用於檢測車輪的方法和設備的製作方法

2023-05-26 05:55:11

專利名稱：用於檢測車輪的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於檢測沿行進方向在道路上行進並且其車輪至少部分地橫向露出的車輛的車輪的方法和設備。
背景技術：
大量的應用關心車輛車輪的檢測。因此，為了例如監視邊界或者啟動諸如觸發報警、打開燈、打開路障、出於監視目的拍攝照片等的某些動作，可以從車輪的識別確定地推斷正在給定的交通區域上行駛。當代的交通收費系統也經常使收費計算基於車軸的數量，使得車輪(輪軸)的檢測也可以成為養路費或停車收費系統的重要基礎。從DE 10 2008 037 233 Al已知，運動車輛的車輪的基於它們的切向速度的水平 分量的檢測，這與車輛的其餘部分的檢測不同，並帶來雷達測量束的相應的都卜勒頻移。出於該目的，使用利用雷達束波瓣照射通過車輛的下部區域並且從返回的頻率混合確定在車輪的位置處具有信號最大值的單個速度測量信號的雷達速度測量單元。信號曲線中的這種最大值的自動檢測需要極值的信號分析搜索，並相應地較為複雜。另外，牽引車輛及其拖車之間的間隙會錯誤地表明信號最大值和中間「錯誤」最大值，這導致錯誤的車輪檢測。

發明內容
本發明的目的為創建用於使得能夠比已知的方案更安全地檢測的車輪檢測的方法和設備。利用由以下步驟表徵的方法，在本發明的第一方面中實現該目的從道路的路邊並且相對於行進方向傾斜地將具有頻率的已知時間演進(progression)(隨時間的演進)的電磁測量束波瓣發射到高於道路的區域上，接收被通過車輪反射的測量束波瓣，並將同時出現的其所有頻率相對於已知的演進的時間演進記錄為接收頻率混合，和在車輛的通過期間，將在接收頻率混合的記錄的演進中出現並超過預定的閾值的頻率擴展檢測為車輪。本發明基於根據車輪的切向速度的水平分量檢測運動車輛的車輪的新穎方法，這與檢測車輛的其餘部分不同，並帶來雷射雷達或雷達測量束的相應的都卜勒頻移。如果使用在立體角上以圓錐形狀擴張或分布的在較大束斷面上擴展的測量束(「測量束波瓣」)，那麼它在入射的擴展區域上(例如在具有IOcm 50cm範圍內的高度或寬度的橢圓上)入射通過車輪的至少一部分。在旋轉車輪的每個不同的高度處，它具有其切向速度的不同的水平分量(其寬度恆定)，並由此產生不同的都卜勒頻率偏移，這導致測量束波瓣的發射頻率「破碎」或「擴展」成由旋轉車輪返回的多個接收頻率。當旋轉車輪在擴展的高度區域上被測量束波瓣入射時，它跨其高度在接收譜中產生頻率擴展，這可被用於檢測車輪。該效應與第二寄生頻率擴展效應重疊，這可被追溯到切向速度的水平分量相對於從接收器的方向的不同的投影角度該投影方向根據入射區域中的觀察的反射點而改變。該第二擴展效應與車身或旋轉車輪是否通過接收器無關，並且僅由測量布置的總體幾何形狀條件確定。因此，從由必須對於車輪的檢測超過的都卜勒效應誘導的首先提到的頻率破碎的擴展量以它比由其次提到的幾何形狀誘導頻率破碎產生的頻率擴展大的方式被限定。作為結果，基於由車輪產生的「都卜勒籤名」實現具有高檢測確定度的車輪檢測方法。優選事先根據在車輛的無車輪部分的通過期間出現的頻率擴展確定預定的閾值。由此，可通過基準測量原位校準該方法。在第二方面中，本發明創建一種用於檢測沿行進方向在道路上行進並且其車輪至少部分地橫向露出的車輛的車輪的設備，其特徵在於將具有頻率的已知的時間演進的電磁測量束波瓣發射到目標並根據被目標反射的測量束波瓣將同時發生的所有頻率相對於已知的演進的時間演進記錄為接收頻率混合的至少一個都卜勒雷射雷達或雷達裝置，

其中，測量束波瓣從道路的路邊取向到高於道路的區域上並且相對於行進方向傾斜，和將在車輛的通過期間在接收頻率混合的記錄的時間演進中出現並超過預定的閾值的頻率擴展檢測為車輪的下遊估計單元。關於根據本發明的設備的優點，讀者參照根據本發明的方法的以上討論。本發明如果與都卜勒雷達裝置一起操作，則在與諸如WLAN(無線區域網)、WAVE (車輛環境中的無線接入)或DSRC (專用短程通信)的已現有的無線道路基礎結構的無線電信號臺關聯時是特別合適。本發明的特別有利的實施例的特徵在於，都卜勒雷達裝置由路邊WLAN、WAVE或DSRC無線電信號臺構成。


參照附圖，方法和設備的進一步的特徵和優點從優選的示例性實施例的以下的描述將變得十分明顯，其中圖I為了解釋本發明的基礎以示意性立體圖示出用於車輪檢測的設備的第一實施例；圖2示出通過車輛上的根據圖I的設備中的測量束的幾個示例性掃描演進；圖3示出圖2的掃描演進的接收頻率或速度的確定的演進的定時圖；圖4詳細示出旋轉車輪上的速度關係；圖5以示意性透視圖示出本發明的設備的實施例；圖6為了說明車輪的通過期間的都卜勒誘導頻率擴展示出來自圖3的接收頻率或速度的幾個演進的重疊；圖7為了說明車輛的通過期間的幾何形狀誘導頻率擴展示出來自圖5的設備的測量束波辦中的幾何形狀關係；圖8示出通過期間的幾何形狀誘導頻率擴展的隨時間的演進的效應；圖9示出在車輛的通過期間圖8的幾何形狀誘導頻率擴展和圖6的都卜勒誘導頻率擴展在它們隨時間的演進中的組合效應；圖10示出圖9的變體。
具體實施例方式在圖I中，車輛I沿行進方向3在道路2上運動。車輛I具有從車輛2的車身5向下突出並且同時至少部分地在車身開口中在車身側面露出(即可從側面看到)的車輪4。都卜勒雷射雷達或雷達裝置6與行進方向3傾斜地並且稍高於道路的表面地從道路I的路邊發射集中的雷射雷達或雷達測量束7，使得測量束7大致在通過車輛的車輪4的區域中入射通過車輛I。都卜勒雷射雷達/雷達裝置6以本領域公知的方式估計由車輛I或其車輪4反射的測量束7的接收頻率，其中，可從發射的和反射的測量束7之間的都卜勒效應誘導頻移確定車輛I的車輛速度V在測量束7的方向上的(投影)分量Vp或測量束7的入射點處的車輪4的切向速度Vt(圖2)。然後，如後面將更詳細地描述的那樣，可從該信息檢測車輛I的 車輪4。出於該目的，在裝置6的下遊布置進行測量束7的接收頻率的相應的估計的估計單元8。雷射雷達/雷達裝置6和估計單元8因此一起形成用於檢測車輛I的車輪4的裝置9。都卜勒雷射雷達/雷達裝置6自身可以是本領域已知的任意類型，不管是具有連續、調製的還是脈衝測量束7。對於連續測量束7，可通過幹涉測量確定發射的和反射的測量束7的自然頻率(「載波頻率」)之間的都卜勒頻移。對於脈衝或調製的測量束，可測量發射的和反射的測量束7的脈衝速率或調製頻率之間的都卜勒偏移。這裡使用的術語「接收頻率」被理解為意味著測量束7的所有這種自然、載波、脈衝或調製頻率，即，術語接收頻率包含受都卜勒效應影響的測量束7的任意類型的頻率。在原理上，測量束7自身的性質也是任意的，只要它是電磁波，不管它如在雷射雷達裝置中那樣為可見光或紅外光，還是如在雷達裝置中那樣為無線電波，特別是微波。圖I的說明例中的測量束7被強烈地集中，使得其在車身5或車輪4上的入射點具有極小的直徑。圖2示出在車輛I通過設備9的通過期間基本上以點形式入射車輛I或其車輪4的這種集中的測量束7的掃描演進。出於說明的目的，為了舉例示出六個不同的掃描演進Hl H6，但是，應當理解，在車輛的通過期間僅發生來自集中的測量束7的單個掃描演進Hl H6。圖3示出連續被雷射雷達/雷達裝置6接收的掃描演進Hl H6的反射的測量束7隨時間的接收頻率f。接收頻率f相對於發射頻率的都卜勒偏移△ f與車輛I或車輪4的分別掃描的部分的速度分量Vp成比例。因此，圖3所示的接收頻率演進El E6等價於速度演進相當。從圖3的接收頻率演進El可以看出，入射車輪4之外的車輛I的車身5的掃描演進Hl具有測量束7的基本上恆定的接收頻移Λ f，並因此在車身通過的持續期Tp期間具有基本上恆定的速度分量vp，這表達為接收頻率演進中的方波脈衝R。對於入射車輪4的最上面的點的掃描演進H2，其中車輪的切向速度Vt被加到車輛速度V上的接收頻率演進E2具有高於每個車輪4的車身方波脈衝R的2vp的峰值10。如果測量束7在輪軸與車輪的上側之間的水平處入射車輪4，那麼如在H3和H4處的掃描演進中那樣，如演進E3和E4的方波脈衝11所示，與其切向速度Vt的投影Vp對應，在車輪4的通過期間測量到測量方向中相對於車身脈衝R的突然改變的都卜勒偏移，並因此測量到接收頻率或速度中的偏移。每個脈衝11包含上升邊沿12和隨後的下降沿13，即，兩個連續交變的頻率不連續。接收頻率演進E5示出測量束7在車輪4的軸的水平處精確地入射車輪4的特殊情況，其中，不存在可沿測量束7的方向投影的車輪的切向速度，使得車輪4不可被檢測。接收頻率演進E6在車輪4的下側與它們的軸之間的水平處掃描車輪4，並且類似於E4的情況，但具有相反的變化11 13。圖4使用掃描演進H4為例在解析上示出作為相應掃描演進Hl H6相對於輪軸A的高度h的函數的車輪4的偏移11的程度。如果R是車輪4的半徑並且r是車輪4內部的任意的半徑，那么半徑r處的切向速度Vt Cr)與該半徑r成比例，特別地，v,(廠)= f ,⑴ 角度α處的切向速度VtCr)在行進方向3上的的水平分量Vth Cr)是與下式對應的正弦投影Vth(T)=JVt^ma⑶其中，
. hsma=-
r(3)切向速度的水平分量Vth Cr)結果兇此為vth(r)=v⑷切向速度的水平分量Vth (r)因此與掃描演進的相應地考慮的高度h成正比，並且在車輪4被掃描時在該高度h上是恆定的。圖5示出根據圖I 4的方法的擴展，其中，作為集中的測量束7的替代，使用例如二維或以漏鬥形狀散射或擴展的加寬的測量束，以下，為了簡潔，該測量束被稱為「測量束波瓣」 15。測量束波瓣15可通過外側凹透鏡在雷射雷達裝置中被實現，或者利用缺少精確的聚焦的雷達裝置發生。例如，圖5示出與估計單元8 —起形成設備9的都卜勒雷達裝置16。在雷達的情況下，測量束波瓣15由正使用的雷達天線的接受角表徵。定向天線的接受角(或半值寬度)指的是功率相對最大值減小到一半(_3dB)的點。如本領域技術人員熟悉的那樣，可從相應接受角的知識利用下式計算天線沿其主輻射方向的增益
1ΠΙ 27.000
k(p ts3其中，g =增益[dBi]
Δφ =水平接受角(以度為單位)Δ Θ =垂直接受角(以度為單位)
雷達天線的接受角應允許在要檢測的車輛I的測量信號中良好地分開各個車輪4。因此，如果測量束波瓣15的入射區域17基本上是車輛I的車輪4的尺寸，並且，不僅覆蓋車輪4，而且位於稍高於它的位置，如圖7所示，那麼這是特別有利的。最佳入射區域17源自到車輛I的測量距離，並且因此，雷達天線的選擇依賴於總體布置的幾何形狀。一般地，根據雷達裝置16的布置和頻率，具有大於IOdB的增益的天線是特別合適的。定向天線通常具有大於20dB (與接受角Δφ = Δ 9 =約16°對應)的天線增益g。因此，可以以20dB的天線增益從離車輛12m的位置照射直徑為56cm的區域17。為了實現接受角Δφ = AS =約5°，對於更遠的車輛I需要30dB的天線增益g，這意味著在IOm的距離上尺寸為約90cm的照射區域17。當使用入射車輛I或車輪4的相對較大區域17的這種測量束波瓣15時，來自區域17中的各入射點(參照圖2中的示例性掃描演進Hl H6)的相應接收頻率(參照El E6)重疊於各接收頻率或速度的混合18上；參見圖6。換句話說，當接收頻率f入射車輪4時，它在車輛I的通過Tp期間破碎或擴展成接收頻率或速度的都卜勒效應誘導混合18，擴 展的程度(「頻率擴展」)在圖6中標為Ap這種頻率擴展18的發生因此可被用作車輪4的特徵。通過由測量束波瓣15自身的幾何形狀誘導的第二頻率擴展效應，寄生重疊具有A1程度的都卜勒效應誘導頻率擴展18。從其位置P1，如從圖7可看出，雷達/雷射雷達裝置16從不同的空間方向T、7"觀察測量束波瓣15的入射區域17中的各點P2'、P2"、這些點在每種情況下與車輪4的切向速度Vt的水平分量Vth或車身5的速度V —起包圍分別不同的立體角βρ β2。如作為接收頻率演進E/的幾何形狀誘導擴展在圖8中對於車身5水平H1處的速度V表示的那樣，速度V或Vth在測量束波瓣15中的相應測量束方向V、7"上的投影由此跨區域17導致接收頻率的幾何形狀誘導破碎或擴展(「頻率擴展」)18'，並且具有尺寸S。如圖9所示，程度A1的都卜勒效應誘導擴展18 (圖6)被程度S的幾何形狀誘導擴展18'(圖8)重疊成隨時間的演進中的「實際」接收頻率混合F。在車輪4的位置處測量由都卜勒誘導擴展A1和幾何形狀誘導擴展S構成的到程度A2的頻率擴展。幾何形狀誘導頻率擴展18，基本上僅依賴於雷達/雷射雷達裝置16相對於道路2或車輛I的行駛位置的安裝位置和取向，並因此可由車輛I的基準測量確定(具有覆蓋的車輪，或者，如果測量束波瓣18僅入射車身5)。幾何形狀誘導頻率擴展18'的程度S可然後被用作實際雷達檢測過程的基準或預定值，其估計圖9的接收頻率演進，並且，如果接收頻率的記錄的演進F示出超過規定為基準的擴展量S的擴展A2,則檢測到車輪4。作為替代，通過存儲在車身5進入測量束波瓣18中時的車輛通過的第一微秒中出現的頻率擴展18'並將其用作隨後的車輪檢測的閾值，可每次對於車輛I的通過期間的當前檢測過程重新確定擴展程度S。如基於圖4和式(4)可以看出，都卜勒誘導頻率擴展18的包絡曲線大致與在角度β '、β "處觀察的車輪4的圓周輪廓對應，S卩，它一般是橢圓，如果區域17沒有覆蓋整個車輪4，則該橢圓可被截斷；參見圖16。如果另外考慮幾何形狀誘導頻率擴展18'，那麼包絡曲線在擴展S的程度上變得更「不銳利」，但是，例如，通過例如在設備9的存儲器22中將基準車輪的基準通過的接收頻率混合F存儲為「基準籤名」21，以便隨後將其與實際車輛通過的接收頻率演進F相比，其大致的形狀仍可被分析。圖10示出在反射的測量束波瓣15中並因此在車輛I的通過Tp期間的接收頻率演進信號F中出現中斷23的真實情況。在基準籤名21與這種實際接收頻率演進F的比較中，為了在這種情況下實現高識別確定性，可進行輪廓、表面區域和/或形狀的適當的比較(「最佳合適匹配」)。在圖5的實施例的有利的實際實現中，通過使用道路的現有的無線基礎結構，例如通過使用養路費系統的WAVE或DSRC 無線電信號臺或路邊網際網路基礎結構的WLAN無線電信號臺，構建設備9的都卜勒雷達裝置16。由此，WLAN、WAVE或DSRC無線電信號臺的現有的發射器部件可被用作都卜勒雷達裝置16的發射部件；無線電信號臺的接收器部分可類似地被用作都卜勒雷達裝置16的接收器部件；或者可至少被集成到無線電信號臺的接收器部件中。例如，本發明的設備和方法可以以這種方式被實現為在常規的WLAN、WAVE或DSRC無線信號臺上運行的軟體應用。到目前為止，一直假定雷達/雷射雷達裝置6或測量束波瓣15的發射頻率是恆定的，即，其隨時間的演進(時間演進)是恆定的演進。但是，例如，如在頻率不斷地根據預定的或已知的模式改變的跳頻方法中那樣，裝置6也可以以時間上非恆定的發射頻率發射測量束波瓣15。記錄的接收頻率演進F相對於測量束波瓣15的發射頻率的之前已知的時間演進被記錄，不管是恆定還是改變的，即參照它或相對其歸一化，使得可以補償已知的發射頻率演進的效應。因此，本發明不限於示出的實施例，而可包含落入所附的權利要求的範圍內的所有變體和修改。
權利要求
1.一種用於檢測沿行進方向(3)在道路(2)上行進的車輛(I)的車輪(4)的方法，所述車輛(I)的車輪(4)至少部分地橫向露出，具有以下步驟 從道路(2)的路邊並且相對於行進方向(3)傾斜地將具有頻率的已知時間演進的電磁測量束波瓣(15)發射到高於道路(2)的區域上； 其特徵在於以下步驟 接收被通過車輛(I)反射的測量束波瓣(15)，並將同時出現的其所有頻率相對於已知的演進的時間演進(F)記錄為接收頻率混合(F);和 在車輛的通過(Tp)期間，將在接收頻率混合(F)的記錄的時間演進中出現並超過預定的閾值(S)的頻率擴展(A2)檢測為車輪。
2.根據權利要求I的方法，其特徵在於，根據在車輛(I)的無車輪部分通過期間發生的頻率擴展(18,)，在先前的步驟中確定預定的閾值(S)。
3.一種用於檢測沿行進方向(3)在道路(2)上行進的車輛(I)的車輪(4)的設備，所述車輛(I)的車輪(4)至少部分地橫向露出，其特徵在於 將具有頻率的已知的時間演進的電磁測量束波瓣(15)發射到目標上並根據被目標反射的測量束波瓣(15)將同時發生的所有頻率相對於已知的演進的時間演進記錄為接收頻率混合(F)的至少一個都卜勒雷射雷達或雷達裝置(6)， 其中，測量束波瓣(15)從道路(2)的路邊取向到高於道路(2)的區域上並且相對於行進方向(3 )傾斜；和 將在車輛的通過(Tp)期間在接收頻率混合(F)的記錄的時間演進中出現並超過預定的閾值(S)的頻率擴展(A2)檢測為車輪的下遊估計單元(8)。
4.根據權利要求3的設備，所述設備具有都卜勒雷達裝置(6)，其特徵在於，其由路邊WLAN、WAVE或DSRC無線電信號臺構成。
全文摘要
本發明涉及用於檢測車輪的方法和設備。提供一種用於檢測沿行進方向(3)在道路(2)上行進並且其車輪(4)至少部分地橫向露出的車輛(1)的車輪(4)的方法，該方法具有以下步驟從道路(2)的路邊並且相對於行進方向(3)傾斜地將具有頻率的已知時間演進的電磁測量束波瓣(15)發射到道路(2)的區域上；接收被通過車輛(1)反射的測量束波瓣(15)，並記錄其所有頻率相對於已知的演進的時間演進(F)；和在車輛的通過(TP)期間，將在記錄的演進(F)中出現並超過預定的擴展大小(S)的頻率擴展(A2)檢測為車輪。
文檔編號G01S13/58GK102841340SQ20121019256
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月12日 優先權日2011年6月21日
發明者O·納吉 申請人:卡波施交通公司