缺点产生于如下的事实：收发器和参考对象之间的距离必须小于其中必须检测到人的距离，因为在雷达传感器和参考对象之间存在人可能会阻碍原本（otherwise）对参考对象的检测，但距离越小，参考对象的雷达回波就越强。当参考对象是固定的时，可能出现一种状况，在所述状况中，来自附近参考对象的强回波掩盖了来自人的更弱回波，使得可以可靠地检测到人的最大距离小于收发器的灵敏度将所允许的距离。可能提供用于将参考对象移入或移出雷达波束的传播通路的致动器，但是这样的致动器和用于控制它的部件增加机器人系统的成本，并且如果致动器不能正常工作，并且基于对参考对象所在位置的错误假设来评估雷达回波，不及时检测到人的风险是高的。

因此，本发明的一个目的是要提供一种雷达传感器，能够以较高可靠性来建立该雷达传感器的正确操作。

这个目的通过一种雷达传感器来实现，该雷达传感器包括收发器单元，所述收发器单元可操作以便在传出（outgoing）方向上沿波束通路以至少两个不同波长发射雷达波束并且在传入（incoming）方向上沿所述波束通路接收雷达辐射，并且参考对象被放置在所述波束通路中，以用于将所发射雷达波束的部分重定向到收发器，其中所述参考对象包括两个相同的网格，每个网格由规则间隔的对象形成，所述规则间隔的对象在与所述波束通路垂直的第一方向上以彼此相距距离为d来布置，网格沿所述波束通路相互间隔了距离l，并且特征在于所述收发器单元（10）以满足下式的波长可操作，n为整数

。

本发明利用了所谓的泰伯效应：当单色辐射入射在具有光栅常数d的光栅上时，光栅后面的辐射强度分布将导致在离光栅距离为的平面（以下称为泰伯平面）中，强度的零点将出现在彼此相距距离为d处。因此，其元件被放置在这些强度零点的第二光栅将不会将回波反射回到收发器，除非收发器的波长改变。

由于泰伯平面的零点横向偏移为光栅周期d的一半，因此网格中的一个网格应在周期长度d的方向上相对于另一个网格偏移。理想地，如果n=l，偏移应为d/2。相同的偏移将适于任何不均匀的n，但是，n越大，并且网格之间的距离越大，强度分布就越趋向于模糊，这就是优选n=l的原因。

另一方面，如果n是偶数，优选地n=2，则两个网格根本不可能相对于彼此偏移。

为了使来自网格的回波强度保持为低，不管它们对收发器的接近，形成网格的元件的大小在至少一个维度中应小于雷达波束的波长。

当参考元件的大小小于雷达波长时，其雷达截面与该大小的四次幂成比例；因此，可以将参考元件的回波的功率调整为小于人的回波的功率，使得如果收发器足够敏感，以检测参考元件的回波，则更不必说将检测到任何人。

构成网格的对象元件的所述第一维中的大小可以小于雷达波束的波长的一半，优选地小于雷达波束的波长的五分之一，并且更加优选地小于雷达波束的波长的十分之一。

为了能够检测到，网格中的至少一个网格应位于收发器单元的泄漏范围之外。

然而，另一个网格可以位于泄漏范围内，以便不可检测。

由于通过改变雷达波束的波长，第一网格的泰伯平面可以相对于第二网格进行位移，因此即使两个网格相对于收发器固定安装，也有可能在具有来自网格的回波的不同强度的状态之间切换。

在与所述第一维度正交的第二维度中，至少一个参考元件的大小能够比雷达波束的波长要大。这促进参考元件的安装，特别在延长参考对象的至少一端延伸到超出雷达波束的截面时也是如此。

通常，参考元件能够是金属线。

如果具有第一端和第二端中的每个参考元件是线性的，并且如果参考元件的第一端和第二端被安装在框架中，则促进雷达传感器的制造。

在最简单的情况下，收发器每次以一个波长工作，即它从一个波长切换到另一个波长。在那种情况下，可以理所当然地认为，如果在收发器以第一波长工作时检测到来自网格的回波，则它也将以第二波长工作，尽管以那个第二波长，由于第二网格的元件位于由第一网格生成的泰伯网格的强度零点处，因此可能不能检测到来自网格的回波。

特别地，这样的收发器可以属于fmcw（频率调制连续波）类型。

还将设想，具有能够同时以两个波长工作的收发器，使得同时（atasametime）波长中的一个波长可能会产生回声，而另一个波长则不会。在那种情况下，回波可能会被连续监测，并且任何缺陷将被安全地检测出来，只要它影响两个波长。

雷达传感器可被安装在机器人臂上，以便检测机器人附近的人，并且基于这个检测来控制机器人的移动，以便避免机器人与人之间的碰撞。

根据下面对本发明的实施例的描述，本发明的另外的特征和优点将变得显而易见。

图1是其中由雷达传感器来监测机器人的环境的机器人系统的示意图；

图2是图1的雷达传感器中的一个雷达传感器的示意截面；

图3是按照第一实施例的由雷达传感器的收发器所接收的雷达回波的示例；以及

图4是图示作为相对频率的函数的金属球的相对雷达截面的图表；

图5是按照第二实施例的由雷达传感器的收发器所接收的雷达回波的示例。

图1是制造机器人1的示意图，该制造机器人1包括固定基座2、末端效应器3和多个延长连杆（link）4，所述多个延长连杆路4通过接合部5枢转地相互连接、连接到基座2和末端效应器3。由雷达传感器6、7针对人们的存在而对机器人1的环境进行监测。雷达传感器6是固定的，并且可被安装在机器人基座2附近的车间地面8（workshopfloor）上。雷达传感器7被安装在连杆4中。

控制器9被连接到雷达传感器6、7，并且被编程为在机器人1与人之间的距离下降到低于预定阈值时减缓或者可能停止机器人1。

在图2中示出固定雷达传感器6的示意截面。提供收发器10，以用于传送和接收雷达信号。在必要时，可提供透镜12，以用于将从天线11发出的雷达波整形(特别是准直)为波束13，并且用于将所反射雷达回波聚焦到收发器10上。

收发器10的接收通道固有地对由收发器10的传送通道所发射的雷达波是灵敏的。在收发器10处，所发射的雷达波的强度比从雷达传感器6附近的某个对象所反射出的任何雷达回波要大了若干数量级。因此，在收发器以单个频率发射雷达脉冲的情况下，收发器10仅在它没有传送脉冲的同时才对回波灵敏，所述脉冲可“泄漏”到接收通道中。备选地，收发器10能够属于fmcw(频率调制连续波)类型，即，它发射连续雷达波（连续雷达波的频率连续被斜变），使得所传送波与同时接收的回波之间的频率差表示收发器与起源于回波的对象之间的距离。在那种情况下，传出波与所接收回波之间的频率差必须超过某个阈值，以便使回波是可检测的。在任一种情况下，收发器10通过所谓的泄漏范围来包围，在所述泄漏范围中对象不能被检测到，因为通过传出波使它们的回波不可检测。

在这个泄漏范围之内，雷达波束13经过网格14，该网格14由细金属线15形成，所述细金属线15按照在与波束13的传播方向垂直的平面中延伸的规则图案相互平行地布置。波束13的宽度足以辐照多个所述线15。线15的长度应当优选地大于波束13的直径，使得线15的端能够被安装在没有阻挡波束13的框架16上。

线15的直径小于雷达波束13的波长；例如，在雷达波束具有与3mm的波长λ1对应的100ghz的平均频率f1的情况下，线的直径小于3mm，优选地小于0.6mm，以及更加优选地小于0.3mm，使得线没有在网格14的下游侧投射阴影，并且没有反射雷达波束13，而是只将它散射。

由于网格14位于泄漏范围之内，所以没有检测从它散射回收发器10的雷达波。

在泄漏范围外部的波束13的通路中提供具有与网格14相同的结构的第二网格17。两个网格14、17在平行平面中延伸。两个网格14、17的线15相互对齐，即，当在波束13的传播方向上看时，一个网格的线15位于离另一个网格的两个相邻线相等距离处。两个网格14、17之间的距离l等于d1²/2λ1，使得如果雷达波束的波长为λ1，则根据泰伯效应，第一网格14在网格17的平面中产生雷达波的强度分布，该强度分布具有其强度最小数与网格17的线一致的线状网格的形式。因此，当收发器10工作在波长λ1或者在围绕λ1的小间隔中斜变时，第二网格17对雷达波束13的传播没有影响。

但是，当由收发器10所发射的波长与对于将要暴露于大量雷达辐射的网格17的线15的λ1完全不同时，它具有影响。在那种情况下，网格17促成在收发器10处所接收的雷达回波，并且由于网格17处于泄漏范围外部，所以检测到此贡献（contribution）。

由于这个原因，在这里所考虑的实施例中，收发器10适合于在两个频率范围之间进行切换，以用于使雷达波的频率斜变，第一个频率范围以f1=c/λ1为中心，另一个频率范围以不同频率f2为中心。当这个实施例的雷达传感器6开始操作时，收发器10首先在围绕f2的频率范围中发射，以及由收发器10来检测来自网格17的雷达回波。如果这个回波的强度具有预计非零强度，则推断传感器6是起作用的，以及对围绕f1的范围切换收发器10的频率。这样，虽然雷达波束13仍然在来往于收发器10的途中经过网格14和17，但是网格14、17在所接收的雷达回波中没有留下痕迹，以及能够以背景噪声的最小数来检测机器人1附近的对象和人的贡献。

实际上，雷达传感器6的泄漏范围不具有锐化的边界，而是具有其中灵敏度逐渐增加的过渡范围。过渡范围的宽度取决于收发器10和位于雷达波束的通路中的传感器6的组件的质量。如果该范围比宽，则仅当网格14被放置在泄漏范围中时，第二网格17的回波将以降低的灵敏度被检测，或者如果第二网格17的回波将以降低的灵敏度被检测，则网格14必须被放置在过渡范围中。由于泰伯平面中的雷达波束的波前与第一网格的波前类似，因此它在位于第一提到的泰伯平面后面的另一个处的“二阶泰伯平面”中产生类似的强度图案。因此，很容易理解，如果将第二网格17放置在离网格14距离为的处，则能够实现与网格17放置在第一泰伯平面中的效应类似的效应，其中所述网格17的线相对于第一网格在横向方向上偏移，并且如果网格17的线相对于网格14的那些线没有偏移。

如图2中所示，传感器2能够具有旋转镜18或类似移动元件，以用于重定向波束13并且因此扫描传感器6的周围。除了旋转镜18之外，传感器7的结构能够与传感器6的结构相同，如图1中所示，如果沿连杆4的圆周分布若干传感器7，则不需要旋转镜18。

图3给出由收发器10所检测的回波信号的示意示例。如果雷达波束13的频率线性斜变，则传出雷达信号与传入雷达信号之间的频率差直接表示收发器10与作为回波来源的对象之间的距离。采用围绕f2进行操作的传感器来得到图3的曲线a；在由阴影线区域c所表示的泄漏范围正上方的小频率差δf1，存在来自网格17的回波；在更大差δf2，存在来自对象(例如来自机器人1本身)的回波。当传感器6工作在围绕f1的频率范围中时，雷达波束13不受网格17影响，以及只有对象而不是网格17促成雷达回波，如由曲线b所示。

当fmcw收发器用作收发器10时，其调谐范围应包括频率，该频率将网格17放置在网格14的泰伯平面中。在那种情况下，被雷达波束击中并向收发器10反射回波的对象连续地促成接收到的回波信号，不管其瞬时频率如何，而网格17仅在频率接近时才起作用。因此，通过频率过滤可以容易地分离网格17和待检测对象对雷达回波的贡献；特别地，可以通过将回波信号与载波信号相乘来提取网格的贡献，所述载波信号的周期与收发机频率斜变的周期相同。

由于线15的小直径，来自网格17的雷达回波能够被限制到低值，这将不会遮蔽来自外部对象的回波，即使这个外部对象接近网格17，以及通过适当地选择这个直径，来自网格17的雷达回波的强度能够设置成任何预期值。如图4中的简图所示，当金属球的直径比雷达波长要大许多（即，在10或以上的相对频率）时，雷达截面与球的投影面积之间的比率趋于一。另一方面，当直径小于波长时，这个比率与频率的四次幂成比例。类似关系对网格14和17的线15成立。因此，线15的直径能够被选择，使得虽然网格17跨波束13的整个截面延伸，但是起源于网格17的回波仅略高于收发器10的检测阈值。

当来自网格17的回波的强度设置成这么低（aslowasthis）时，雷达传感器6能够通过省去网格14来简化。在那种情况下，来自网格17的回波在传感器6进行操作的同时连续存在，但是这没有造成问题，因为这个回波太弱而不能遮盖应当被检测的接近泄漏范围的外部对象的回波。恰恰相反，正因为来自网格17的回波是弱的，所以传感器6的任何失灵可能使它下降到低于检测阈值，由此检测到失灵。在图5中以与图3的简图类似的简图示出按照这个简化实施例的典型雷达回波信号的示例。

按照这个实施例，还能够简化收发器10，因为不再需要在不同频率范围之间进行切换。由于每当传感器6正操作时，并且不仅在它正工作在围绕f2的频率范围中时，来自网格17的回波都存在，所以它一出现，传感器6的失灵就被检测到。

参考数字

1机器人

2基座

3末端效应器

4连杆

5接合部

6雷达传感器

7雷达传感器

8地面

9控制器

10收发器单元

11天线

12透镜

13波束

14网格

15线

16框架

17网格

18镜。