CN103994725A - 用于车辆测量的设备 - Google Patents

Abstract

一种测量道路（2）上车辆（1）的设备（3），包括承载器结构（4），具有跨越道路（2）的能够被横向定位的支撑轴（7）；多个发射器单元（11），沿着承载器结构（4）上的支撑轴（7）分布并且每个都向下发射测量光束（12），每条测量光束（12）都在与支撑轴（7）垂直地延伸的发射方向（13、13’、13”）上定位；至少一个接收器单元（14），被安装在承载器结构（4）上并接收反射的测量光束（12’）；以及估算单元（10），被连接到发射器单元（11）和接收器单元（14），用于进行飞行时间测量，以及基于飞行时间测量进行车辆（1）测量，其中，至少两个发射器单元（11）的发射方向（13、13’、13”）彼此不平行。

Description

用于车辆测量的设备

技术领域

本发明涉及测量道路上车辆的设备。

背景技术

车辆测量很重要，尤其是对于要收费的诸如隧道或收费道路的路段或者诸如停车空间或城市地域的场所的使用建立合用性或进行授权时。太高或太宽的车辆必须在隧道前及时截住，并且要在道路收费系统中或在停放空间处按照车辆高度和/或宽度确定使用费用。车辆测量大部分在不妨碍交通流的情况下发生，也就是说在道路上驾驶的同时发生。为了这个目的，例如，安装横跨道路延伸的测量台架，并且植入用于车辆测量的传感器。

如果道路只有一条车道，利用在各种高度横向辐射的光栅栏能够探知例如车辆高度。作为替代，可以首先记录车辆的图像，然后利用光学图像评估测量其上的车辆。从US6,304,321B1公知一种安装在测量台架上的激光扫描仪，它利用具有倾斜不同的反光镜面的旋转偏向反光镜，能够把两个倾斜不同的扇形扫描光束投射到道路表面或车辆表面。通过把激光测量光束成扇形散开，产生阴影效应使得不面向扫描仪的车辆侧面无法被检测从而不能够被测量。

从US2004/0008514A2公知了在测量台架上安装一排用于激光飞行时间测量的各自垂直地向下辐射的发射器和接收器单元。只要彼此不干扰，收发机单元或者单独地或者成组地相继地起动，这对于高速行进的车辆可能导致检测间隙；从而不可能把各个车辆部分或拖车与车辆可靠地相关联。

发明内容

本发明的目的是创建测量车辆的设备，它克服现有技术的缺点并且还使用灵活。

由测量车辆的设备实现这个目的，所述设备包括：

承载器结构，具有跨越道路的能够被横向定位的支撑轴，

多个发射器单元，沿着承载器结构上的支撑轴分布并且每个单元都向下发射测量光束，每条测量光束都在与支撑轴垂直地延伸的发射方向上定位，

至少一个接收器单元，被安装在承载器结构上并接收反射的测量光束，以及

估算单元，被连接到发射器和接收器单元，用于进行飞行时间测量，以及基于飞行时间测量进行车辆测量，

所述设备的特征在于，至少两个发射器单元的发射方向彼此不平行。

所述测量光束共同形成道路上的二维测量区域，并且仍然始终在与驾驶方向平行的平面中定向，所以它们能够没有侧方阴影后果地以三维方式测量车辆。能够在不同的发射方向上彼此完全独立地选择与驾驶方向横切的光束距离，从而取决于需求，在估算过程中能够节省发射器和/或接收器单元从而还附加地节省了计算功率。通过优化布局以及发射器和接收器单元的数量，降低了承载器结构上的负载，使得在道路上延伸的因具有纤细部分而使承载器结构的一端支撑变得可能。这个部分从而也能够被配置为可绕枢轴旋转的，例如用于维护工作。

为了简化对测量信号的估算，优选情况下具有相互平行发射方向的发射器单元形成组并且所述设备具有至少两个组。平行测量光束的这样的组共同形成横向地跨越道路延伸的扫描线，并且能够在一起或关于特定任务估算。基于对车辆的检测，附加的组件比如交通摄像头可能利用第一组控制，或者第二组的测量光束能够根据其先后次序受到影响。以这种方式，例如在交通量不大期间能够节省能量和/或计算功率。

第一组发射器单元尤其在优选情况下彼此具有固定的第一距离，并且第二组发射器单元彼此具有不同于第一组的固定的第二距离。测量光束的相互距离从而适合需要不同分辨率的不同任务；由于距离的固定性质，简化了测量设备的定向和估算。

为了能够在整个二维测量区域中连续地跟踪车辆，本发明的优选实施例的特征在于，第一组排列紧密的发射器单元具有直立的发射方向，至少一个第二组彼此排列稀疏的发射器单元具有相对于垂线为第一角度的发射方向，以及至少一个第三组排列紧密的发射器单元具有相对于垂线为第二角度的发射方向。每组发射器单元都能够服务特定的任务：估算单元在特别优选情况下被配置为估算第一组测量光束的反射用于进行车辆分类、估算第二组测量光束的反射用于车辆跟踪以及估算第三组测量光束的反射用于车辆检测。例如当所述第三组检测到车辆时，就能够触发对所述车辆牌照号图像的记录，因此能够进一步利用第二组测量光束──在更大路段上具有更低的分辨率──一直到第一组测量光束，连续地跟踪所述车辆，它们被靠近地放置在一起并且由于垂直发射方向，提供的反射能够被特别好地接收，所以能够以高精度进行车辆分类。由于对穿过整个二维测量区域的车辆连续跟踪，车辆牌照号与测量或分类结果的组合是万无一失的。

作为替代（或补充），也有可能在利用第一组进行车辆分类后，跟踪车辆一直到使用下游第二组和（进一步）第三组进行（更新的）检测，以及如果如此期望的话，触发对（附加的）图像的记录，例如对于同一车辆及其牌照的前部和后部照片。

在特别优选情况下，专用接收器单元与承载器结构上紧邻它的每个发射器单元都相关联。这允许在各条反射测量光束的估算期间的关联简化，并且也简化了发射器和接收器单元的定向。这也更易于使多个或全部发射器单元同时地发射测量光束，它们由各自相关联的接收器单元接收并利用估算单元关于飞行时间进行估算。

为了降低散射光的干涉影响，优选情况下在每个接收器单元的上游都提供了光圈。除了降低对来自环境影响的差错的敏感度之外，也抑制了相邻发射器单元的测量光束的反射，这允许多个或全部发射器单元同时运行。

在一个优选变形实施例中，所述设备的特征在于，每个发射器单元都由供给以光源的光导纤维的出口端形成。由于光纤的重量轻，所以实现了特别纤细和轻型的承载器结构，方便了快速安装和维护并且降低了对周围环境的景观损害。

光导纤维在特别优选情况下源自设备的中心位置，在此位置为一个或多个光导纤维的每一个都布置了光源。因此能够节省若干光源，而剩余的光源能够在需要时集中地服务。这也确保了多个甚至全部发射器单元同时运行。光导纤维还能够被引导在承载器结构之外，例如被再定位到设备的相关联控制箱中，在那里它们变得更容易接近。

如果每个接收器单元都由光导纤维的入口端形成，而光导纤维又被提供给光电换能器，将是有利的。类似于上述变形实施例，这降低了沿着支撑轴的重量。同时，这样的实施例允许反射的测量光束直接根据光信号集中地估算。

以这样的集中估算，所述光电换能器在特别优选情况下是图像传感器，在其每个像素上都布置着一个光导纤维。这样的适于飞行时间测量的图像传感器还能够以精确的定位精度检测所发出的测量光束或其反射并同时关于其飞行时间进行关联，并且确定各个距离。图像传感器能够再次被定位在中心位置，例如在承载器结构的控制箱中。

在替代变形实施例中，发射器单元是发光二极管（LED）或激光二极管，而接收器单元是光电换能器，二者在承载器结构上暴露于外部。这降低了集中激励和估算的复杂度，因为在这种情况下，发射器和接收器单元仅仅需要或提供电气信号。混合的实施例，例如具有分散的发光或激光二极管作为发射器单元以及光导纤维的入口端作为具有集中图像传感器的接收器单元，或者相反，具有集中的发光或激光二极管和光导纤维的出口端作为发射器单元以及分散的光电换能器，比如光电二极管，同样是可能的。由于当今发光二极管、激光二极管和光电二极管的小尺寸，所以保持了纤细的承载器结构。

在特别优选情况下，能够把承载器结构组成为标准化的模块，以所期望的发射器和接收器单元构成，方式为承载器结构具有多个预备的支座用于相应的发射器和/或接收器单元，这些支座在承载器结构的向下侧以网格似的方式分布。取决于所预备的支座的密度，从而连同对不同周围条件和任务的适应性，能够容易地实现在不同发射方向的发射器和/或接收器单元的不同相互距离。也有可能使各支座已经为预定的发射方向预备以及/或者它们可以向接收器单元分配预备的视野。

例如，如果支座是夹持器，用于插入发光二极管、激光二极管和/或光电换能器，将是特别有利的。这允许这些组件的快速安装和/或去除，同时密度保持是任意的。承载器结构的壁厚应当尽可能小，以减轻结构的重量。

作为替代，优选情况下支座是用于使光导纤维通过的穿透承载器结构壁的管道。考虑到光纤直径小，这样的管道同样能够非常窄从而促成光纤的快速插入。

如果支座的外截面被配置为光圈，将是特别有利的。这些光圈可以是直径比这些管道的直径更小的区域，或者某些支座被配置在夹持器上，在那里分配分离的组件。

附图说明

后文将根据附图所示的示范实施例更详细地介绍本发明。在附图中：

图1显示了从上方看根据本发明用于测量道路上车辆的设备的透视图；

图2显示了看道路上车辆的俯视图以及由其反射的测量光束，这些测量光束由根据图1的设备发出；

图3显示了从图1的设备的测量头下方看到的跨越道路横向延伸的视图；

图4显示了沿着图3剖面线A-A，穿过图3的测量头的不同实施例的部分横截面。

具体实施方式

根据图1和图2，车辆1在道路2上行驶时，利用设备3至少关于其宽度和高度对其进行测量。测量设备3包括承载器结构4，具有至少一个支柱5和细长的测量头6，被支撑在设备上并形成支撑轴7跨越道路2横向延伸。取决于道路2的宽度或其车道8的数量，承载器结构4也可以包括附加的支柱5。测量头6能够被安装在支柱5上使得围绕垂直轴旋转，所以为了维护目的能够将其转动离开道路2。设备3进一步包括控制箱9用于容纳估算单元10和其他组件。

多个发射器单元11沿着支撑轴7分布在测量头6上（图3）。每个发射器单元11都以向下至道路2，或者至位于道路上的车辆1的发射方向13、13’、13”发出测量光束12，比如激光束（图4）。测量头6另外携带着至少一个接收器单元14用于被车辆1或道路2反射的测量光束12’。有可能为全部发射器单元11或者为每组发射器单元11提供一个接收器单元14，或者为每个发射器单元11提供专用的接收器单元14。

估算单元10被连接到发射器单元11和接收器单元14，并且根据被发射和反射的每条单独测量光束12、12’的飞行时间，例如发射器单元11光脉冲发射与接收器单元14中反射光脉冲接收之间的时段，以及根据发射器单元11和接收器单元14的已知位置，计算测量光束12在道路2或车辆1上的撞击点15的位置，以便由此产生道路2或车辆1的逐点2.5D或3D图像（“扫描点云”），正如现有技术本身公知。

如图1和图4所示，至少两个发射器单元11的发射方向13、13’、13”，以及因此产生的测量光束12彼此不平行。每条测量光束12都位于关于支撑轴7正交的平面16内，并且与近似平行于车道8的道路2相交。具有非平行发射方向13、13’、13”的测量光束12能够位于同一个平面内或者在不同的平面16内。设备3因此向道路2或车辆1上投射了撞击点15的二维图案17，见图2。

在图案17中，具有相互平行发射方向13、13’、13”的测量光束12的每一条都形成组18、19、19’、20、20’（图2），为此目的发射器单元11和接收器单元14优选情况下被安排在对应组18、19、19’、20、20’中（图3）。在所示优选实施例中，具有垂直发射方向13的第一组18的发射器单元11彼此具有固定的、窄的第一距离a₁，具有在相对于垂直（α=0）的第一角度α₁（0<α₁<90°）的发射方向13’的第二组19、19’的那些彼此具有固定的、宽的第二距离a₂，而具有在相对于垂直的第二角度α₂（α₁<α₂<90°）的发射方向13”的第三组20、20’的那些彼此具有固定的、窄的第三距离a₃。也有可能在中心第一组18与外部第三组20、20’之间提供不止一个第二组19、19’。

估算单元10优选情况下被配置为估算第一组18的测量光束12的反射12’用于车辆测量和分类、第二组19、19’测量光束的反射用于在图案17的整个测量区域21上的车辆跟踪以及第三组20、20’测量光束的反射用于在车辆1进入和离开测量区域21时的车辆检测（触发）。尤其可以使用外部（第三）组20、20’作为线检测器，例如为了触发在承载器结构4上为此目的安装的摄像头单元22、22’录制图像，以及/或者为了减少在行驶方向下游提供的组18、19、19’、20、20’的测量光束12的两个光脉冲之间的暂停。摄像头单元22、22’录制车辆1的前部或后部视图，视图中具有前部或后部牌照号23、23’，以及驾驶员，如果需要的话。选择第三组20、20’的相互距离a₃的方式能够可靠地检测车辆1，并且还可选性地具有车道精度，以便触发例如对准正确的车道8的摄像头单元22、22’。在道路2纵向上图案17的测量区域21优选情况下大于要测量或分类的最长预期车辆1，在特别优选情况下是其多倍。

取决于应用，组18、19、19’、20、20’的其他布局或顺序用于车辆检测、跟踪和分类（测量）当然也是可能的。例如一种简单情况包括至少两个不同的组，在其传感器区域中具有不同的分辨率用于跟踪-触发或触发-跟踪顺序等。与附加的传感器结合，比如为了收取通行费，与用于与车辆的车载设备通信的微波无线电设备结合，同样是可能的。

最后，车辆1的宽度和高度优选情况下由第一组18排列特别紧密的发射器单元11测量，或者通过组18时产生其2.5D或3D的扫描点云，以便例如对车辆1分类。在这个测量或分类期间近距离a₁产生高分辨率。

在检测器组20、20’与测量和分类组18之间，在车辆1穿过测量区域21时被第二组19、19’（“跟踪组”）的测量光束12检测出。在本示范实施例中，这被用于在整个测量区域21中连续地跟踪车辆1，从而能够把由例如利用第三组20、20’触发的摄像头单元22、22’录制的图像与利用第一组18测量和分类的车辆1清楚地关联。为了这个目的，第二组19、19’的发射器单元11彼此远远地隔开（a₂>a₁，a₂>a₃）就足够了。

当然，不同组18、19、19’、20、20’的发射器单元11的距离a₁、a₂、a₃能够从展示实例的距离中进行不同的选择。附加的组或发射其他适当的甚至不规则的图案17也是可能的。测量光束12能够在可见的波长范围内，不过在本实例中它们不可见，以避免干扰交通。

能够实现对车辆1长度的测量或者其扫描点云的定标，例如，方式为结合不同组18、19、19’、20、20’的多个接收器单元14的估算结果，或者借助于车辆1的附加速度测量。这样的速度测量能够利用分开的速度传感器（未显示），或者利用借助于发射器单元11在相对于垂直方向的角度α₁、α₂发射的多普勒测量，或者基于借助于组18、19、19’、20、20’之一的车辆1的检测与借助于下游组的检测之间的时段。

图3和图4显示了测量头6的详细光学机械设计。测量头6包括多个预备的支座24，在每种情况下用于发射器单元11和/或接收器单元14。支座24以网格形的方式跨越测量头6的壁25的面朝下的一侧25’。图1和图2所示的组方式发射方向13、13’、13”能够由支座24的方向预定义，见图4中壁25近似半圆形或U形的横截面，壁25与上保护盖26也形成了在支撑轴7方向延伸的通道27。

图3所示的支座24逐行地形成了发射器单元11的组18、19、19’、20、20’。不过，也有可能提供比需要更多的支座──例如以有规律的网格形图案──然后根据期望的图案17植入发射器单元11和/或接收器单元14。测量头6也能够具有不同于U形的横截面，例如O形或矩形横截面。

图4在同一幅图中显示了彼此紧邻的发射器单元11和/或接收器单元14的不同变形实施例，这些变形实施例一般来说构成了替代方式，不过也有可能在同一设备3中组合这些变形实施例。

在图4左边所示的第一个变形实施例中，发射器单元11能够由光导纤维29的出口端28形成。支座24优选情况下是用于这个目的的管道30，它穿透壁25，使得光导纤维29或测量光束12能够穿过。光导纤维29能够经由通道27布置到设备3的中心位置，例如控制箱9，在那里它们由共享或组方式或者各自单独的光源（未显示）供应。

同样，接收器单元14能够由光导纤维29的入口端形成，被布置到光电换能器（未显示）。光电换能器还能够被集中地安排，比如在控制箱9中。光电换能器可以是图像传感器，比如光二极管阵列芯片，其上每根光导纤维29都被布置在图像传感器的单独像素上。作为替代，每根光导纤维29都可能供给单独的光电二极管。

光圈31能够被连接到接收器单元14的光导纤维29的上游。该光圈限制了接收器单元14的视野，使得接收器单元仅仅接收单一反射测量光束12’，也就是说相关联的发射器单元11的光束。以这种方式，相邻甚至全部发射器单元11能够同时发射。光圈31可以是分开的光圈，可选地配备了另外的光学器件，或者也能够简单地由管道30自身的更小直径形成，光导纤维29的入口端32被放在其中凹处。不去限制接收器单元14的视野，而是作为替代，顺序地激励或操作全部发射器单元11──或者至少彼此位置接近的那些──以防止非关联发射器单元11的偏离反射的测量光束12’被接收器单元14拾取。

在图4中心所示的第二个变形实施例中，至少某些发射器单元11也能够是发光二极管（LED）或激光二极管33，以及/或者至少某些接收器单元14能够是光电换能器34，比如光电二极管，它们在承载器结构4上暴露于外部，使得测量光束12、12’能够不受损害地发射和/或接收。用于发光二极管、激光二极管或光电二极管33、34的支座24同样能够是穿透壁20的适当形状的管道30，或者优选情况下的夹持器35，其中能够例如分开地插入发光二极管、激光二极管和/或光电二极管33、34。支座24，尤其接收器单元14的支座，其外面部分再次可选地被配置为光圈31。在这个实施例中，发光二极管、激光二极管和光电二极管33、34经由例如在通道27中布线的电气信号线36连接到估算单元10。

当然，无论支座24被配置为夹持器35还是管道30，在每种情况下它们都能够容纳发射器单元11和相关联的接收器单元14二者，或者容纳不止一个发射器单元11和/或接收器单元14，正如图4右边所示的第三变形实施例所展示，其中举例显示了具有出口端28作为发射器单元11的光导纤维29以及在同一管道30中容纳的光电二极管34。同样可设想发射器单元11和/或接收器单元14的任何其他组合和/或变形实施例。如果测量光束12被连接在与支座24对立的末端进入，而其反射12’被连接在与支座24对立的末端外出，例如利用半透明镜面，也可以使用同一个光导纤维29既作为发射器单元11又作为接收器单元14。还存在这样的选择方案，即对于几根组合的光导纤维29，它们在一起被供应光源并借助于图像传感器估算。

支座24能够由透明盖板37对外部关闭并受保护免于污染。盖板37也可以是滤光镜，用于使不期望的光波长例如离开接收器单元14，以及/或者它们也可以是偏光镜，在相互关联的发射器单元11和/或接收器单元14的上游提供一致偏振的盖板37。

本发明不限于所示的实施例，而是包含了由附带权利要求书的范围所覆盖的一切变形实施例、组合和修改。

Claims (16)

1.一种测量道路（2）上车辆（1）的设备（3），包括：

承载器结构（4），具有跨越所述道路（2）的能够被横向定位的支撑轴（7），

多个发射器单元（11），沿着所述承载器结构（4）上的所述支撑轴（7）分布并且每个都向下发射测量光束（12），每条测量光束（12）都在与所述支撑轴（7）垂直地延伸的发射方向（13、13’、13”）上定位，

至少一个接收器单元（14），被安装在所述承载器结构（4）上并接收反射的测量光束（12’），以及

估算单元（10），被连接到所述发射器单元（11）和接收器单元（14），用于进行飞行时间测量，以及基于飞行时间测量进行车辆（1）测量，

其特征在于

至少两个发射器单元（11）的所述发射方向（13、13’、13”）彼此不平行。

2.根据权利要求1的设备，其特征在于，具有相互平行发射方向（13、13’、13”）的发射器单元（11）形成组（18、19、19’、20、20’），以及所述设备（3）具有至少两个组（18、19、19’、20、20’）。

3.根据权利要求2的设备，其特征在于，第一组（18）的所述发射器单元（11）彼此具有固定的第一距离（a₁），以及第二组（19、19’）的所述发射器单元（11）彼此具有不同于第一组的固定的第二距离（a₂）。

4.根据权利要求2或3的设备，其特征在于，第一组（18）排列紧密的发射器单元（11）具有直立的发射方向（13），至少一个第二组（19、19’）彼此排列稀疏的反射器单元（11）具有相对于垂线为第一角度（α₁）的发射方向（13’），以及至少一个第三组（20、20’）排列紧密的发射器单元（11）具有相对于垂线为第二角度（α₂）的发射方向（13”）。

5.根据权利要求4的设备，其特征在于，所述估算单元（10）被配置为估算所述第一组（18）测量光束（12）的反射（12’）用于进行车辆分类、估算所述第二组（19、19’）测量光束的反射用于进行车辆跟踪以及估算所述第三组（20、20’）测量光束的反射用于进行车辆检测。

6.根据权利要求1至5中任何一个的设备，其特征在于，专用的接收器单元（14）与其紧邻的每个发射器单元（11）相关联。

7.根据权利要求1至6中任何一个的设备，其特征在于，光圈（31）被提供在每个接收器单元（14）的上游。

8.根据权利要求1至7中任何一个的设备，其特征在于，每个发射器单元（11）由供给以光源的光导纤维（29）的出口端（28）形成。

9.根据权利要求8的设备，其特征在于，所述光导纤维（29）源自所述设备（3）的中心位置（10），在此位置为一个或多个光导纤维（29）的每一个布置光源。

10.根据权利要求1至9中任何一个的设备，其特征在于，每个接收器单元（14）由被布置到光电换能器的光导纤维（29）的入口端（32）形成。

11.根据权利要求10的设备，其特征在于，所述光电换能器是图像传感器，在所述图像传感器的每个像素上都布置着一个所述光导纤维（29）。

12.根据权利要求1至7中任何一个的设备，其特征在于，所述发射器单元（11）是发光或激光二极管（33），以及所述接收器单元（14）是光电换能器（34），二者在所述承载器结构（4）上暴露于外部。

13.根据权利要求1至12中任何一个的设备，其特征在于，所述承载器结构（4）具有多个预备的支座（24），在每种情况下所述支座（24）对于发射器单元（11）和/或接收器单元（14），以网格形的方式跨越所述承载器结构（4）的面朝下的一侧（25’）分布。

14.根据权利要求13连同权利要求12的设备，其特征在于，所述支座（24）是夹持器（35），用于插入所述发光或激光二极管（33）和/或所述光电换能器（34）。

15.根据权利要求13连同权利要求8至11中任何一个的设备，其特征在于，所述支座（24）是用于使所述光导纤维（29）通过的穿透所述承载器结构（4）的壁（25）的管道（30）。

16.根据权利要求13至15中任何一个的设备，其特征在于，所述支座（24）的外面部分被配置为光圈（31）。