用于对转动的车轮进行检测的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于对车辆（1）的转动的车轮（4）进行检测的方法，该车辆沿行驶方向（3）行驶在行车道（2）上并且该车辆的车轮（4）至少部分在侧面露出，该方法包括如下步骤：将具有测量束频率的已知的时间变化曲线的电磁测量束（9）沿相对于竖直线（V）倾斜的方向并且沿相对于行驶方向（3）垂直或倾斜的方向发射到行车道（2）上方的第一区域上；接收所反射的测量束（9）并且相对于已知的变化曲线地记录测量束频率的时间变化曲线作为接收频率混合变化曲线（20）；以及在接收频率混合变化曲线（20）中检测频率的在一时间区段上连续上升或下降的频带（22）为车轮（4）。本发明还涉及一种用于执行所述方法的设备（7）。
【专利说明】用于对转动的车轮进行检测的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于对车辆的转动的车轮进行检测的方法和装置，该车辆沿行驶方向行驶在行车道上并且该车辆的车轮至少部分地在侧面露出。
【背景技术】
[0002]在大量应用中感兴趣的是对车辆车轮进行检测。这样，从对车轮的识别可以可靠地识别行经某些交通区域，例如用于边界监控或用于触发某些动作，如触发警报、接通照明装置、打开栅栏、出于监控目而拍摄照片等。现代交通收费系统也常常按车辆的轴数来确定费用，从而使得对车轮(车轴)的检测也能是对于征收或核查过路费的重要根据，尤其是也借助于移动核查车辆，这些移动核查车辆在从旁边驶过中或在相向行驶中应核查需要收费的车辆的轴数。
[0003]由DE102008037233A1已知，对运动的车辆的车轮根据其相对于车辆其余部分所不同的、切线速度的水平分量来检测，该切线速度引起雷达测量束的相应的多普勒频移。为此，使用雷达测速仪，该雷达测速仪利用雷达辐射波瓣来辐射通过车辆的下部区域并且基于返回的接收频率混合在时间上平均出唯一的速度测量信号，该速度测量信号在车轮位置处显现出被用于车轮检测的信号最大值。然而，在牵引车与其拖车之间的空隙可能冒充信号最小值并且因此冒充处于其间的“伪”最大值，这些值导致错误的车轮检测。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，提出用于检测车轮的方法和设备，该方法和该设备能实现相比于已知的解决方案更为可靠的检测。
[0005]该目的在本发明的第一方面中利用如下的方法来达到，该方法的特征在于如下步骤:
[0006]将具有测量束频率的已知的时间变化曲线的电磁测量束沿相对于竖直线倾斜的方向并且沿相对于行驶方向垂直或倾斜的方向发射到行车道上方的第一区域上；
[0007]接收经反射的测量束并且相对于已知的变化曲线地记录测量束频率的时间变化曲线作为接收频率混合变化曲线；以及
[0008]在接收频率混合变化曲线中检测频率的在一时间区段上连续上升或下降的频带为车轮。
[0009]本发明基于新式方案，S卩，借助在通过期间上升的(例如当多普勒传感器处于车轴之上，指向下方并且与车轮相向时)或下降的(例如当多普勒传感器处于车轴之下，指向上方并且与车轮相向时)接收频率混合变化曲线来检测在多普勒传感器旁大致水平地运动的车轮。与已知的现有技术(DE102008037233A1)不同，并不仅评价每个车轮的信号最大值，而且在车轮通过期间评价信号变化曲线。
[0010]在由上方或由侧面倾斜地且垂直于行驶方向击中车轮的测量束为线形的理想情况下，经反射的测量束的由多普勒效应决定的频移的变化曲线线形地上升或下降。在测量束相对于行驶方向不是垂直地而是倾斜地定向时，给所述变化曲线加上了通过车轮的切线速度的水平分量所决定的多普勒频移，该多普勒频移导致变化曲线的附加的偏置，但这对于在车轮通过期间上升或下降的接收频率变化曲线的检测标准不作改变。
[0011]此外，测量束的射束横截面在真实情况中从不是理想点状的而总是扩张的，例如扩张到在车辆上在几个厘米或几十个厘米的数量级内的入射区域上。由此，接收频率由所述的线形变化曲线加宽或展开成接收频率的“混合”或“频带”:因为在测量束的入射区域中的变化的高度位置和宽度位置上，转动的车轮分别具有切线速度的变化的竖直分量和水平分量并且因此产生不同的多普勒频移，这些不同的多普勒频移导致测量束的发射频率“分开”或“展开”到多个同时经反射的接收频率、即“接收频率混合”上；在时间上看，接收频率混合以在频率/时间平面内的频带的方式变化，具有所述的上升或下降的变化曲线。
[0012]该由车轮速度决定的展开效应与寄生的第二频率展开效应叠加，该寄生的第二频率展开效应归因于切线速度的竖直分量和水平分量朝向接收器的不同投影角度:该投影角度根据入射区域中的所观察的反射位置而变化。第二展开效应与车辆车身或转动的车轮是否恰好经过接收器无关，并且第二展开效应唯一地通过测量设备的几何边界条件来确定。两种效应叠加成所述在时间上的带状的接收频率混合变化曲线。
[0013]在本发明的第一实施形式中，所述的检测可以通过评价频带的频率平均值的变化曲线来进行，该频带的频率平均值在车轮通过期间显现所述的上升或下降。
[0014]在本发明的第二实施形式中，所述的检测可以通过检验频带是否落入到频率/时间平面内的预给定的轮廓中来进行。该轮廓为最大边界，在该最大边界内可能出现对于不同扫描曲线的接收频率变化曲线，并且当多普勒接收频率在时间上的测量值都落入到所述的轮廓中时，在接收频率混合变化曲线中存在频率的在一时间区段上连续上升或下降的频带，这表示车轮。
[0015]根据本发明的一种优选的实施形式，相对于行驶方向垂直地倾斜向下地发射测量束。由此，一方面可以使车轮的阴影(Abschattung)最小化并且可靠地识别在拖车与牵引车之间的空隙，并且另一方面(除上述的展开效应之外)转动的车轮的水平速度分量以及车辆的速度分量减弱，这便利于在接收频率混合变化曲线中检测所述上升和下降的频带。
[0016]为了进一步改善频带检测，根据本发明的方法可以在一种可选的实施形式中包括如下步骤:
[0017]测量车辆的车身相对于发射测量束并且接收经反射的测量束的位置的速度；以及
[0018]在执行检测频带的所述步骤之前，以通过车身的速度所引起的频率成分来补偿接收频率混合变化曲线。
[0019]出于相同原因，本发明的方法可选地也可以包括:
[0020]检测车辆的车身件在处于第一区域之上的第二区域中的存在，在时间变化曲线中作为通过时间窗；
[0021]其中，在接收频率混合变化曲线中仅在通过时间窗期间执行对车轮的检测。
[0022]在知晓车辆的通过时间窗的情况下，所测量的接收频率混合变化曲线可被进一步处理，以便便利于在其中检测频带，更确切地说，通过如下步骤:
[0023]在接收频率混合变化曲线的紧邻通过时间窗之前的区段中确定干扰信号成分；以及[0024]在执行检测频带的所述的步骤之前，以干扰信号成分补偿通过时间窗中的接收频率混合变化曲线。
[0025]在根据本发明的方法的又另一种实施形式中，将在同一个通过时间窗期间所检测的各车轮配属给同一个车轮。车轮的车轮数可以被考虑作为用于例如与车轴有关的过路费结算的基础。
[0026]为了使所述的寄生展开效应保持得小并且实现接收频率混合的明显上升或下降的变化曲线，测量束在车辆上的入射区域优选被最小化。所述测量束为此优选地具有如下入射区域，该入射区域的直径小于要检测的车轮、优选小于10cm、特别优选小于5cm。
[0027]在本发明的一种变型方案中，为此可以使用经聚束的激光束，或在一种备选的、优选的变型方案中，所述测量束是由定向天线发射的雷达束、优选在超过70GHz的频率范围内的雷达束。在这样高的频率时，波长非常小并且由此能在机械上非常小地实现具有高天线增益的天线，例如以喇叭形天线或天线阵列的形式。
[0028]在第二方面，本发明创造一种用于对车辆的转动的车轮进行检测的设备，该车辆沿行驶方向行驶在行车道上并且该车辆的车轮至少部分地在侧面露出，其特征在于，
[0029]多普勒激光雷达或雷达仪，该多普勒激光雷达或雷达仪将具有测量束频率的已知的时间变化曲线的电磁测量束相对于竖直线倾斜地并且相对于行驶方向垂直或倾斜地发射到行车道上方的目标上，并且
[0030]该多普勒激光雷达或雷达仪相对于已知的变化曲线地记录由目标反射的测量束的频率的时间变化曲线作为接收频率混合变化曲线，以及
[0031]设置在下游的评价装置，该评价装置构成为用于在接收频率混合变化曲线中检测频率的在一时间区段上连续下降或上升的频带为车轮。
[0032]在根据本发明的设备的优点方面，参照针对根据本发明的方法的上述实施方式。
[0033]优选地，所述多普勒激光雷达或雷达仪的测量束相对于行驶方向垂直地倾斜向下地定向。
[0034]特别有利的是，所述设备具有与评价装置连接的、用于测量车辆的车身的速度的传感器，其中，所述评价装置以通过车身的速度引起的频率成分来补偿接收频率混合变化曲线。
[0035]根据另一优选的特征，所述设备包括与评价装置连接的如下传感器，该传感器检测车辆的车身件在测量束所指向的区域之上的存在，在时间变化曲线中作为通过时间窗，其中，所述评价装置在接收频率混合变化曲线中仅在通过时间窗期间对车轮进行检测。在此，所述评价装置可以可选地构成为用于在接收频率混合变化曲线的紧邻通过时间窗之前的区段中确定干扰信号成分，并且所述评价装置以干扰信号成分补偿通过时间窗中的接收频率混合变化曲线。
[0036]在多普勒雷达仪的情况下，多普勒雷达仪的测量束优选为由定向天线发射的雷达束、特别优选在超过70GHz的频率范围内的雷达束；在激光雷达仪的情况下，所述测量束优选为经聚束的激光束。
[0037]本发明的设备不仅适合于静止的应用而且适用于可运输的、尤其是移动的应用。在第一种情况下，所述设备(当该设备利用多普勒雷达仪来工作时)特别构成为用于与已经存在的无线电道路基础设施，如WLAN (无线局域网)、WAVE (车辆环境无线接入)或DSRC (专用短距通信)的无线电信标相组装。在一种符合目的的实施形式中，所述多普勒雷达仪通过道路侧的WLAN无线电信标、WAVE无线电信标或DSRC无线电信标形成。在第二种情况下，优选多普勒激光雷达或雷达仪装配在移动平台上、优选装配在核查车辆上，以便能实现对其他车道上或相向行驶的车辆进行核查。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]本发明的方法和设备的其他特征和优点从以下对优选的实施例参照附图的描述中得到，在附图中:
[0039]图1和2—方面以俯视图(图1)和一方面沿行驶方向来观察(图2)与由本发明的设备所核查的车辆相联系地示出了装配在核查车辆上的本发明的设备；
[0040]图3详细地示出了转动的车轮上的速度关系；
[0041]图4示出了在相向行驶中在侧面从上方并且相对于行驶方向垂直地测量图3中的车轮时在频率/时间平面内的示例性的接收频率混合变化曲线；
[0042]图5示出了用于在频率/时间平面内的接收频率混合变化曲线中检测上升或下降的频带的检测轮廓的导出；
[0043]图6示出了为了阐明由速度决定的和由几何形状决定的频率展开效应在真实扩张的测量束中的几何关系；
[0044]图7a至图7g示出了在多普勒测量束相对于车轮的不同的角度位置时接收频率混合变化曲线的示例性 的、理想化的接收频率曲线或频率平均值；
[0045]图8以时间变化曲线示出了在车辆通过时由几何形状决定的频率展开效应；以及
[0046]图9示出了在具有两个示例性车轮的车辆通过时接收频率混合变化曲线的由速度决定的和由几何形状决定的频率展开效应的影响，其中，在图9的左半部和右半部中使用两种不同的测量束横截面。
【具体实施方式】
[0047]在图1和图2中，车辆I沿行驶方向3’在行车道2上运动，更确切地说在行车道2的车道2’上运动。车辆I有多个车轮4，这些车轮向下突出于车辆2的车身5并且在此(至少部分地)在车身5的侧面上在车身的凹进部中露出，亦即从侧面可看到。
[0048]在行车道2的第二车道2”上，核查车辆6沿着相反的行驶方向3”运动。行驶方向3’、3”优选是反向平行的，但也可以是平行的，亦即核查车辆6可以对车辆I超车或与之相反。核查车辆6也可以是静止的，并且行驶方向3’、3”可以是不平行的；此外，车辆I相对于核查车辆6的相对运动方向称作车辆I的行驶方向3。出于简洁原因，也由如下内容出发，即，行驶方向3垂直于车轮4的轴4’并且大致水平地延伸，即使在这并非是强制的并且与其的偏差仅反映在以下所观察的速度分量的相应改变的角度投影中。
[0049]核查车辆6带有具有多普勒激光雷达或雷达仪8的测量设备7，在通过时该多普勒激光雷达或雷达仪将电磁测量束9 (在此为激光雷达或雷达测量束)发射到车辆I或其车轮4上，以便检测车辆I的车轮4。测量束9以相对于竖直线V的角度β并且以相对于行驶方向3的角度Y来定向。角度β为O≤β < 90°或90° < β≤180°，无论如何古90°，亦即测量束9相对于竖直线V倾斜地延伸，优选如所示地向下倾斜，例如以β =100°至170°、优选β=120°至150°的角度。在一种备选的(未示出的)实施形式中，当多普勒激光雷达/雷达仪8装配在地面附近，例如位置固定地装配在道路2旁边，并且由下方倾斜地朝着车辆I以及其车轮4时，测量束9也可以倾斜向上地指向，例如β=10°至80°、优选 β=30° 至 60°。
[0050]角度Υ优选为90°，亦即测量束8垂直于行驶方向3地定向。在本发明的备选的变型方案中，角度Y也可以古90°，例如就核查车辆6而言地看，倾斜向前或倾斜向后地指向。
[0051]多普勒激光雷达或雷达仪8如技术中已知地评价由车辆I或其车轮4反射的测量束9的接收频率，其中，从在所发射的与所反射的测量束9之间由多普勒效应决定的频移可以确定车辆I的相对速度V的或者车轮4在测量束9 (参见图3和图5)的入射区域的相应点P处的切线速度Vt的处于测量束9方向中(投影的)的分量νρ。在进一步的顺序中，从该信息可以检测车辆I的车轮4，如稍后还要详细阐述的。
[0052]多普勒激光雷达/雷达仪8本身可以是技术中已知的任意类型，该多普勒激光雷达/雷达仪利用连续的、调制过的测量束或者脉冲式测量束9。在连续的测量束9时，在所发射的与所反射的测量束9的固有频率(“载频”)之间的多普勒频移例如可以通过干涉测量来确定。在脉冲式或调制过的测量束时，在所发射的和所反射的测量束9的脉冲率或调制频率之间的多普勒偏移可以被测量。所有这样的固有频率、载频、脉冲频率或调制频率都理解为测量束9的“发射频率”和经反射的测量束9的“接收频率”的这里所使用的概念，亦即概念接收频率包括测量束9的每个能通过多普勒效应影响的频率。
[0053]如在图2中所示，测量设备7还包括用于测量车辆I相对于核查车辆6的(相对)速度V的速度传感器10以及用于在车辆I在核查车辆6旁通过时检测车身5的一部分的存在性的存在性传感器11。存在性传感器11在车辆通过时在测量束也指向到车辆I上的区域中“查看”并且检测车身5，由此可以确定车辆I相对于激光雷达/雷达仪8的通过时间窗TF，如稍后还更详细地阐述的。存在性传感器11及其视轴12优选设置在激光雷达/雷达仪8的测量束9之上(或与此以已知的几何上关系)，以便得到通过时间窗Tf与激光雷达/雷达仪8的测量信号之间的时间上的配属(Zuordnung)。在知晓由传感器10测量的速度V的情况下，从通过时间窗Tf也可以根据L=V.T计算车辆I的长度L。
[0054]激光雷达/雷达仪8以及速度传感器10和存在传感器11连接到设备7的评价装置14上，该评价装置执行现在所阐述的、用于检测车轮的评价计算。
[0055]图3借助多个在车轮4上的不同大小的示例性入射区域16、16’、16”示出了测量束9在其聚束或扩张方面的不同构型。在第一变型方案中，测量束9强烈地聚束，从而该测量束在车身5或车轮4上的入射区域16具有在几厘米、优选小于2cm的范围内的极其小的直径。根据仪器8距车辆I的距离为此对测量束9的聚束提出了一定要求:在理想情况下，测量束9是一束几乎平行的光束或雷达束，如优选可以利用激光器得到。即使雷达测量束时也仍然可以通过如下方式达到相应的聚束，即，使用非常高频率的雷达波、优选超过70GHz的雷达波，这些雷达波近似具有光特性并且可以如光一样地聚束，例如通过雷达透镜来聚束。使用具有尽可能平行的、小直径的发射特征的定向天线，例如喇叭天线、天线阵列和贴片天线来产生相应的雷达测量束。对此特别合适的是汽车领域中的雷达仪，如这些雷达仪例如作为碰撞和距离报警仪被安装在车辆中。这样的经聚束的测量束9具有小于1°(相当于小于约0.00024sr的立体角)的聚束(BUndelung)或者发散范围或扇形展开范围(张角)。
[0056]在第二实施形式中，测量束9强烈地扇形展开，例如面状或漏斗形地散射或扩展，以“测量束波瓣”的方式散射或扩张，带有明显更大的入射区域16’。这样的入射区域16’在激光雷达仪时例如可以通过设置在上游的发散透镜来达到，或者在聚束并不精确的雷达仪时出现。
[0057]在雷达的情况下，经扩展的测量束9通过所使用的雷达天线的张角来表征。如下点分别称为定向天线的张角(也或者半值宽度)，在这些点处功率相对于最大值降低到一半(_3dB)。如本领域技术人员所熟悉的那样，对于定向天线由知晓相应张角利用如下公式可以估计天线在其主发射方向上的增益:
[0058]
【权利要求】
1.用于对车辆(I)的转动的车轮(4)进行检测的方法，该车辆沿行驶方向(3)行驶在行车道(2)上并且该车辆的车轮(4)至少部分地在侧面露出，其特征在于如下步骤: 将具有测量束频率的已知的时间变化曲线的电磁测量束(9)沿相对于竖直线(V)倾斜的方向并且沿相对于行驶方向(3)垂直或倾斜的方向发射到行车道(2)上方的第一区域上； 接收经反射的测量束(9)并且相对于已知的变化曲线地记录测量束频率的时间变化曲线作为接收频率混合变化曲线(20)，以及 在接收频率混合变化曲线(20)中检测频率的在一时间区段上连续上升或下降的频带(22)为车轮(4)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的检测通过评价频带(22)的频率平均值(18)的变化曲线来进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的检测通过检验频带(22)是否落入到频率/时间平面内的预给定的轮廓(22’ )中来进行。
4.根据权利要求1至3中之一所述的方法，其特征在于，相对于行驶方向(3)垂直地倾斜向下地发射测量束(9)。
5.根据权利要求1至4中之一所述的方法，其特征在于如下步骤: 测量车辆(I)的车身(5)相对于发射测量束(9)并且接收所反射的测量束(9)的位置的速度(V);以及 在执行检测频带(22)的所述步骤之前，以通过车身(5)的速度(V)所引起的频率成分来补偿接收频率混合变化曲线(20 )。
6.根据权利要求1至5中之一所述的方法，其特征在于如下步骤: 检测车辆(I)的车身件(5)在处于第一区域之上的第二区域中的存在，在时间变化曲线中作为通过时间窗(Tf)； 其中，在接收频率混合变化曲线(20)中仅在通过时间窗(Tf)期间执行对车轮(4)的检测。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于如下步骤: 在接收频率混合变化曲线(20)的紧邻通过时间窗(Tf)之前的区段(25)中确定干扰信号成分(24);以及 在执行检测频带(22)的所述的步骤之前，以干扰信号成分(24)来补偿通过时间窗(Tf)中的接收频率混合变化曲线(20 )。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，将在同一个通过时间窗(Tf)期间所检测的各车轮配属给同一个车辆(I)。
9.根据权利要求1至8中之一所述的方法，其特征在于，所述测量束(9)具有如下的入射区域(16、16’、16”)，所述入射区域的直径小于要检测的车轮，优选小于10cm、特别优选小于5cm0
10.根据权利要求1至9中之一所述的方法，其特征在于，所述测量束(9)是由定向天线发射的雷达束、优选在超过70GHz的频率范围内的雷达束。
11.用于对车辆(I)的转动的车轮(4)进行检测的设备，该车辆沿行驶方向(3 )行驶在行车道(2)上并且该车辆的车轮(4)至少部分地在侧面露出，其特征在于:多普勒激光雷达或雷达仪(8)，该多普勒激光雷达或雷达仪将具有测量束频率的已知的时间变化曲线的电磁测量束(9)相对于竖直线(V)倾斜地并且相对于行驶方向(3)垂直或倾斜地发射到行车道(2)上方的目标上，并且该多普勒激光雷达或雷达仪相对于已知的变化曲线地记录由目标所反射的测量束的频率的时间变化曲线作为接收频率混合变化曲线(20)，以及 设置在下游的评价装置(14)，该评价装置构成为用于在接收频率混合变化曲线(20)中检测频率的在一时间区段上连续上升或下降的频带(20)为车轮(4)。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于与评价装置(14)连接的、用于测量车辆Cl)的车身(5)的速度(V)的传感器(10)，其中，所述评价装置(14)以通过车身(5)的速度(V)引起的频率成分来补偿接收频率混合变化曲线(20 )。
13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于与评价装置(14)连接的如下传感器(11)，该传感器检测车辆(I)的车身件(5)在测量束(9)所指向的区域之上的存在，在时间变化曲线中作为通过时间窗(TF)，其中，所述评价装置(14)在接收频率混合变化曲线(20)中仅在通过时间窗(Tf)期间对车轮(4)进行检测。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述评价装置(14)还构成为用于在接收频率混合变化曲线(20)的紧邻通过时间窗(Tf)之前的区段(25)中确定干扰信号成分(24)，并且所述评价装置以干扰信号成分(24)补偿通过时间窗(Tf)中的接收频率混合变化曲线(20)。
15.根据权利要求11至14中之一所述的设备，其特征在于，所述多普勒激光雷达或雷达仪(8)装配在移动平台(6)上、优选装配在核查车辆上。
【文档编号】G08G1/01GK103620439SQ201280030339
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年6月19日 优先权日:2011年6月21日
【发明者】A·斯特泽尔, M·皮歇尔, C·普费弗, O·纳吉, W·沙伊布尔霍夫, R·费格尔 申请人:卡波施交通公司