CN1605033A - 用于车辆几何外型测量和速度确定的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及借助于至少一个激光扫描器(1)对公路上在纵向方向上运动的车辆(5)进行几何外型测量和速度确定的方法和装置，所述激光扫描器被安装在公路平面上方，并且在对准公路及车辆的测量平面内扫描限定区域中的公路及上面在行驶方向(2)上运动的车辆，并且在测量平面上产生作为一个扫描周期的测量数据的车辆轮廓。本发明的特征在于，所述激光扫描器(1)的测量平面相对于行驶方向(2)的垂直平面旋转一个角度，并且由激光扫描器的测量数据获得车辆(5)与时间有关的空间表示(Pz)，从中在考虑一般车辆外型的情况下确定车辆的长度和速度。

Description

用于车辆几何外型测量和速度确定的方法和装置
本发明涉及借助于至少一个激光扫描器对公路上纵向运动的车辆进行几何外型测量和速度确定的方法和装置，所述激光扫描器被安装在公路平面上方，在对准公路及车辆的测量平面中扫描限制测量区域内的公路以及上面沿行驶方向运动的车辆，并在所述测量平面上生成作为一个扫描周期中的测量数据的车辆轮廓。所述装置也包括连接在激光扫描器上用于分析测量数据的计算机系统。
车辆的几何外型是车辆分类的一种可能的评价标准，典型的应用领域是计算征收养路费的税率等级，交通引导技术(Verkehrsleittechnik)的使用或交通数据的卫星收集。
目前存在用激光扫描器实现对车辆在三个空间方向上进行几何外型测量的不同方法。一种已知方法在于，在至少两个测量平面上测量，其中通过计算测量对象进入第一和其他测量平面之间的时间差实现速度测量和行驶方向上测量值的定标。其他已知方法基于用于对象测量的激光扫描器和用于确定相应对象速度的其他传感器的组合使用。
在所有已知装置和方法中，选择激光扫描器的测量平面垂直于行驶方向，因此在确定对象长度时由于激光扫描器的循环时间使可获得的测量准确性受到限制。因此获取测量长度时高的测量准确性要求尽可能高的扫描速率，而高扫描速率又造成了高成本、噪声损耗以及激光扫描器的有效角度范围小等缺点。
例如在WO 90/09014中公开了一种这样的方法，即描述了两个分别垂直于行驶方向定位的激光扫描器。由激光扫描器连续经过的路程-时间差计算车辆速度。这个文件中没有公开车辆几何外型的确定。
本发明的目的是实现一种方法和一种装置，借助于它们能够以特别经济可靠的形式和方式实现车辆几何外型和速度的精确测量。
在本发明的第一个方面中用开始所述类型的方法实现这个目的，根据本发明所述方法的特点是激光扫描器的测量平面相对于行驶方向的垂直平面旋转一个角度，并且由激光扫描器的测量数据获得车辆与时间有关的空间表示，由此在考虑一般车辆形状的情况下至少确定车辆的长度和速度。
申请人第一次知道，假设已知车辆的一般形状，例如矩形，能够由单个斜放的激光扫描器的测量数据确定车辆的具体几何数据，例如长、宽、高等以及其速度。本发明提供了对已知设计的显著简化和节省，所述已知设计为了这个目的需要至少两个测量平面及传感器。另外，由于测量平面的斜放，能够使用具有相对较小采集速率的激光扫描器，这种激光扫描器经济、耐用且不易受干扰，而不影响长度和速度测量的准确性，并且支持宽度的测量范围。
根据本发明方法的优选实施方式，在时间连续的表示轮廓中确定与车辆轮廓相应的测量点，所述测量点在第一时间点时或最好在第一时间点之前占据行驶方向上的显著的纵向位置，并且测量点的进一步位置改变在随后的轮廓中确定，直到在随后的第二个时间点时或最好在其后暂时不再发生显著的位置改变，并且车辆的速度由所述时间点上确定的测量点位置的路程-时间差确定。
以这样的方式，借助于第一段中斜放的激光扫描器检测车辆前端及车辆尾部的经过，并且从其运动中计算出速度。
由于其简单性而特别有利的变体在于，选择车辆最大的—或者最小的—纵向位置作为显著的纵向位置。
这种实施方式尤其也公开了车辆长度的特别简单的确定方法，即在时间连续的轮廓中确定与车辆轮廓相应的测量点，所述测量点在第三时间点上占据行驶方向上最小或最大的纵向位置，并且车辆长度根据公式
长度＝x1+(t结束-t1)·速度-x结束
从先前得到的速度中确定。
将确定的速度使用在空间表示的定标中，以从中获得车辆的三维几何形状，在所有情况下都是特别有利的。
为了提高准确性和可靠性，最好也考虑一般车辆外型的纵轴对称以修正测量数据。
根据本发明的其他有益的实施方式，也可以使用多个在公路宽度上分布排列的激光扫描器。这样不仅能够扩大可获得的公路宽度，即总测量区域，而且能够提高在大部分通行中的测量准确性：由于并排排列的激光扫描器测量平面的斜放，在公路中间区域行驶的车辆在时间上连续地经过多个测量平面。为了提高测量准确性，其中通过综合分析所述激光扫描器的测量数据，最好将通过两个或更多的激光扫描器测量平面的车辆识别为一个同一车辆，并且最好考虑通过两个测量平面时的路程-时间差，以检查第一激光扫描器获得的速度，并且当第一激光扫描器的检测出现错误时，将由路程-时间差确定的速度和车辆长度分配给车辆。
下面的方式在任何情况下都是特别有利的：根据是否经过了其他垂直于公路扫描的激光扫描器来触发其他装置，例如照相机等，和/或开始输出确定的几何和速度数据。在第一种情况下，例如可以为了归档和证明的目的拍摄经过的车辆的照片，在后一种情况中确保了以经过的时间关系输出获得的数据。可选地，也可以通过获得公路上车辆预定的纵向位置来实现。
最好也能够借助于至少一个其他的、沿着公路扫描的激光扫描器继续观察和跟踪更大公路纵向范围内的选定车型。
借助于可选的传感器，特别是公路中的压力传感器，还能够获得车辆车轴的数目，所述车轴数目是车辆分类的另一个标准。
本发明的方法能够特别容易地校准。为此只要求从已知几何外型和已知速度的车辆多次通过中获知激光扫描器的准确安装位置。
在本发明的第二个方面中，利用一种用于对公路上沿着纵向方向运动的车辆进行几何外型测量和速度确定的装置实现上述目的，所述装置具有至少一个激光扫描器，所述激光扫描器安装在公路平面上方，并且在对准公路及车辆的测量平面中扫描限制测量区域内的公路及在其上沿行驶方向运动的车辆，并且在测量平面中产生作为一个扫描周期中的测量数据的车辆轮廓，所述装置还具有连接到激光扫描器的用于分析测量数据的计算机系统，其特征在于，将激光扫描器的测量平面相对于行驶方向的垂直平面旋转一个角度，并且所述计算机系统从激光扫描器的测量数据中获得车辆与时间有关的空间表示，并在考虑一般车辆外型的情况下从中至少确定车辆长度和速度。
在从属权利要求中列出了本发明装置的优选特征。关于这些实施方式的优点参阅方法的相应实施例。
本发明的其他特征和优点在以下描述中借助于附图表示的实施例给出。附图中
图1a到1c表示俯视图(图1a)、正视图(图1b)和侧视图(图1c)中传感器系统的一个例子；
图2用一个例子示出了在四个时间连续的示范性选出的测量周期中对象测量的原理，所述测量循环在附图中被相叠地表示，即每次侧视图中在左半部分而正视图中在右半部分；
图3a和3b以框图的形式表示了测量数据收集和分析的原理的两种实施方式；
图4a和4b示出了了正视图(图4a)和俯视图(图4b)中激光扫描器连接的一个例子；
图5a和5b示出了本方法及装置扩展可能性的两个其他例子。
图1a到1c表示了一种有益的实现本发明的例子。在上述的例子中使用安装在公路上方的激光扫描器1，其测量平面相对于行驶方向2被旋转了大约45°。这样就实现了在每个扫描或测量周期Z中为一组角度值(∈[minKmax])准备提供距离值3(dz())，所述距离值代表横向和纵向几何信息。
激光扫描器1(或每个激光扫描器)的测量平面在图1a的俯视图中以及后面详细解释的图4b、5a和5b中表示为虚线；在图1b、1c和2的正视图及侧视图中虚线分别表示激光扫描器1在测量平面中扫描的，即从其位置观察到的车辆轮廓。
应该注意，这个或每个激光扫描器1的测量平面不是必须如图示的那样垂直于并与行驶方向2呈45°角。对于本发明的目的，相对于行驶方向2的垂直平面将测量平面旋转一个合适的角度就够了；这也包括例如相对于行驶方向的2测量平面非垂直斜放。同样地，激光扫描器1也不是必须位于通过的车辆5的上方；一般它只需要位于公路平面的上方，以便能够在相对于行驶方向的垂直平面旋转的测量平面中扫描通过的车辆。因此“相对于行驶方向的垂直平面旋转一个合适的角度”的表述也包括将激光扫描器1在侧向上与通过的车辆并排排列，只要其测量平面被相应定向。
只要扫描器1不是本身已经准备提供用于测量值收集的准确时间信息，那么就能够借助于已知传感器特性转数n，激光扫描器的已知构造形式(每次翻转的测量周期数目)并利用与测量值相应的角度位置推导出时间信息t(Z，)；对于具有旋转镜面的商业通用激光扫描器而言，其中能够同样地设置镜子角度位置的激光束的角度位置，得到例如
t(Z，)＝t0+(Z+/360°)/n
其中可以任意选择共同的参考时间点。
将测量值换算到笛卡儿坐标系4中后，作为分析测量数据的基础的信息能够在四维坐标系
Pz＝(x，y，z，t)z＝(xz，yz，zz，tz)
中直观地表示出来。
由图1a到c还得知，车辆高度和车辆宽度的测量—包括其横向车辆位置的确定，即在垂直于行驶方向2的方向上—实际上几乎不能与已知测量技术相区别，因此不需要进一步探讨。
图2更详细地表示了本发明确定车辆速度和车辆长度—包括确定其纵向车辆位置，即平行于行驶方向2的方向—的基本原理。
首先确定车辆速度：
一旦车辆5在测量平面上被识别出来，即第一次出现在测量平面中的时间点t1(图1a中用其左车头)，就开始对象测量。其中通过寻找与车辆相应的，表示最大纵向位置x1的测量点7，确定测量平面内当前纵向位置(图2标在X轴6上)。将所述测量点7作为计算速度的第一个参考点P1(x1，t1)考虑。
在随后的测量周期中，以同样的方式获得其他测量点8，9，10。
在测量点7和8；8和9；9和10等之间检测到的路程差x2-x12，x3-x2，x4-x3等的比较可以推断出，测量点10不能再对应于车辆前部，即车辆5现在以其全部宽度驶入测量平面内。因此前面的测量点9作为计算速度的第二个参考点P3(x3，t3)被考虑。
现在在由第一和第二参考点P1(x1，t1)，7和P3(x3，t3)，9所限定的观察窗中考虑由测量值Pa(xa，ta)和Pb(xb，tb)构成代表对，其中t1≤ta＜tb≤t3，并且从中根据路程-时间差计算出速度：
为了减小随机误差的危险，最好在参考点P1和P3的一个确定距离中选择点Pa和Pb，即t1＜ta和tb＜t3。
容易了解，是否只将车辆前部尾部  车辆轮廓的其他特征细节或在多个位置重复测量作为确定车辆速度的基础，以及是否每次都只考虑测量值的一个或适当选择的线束基本上并不重要。
此外可把对称条件(车辆相对于其纵轴对称)和确定的横向车辆位置和总宽度一起包括在内，能够进一步提高测量的准确性。这样的方法是已知的，因此不再进一步描述。
如下面那样实现车辆长度的确定(以及其纵向位置)：
在进一步的过程中，现在在每个测量周期中寻找与车辆相应的，具有最小纵向位置的测量点P结束(x结束，t结束)，即表示车辆已经离开测量区域的点。
因此能够在考虑车辆在时间t结束-t1中经过的路程的情况下，由第一测量点7(具有最大纵向位置)的，以及最后测量点P结束(具有最小纵向位置)的纵向位置x1和x结束的比较计算出车辆长度：
长度＝x1+(t结束-t1)·速度-x结束
具有意义的是处理在相反方向上运动经过测量区域的车辆，其中分别只用最小纵向位置代替最大纵向位置，反之亦然。
图3a中，再次总结了测量数据收集及分析的基本流程。必要时激光扫描器和分析硬件也能够作为结构单元来实现。当然也可以将这里表示的将原始数据换算到四维坐标中的步骤省去。
在使用单个传感器的结合时，下面的做法是有利的：如图3b和图4a，b表示的那样，对各个测量进行相关，以防止对一个对象的多次记录。此外通过将各个传感器结合起来适当选择的排列存在这样的可能性，即可以检查基于单个传感器确定的测量值，它是通过比较在通过两个相邻激光扫描器时分别获得的共同横向重叠区域中的速度，或者通过相应的  基于传感器相互间已知的相对排列和激光扫描器之间适当的同步获得时间-路程差来实现。在单行的  用单个扫描器不可能实现满意的速度测量的车辆中，可以用最后提到的方法推导出速度，并分配给车辆的对象来表示。
一般都要求当车辆前部或车辆尾部已经到达确定的纵向位置时，准确地提供测量值及触发信息。为此例如可以基于先前获得的测量值和时间值计算车辆的当前纵向位置，因此当车辆位于确定的纵向位置时，与横向位置无关地输出测量结果和/或用于可能的其他装置的触发信号。即，由于使用这里描述的方法，纵向测量区域取决于横向测量位置，所以为了对应提到的排列，基于获得的速度并基于已经获得的位置和时间值，通过当前纵向位置计算准确的输出时间点是有意义的。在图3b中通过输出缓冲区来说明。
当时间准确的输出在停-走交通(Stop-and-go-Verkehr)中也正确地工作时，作为到现在为止描述的方法的补充，可以另外安装一个与行驶方向正交的激光扫描器11或另一个在触发线区域内的适当的传感器，如图5a中表示的那样。
如果要在比根据所述的方法可能实现的观察区域更大的观察区域中，在纵向方向上的停-走交通中跟踪选定的车辆类型(例如卡车，公交车)，那么可以在适当的位置安装沿着测量平面，平行于行驶方向测量的激光扫描器12，见图5b。
通过将适当的传感器置入公路中(压力传感器，地面打磨(Bodenschleifen)等)或通过允许识别车轴的光学传感器(照相机，激光扫描器等)的适当排列，能够将描述的方法一般化，即能够将通过的车辆的轴数量作为附加的对象特征计算出来。
从迄今为止的观察中得到，可以以简单、经济的和不易受干扰的方式测量三维几何外型和速度，此外通过对观察区域中对象开始和结束的时间跟踪也可以识别行驶方向。因此所述方法和装置不需要其他措施就适用于识别在错误方向上行驶的车辆。
容易了解，通过在粗略报告激光扫描器位置时比较测得的长度值和实际的车辆长度，以及以这种方式确定激光扫描器的正确装配角度，可以由已知几何外型的车辆以匀速多次通过来计算激光扫描器的实际扭转。
这里描述的方法和装置的其他优点在于其对纵向轮廓中非常短的平面差别的很强识别能力，例如卡车驾驶室和其结构之间的空隙或者火车机头(Zugfahrzeug)和具有短的联结的拖车之间的空隙。通过斜放实现，即使在很高的速度下，在激光扫描器相对低的扫描速率中也能够可靠地收集对于分类任务非常有用的基本数据。
本发明显然并不局限于描述的实施例中，而是包含权利要求范围内的所有变化和修改。

Claims (25)

1.借助于至少一个激光扫描器(1)对公路上沿纵向方向运动的车辆(5)进行几何外型测量和速度确定的方法，所述激光扫描器被安装在公路平面的上方，并且在对准所述公路及车辆的测量平面中扫描限制测量区域内的公路及在其上沿行驶方向(2)运动的车辆，并在测量平面上产生作为一个扫描周期的测量数据的车辆轮廓，其特征在于，将激光扫描器(1)的测量平面相对于行驶方向(2)的垂直平面旋转一个角度，并且由激光扫描器的测量数据确定车辆(5)与时间有关的空间表示(Pz)，从中在考虑一般车辆外型的情况下确定车辆的长度和速度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在时间连续的表示(Pz)轮廓中获得与车辆轮廓对应的测量点(P1)，所述测量点在第一时间点时或之前占据行驶方向(2)中显著的(7)纵向位置(6)，在随后的轮廓中获得测量点(P1)的进一步位置改变(8-10)，直到后面的第二个时间点(tb)时或最好是在第二个时间点之后暂时不再发生显著的位置改变(10)，并且由在所述时间点(ta，tb)时获得的测量点(P1)位置(xa，xb)的路程-时间差(xb-xa)/(tb-ta))确定车辆(5)的速度。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述显著的(7)纵向位置(6)是车辆轮廓的最大(x1)或最小的纵向位置(6)。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，在时间连续的轮廓中获得与车辆轮廓相应的测量点(P结束)，所述测量点在第三时间点(t结束)时占据行驶方向(2)上最小的(x结束)或最大的纵向位置(6)，并且由先前获得的速度根据公式
         长度＝x1+(t结束-t1)·速度-x结束
确定车辆(5)的长度。
5.根据权利要求1至4任一项的方法，其特征在于，确定的速度被用于空间表示(Pz)的定标，以从中获得车辆的三维几何外型。
6.根据权利要求1至5任一项的方法，其特征在于，在校正测量数据时考虑一般车辆外型的纵轴对称。
7.根据权利要求1至6任一项的方法，其特征在于，借助于多个分布排列在公路宽度上的所述类型的激光扫描器，通过综合分析激光扫描器(1)的测量数据，将通过两个或更多激光扫描器(1)的测量平面的车辆识别为一个同一车辆。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，将通过两个测量平面时的路程-时间差用于检查由第一激光扫描器获得的速度，当第一激光扫描器的检测出现错误时，为车辆分配由路程-时间差确定的速度和车辆长度。
9.根据权利要求1至8任一项的方法，其特征在于，根据是否经过了其他垂直于公路扫描的激光扫描器(11)来触发其他装置，例如照相机等，和/或开始进行确定的几何和速度数据的输出。
10.根据权利要求1至8任一项的方法，其特征在于，根据是否计算出公路上车辆预定纵向位置来触发其他装置，例如照相机等，和/或开始进行确定的几何和速度数据的输出。
11.根据权利要求1至10任一项的方法，其特征在于，借助于至少一个其他沿着公路扫描的激光扫描器(12)在更大的公路纵向区域内继续观察和跟踪选定的车辆类型。
12.根据权利要求1至11任一项的方法，其特征在于，借助于传感器，最好是公路上的压力传感器，计算车辆车轴的数目。
13.根据权利要求1至12任一项的方法，其特征在于，由已知几何外型和已知速度的车辆多次通过确定激光扫描器(1)准确的安装位置。
14.用于对公路上沿纵向方向运动的车辆(5)进行几何外型测量和速度确定的装置，具有至少一个激光扫描器(1)，所述激光扫描器被安装在公路平面上方，并且在对准公路及车辆的测量平面内扫描限制测量区域内的公路及上面在行驶方向(2)上运动的车辆，并在测量平面上产生作为一个扫描周期的测量数据的车辆轮廓，还具有与激光扫描器连接的、用于分析测量数据的计算机系统，其特征在于，激光扫描器(1)的测量平面相对于行驶方向(2)的垂直平面被旋转一个角度，所述计算机系统从激光扫描器的测量数据中计算出车辆(5)与时间有关的空间表示(Pz)，并从中在考虑一般车辆外型的情况下确定车辆的长度和速度。
15.根据权利要求14的装置，其特征在于，所述计算机系统在表示(Pz)的时间连续轮廓中获得与车辆轮廓相应的测量点(P1)，所述测量点在第一时间点(ta)时或最好在第一时间点之前占据行驶方向上的显著(7)纵向位置(6)，在随后的轮廓中获得测量点(P1)的进一步位置改变(8-10)，直到后面的第二时间点(tb)时或最好在第二时间点之后暂时不再发生显著的位置改变(10)，并且由在所述时间点(ta，tb)时获得的测量点(P1)位置(xa，xb)上的路程-时间差(xb-xa)/(tb-ta))确定车辆(5)的速度。
16.根据权利要求15的装置，其特征在于，所述显著的(7)纵向位置(6)是车辆轮廓的最大(x1)或最小纵向位置(6)。
17.根据权利要求16的装置，其特征在于，所述计算机系统在时间连续的轮廓中获得与车辆轮廓相应的测量点(P结束)，所述测量点在第三时间点(t结束)时占据行驶方向上最小(x结束)或最大的纵向位置(6)，并且由先前获得的速度根据公式
长度＝x1+(t结束-t1)·速度-x结束
确定车辆(5)的长度。
18.根据权利要求14至17任一项中的装置，其特征在于，所述计算机系统将确定的速度用于空间表示(Pz)的定标，并且从中计算车辆的三维几何外型。
19.根据权利要求14至18任一项中的装置，其特征在于，所述计算机系统在校正测量数据时考虑一般车辆外型的纵轴对称。
20.根据权利要求14至19任一项中的装置，其特征在于，所述方式的多个激光扫描器(1)被分布排列在公路宽度上，并且所述计算机系统综合分析激光扫描器(1)的测量数据，并从中将通过两个或多个激光扫描器的测量平面的车辆识别为一个同一车辆。
21.根据权利要求20的装置，其特征在于，所述计算机系统将通过两个测量平面时的路程-时间差用于检查由第一激光扫描器获得的速度，当第一激光扫描器的检测出现错误时，把由路程-时间差确定的速度和车辆长度分配给车辆。
22.根据权利要求14至21任一项的装置，其特征在于，设置有其他垂直于公路扫描的激光扫描器(11)，根据是否经过了该激光扫描器来触发其他装置，例如照相机等，和/或开始进行确定的几何和速度数据的输出。
23.根据权利要求14至21任一项中的装置，其特征在于，根据是否计算出公路上车辆预定的纵向位置，通过所述计算机系统触发其他装置，如照相机等，和/或开始进行确定几何和速度数据的输出。
24.根据权利要求14至23任一项中的装置，其特征在于，设置有至少一个其他沿着公路扫描的激光扫描器(12)，所述扫描器继续在更大的公路纵向范围内观察和跟踪选定的车辆类型。
25.根据权利要求14至24任一项中的装置，其特征在于，设置有用于确定车轴数目的传感器，最好是公路上的压力传感器。
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