专利名称：用于检测车轮的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测沿行进方向在道路上行进并且其车轮至少部分地横向露出的车辆的车轮的方法和设备。
背景技术：
大量的应用关心车辆车轮的检测。因此，为了例如监视边界或者启动诸如触发报警、打开灯、打开路障、出于监视目的拍摄照片等的某些动作，可以从车轮的识别确定地推断正在给定的交通区域上行驶。当代的交通收费系统也经常使收费计算基于车轴的数量，使得车轮(轮轴)的检测也可以成为养路费或停车收费系统的重要基础。从DE 10 2008 037 233 Al已知，运动车辆的车轮的基于它们的切向速度的水平 分量的检测，这与车辆的其余部分的检测不同，并带来雷达测量束的相应的多普勒频移。出于该目的，使用利用雷达束波瓣照射通过车辆的下部区域并且从返回的频率混合确定在车轮的位置处具有信号最大值的单个速度测量信号的雷达速度测量单元。信号曲线中的这种最大值的自动检测需要极值的信号分析搜索，并相应地较为复杂。另外，牵引车辆及其拖车之间的间隙会错误地表明信号最大值和中间“错误”最大值，这导致错误的车轮检测。
发明内容
本发明的目的为创建用于使得能够比已知的方案更安全地检测的车轮检测的方法和设备。利用由以下步骤表征的方法，在本发明的第一方面中实现该目的从道路的路边并且相对于行进方向倾斜地将具有频率的已知时间演进(progression)(随时间的演进)的电磁测量束波瓣发射到高于道路的区域上，接收被通过车轮反射的测量束波瓣，并将同时出现的其所有频率相对于已知的演进的时间演进记录为接收频率混合，和在车辆的通过期间，将在接收频率混合的记录的演进中出现并超过预定的阈值的频率扩展检测为车轮。本发明基于根据车轮的切向速度的水平分量检测运动车辆的车轮的新颖方法，这与检测车辆的其余部分不同，并带来激光雷达或雷达测量束的相应的多普勒频移。如果使用在立体角上以圆锥形状扩张或分布的在较大束断面上扩展的测量束(“测量束波瓣”)，那么它在入射的扩展区域上(例如在具有IOcm 50cm范围内的高度或宽度的椭圆上)入射通过车轮的至少一部分。在旋转车轮的每个不同的高度处，它具有其切向速度的不同的水平分量(其宽度恒定)，并由此产生不同的多普勒频率偏移，这导致测量束波瓣的发射频率“破碎”或“扩展”成由旋转车轮返回的多个接收频率。当旋转车轮在扩展的高度区域上被测量束波瓣入射时，它跨其高度在接收谱中产生频率扩展，这可被用于检测车轮。该效应与第二寄生频率扩展效应重叠，这可被追溯到切向速度的水平分量相对于从接收器的方向的不同的投影角度该投影方向根据入射区域中的观察的反射点而改变。该第二扩展效应与车身或旋转车轮是否通过接收器无关，并且仅由测量布置的总体几何形状条件确定。因此，从由必须对于车轮的检测超过的多普勒效应诱导的首先提到的频率破碎的扩展量以它比由其次提到的几何形状诱导频率破碎产生的频率扩展大的方式被限定。作为结果，基于由车轮产生的“多普勒签名”实现具有高检测确定度的车轮检测方法。优选事先根据在车辆的无车轮部分的通过期间出现的频率扩展确定预定的阈值。由此，可通过基准测量原位校准该方法。在第二方面中，本发明创建一种用于检测沿行进方向在道路上行进并且其车轮至少部分地横向露出的车辆的车轮的设备，其特征在于将具有频率的已知的时间演进的电磁测量束波瓣发射到目标并根据被目标反射的测量束波瓣将同时发生的所有频率相对于已知的演进的时间演进记录为接收频率混合的至少一个多普勒激光雷达或雷达装置，
其中，测量束波瓣从道路的路边取向到高于道路的区域上并且相对于行进方向倾斜，和将在车辆的通过期间在接收频率混合的记录的时间演进中出现并超过预定的阈值的频率扩展检测为车轮的下游估计单元。关于根据本发明的设备的优点，读者参照根据本发明的方法的以上讨论。本发明如果与多普勒雷达装置一起操作，则在与诸如WLAN(无线局域网)、WAVE (车辆环境中的无线接入)或DSRC (专用短程通信)的已现有的无线道路基础结构的无线电信号台关联时是特别合适。本发明的特别有利的实施例的特征在于，多普勒雷达装置由路边WLAN、WAVE或DSRC无线电信号台构成。
参照附图，方法和设备的进一步的特征和优点从优选的示例性实施例的以下的描述将变得十分明显，其中图I为了解释本发明的基础以示意性立体图示出用于车轮检测的设备的第一实施例；图2示出通过车辆上的根据图I的设备中的测量束的几个示例性扫描演进；图3示出图2的扫描演进的接收频率或速度的确定的演进的定时图；图4详细示出旋转车轮上的速度关系；图5以示意性透视图示出本发明的设备的实施例；图6为了说明车轮的通过期间的多普勒诱导频率扩展示出来自图3的接收频率或速度的几个演进的重叠；图7为了说明车辆的通过期间的几何形状诱导频率扩展示出来自图5的设备的测量束波辦中的几何形状关系；图8示出通过期间的几何形状诱导频率扩展的随时间的演进的效应；图9示出在车辆的通过期间图8的几何形状诱导频率扩展和图6的多普勒诱导频率扩展在它们随时间的演进中的组合效应；图10示出图9的变体。
具体实施例方式在图I中，车辆I沿行进方向3在道路2上运动。车辆I具有从车辆2的车身5向下突出并且同时至少部分地在车身开口中在车身侧面露出(即可从侧面看到)的车轮4。多普勒激光雷达或雷达装置6与行进方向3倾斜地并且稍高于道路的表面地从道路I的路边发射集中的激光雷达或雷达测量束7，使得测量束7大致在通过车辆的车轮4的区域中入射通过车辆I。多普勒激光雷达/雷达装置6以本领域公知的方式估计由车辆I或其车轮4反射的测量束7的接收频率，其中，可从发射的和反射的测量束7之间的多普勒效应诱导频移确定车辆I的车辆速度V在测量束7的方向上的(投影)分量Vp或测量束7的入射点处的车轮4的切向速度Vt(图2)。然后，如后面将更详细地描述的那样，可从该信息检测车辆I的 车轮4。出于该目的，在装置6的下游布置进行测量束7的接收频率的相应的估计的估计单元8。激光雷达/雷达装置6和估计单元8因此一起形成用于检测车辆I的车轮4的装置9。多普勒激光雷达/雷达装置6自身可以是本领域已知的任意类型，不管是具有连续、调制的还是脉冲测量束7。对于连续测量束7，可通过干涉测量确定发射的和反射的测量束7的自然频率(“载波频率”)之间的多普勒频移。对于脉冲或调制的测量束，可测量发射的和反射的测量束7的脉冲速率或调制频率之间的多普勒偏移。这里使用的术语“接收频率”被理解为意味着测量束7的所有这种自然、载波、脉冲或调制频率，即，术语接收频率包含受多普勒效应影响的测量束7的任意类型的频率。在原理上，测量束7自身的性质也是任意的，只要它是电磁波，不管它如在激光雷达装置中那样为可见光或红外光，还是如在雷达装置中那样为无线电波，特别是微波。图I的说明例中的测量束7被强烈地集中，使得其在车身5或车轮4上的入射点具有极小的直径。图2示出在车辆I通过设备9的通过期间基本上以点形式入射车辆I或其车轮4的这种集中的测量束7的扫描演进。出于说明的目的，为了举例示出六个不同的扫描演进Hl H6，但是，应当理解，在车辆的通过期间仅发生来自集中的测量束7的单个扫描演进Hl H6。图3示出连续被激光雷达/雷达装置6接收的扫描演进Hl H6的反射的测量束7随时间的接收频率f。接收频率f相对于发射频率的多普勒偏移△ f与车辆I或车轮4的分别扫描的部分的速度分量Vp成比例。因此，图3所示的接收频率演进El E6等价于速度演进相当。从图3的接收频率演进El可以看出，入射车轮4之外的车辆I的车身5的扫描演进Hl具有测量束7的基本上恒定的接收频移Λ f，并因此在车身通过的持续期Tp期间具有基本上恒定的速度分量vp，这表达为接收频率演进中的方波脉冲R。对于入射车轮4的最上面的点的扫描演进H2，其中车轮的切向速度Vt被加到车辆速度V上的接收频率演进E2具有高于每个车轮4的车身方波脉冲R的2vp的峰值10。如果测量束7在轮轴与车轮的上侧之间的水平处入射车轮4，那么如在H3和H4处的扫描演进中那样，如演进E3和E4的方波脉冲11所示，与其切向速度Vt的投影Vp对应，在车轮4的通过期间测量到测量方向中相对于车身脉冲R的突然改变的多普勒偏移，并因此测量到接收频率或速度中的偏移。每个脉冲11包含上升边沿12和随后的下降沿13，即，两个连续交变的频率不连续。接收频率演进E5示出测量束7在车轮4的轴的水平处精确地入射车轮4的特殊情况，其中，不存在可沿测量束7的方向投影的车轮的切向速度，使得车轮4不可被检测。接收频率演进E6在车轮4的下侧与它们的轴之间的水平处扫描车轮4，并且类似于E4的情况，但具有相反的变化11 13。图4使用扫描演进H4为例在解析上示出作为相应扫描演进Hl H6相对于轮轴A的高度h的函数的车轮4的偏移11的程度。如果R是车轮4的半径并且r是车轮4内部的任意的半径，那么半径r处的切向速度Vt Cr)与该半径r成比例，特别地，v,(厂)= f ,⑴ 角度α处的切向速度VtCr)在行进方向3上的的水平分量Vth Cr)是与下式对应的正弦投影Vth(T)=JVt^ma⑶其中，
. hsma=-
r(3)切向速度的水平分量Vth Cr)结果凶此为vth(r)=v⑷切向速度的水平分量Vth (r)因此与扫描演进的相应地考虑的高度h成正比，并且在车轮4被扫描时在该高度h上是恒定的。图5示出根据图I 4的方法的扩展，其中，作为集中的测量束7的替代，使用例如二维或以漏斗形状散射或扩展的加宽的测量束，以下，为了简洁，该测量束被称为“测量束波瓣” 15。测量束波瓣15可通过外侧凹透镜在激光雷达装置中被实现，或者利用缺少精确的聚焦的雷达装置发生。例如，图5示出与估计单元8 —起形成设备9的多普勒雷达装置16。在雷达的情况下，测量束波瓣15由正使用的雷达天线的接受角表征。定向天线的接受角(或半值宽度)指的是功率相对最大值减小到一半(_3dB)的点。如本领域技术人员熟悉的那样，可从相应接受角的知识利用下式计算天线沿其主辐射方向的增益
1ΠΙ 27.000
k(p ts3其中，g =增益[dBi]
Δφ =水平接受角(以度为单位)Δ Θ =垂直接受角(以度为单位)
雷达天线的接受角应允许在要检测的车辆I的测量信号中良好地分开各个车轮4。因此，如果测量束波瓣15的入射区域17基本上是车辆I的车轮4的尺寸，并且，不仅覆盖车轮4，而且位于稍高于它的位置，如图7所示，那么这是特别有利的。最佳入射区域17源自到车辆I的测量距离，并且因此，雷达天线的选择依赖于总体布置的几何形状。一般地，根据雷达装置16的布置和频率，具有大于IOdB的增益的天线是特别合适的。定向天线通常具有大于20dB (与接受角Δφ = Δ 9 =约16°对应)的天线增益g。因此，可以以20dB的天线增益从离车辆12m的位置照射直径为56cm的区域17。为了实现接受角Δφ = AS =约5°，对于更远的车辆I需要30dB的天线增益g，这意味着在IOm的距离上尺寸为约90cm的照射区域17。当使用入射车辆I或车轮4的相对较大区域17的这种测量束波瓣15时，来自区域17中的各入射点(参照图2中的示例性扫描演进Hl H6)的相应接收频率(参照El E6)重叠于各接收频率或速度的混合18上；参见图6。换句话说，当接收频率f入射车轮4时，它在车辆I的通过Tp期间破碎或扩展成接收频率或速度的多普勒效应诱导混合18，扩 展的程度(“频率扩展”)在图6中标为Ap这种频率扩展18的发生因此可被用作车轮4的特征。通过由测量束波瓣15自身的几何形状诱导的第二频率扩展效应，寄生重叠具有A1程度的多普勒效应诱导频率扩展18。从其位置P1，如从图7可看出，雷达/激光雷达装置16从不同的空间方向T、7"观察测量束波瓣15的入射区域17中的各点P2'、P2"、这些点在每种情况下与车轮4的切向速度Vt的水平分量Vth或车身5的速度V —起包围分别不同的立体角βρ β2。如作为接收频率演进E/的几何形状诱导扩展在图8中对于车身5水平H1处的速度V表示的那样，速度V或Vth在测量束波瓣15中的相应测量束方向V、7"上的投影由此跨区域17导致接收频率的几何形状诱导破碎或扩展(“频率扩展”)18'，并且具有尺寸S。如图9所示，程度A1的多普勒效应诱导扩展18 (图6)被程度S的几何形状诱导扩展18'(图8)重叠成随时间的演进中的“实际”接收频率混合F。在车轮4的位置处测量由多普勒诱导扩展A1和几何形状诱导扩展S构成的到程度A2的频率扩展。几何形状诱导频率扩展18，基本上仅依赖于雷达/激光雷达装置16相对于道路2或车辆I的行驶位置的安装位置和取向，并因此可由车辆I的基准测量确定(具有覆盖的车轮，或者，如果测量束波瓣18仅入射车身5)。几何形状诱导频率扩展18'的程度S可然后被用作实际雷达检测过程的基准或预定值，其估计图9的接收频率演进，并且，如果接收频率的记录的演进F示出超过规定为基准的扩展量S的扩展A2,则检测到车轮4。作为替代，通过存储在车身5进入测量束波瓣18中时的车辆通过的第一微秒中出现的频率扩展18'并将其用作随后的车轮检测的阈值，可每次对于车辆I的通过期间的当前检测过程重新确定扩展程度S。如基于图4和式(4)可以看出，多普勒诱导频率扩展18的包络曲线大致与在角度β '、β "处观察的车轮4的圆周轮廓对应，S卩，它一般是椭圆，如果区域17没有覆盖整个车轮4，则该椭圆可被截断；参见图16。如果另外考虑几何形状诱导频率扩展18'，那么包络曲线在扩展S的程度上变得更“不锐利”，但是，例如，通过例如在设备9的存储器22中将基准车轮的基准通过的接收频率混合F存储为“基准签名”21，以便随后将其与实际车辆通过的接收频率演进F相比，其大致的形状仍可被分析。图10示出在反射的测量束波瓣15中并因此在车辆I的通过Tp期间的接收频率演进信号F中出现中断23的真实情况。在基准签名21与这种实际接收频率演进F的比较中，为了在这种情况下实现高识别确定性，可进行轮廓、表面区域和/或形状的适当的比较(“最佳合适匹配”)。在图5的实施例的有利的实际实现中，通过使用道路的现有的无线基础结构，例如通过使用养路费系统的WAVE或DSRC 无线电信号台或路边因特网基础结构的WLAN无线电信号台，构建设备9的多普勒雷达装置16。由此，WLAN、WAVE或DSRC无线电信号台的现有的发射器部件可被用作多普勒雷达装置16的发射部件；无线电信号台的接收器部分可类似地被用作多普勒雷达装置16的接收器部件；或者可至少被集成到无线电信号台的接收器部件中。例如，本发明的设备和方法可以以这种方式被实现为在常规的WLAN、WAVE或DSRC无线信号台上运行的软件应用。到目前为止，一直假定雷达/激光雷达装置6或测量束波瓣15的发射频率是恒定的，即，其随时间的演进(时间演进)是恒定的演进。但是，例如，如在频率不断地根据预定的或已知的模式改变的跳频方法中那样，装置6也可以以时间上非恒定的发射频率发射测量束波瓣15。记录的接收频率演进F相对于测量束波瓣15的发射频率的之前已知的时间演进被记录，不管是恒定还是改变的，即参照它或相对其归一化，使得可以补偿已知的发射频率演进的效应。因此，本发明不限于示出的实施例，而可包含落入所附的权利要求的范围内的所有变体和修改。
权利要求
1.一种用于检测沿行进方向(3)在道路(2)上行进的车辆(I)的车轮(4)的方法，所述车辆(I)的车轮(4)至少部分地横向露出，具有以下步骤 从道路(2)的路边并且相对于行进方向(3)倾斜地将具有频率的已知时间演进的电磁测量束波瓣(15)发射到高于道路(2)的区域上； 其特征在于以下步骤 接收被通过车辆(I)反射的测量束波瓣(15)，并将同时出现的其所有频率相对于已知的演进的时间演进(F)记录为接收频率混合(F);和 在车辆的通过(Tp)期间，将在接收频率混合(F)的记录的时间演进中出现并超过预定的阈值(S)的频率扩展(A2)检测为车轮。
2.根据权利要求I的方法，其特征在于，根据在车辆(I)的无车轮部分通过期间发生的频率扩展(18,)，在先前的步骤中确定预定的阈值(S)。
3.一种用于检测沿行进方向(3)在道路(2)上行进的车辆(I)的车轮(4)的设备，所述车辆(I)的车轮(4)至少部分地横向露出，其特征在于 将具有频率的已知的时间演进的电磁测量束波瓣(15)发射到目标上并根据被目标反射的测量束波瓣(15)将同时发生的所有频率相对于已知的演进的时间演进记录为接收频率混合(F)的至少一个多普勒激光雷达或雷达装置(6)， 其中，测量束波瓣(15)从道路(2)的路边取向到高于道路(2)的区域上并且相对于行进方向(3 )倾斜；和 将在车辆的通过(Tp)期间在接收频率混合(F)的记录的时间演进中出现并超过预定的阈值(S)的频率扩展(A2)检测为车轮的下游估计单元(8)。
4.根据权利要求3的设备，所述设备具有多普勒雷达装置(6)，其特征在于，其由路边WLAN、WAVE或DSRC无线电信号台构成。
全文摘要
本发明涉及用于检测车轮的方法和设备。提供一种用于检测沿行进方向(3)在道路(2)上行进并且其车轮(4)至少部分地横向露出的车辆(1)的车轮(4)的方法，该方法具有以下步骤从道路(2)的路边并且相对于行进方向(3)倾斜地将具有频率的已知时间演进的电磁测量束波瓣(15)发射到道路(2)的区域上；接收被通过车辆(1)反射的测量束波瓣(15)，并记录其所有频率相对于已知的演进的时间演进(F)；和在车辆的通过(TP)期间，将在记录的演进(F)中出现并超过预定的扩展大小(S)的频率扩展(A2)检测为车轮。
文档编号G01S13/58GK102841340SQ20121019256
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月12日 优先权日2011年6月21日
发明者O·纳吉 申请人:卡波施交通公司