用于對轉動的車輪進行檢測的方法和設備的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于對車輛（1）的轉動的車輪（4）進行檢測的方法，該車輛沿行駛方向（3）行駛在行車道（2）上并且該車輛的車輪（4）至少部分在側面露出，該方法包括如下步驟：將具有測量束頻率的已知的時間變化曲線的電磁測量束（9）沿相對于豎直線（V）傾斜的方向并且沿相對于行駛方向（3）垂直或傾斜的方向發射到行車道（2）上方的第一區域上；接收所反射的測量束（9）并且相對于已知的變化曲線地記錄測量束頻率的時間變化曲線作為接收頻率混合變化曲線（20）；以及在接收頻率混合變化曲線（20）中檢測頻率的在一時間區段上連續上升或下降的頻帶（22）為車輪（4）。本發明還涉及一種用于執行所述方法的設備（7）。
【專利說明】用于對轉動的車輪進行檢測的方法和設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于對車輛的轉動的車輪進行檢測的方法和裝置，該車輛沿行駛方向行駛在行車道上并且該車輛的車輪至少部分地在側面露出。
【背景技術】
[0002]在大量應用中感興趣的是對車輛車輪進行檢測。這樣，從對車輪的識別可以可靠地識別行經某些交通區域，例如用于邊界監控或用于觸發某些動作，如觸發警報、接通照明裝置、打開柵欄、出于監控目而拍攝照片等。現代交通收費系統也常常按車輛的軸數來確定費用，從而使得對車輪(車軸)的檢測也能是對于征收或核查過路費的重要根據，尤其是也借助于移動核查車輛，這些移動核查車輛在從旁邊駛過中或在相向行駛中應核查需要收費的車輛的軸數。
[0003]由DE102008037233A1已知，對運動的車輛的車輪根據其相對于車輛其余部分所不同的、切線速度的水平分量來檢測，該切線速度引起雷達測量束的相應的多普勒頻移。為此，使用雷達測速儀，該雷達測速儀利用雷達輻射波瓣來輻射通過車輛的下部區域并且基于返回的接收頻率混合在時間上平均出唯一的速度測量信號，該速度測量信號在車輪位置處顯現出被用于車輪檢測的信號最大值。然而，在牽引車與其拖車之間的空隙可能冒充信號最小值并且因此冒充處于其間的“偽”最大值，這些值導致錯誤的車輪檢測。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于，提出用于檢測車輪的方法和設備，該方法和該設備能實現相比于已知的解決方案更為可靠的檢測。
[0005]該目的在本發明的第一方面中利用如下的方法來達到，該方法的特征在于如下步驟:
[0006]將具有測量束頻率的已知的時間變化曲線的電磁測量束沿相對于豎直線傾斜的方向并且沿相對于行駛方向垂直或傾斜的方向發射到行車道上方的第一區域上；
[0007]接收經反射的測量束并且相對于已知的變化曲線地記錄測量束頻率的時間變化曲線作為接收頻率混合變化曲線；以及
[0008]在接收頻率混合變化曲線中檢測頻率的在一時間區段上連續上升或下降的頻帶為車輪。
[0009]本發明基于新式方案，S卩，借助在通過期間上升的(例如當多普勒傳感器處于車軸之上，指向下方并且與車輪相向時)或下降的(例如當多普勒傳感器處于車軸之下，指向上方并且與車輪相向時)接收頻率混合變化曲線來檢測在多普勒傳感器旁大致水平地運動的車輪。與已知的現有技術(DE102008037233A1)不同，并不僅評價每個車輪的信號最大值，而且在車輪通過期間評價信號變化曲線。
[0010]在由上方或由側面傾斜地且垂直于行駛方向擊中車輪的測量束為線形的理想情況下，經反射的測量束的由多普勒效應決定的頻移的變化曲線線形地上升或下降。在測量束相對于行駛方向不是垂直地而是傾斜地定向時，給所述變化曲線加上了通過車輪的切線速度的水平分量所決定的多普勒頻移，該多普勒頻移導致變化曲線的附加的偏置，但這對于在車輪通過期間上升或下降的接收頻率變化曲線的檢測標準不作改變。
[0011]此外，測量束的射束橫截面在真實情況中從不是理想點狀的而總是擴張的，例如擴張到在車輛上在幾個厘米或幾十個厘米的數量級內的入射區域上。由此，接收頻率由所述的線形變化曲線加寬或展開成接收頻率的“混合”或“頻帶”:因為在測量束的入射區域中的變化的高度位置和寬度位置上，轉動的車輪分別具有切線速度的變化的豎直分量和水平分量并且因此產生不同的多普勒頻移，這些不同的多普勒頻移導致測量束的發射頻率“分開”或“展開”到多個同時經反射的接收頻率、即“接收頻率混合”上；在時間上看，接收頻率混合以在頻率/時間平面內的頻帶的方式變化，具有所述的上升或下降的變化曲線。
[0012]該由車輪速度決定的展開效應與寄生的第二頻率展開效應疊加，該寄生的第二頻率展開效應歸因于切線速度的豎直分量和水平分量朝向接收器的不同投影角度:該投影角度根據入射區域中的所觀察的反射位置而變化。第二展開效應與車輛車身或轉動的車輪是否恰好經過接收器無關，并且第二展開效應唯一地通過測量設備的幾何邊界條件來確定。兩種效應疊加成所述在時間上的帶狀的接收頻率混合變化曲線。
[0013]在本發明的第一實施形式中，所述的檢測可以通過評價頻帶的頻率平均值的變化曲線來進行，該頻帶的頻率平均值在車輪通過期間顯現所述的上升或下降。
[0014]在本發明的第二實施形式中，所述的檢測可以通過檢驗頻帶是否落入到頻率/時間平面內的預給定的輪廓中來進行。該輪廓為最大邊界，在該最大邊界內可能出現對于不同掃描曲線的接收頻率變化曲線，并且當多普勒接收頻率在時間上的測量值都落入到所述的輪廓中時，在接收頻率混合變化曲線中存在頻率的在一時間區段上連續上升或下降的頻帶，這表示車輪。
[0015]根據本發明的一種優選的實施形式，相對于行駛方向垂直地傾斜向下地發射測量束。由此，一方面可以使車輪的陰影(Abschattung)最小化并且可靠地識別在拖車與牽引車之間的空隙，并且另一方面(除上述的展開效應之外)轉動的車輪的水平速度分量以及車輛的速度分量減弱，這便利于在接收頻率混合變化曲線中檢測所述上升和下降的頻帶。
[0016]為了進一步改善頻帶檢測，根據本發明的方法可以在一種可選的實施形式中包括如下步驟:
[0017]測量車輛的車身相對于發射測量束并且接收經反射的測量束的位置的速度；以及
[0018]在執行檢測頻帶的所述步驟之前，以通過車身的速度所引起的頻率成分來補償接收頻率混合變化曲線。
[0019]出于相同原因，本發明的方法可選地也可以包括:
[0020]檢測車輛的車身件在處于第一區域之上的第二區域中的存在，在時間變化曲線中作為通過時間窗；
[0021]其中，在接收頻率混合變化曲線中僅在通過時間窗期間執行對車輪的檢測。
[0022]在知曉車輛的通過時間窗的情況下，所測量的接收頻率混合變化曲線可被進一步處理，以便便利于在其中檢測頻帶，更確切地說，通過如下步驟:
[0023]在接收頻率混合變化曲線的緊鄰通過時間窗之前的區段中確定干擾信號成分；以及[0024]在執行檢測頻帶的所述的步驟之前，以干擾信號成分補償通過時間窗中的接收頻率混合變化曲線。
[0025]在根據本發明的方法的又另一種實施形式中，將在同一個通過時間窗期間所檢測的各車輪配屬給同一個車輪。車輪的車輪數可以被考慮作為用于例如與車軸有關的過路費結算的基礎。
[0026]為了使所述的寄生展開效應保持得小并且實現接收頻率混合的明顯上升或下降的變化曲線，測量束在車輛上的入射區域優選被最小化。所述測量束為此優選地具有如下入射區域，該入射區域的直徑小于要檢測的車輪、優選小于10cm、特別優選小于5cm。
[0027]在本發明的一種變型方案中，為此可以使用經聚束的激光束，或在一種備選的、優選的變型方案中，所述測量束是由定向天線發射的雷達束、優選在超過70GHz的頻率范圍內的雷達束。在這樣高的頻率時，波長非常小并且由此能在機械上非常小地實現具有高天線增益的天線，例如以喇叭形天線或天線陣列的形式。
[0028]在第二方面，本發明創造一種用于對車輛的轉動的車輪進行檢測的設備，該車輛沿行駛方向行駛在行車道上并且該車輛的車輪至少部分地在側面露出，其特征在于，
[0029]多普勒激光雷達或雷達儀，該多普勒激光雷達或雷達儀將具有測量束頻率的已知的時間變化曲線的電磁測量束相對于豎直線傾斜地并且相對于行駛方向垂直或傾斜地發射到行車道上方的目標上，并且
[0030]該多普勒激光雷達或雷達儀相對于已知的變化曲線地記錄由目標反射的測量束的頻率的時間變化曲線作為接收頻率混合變化曲線，以及
[0031]設置在下游的評價裝置，該評價裝置構成為用于在接收頻率混合變化曲線中檢測頻率的在一時間區段上連續下降或上升的頻帶為車輪。
[0032]在根據本發明的設備的優點方面，參照針對根據本發明的方法的上述實施方式。
[0033]優選地，所述多普勒激光雷達或雷達儀的測量束相對于行駛方向垂直地傾斜向下地定向。
[0034]特別有利的是，所述設備具有與評價裝置連接的、用于測量車輛的車身的速度的傳感器，其中，所述評價裝置以通過車身的速度引起的頻率成分來補償接收頻率混合變化曲線。
[0035]根據另一優選的特征，所述設備包括與評價裝置連接的如下傳感器，該傳感器檢測車輛的車身件在測量束所指向的區域之上的存在，在時間變化曲線中作為通過時間窗，其中，所述評價裝置在接收頻率混合變化曲線中僅在通過時間窗期間對車輪進行檢測。在此，所述評價裝置可以可選地構成為用于在接收頻率混合變化曲線的緊鄰通過時間窗之前的區段中確定干擾信號成分，并且所述評價裝置以干擾信號成分補償通過時間窗中的接收頻率混合變化曲線。
[0036]在多普勒雷達儀的情況下，多普勒雷達儀的測量束優選為由定向天線發射的雷達束、特別優選在超過70GHz的頻率范圍內的雷達束；在激光雷達儀的情況下，所述測量束優選為經聚束的激光束。
[0037]本發明的設備不僅適合于靜止的應用而且適用于可運輸的、尤其是移動的應用。在第一種情況下，所述設備(當該設備利用多普勒雷達儀來工作時)特別構成為用于與已經存在的無線電道路基礎設施，如WLAN (無線局域網)、WAVE (車輛環境無線接入)或DSRC (專用短距通信)的無線電信標相組裝。在一種符合目的的實施形式中，所述多普勒雷達儀通過道路側的WLAN無線電信標、WAVE無線電信標或DSRC無線電信標形成。在第二種情況下，優選多普勒激光雷達或雷達儀裝配在移動平臺上、優選裝配在核查車輛上，以便能實現對其他車道上或相向行駛的車輛進行核查。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]本發明的方法和設備的其他特征和優點從以下對優選的實施例參照附圖的描述中得到，在附圖中:
[0039]圖1和2—方面以俯視圖(圖1)和一方面沿行駛方向來觀察(圖2)與由本發明的設備所核查的車輛相聯系地示出了裝配在核查車輛上的本發明的設備；
[0040]圖3詳細地示出了轉動的車輪上的速度關系；
[0041]圖4示出了在相向行駛中在側面從上方并且相對于行駛方向垂直地測量圖3中的車輪時在頻率/時間平面內的示例性的接收頻率混合變化曲線；
[0042]圖5示出了用于在頻率/時間平面內的接收頻率混合變化曲線中檢測上升或下降的頻帶的檢測輪廓的導出；
[0043]圖6示出了為了闡明由速度決定的和由幾何形狀決定的頻率展開效應在真實擴張的測量束中的幾何關系；
[0044]圖7a至圖7g示出了在多普勒測量束相對于車輪的不同的角度位置時接收頻率混合變化曲線的示例性 的、理想化的接收頻率曲線或頻率平均值；
[0045]圖8以時間變化曲線示出了在車輛通過時由幾何形狀決定的頻率展開效應；以及
[0046]圖9示出了在具有兩個示例性車輪的車輛通過時接收頻率混合變化曲線的由速度決定的和由幾何形狀決定的頻率展開效應的影響，其中，在圖9的左半部和右半部中使用兩種不同的測量束橫截面。
【具體實施方式】
[0047]在圖1和圖2中，車輛I沿行駛方向3’在行車道2上運動，更確切地說在行車道2的車道2’上運動。車輛I有多個車輪4，這些車輪向下突出于車輛2的車身5并且在此(至少部分地)在車身5的側面上在車身的凹進部中露出，亦即從側面可看到。
[0048]在行車道2的第二車道2”上，核查車輛6沿著相反的行駛方向3”運動。行駛方向3’、3”優選是反向平行的，但也可以是平行的，亦即核查車輛6可以對車輛I超車或與之相反。核查車輛6也可以是靜止的，并且行駛方向3’、3”可以是不平行的；此外，車輛I相對于核查車輛6的相對運動方向稱作車輛I的行駛方向3。出于簡潔原因，也由如下內容出發，即，行駛方向3垂直于車輪4的軸4’并且大致水平地延伸，即使在這并非是強制的并且與其的偏差僅反映在以下所觀察的速度分量的相應改變的角度投影中。
[0049]核查車輛6帶有具有多普勒激光雷達或雷達儀8的測量設備7，在通過時該多普勒激光雷達或雷達儀將電磁測量束9 (在此為激光雷達或雷達測量束)發射到車輛I或其車輪4上，以便檢測車輛I的車輪4。測量束9以相對于豎直線V的角度β并且以相對于行駛方向3的角度Y來定向。角度β為O≤β < 90°或90° < β≤180°，無論如何古90°，亦即測量束9相對于豎直線V傾斜地延伸，優選如所示地向下傾斜，例如以β =100°至170°、優選β=120°至150°的角度。在一種備選的(未示出的)實施形式中，當多普勒激光雷達/雷達儀8裝配在地面附近，例如位置固定地裝配在道路2旁邊，并且由下方傾斜地朝著車輛I以及其車輪4時，測量束9也可以傾斜向上地指向，例如β=10°至80°、優選 β=30° 至 60°。
[0050]角度Υ優選為90°，亦即測量束8垂直于行駛方向3地定向。在本發明的備選的變型方案中，角度Y也可以古90°，例如就核查車輛6而言地看，傾斜向前或傾斜向后地指向。
[0051]多普勒激光雷達或雷達儀8如技術中已知地評價由車輛I或其車輪4反射的測量束9的接收頻率，其中，從在所發射的與所反射的測量束9之間由多普勒效應決定的頻移可以確定車輛I的相對速度V的或者車輪4在測量束9 (參見圖3和圖5)的入射區域的相應點P處的切線速度Vt的處于測量束9方向中(投影的)的分量νρ。在進一步的順序中，從該信息可以檢測車輛I的車輪4，如稍后還要詳細闡述的。
[0052]多普勒激光雷達/雷達儀8本身可以是技術中已知的任意類型，該多普勒激光雷達/雷達儀利用連續的、調制過的測量束或者脈沖式測量束9。在連續的測量束9時，在所發射的與所反射的測量束9的固有頻率(“載頻”)之間的多普勒頻移例如可以通過干涉測量來確定。在脈沖式或調制過的測量束時，在所發射的和所反射的測量束9的脈沖率或調制頻率之間的多普勒偏移可以被測量。所有這樣的固有頻率、載頻、脈沖頻率或調制頻率都理解為測量束9的“發射頻率”和經反射的測量束9的“接收頻率”的這里所使用的概念，亦即概念接收頻率包括測量束9的每個能通過多普勒效應影響的頻率。
[0053]如在圖2中所示，測量設備7還包括用于測量車輛I相對于核查車輛6的(相對)速度V的速度傳感器10以及用于在車輛I在核查車輛6旁通過時檢測車身5的一部分的存在性的存在性傳感器11。存在性傳感器11在車輛通過時在測量束也指向到車輛I上的區域中“查看”并且檢測車身5，由此可以確定車輛I相對于激光雷達/雷達儀8的通過時間窗TF，如稍后還更詳細地闡述的。存在性傳感器11及其視軸12優選設置在激光雷達/雷達儀8的測量束9之上(或與此以已知的幾何上關系)，以便得到通過時間窗Tf與激光雷達/雷達儀8的測量信號之間的時間上的配屬(Zuordnung)。在知曉由傳感器10測量的速度V的情況下，從通過時間窗Tf也可以根據L=V.T計算車輛I的長度L。
[0054]激光雷達/雷達儀8以及速度傳感器10和存在傳感器11連接到設備7的評價裝置14上，該評價裝置執行現在所闡述的、用于檢測車輪的評價計算。
[0055]圖3借助多個在車輪4上的不同大小的示例性入射區域16、16’、16”示出了測量束9在其聚束或擴張方面的不同構型。在第一變型方案中，測量束9強烈地聚束，從而該測量束在車身5或車輪4上的入射區域16具有在幾厘米、優選小于2cm的范圍內的極其小的直徑。根據儀器8距車輛I的距離為此對測量束9的聚束提出了一定要求:在理想情況下，測量束9是一束幾乎平行的光束或雷達束，如優選可以利用激光器得到。即使雷達測量束時也仍然可以通過如下方式達到相應的聚束，即，使用非常高頻率的雷達波、優選超過70GHz的雷達波，這些雷達波近似具有光特性并且可以如光一樣地聚束，例如通過雷達透鏡來聚束。使用具有盡可能平行的、小直徑的發射特征的定向天線，例如喇叭天線、天線陣列和貼片天線來產生相應的雷達測量束。對此特別合適的是汽車領域中的雷達儀，如這些雷達儀例如作為碰撞和距離報警儀被安裝在車輛中。這樣的經聚束的測量束9具有小于1°(相當于小于約0.00024sr的立體角)的聚束(BUndelung)或者發散范圍或扇形展開范圍(張角)。
[0056]在第二實施形式中，測量束9強烈地扇形展開，例如面狀或漏斗形地散射或擴展，以“測量束波瓣”的方式散射或擴張，帶有明顯更大的入射區域16’。這樣的入射區域16’在激光雷達儀時例如可以通過設置在上游的發散透鏡來達到，或者在聚束并不精確的雷達儀時出現。
[0057]在雷達的情況下，經擴展的測量束9通過所使用的雷達天線的張角來表征。如下點分別稱為定向天線的張角(也或者半值寬度)，在這些點處功率相對于最大值降低到一半(_3dB)。如本領域技術人員所熟悉的那樣，對于定向天線由知曉相應張角利用如下公式可以估計天線在其主發射方向上的增益:
[0058]
【權利要求】
1.用于對車輛(I)的轉動的車輪(4)進行檢測的方法，該車輛沿行駛方向(3)行駛在行車道(2)上并且該車輛的車輪(4)至少部分地在側面露出，其特征在于如下步驟: 將具有測量束頻率的已知的時間變化曲線的電磁測量束(9)沿相對于豎直線(V)傾斜的方向并且沿相對于行駛方向(3)垂直或傾斜的方向發射到行車道(2)上方的第一區域上； 接收經反射的測量束(9)并且相對于已知的變化曲線地記錄測量束頻率的時間變化曲線作為接收頻率混合變化曲線(20)，以及 在接收頻率混合變化曲線(20)中檢測頻率的在一時間區段上連續上升或下降的頻帶(22)為車輪(4)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的檢測通過評價頻帶(22)的頻率平均值(18)的變化曲線來進行。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的檢測通過檢驗頻帶(22)是否落入到頻率/時間平面內的預給定的輪廓(22’ )中來進行。
4.根據權利要求1至3中之一所述的方法，其特征在于，相對于行駛方向(3)垂直地傾斜向下地發射測量束(9)。
5.根據權利要求1至4中之一所述的方法，其特征在于如下步驟: 測量車輛(I)的車身(5)相對于發射測量束(9)并且接收所反射的測量束(9)的位置的速度(V);以及 在執行檢測頻帶(22)的所述步驟之前，以通過車身(5)的速度(V)所引起的頻率成分來補償接收頻率混合變化曲線(20 )。
6.根據權利要求1至5中之一所述的方法，其特征在于如下步驟: 檢測車輛(I)的車身件(5)在處于第一區域之上的第二區域中的存在，在時間變化曲線中作為通過時間窗(Tf)； 其中，在接收頻率混合變化曲線(20)中僅在通過時間窗(Tf)期間執行對車輪(4)的檢測。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于如下步驟: 在接收頻率混合變化曲線(20)的緊鄰通過時間窗(Tf)之前的區段(25)中確定干擾信號成分(24);以及 在執行檢測頻帶(22)的所述的步驟之前，以干擾信號成分(24)來補償通過時間窗(Tf)中的接收頻率混合變化曲線(20 )。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于，將在同一個通過時間窗(Tf)期間所檢測的各車輪配屬給同一個車輛(I)。
9.根據權利要求1至8中之一所述的方法，其特征在于，所述測量束(9)具有如下的入射區域(16、16’、16”)，所述入射區域的直徑小于要檢測的車輪，優選小于10cm、特別優選小于5cm0
10.根據權利要求1至9中之一所述的方法，其特征在于，所述測量束(9)是由定向天線發射的雷達束、優選在超過70GHz的頻率范圍內的雷達束。
11.用于對車輛(I)的轉動的車輪(4)進行檢測的設備，該車輛沿行駛方向(3 )行駛在行車道(2)上并且該車輛的車輪(4)至少部分地在側面露出，其特征在于:多普勒激光雷達或雷達儀(8)，該多普勒激光雷達或雷達儀將具有測量束頻率的已知的時間變化曲線的電磁測量束(9)相對于豎直線(V)傾斜地并且相對于行駛方向(3)垂直或傾斜地發射到行車道(2)上方的目標上，并且該多普勒激光雷達或雷達儀相對于已知的變化曲線地記錄由目標所反射的測量束的頻率的時間變化曲線作為接收頻率混合變化曲線(20)，以及 設置在下游的評價裝置(14)，該評價裝置構成為用于在接收頻率混合變化曲線(20)中檢測頻率的在一時間區段上連續上升或下降的頻帶(20)為車輪(4)。
12.根據權利要求11所述的設備，其特征在于與評價裝置(14)連接的、用于測量車輛Cl)的車身(5)的速度(V)的傳感器(10)，其中，所述評價裝置(14)以通過車身(5)的速度(V)引起的頻率成分來補償接收頻率混合變化曲線(20 )。
13.根據權利要求11或12所述的設備，其特征在于與評價裝置(14)連接的如下傳感器(11)，該傳感器檢測車輛(I)的車身件(5)在測量束(9)所指向的區域之上的存在，在時間變化曲線中作為通過時間窗(TF)，其中，所述評價裝置(14)在接收頻率混合變化曲線(20)中僅在通過時間窗(Tf)期間對車輪(4)進行檢測。
14.根據權利要求13所述的設備，其特征在于，所述評價裝置(14)還構成為用于在接收頻率混合變化曲線(20)的緊鄰通過時間窗(Tf)之前的區段(25)中確定干擾信號成分(24)，并且所述評價裝置以干擾信號成分(24)補償通過時間窗(Tf)中的接收頻率混合變化曲線(20)。
15.根據權利要求11至14中之一所述的設備，其特征在于，所述多普勒激光雷達或雷達儀(8)裝配在移動平臺(6)上、優選裝配在核查車輛上。
【文檔編號】G08G1/01GK103620439SQ201280030339
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年6月19日 優先權日:2011年6月21日
【發明者】A·斯特澤爾, M·皮歇爾, C·普費弗, O·納吉, W·沙伊布爾霍夫, R·費格爾 申請人:卡波施交通公司