СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ КОЛЕСА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD FOR DETECTING VEHICLE WHEEL

Настоящее изобретение относится к способу детектирования вращающегося колеса транспортного средства путем оценки допплеровского сдвига частоты измерительного луча, испускаемого детекторным блоком, мимо которого проходит данное транспортное средство, и отраженного колесом и возвращенного с допплеровским сдвигом.
Детектирование колес транспортных средств представляет собой интерес во многих областях применения. Например, детектирование колес позволяет достоверно определять движение транспорта на конкретной проезжей части, например, для пограничного контроля или для включения определенных функций, таких как сигнала тревоги, освещения, открытия шлагбаума, регистрации фотографии транспортного средства с целью контроля, и т.д. Современные системы взимания платы за проезд также часто работают по принципу определения количества осей проехавших транспортных средств, вследствие чего детектирование колес (осей колес) также может представлять собой важную основу для введения или контроля платы за проезд, в частности, с помощью мобильных контрольных транспортных средств, определяющих количество осей транспортных средств, на которые должна быть наложена плата за проезд при их прохождении мимо или во встречном транспортном потоке.
В патенте DE 102008037233 A1 раскрывается способ детектирования колес движущегося транспортного средства, основанный на различии горизонтальной составляющей тангенциальной скорости данного транспортного средства по сравнению с его остальными частями; данная тангенциальная составляющая скорости вызывает соответствующий допплеровский сдвиг частоты радиолокационного измерительного луча. Для этого используется радиолокационный спидометр, который облучает нижнюю часть проходящих транспортных средств радиолокационным лепестком и осредняет по времени единый сигнал измерения скорости на основании полученного обратно спектра частот; данный сигнал показывает максимумы сигнала в местах расположения колес, детектирование которых производится.
Заявитель настоящей заявки раскрыл новые и надежные способы детектирования колес, отличающиеся высокой надежностью, основанные на допплеровских измерениях в ранее неопубликованных патентных заявках ЕР 11450079.6, ЕР 11450080.4 и РСТ/ЕР 2012/061645.
Заявитель обнаружил, что для дополнительного повышения надежности детектирования желательно обеспечивать как можно лучшее выравнивание допплеровского измерительного луча с проходящим мимо транспортным средством. На многополосных трассах или трассах со встречным движением, расстояние от проходящего транспортного средства до детекторного блока часто резко изменяется, что может быть обусловлено стилем вождения, а также габаритами транспортного средства. Это может привести к недостаточному облучению детектируемого колеса измерительным лучом, что приводит к погрешностям детектирования.
Задачей настоящего изобретения является решение указанных выше проблем и создание усовершенствованного способа детектирования колес, основанного на допплеровских измерениях.
Данная задача достигается согласно настоящему изобретению с помощью способа детектирования вращающегося колеса транспортного средства путем оценки допплеровского сдвига частоты измерительного луча, испускаемого детекторным блоком, мимо которого проезжает транспортное средство, отраженного колесом и возвращенного с допплеровским сдвигом,
в относительном положении, относительно колеса, транспортное средство содержит бортовое устройство, способное устанавливать радиосвязь с приемопередатчиком, установленным в известном положении в детекторном блоке; способ включает:
измерение направления и расстояния от бортового устройства до приемопередатчика посредством по меньшей мере одной радиосвязи между указанными устройствами; и
управление направлением излучения или положением излучения измерительного луча в соответствии с измеренными направлением и расстоянием и с учетом вышеупомянутого относительного положения и известного положения,
указанное относительное положение сохраняют в бортовом устройстве и считывают из бортового устройства с помощью радиосвязи для вышеуказанного рассмотрения.
Для решения вышеупомянутых проблем, настоящее изобретение основано на использовании так называемых бортовых устройств (встроенных систем считывания, OBU), применяемых в системах оплаты за проезд и системах передачи информации для взимания оплаты за проезд транспортного средства по проезжей части. Бортовые устройства данного типа могут устанавливать радиосвязь типа специализированной радиосвязи ближнего действия (DSRC) с придорожными маяками (устройствами, RSE), установленными в определенных известных местах трассы, за счет чего их местоположение можно определить в каждом случае по диапазону дальности радиосвязи придорожного радиомаяка, при нормально работающей специализированной радиосвязи ближнего действия. Примерами подобных базирующихся на радиомаяках и связанных с инфраструктурой систем взимания платы за проезд являются системы, выполненные в соответствии со стандартами CEN, UNI-DSRC или ITS-G5, IEEE-WAVE (IEEE 802.11g) и RFID (стандарт радиочастотной идентификации). Однако бортовые устройства спутниковых "безмаячковых" систем взимания платы за проезд, самостоятельно определяющие свое местоположение в глобальной навигационной спутниковой системе (ГЛОНАСС) и передающие данные о местоположении (или данные по оплате за проезд, генерированные на их основе) в операционный блок с помощью сети мобильной радиосвязи, также могут быть дополнительно оборудованы радиомодулями DSRC, либо с целью контроля считывания, либо для создания так называемых "гибридных OBU", способных взаимодействовать как с ГЛОНАСС, так и с DSRC-системами.
В способе согласно настоящему изобретению используется способность бортовых устройств обеспечивать радиосвязь в целях определения взаимного расположения относительно детекторного блока и расстояния при обгоне на основе радиосвязи при прохождении мимо допплеровского детекторного блока, и, в свою очередь, использования данной информации для выравнивания допплеровского измерительного луча с детекторным блоком. В результате, может быть достигнуто индивидуальное, адаптивное и точное выравнивание измерительного луча с колесами проходящего мимо транспортного средства, за счет чего можно с высокой точностью применять все базирующиеся на эффекте Допплера способы оценки, даже при изменяющемся расстоянии между транспортными средствами.
Для того чтобы как можно точнее связать направление и расстояние, измеряемые с помощью радиосвязи между приемопередатчиком детекторного блока и бортовым устройством транспортного средства, с направлением и расстоянием по измерительному лучу между детекторным блоком и колесами транспортного средства, желательно как можно более точно знать положение бортового устройства относительно колес данного транспортного средства. Однако это взаимное расположение может резко меняться в зависимости от способа установки бортового устройства на транспортном средстве. Согласно настоящему изобретению, данные по относительному положению сохраняются в бортовом устройстве (либо непосредственно в числовой форме, либо в форме абстрактного описания) и считываются посредством радиосвязи, и, таким образом, могут рассматриваться в данном способе в качестве опорного значения.
Пользователь может либо приобрести бортовое устройство с конкретным относительным положением, предназначенное для данного конкретного типа транспортного средства и содержащее инструкции по установке на транспортном средстве, уже заложенные в данном устройстве, или самостоятельно установить бортовое устройство в конкретном относительном положении на транспортном средстве и впоследствии сохранить информацию по данному относительному положению в этом бортовом устройстве.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, вышеупомянутое относительное положение сохраняется в бортовом устройстве пользователем. Это может быть произведено либо с помощью клавиатуры на бортовом устройстве, либо с помощью носителя данных, на котором сохранена информация по относительному положению, которая считывается бортовым устройством. Носитель данных может быть выполнен в любой доступной форме, например, в виде печатной платы, SIM-карты, смарт-карты, карты с магнитным кодом, и т.п., считывание с которого производится посредством электрического контактирования беспроводным методом, или в форме стикера, на котором нанесен одно- или двухмерный штрихкод, который считывается оптическим датчиком бортового устройства. Предпочтительно, носитель данных прикрепляется к бортовому устройству, например, в форме стикера, и считывание данных производится с помощью беспроводного соединения. Например, стикер может содержать чип радиочастотной идентификации (RFID) или беспроводной связи ближнего радиуса действия (NFC), информация с которого считывается бортовым устройством посредством радиосвязи.
В качестве альтернативы, информация по относительному положению может быть сохранена в бортовом устройстве при его изготовлении, либо на заводе, либо при поставке пользователю на станции программирования.
И наконец, данное относительное положение также может быть измерено стационарным или мобильным контрольным устройством и сохранено в бортовом устройстве с помощью радиосвязи.
В каждом из этих вариантов осуществления, данные по относительному положению могут быть сохранены в бортовом устройстве как в числовой форме, например, как поперечное установочное расстояние от колес и/или как установочная высота над колесами и/или как установочное продольное расстояние от колес, или эти данные могут быть представлены в форме типа транспортного средства (например, "ЛЕГКОВОЙ АВТОМОБИЛЬ", "ГРУЗОВОЙ АВТОМОБИЛЬ", "АВТОБУС" и т.п., для которого стандартные установочные положения, и, следовательно, числовые значения относительных положений известны по прототипам.
Особенно выгодный вариант осуществления изобретения, таким образом, отличается тем, что указанная информация по относительному положению сохраняется в бортовом устройство в форме описания типа транспортного средства, и тем, что с целью вышеуказанного рассмотрения данное описание типа транспортного средства считывается с бортового устройства и преобразуется в относительное положение в числовой форме с помощью базы данных, связывающей возможные типы транспортного средства с числовыми значениями относительного положения. Это значительно упрощает ввод информации по относительному положению в бортовое устройство. Например, пользователь приобретает бортовое устройство для конкретного типа транспортного средства, или пользователь вводит данные по типу транспортного средства в бортовое устройство с помощью клавиатуры или какого-либо другого устройства ввода.
В тех вариантах осуществления изобретения, при которых относительное положение измеряется отдельно для каждого транспортного средства, пользователю не нужно придерживаться каких-либо инструкций по установке или не нужно производить какой-либо ввод данных. В предпочтительном варианте изобретения, в качестве контрольного устройства, измеряющего относительное положение, может использоваться, например, один из географически разнесенных придорожных радиомаяков (RSEs) радиомаячной системы оплаты проезда, и данное измерение относительного положения бортового устройства на транспортном средстве может производиться в специально оборудованных радиомаяках данной системы. В двух последних вариантах относительное положение предпочтительно может измеряться путем создания сканированного изображения транспортного средства с помощью сканера контрольного устройства посредством радиотриангуляции бортового устройства с помощью приемопередатчика контрольного устройства и привязки радиотриангуляции к сканированному изображению. Радиотриангуляция может быть осуществлена, в частности, посредством фазовых измерений в антенной решетке приемопередатчика контрольного устройства.
В качестве альтернативы, относительное положение также можно измерить оптически, например, путем создания фронтального изображения транспорта с помощью фотокамеры и оптического распознавания положения бортового устройства на данном фронтальном изображении.
Измерение направления и расстояния между бортовым устройством и приемопередатчиком, предпочтительно, можно выполнять посредством радиотриангуляции в процессе радиосвязи между этими устройствами, в частности, путем проведения фазовых измерений в антенной решетке приемопередатчика детекторного блока.
Предлагаемый настоящим изобретением способ детектирования подходит для любого типа измерительного луча, в котором имеет место связанный с эффектом Допплера сдвиг частоты при отражении от движущейся цели, например, вращающегося колеса или аналогичного предмета. В качестве измерительного луча может использоваться, например, лазерный или ультразвуковой луч. В качестве измерительного луча, предпочтительно, следует использовать луч радиолокатора, а направлением лучеиспускания управлять путем регулировки фазы антенной решетки детекторного блока; в качестве альтернативы, измерительным лучом может являться луч радиолокатора, а его положением излучения можно управлять путем переключения нескольких антенн детекторного блока.
Способ согласно настоящему изобретению подходит также для комбинации с любым возможным вариантом способов детектирования колес, основанных на оценке по времени допплеровского сдвига частоты измерительного луча. Предпочтительные варианты осуществления изобретения отличаются тем, что объект детектируется как колесо, если изменение по времени допплеровского сдвига частоты представляет собой скачок, повышение, падение или расширенный спектр принимаемого сигнала выше определенного порогового значения; возможны также комбинации данных вариантов.
Способ детектирования согласно настоящему изобретению подходит как для стационарных, так и для мобильных детекторных устройств. Предпочтительно, детекторный блок выполняется в виде контролирующего транспортного средства, с тем, чтобы предлагаемый настоящим изобретением способ можно было использовать, например, для контроля транспортных средств встречного транспортного потока или транспортных средств, движущихся по соседним полосам в том же направлении, и для детектирования колес данных транспортных средств.
Способ детектирования согласно настоящему изобретению также подходит для любого типа устройств радиосвязи, которые могут быть смонтированы на вышеупомянутых бортовых устройствах, а также, например, для мобильной радиосвязи в глобальных сетях мобильной радиосвязи. Однако радиосвязь в радиомаячковых системах взимания платы за проезд по стандартам UNI, CEN-DSRC, ITS-G5, IEEE-WAVE или RFID является предпочтительной.
Ниже будет приведено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи. Приведенные чертежи:
фиг.1a-1d - примерное теоретическое изменение по времени допплеровского сдвига частоты при различных угловых положениях допплеровского измерительного луча относительно колеса;
фиг.2а и 2b - два варианта предлагаемого настоящим изобретением способа, основанные на примерах пути прохождения луча между контролирующим транспортным средством и контролируемым транспортным средством, при взгляде в направлении движения;
фиг.3 - различные варианты способа детектирования согласно настоящему изобретению; представлен схематический вид сверху на участок проезжей части, содержащий стационарное контрольное устройство, детекторный блок, выполненный в виде контрольного устройства, и контролируемое транспортное средство, показанное в последовательных фазах данного способа; и
фиг.4 и 4b - основные геометрические параметры способа согласно настоящему изобретению, при виде сверху (фиг.4) и виде спереди в направлении движения (фиг.4) на контролирующее транспортное средство и контролируемое транспортное средство во встречном транспортном потоке.
Фиг.1-3 демонстрируют принцип детектирования вращающегося колеса 1 транспортного средства 2, движущегося по трассе 3, точнее, по полосе 3’ данной трассы, в направлении движения 4. Способ детектирования колес реализуется с помощью детекторного блока 5, который в показанном примере осуществления изобретения является мобильным и выполнен в виде контролирующего транспортного средства. Детекторный блок или контролирующее транспортное средство 5 двигается по второй полосе 3’’ трассы 3 в направлении движения 4’ например, которое, предпочтительно (но не обязательно) является встречно-параллельным относительно направления движения 4 транспортного средства 2, контроль которого предполагается выполнять. Разумеется, детекторный блок 5 также может быть стационарным, например, он может быть установлен на обочине трассы 3 или полосы движения 3’.
s
1
2
3
4
1
2
3
4
s1
s2
s3
s4
Детекторный блок 5 посылает измерительный луч 6, например, ультразвуковой, луч лазерного локатора, или, предпочтительно, радиолокационный измерительный луч, направленный в сторону транспортного средства 2 или его колес 1, при прохождении мимо данного транспортного средства, с целью детектирования колес 1. Как показано на фиг.1a-1d (вид сбоку), измерительный луч 6 может быть направлен на колесо 1 спереди (фиг.1а), наклонно спереди и сверху (фиг.1b), сверху (фиг.1с) или в любом другом направлении в плоскости чертежа фиг.1 под углом α к вертикали. Как показано на фиг.2, измерительный луч 6, при взгляде в направлении движения 4, может испускаться детекторным блоком 5 под различными углами β относительно горизонтали, например, из положения излучения А на определенной высоте h над полотном трассы 3, как иллюстрируется четырьмя примерами траектории R, R, R и R измерительного луча 6. Из фиг.2 видно, что измерительный луч 6 также может испускаться, например, из положений излучения A, A, A, A, находящихся на различной высоте h, h, h, h, например, под одинаковыми углами β относительно горизонтали. Вид сверху на фиг.3 показывает, что измерительный луч 6 может быть направлен под различными углами γ относительно направления движения 4 (или 4’), например, может быть направлен наклонно вперед от детекторного блока 5.
t
Детекторный блок 5 представляет собой допплеровский детектор и, как известно из предыдущего уровня развития, он оценивает полученную частоту измерительного луча 6, отраженного от транспортного средства 2 или от его колес 1, причем связанный с эффектом Допплера сдвиг частоты Δf между излучаемым и отраженным измерительными лучами 6 можно использовать для определения компонента vp, как расположенного (испускаемого) в направлении измерительного луча 6, относительной скорости v транспортного средства 2, или тангенциальной скорости v колеса 1, как соответствующей точки Р области встречи измерительного луча 6 с объектом. С правой стороны на фиг.1a-1d представлены графики изменения по времени t вышеупомянутого связанного с эффектом Допплера частотного сдвига, в краткой форме, допплеровского сдвига частоты Δf.
Если измерительный луч 6 испускается в направлении параллельно плоскости трассы 3 (α=90°, β=0°, γ≠90°) мы получаем изменение допплеровского сдвига частот по времени, показанное на фиг.1а, характеризующееся внезапным возрастанием 9 в момент встречи измерительного луча 6 с кузовом транспортного средства 2, перемещающегося со скоростью v, и дополнительным скачком 10 в момент прохождения лучом колеса 1. Если измерительный луч 6 падает на колесо 1 или на транспортное средство 2 немного наклонно сверху (0<α<90°, 0<β<90°, 0<γ<180°), мы получаем изменение допплеровского сдвига частот по времени, показанное на фиг.1b, демонстрирующее возрастание (или падение, в зависимости от направления просмотра и прохождения) 11 при встрече с колесом 1. При испускании луча наклонно сверху с α=0°, 0<β≤90° и γ=90° имеют место повышения (или падения, в зависимости от направления взгляда) сигнала, показанные на фиг.1с, скорректированные по скорости v транспортного средства 2.
Как показано на фиг.1d, в случае, если измерительный луч 6 расширяется и его поперечное сечение ощутимо увеличивается и более не имеет идеальной точкообразной формы в месте встречи 12 с колесом 1 или транспортным средством 2, всегда имеет место наложение отличающихся (тангенциальных) скоростей или проектированных скоростей vp, обусловленных наличием отличающихся точек P в области встречи 12, что при прохождении лучом колеса 1 приводит к получаемой комбинации частот, которая является, так сказать, фрагментацией или спектром F изменения допплеровского сдвига частот по времени, которое больше расширенного спектра F0, имеющего место при прохождении лучом только корпуса транспортного средства 2. Такой расширенный спектр F также может использоваться в качестве критерия наличия колеса 1.
Присутствие колеса 1 на проходящем транспортном средстве 2, таким образом, может быть обнаружено, например, по наличию резкого изменения определенного типа, например, такого, как внезапное изменение 10 частоты, повышение или падение 11, и/или расширенный спектр F, каждое из которых должно быть выше определенного порогового значения.
Детекторный блок 5 может представлять собой блок любого известного типа, предназначенный для оценки и обнаружения описанного явления допплеровского сдвига, использующий непрерывный, модулированный или импульсный измерительный луч 6. При использовании непрерывного измерительного луча 6 допплеровский сдвиг между собственными ("несущими") частотами излучаемого и отраженного измерительного луча 6 может быть определен, например, посредством измерения помех. При использовании импульсного или модулированного измерительного луча можно измерять допплеровский сдвиг между частотой импульсов или частотами модуляции испускаемого и отраженного измерительного луча 6. В настоящем изобретении все эти собственные, несущие частоты, частота повторения импульсов или частота модуляции определяются используемыми в настоящем описании едиными терминами "излучаемая частота" (испускаемого измерительного луча 6) и "принимаемая частота" (отраженного измерительного луча 6, причем термин "принимаемая частота" также включает в себя любую частоту измерительного луча, на которую оказал влияние допплеровский эффект.
1
4
1
4
1
2
3
4
Как показано на фиг.2а и 2b, в зависимости от возможных траекторий R-Rизмерительного луча 6, при различных направлениях излучения β-β (см. фиг.2a) или различных положениях A, A, A, А точки излучения (см. фиг.2b) и различных положениях в поперечном направлении 13 транспортного средства 2 относительно детекторного блока 5 (по стрелке 14), возможны направления излучения β или положения точки излучения A, при которых измерительный луч 6 не попадает на транспортное средство 2 и/или на его колеса 1. Раскрываемый настоящим изобретением способ служит для предотвращения возможности возникновения указанной ситуации.
Данный способ основан на использовании бортовых устройств (OBU) 15, устанавливаемых на соответствующем транспортном средстве 2, чтобы данное транспортное средство могло участвовать в системе взимания платы за проезд или системе передачи информации. Поскольку обнаружение колес 1 транспортного средства 2 часто используют в качестве основы для оценки величины оплаты, в частности, в системах взимания платы за проезд, бортовые устройства 15, в то же самое время, могут быть использованы в таких системах взимания платы за проезд в указанных здесь целях.
На фиг.3 показан вид в плане системы 16 взимания платы за проезд, в состав которой входит определенное количество географически разнесенных контрольных устройств 17 (показано лишь одно из них), устанавливаемых вдоль трассы 3, например, на одинаковых расстояниях друг от друга. Контрольные устройства 17 каналами 18 передачи данных соединены с операционным блоком 19 системы 16 взимания платы за проезд. Система 16 взимания платы за проезд, в частности, ее контрольные устройства 17, определяют величину оплаты (взимают пошлину) за пользование трассой транспортными средствами 2, например, за вождение данных транспортных средств по данной трассе 3.
Для этого, контрольные устройства 17 могут быть выполнены, например, в виде радиомаяков, содержащих приемопередатчик 21, смонтированный на платформе 20, и соединенный с ним процессор 22 радиомаяка, способный устанавливать специализированную связь ближнего действия (DSRC) с бортовым устройством (OBU) 15 проходящего мимо транспортного средства 2 с помощью приемопередатчика 21. Например, радиосвязь DSRC 23 может быть реализована как операция взимания пошлины, о выполнении которой сообщается в операционный блок 19 через радиомаячковый процессор 22 по каналу передачи данных 18, или же данные об этой операции также могут сохраняться в бортовом устройстве OBU 15.
Контрольные устройства (радиомаяки) 17, бортовые устройства OBU 15 и их внутренние приемопередатчики для осуществления специализированной радиосвязи ближнего действия DSRC 23 могут быть выполнены в соответствии со всеми имеющимися стандартами DSRC, в частности, стандартами CEN или UNI-DSRC, ITS-G5 или IEEE WAVE (стандарт беспроводного доступа в автомобильном транспорте), а также RFID (стандарт радиочастотной идентификации). При прохождении радиомаяка 17 каждая радиосвязь DSRC 23 может, например, списывать определенную сумму с текущего счета пользователя в операционном блоке 19 и/или бортовом устройстве OBU 15, и затем производить дебетовую операцию; однако, радиосвязь DSRC 23 также может проводить транзакции идентификации, ведения, корректировки ПО, или аналогичные операции в рамках системы 16 взимания платы за проезд.
Специализированная радиосвязь ближнего действия DSRC 23, в частности, также можно использовать для беспроводного считывания данных, сохраненных в бортовых устройствах OBU 15, таких как исходные данные, идентификационные данные, данные транзакции, публикуемые данные и т.п. Такое беспроводное считывание 23 данных может быть организовано не только на базе стационарных контрольных устройств или радиомаяков 17, но и на базе "мобильных" радиомаяков 17 в форме детекторного блока 5, выполненного в виде контролирующего транспортного средства. Другими словами, детекторный блок 5 сам может выполнять функцию радиомаяка 17, и, кроме того, радиомаяк 17, наоборот, может функционировать как детекторный блок 5. Таким образом, все, что было изложено выше относительно способности DSRC по обмену информацией как радиомаяка 17, относится также и к детекторному блоку 5, который с этой целью оборудуют специальным приемопередатчиком 24, и наоборот.
Беспроводное считывание данных OBU 15 посредством радиосвязи DSRC 23, кроме того, может осуществляться в системах взимания платы за проезд 16 через глобальную навигационную спутниковую систему (ГЛОНАСС), в которой вместо сети наземных радиомаяков 17, бортовые устройства OBU 15 в каждом случае автономно сами определяют свое местоположение с помощью приемника ГЛОНАСС и передают данные о своем местоположении или данные о транзакциях по оплате за проезд, определенные на их основе, в операционный блок 19, например, с помощью сети радиомаяков или отдельной сети мобильной радиосвязи. Опять же, бортовые устройства OBU 15 могут быть оснащены приемопередатчиками DSRC для беспроводного считывания данных с помощью радиомаяков (контрольных устройств) 17 или контролирующих транспортных средств (детекторных блоков) 5. Таким образом, описанный здесь способ и рассмотренный детекторный блок 5 могут применяться совместно как с радиомаячковой, так и со спутниковой системами 16 взимания платы за проезд.
s1
s4
1
4
1
4
1
4
Радиосвязь 23 между приемопередатчиком 24 детекторного блока 5 и внутренним приемопередатчиком (не показан) бортового устройства OBU 15 впоследствии используется для определения расстояния между детекторным блоком 15 и контролируемым транспортным средством 2 и для контроля на этой основе направления излучения β и/или положения А точки излучения измерительного луча 6 детекторного блока 5. Для этого используется детекторный блок 5, измерительным лучом 6 которого также можно соответствующим образом управлять; например, при применении детекторного блока 5 с допплеровской РЛС это можно осуществить посредством механического поворачивания регулировки направленной антенны 25, с помощью которой осуществляется испускание и прием измерительного луча 6. Взамен направленной антенны 25 также можно использовать антенную решетку, направление излучения которой можно регулировать соответствующей регулировкой фазы, как известно из предыдущего уровня развития. В качестве альтернативы или в дополнение к этому, детекторный блок 5 также может содержать блок 25’, содержащий несколько антенных решеток, установленных на некотором расстоянии друг от друга, например, в положениях h-h по высоте, и можно переключаться с одной антенной решетки на другую с целью получения различных положений A-A точки излучения. Траектории луча R-R из различных точек излучения A-A также могут иметь различные углы β. При применении детекторного блока 5, работающего на допплеровском лазерном локаторе, направление излучения β и/или положение A точки излучения измерительного луча 6 также можно изменять с помощью соответствующего механизма отклоняющих зеркал, как известно из предыдущего уровня развития техники. При использовании детекторного блока 5, основанного на ультразвуковой оценке допплеровского сдвига, можно применять соответствующие механически регулируемые ультразвуковые преобразователи или фазоуправляемые решетки ультразвуковых преобразователей, а также аналогичные устройства.
Предлагаемый способ основан также на использовании преобразователей 24 в детекторном блоке 5, способных измерять длину канала радиосвязи 23, то есть расстояние z между приемопередатчиком 24 и бортовым устройством OBU 15, и направление положения бортового устройства OBU 15 относительно приемопередатчика 24. Это показано в деталях на фиг.4a и 4b.
Как показано на фиг.4, направление расположения бортового устройства OBU 15 транспортного средства 2 относительно приемопередатчика 24 детекторного блока 5 означает по меньшей мере угол δ в плоскости, параллельной плоскости поверхности трассы 3, между воображаемой линией, соединяющей OBU 15 и приемопередатчик 24, и линией, перпендикулярной направлению движения 4, точнее, к направлению движения 4’ детекторного блока 5.
На первом этапе данного способа направление δ и расстояние z от бортового устройства OBU 15 до приемопередатчика 24 измеряются посредством радиосвязи 23, устанавливаемой между OBU 15 и приемопередатчиком 24. Для измерения этих параметров приемопередатчик 24 может содержать многоэлементные антенны или, например, антенную решетку, в которой направление δ приема пакета данных, передаваемого бортовым устройством OBU 15 и принимаемого приемопередатчиком 24 посредством радиосвязи 23, может быть определено по времени прохождения сигнала и/или с помощью фазовых измерений. Например, расстояние z можно определить путем измерения времени прохождения сигнала, или даже путем передачи данных по определению с помощью ГЛОНАСС координат бортового устройства OBU 15, передаваемых бортовым устройством OBU на приемопередатчик 24, который сравнивает данную информацию со своими собственными измерениями положения с помощью ГЛОНАСС.
Для того чтобы определить расстояние при обгоне между транспортным средством 2 и детекторным блоком 5, в частности, положение колес 1 относительно положения точки излучения A измерительного луча 6, по расстоянию z и направлению δ, необходимо знать место установки бортового устройства OBU 15 на транспортном средстве 2 и место нахождения приемопередатчика 24 относительно положения точки излучения А детекторного блока 5.
b
r
Место установки бортового устройства OBU 15 на транспортном средстве 2 представляет собой интерес только в плане положения R устройства OBU 15 относительно колес 1, в частности, как поперечное расстояние b до OBU 15 от внешней плоскости колеса 1 и установочная высота h устройства OBU 15 над полотном трассы 3 относительно высоты h колеса 1 над полотном трассы 3; знание места установки устройства OBU 15 по направлению движения 4 транспортного средства 2 здесь не требуется.
a
s
a
s
Что касается детекторного блока 5, место расположения L приемопередатчика 24 относительно положения точки излучения А измерительного луча 6 можно вычислить по поперечному расстоянию а приемопередатчика 24 от положения точки излучения А и по разности (h-h) между высотой h установки приемопередатчика 24 и установочной высотой h точки излучения А над полотном трассы 3.
a
s
b
r
Положение L или (a, h-h) приемопередатчика 24 в детекторном блоке 5 всегда известно. Относительное положение R или (b, h-h) бортового устройства OBU 15 на транспортном средстве 2 может изменяться в зависимости от места установки, например, если пользователь сам закрепляет OBU 15 в различных местах за ветровым стеклом. Согласно первому варианту осуществления данного способа, относительное положение R бортового устройства OBU 15 на транспортном средстве 2 определяется пользователем, то есть, в зависимости от типа или класса транспортного средства, он сам устанавливает устройство OBU 15 в определенном относительном положении. Таким образом, данное относительное положение R можно считать известным; например, его можно определить по таблицам для конкретных транспортных средств.
Такая таблица для конкретного транспортного средства, содержащая данные по известному относительному положению R для возможных типов или классов CL транспортных средств 2, например, может выглядеть как приведенная ниже таблица 1.
Таблица 1
CLAIM
R(b/h<sub>b</sub>-h<sub>r</sub>)
"Легковой автомобиль"
(0,8 м / 0,6 м)
"Фургон"
(1,0 м / 1,0 м)
"Грузовой автомобиль"
(1,2 м / 1,3 м)
"Автобус"
(1,2 м / 1,4 м)
"Автобус-Положение 1"
(1,2 м / 1,4 м)
"Автобус-Положение 2"
(1,3 м / 1,6 м)
Также можно определять соответствующий классы CL транспортного средства для различных положений установки бортового устройства OBU 15 на одном и том же транспортном средстве 2, например, вверху в центре за ветровым стеклом ("Положение 1") или внизу в правом углу за ветровым стеклом ("Положение 2") и сохранять эти данные как описание типа транспортного средства CLI в OBU 15, как показано в таблице 1 для примеров класса транспортного средства CL = "Автобус-Положение 1" (для "Положения I") и CL = "Автобус-Положение 2" (для "Положения 2").
Например, таблица 1 может быть сохранена в базе данных DB контрольного устройства 17 и/или операционного блока 19/ и/или контролирующего транспортного средства 5. Описание CLI ("идентификация класса") для класса CL транспортного средства 2 можно хранить в OBU 15, в основном, как "приблизительное" описание относительного положения R.
b
r
Например, описание класса CLI можно сохранять в процессе производства бортового устройства OBU 15, либо на заводе, либо при поставке потребителю, на станции программирования, для пользовательского программирования (настройки в соответствии с требованиями заказчика) бортового устройства OBU 15. Например, заказчику могут быть предложены на выбор три класса CL транспортных средств, из которых он выбирает один, который затем программируется в процессе настройки OBU в соответствии с техническими требованиями заказчика. Подготовленное таким образом устройство OBU 15 затем необходимо установить на транспортном средстве 2 соответствующего заложенного (запрограммированного) класса CL транспортного средства. Затем заказчик приобретает, например, устройство OBU 15, изготовленное или запрограммированное для класса транспортного средства CL = "Автобус", и данное устройство, в соответствии с инструкцией по установке, необходимо установить, например, на поперечном расстоянии b=1,2 м от колес и на высоте h-h=1,4 м над правым колесом за ветровым стеклом.
В качестве альтернативы, заказчик также может лично сохранить описание класса транспортного средства CLI в OBU 15, например, путем ввода пользователем с помощью клавиатуры KB бортового устройства OBU 15. Например, данная клавиатура может содержать различные клавиши для выполнения соответствующих пользовательских функций на OBU 15, например, клавишу "Легковой автомобиль" для установки или сохранения класса транспортного средства CL = "Легковой автомобиль" в OBU 15, клавишу "Грузовой автомобиль" для установки класса транспортного средства CL = "Грузовой автомобиль", и т.д.
Еще одним возможным вариантом является ввод описания класса транспортного средства CLI в OBU 15 с помощью носителя данных ТХ (фиг.2a, 2b). В качестве носителя данных ТХ может использоваться, например, чип-карта, СИМ-карта, карта с магнитным кодом, и т.п., которые вставляются в считывающее устройство RX бортового устройства OBU 15 и индуктивно или емкостно связываются с помощью электрических контактов, после чего OBU 15 считывает описание класса CLI транспортного средства с носителя данных ТХ. Но в качестве носителя данных может использоваться и оптическое устройство, например, лист бумаги или стикер с одно- или двухмерным штрихкодом или какой-либо другой оптической разметкой, которая считывается другим оптическим датчиком RX бортового устройства OBU 15. В качестве альтернативы, носитель данных ТХ может быть радиочипом, например приемоответчиком, выполненным в соответствии со стандартами беспроводной связи ближнего радиуса действия (NFC) или радиочастотной идентификация (RFID), и считывающее устройство RX устройства OBU 15 может быть считывающим устройством NFC или RFID, способным считывать описание класса CLI транспортного средства с носителя данных ТХ с помощью связи ближнего радиуса действия. Такой радиочип, например, чип RFID или NFC, можно выполнить в виде стикера, прикрепляемого к OBU 15 заказчиком, или прикрепляемого к OBU 15 при настройке OBU 15 в соответствии с техническими требованиями заказчика на заводе или во время поставки.
Вместо описания относительного положения R, которое "упрощается" или настраивается для такого класса CL транспортного средства, разумеется, можно также сохранять числовое значение относительного положения R непосредственно в OBU 15, например, в форме (1,2 м / 1,3 м) для транспортного средства 2 класса "Грузовой автомобиль", в частности, в процессе производства или позднее самим заказчиком. Точные числовые данные по относительному положению R также могут быть получены путем измерения при производстве, или позднее во время эксплуатации заказчиком, и сохранены в OBU 15, например, с помощью клавиатуры KB устройства OBU 15 или с помощью носителя данных TX.
b
r
b
r
Относительное положение R, сохраненное в OBU 15, после этого может быть извлечено из OBU 15 путем считывания с помощью радиосвязи 23, либо непосредственно в форме числовых значений b, или h-h, либо в форме описания класса CLI. Описание класса CLI, считываемое из OBU 15, может быть переведено обратно в числовую форму (b/h-h) с помощью таблицы 1 базы данных DB. И наоборот, если относительное положение R сохранено в OBU 15 непосредственно в числовой форме, базу данных DB можно уничтожить.
b
r
b
r
Числовые значения относительного положения R, разумеется, могут быть одномерными, например, в виде поперечного расстояния b или установочной высоты h-h над колесом, или трехмерными, содержащими поперечное расстояние b, установочную высоту h-h, и место установки OBU 15 по направлению движения 4 на транспортном средстве 2.
b
r
В альтернативном варианте реализации предлагаемого способа, относительное положение R устройства OBU 15 на транспортном средстве 2 измеряется, и результаты измерений сохраняются либо в самом устройстве OBU 15, либо в базе данных системы 16 взимания платы за проезд, например, основанной на использовании радиомаяков 17, прокси-процессора системы взимания платы за проезд, или операционного блока 19, либо в точной форме (b/h-h), либо в "упрощенном" варианте, в виде описания класса CLI. Данные измерения могут осуществляться, например, контрольным устройством или радиомаяком 17, как схематично показано на фиг.3. Для этого радиомаяк 17 может содержать сканер 26, например, лазерный сканер, который производит геометрические сканирование транспортного средства 2 во время его прохождения мимо; в то же самое время, с помощью радиотриангуляции, например, посредством фазовых измерений на многоэлементных антеннах или в антенной решетке, приемопередатчик 21 радиомаяка 17 может измерять относительное положение R, привязывая радиотриангуляцию к полученному со сканера 26 сканированному изображению. Взамен сканера 26 можно использовать, например, камеру, создающую фронтальное изображение проходящего транспортного средства 2, в котором, как и ранее, относительное положение R бортового устройства OBU 15 получают посредством радиотриангуляции с помощью приемопередатчика 21, или посредством оптического распознавания на фронтальном изображении, если OBU 15 закреплено внутри кабины на ветровом стекле.
Таким образом, относительное положение R, измеряемое контрольным устройством 17, подсоединенным перед детекторным блоком 5, можно сохранить в бортовом устройстве OBU 15 с помощью приемопередатчика 21, например, посредством радиосвязи 23, или сохранить в базе данных системы 16 взимания платы за проезд, например, в радиомаяке 17, или по каналу 18 передачи данных передать в операционный блок 19.
Далее, при использовании данного способа, если эти значения потребуются детекторному блоку 5 для управления измерительным лучом 6, относительное положение R может быть либо получено из OBU 15 по радиосвязи 23, либо запрошено для конкретного OBU 15 по радиоканалу 27 передачи данных из базы данных радиомаяка 17 или операционного блока 19, где производится поиск соответствующей информации. Также с этой целью в системе 16 взимания платы за проезд может быть предусмотрен отдельный промежуточный накопитель или прокси-процессор, способный выдавать требуемые данные детекторному блоку 5, особенно быстро; данный промежуточный накопитель может быть стационарным или мобильным и может регулярно получать данные из вышеупомянутой базы данных, например, делать это раз в сутки, чтобы они были доступны для детекторного блока 5.
b
r
Если относительное положение R, считываемое из OBU 15 по радиосвязи 23, сохраняется здесь в форме описания класса CLI транспортного средства, оно переводится, как было указано выше, с помощью таблицы 1 базы данных DB, в требуемые числовые значения, например, двухмерные (b/h-h), перед тем, как будут использованы для дополнительных расчетов.
a
s
b
r
s
При известном положении L (a, h-h) и относительном положении R (b, h-h), с помощью геометрических вычислений можно получить направление излучения, в частности, угол β, и/или положение A точки излучения, в частности, ее высоту h, для измерительного луча 6 детекторного блока 5, например, так, как это описано ниже.
По расстоянию z и направлению δ можно рассчитать расстояние у в направлении, перпендикулярном направлению движения 4:
Расстояние x (в плоскости, параллельной полотну трассы 3 или горизонтали) от бортового устройства OBU 15 до приемопередатчика 24 определяется формулой:
Имея значения поперечных расстояний a, b, по полученному относительному положению R и известному положению L можно определить поперечное расстояние с между положением A точки излучения и колесом 1 с помощью следующей формулы:
s
r
Расстояние по вертикали от положения A точки излучения на высоте h до точки P встречи луча 6 с колесом 1, находящейся на высоте F, в процентах от высоты h колеса, например, F=70%, составляет:
Таким образом, требуемое направление излучения β, конкретно для варианта осуществления, показанного на фиг.2a, с изменяемым направлением излучения β, определяется формулой:
s
1
4
В качестве альтернативы, требуемое положение A точки излучения при заданной высоте излучения h, специально для представленного на фиг.2b варианта осуществления с различными высотами расположения точки излучения от A до A, можно получить с помощью формулы:
s
Таким образом, направление излучения (которое в приведенном примере упрощенно представлено углом β, хотя обычно оно может характеризоваться одним или несколькими углами α, β, γ) и положение А точки излучения (которое в приведенном примере упрощенно представлено высотой h, хотя, как правило, положение данной точки также может характеризоваться и двумя другими пространственными координатами) можно вычислить путем измерения направления γ и расстояния z от бортового устройства 15 до приемопередатчика 24.
Разумеется, детекторный блок 5 можно использовать как в показанной мобильной форме (как контролирующее транспортное средство), так и в стационарной форме, например, с использованием имеющейся радиоинфраструктуры, такой как радиомаяки WAVE (беспроводного доступа в автомобильном транспорте) или радиомаяки DSRC системы взимания платы за проезд, радиомаяки беспроводной локальной сети WLAN, или устанавливаемая на обочине Интернет-инфраструктура. Это позволяет использовать существующие приемопередатчики WLAN, WAVE или радиомаяки DSRC, например, в качестве приемопередаточного элемента допплеровского детекторного блока 5. Таким образом, предлагаемый настоящим изобретением способ может быть применен в качестве программного обеспечения, работающего на обычных мобильных или стационарных контрольных устройствах WLAN, WAVE или DSRC или на радиомаяках.
Ранее предполагалось, что излучаемая частота измерительного луча 6 является постоянной, то есть, его изменение по времени является постоянной прогрессией. Однако детекторный блок 5 также может испускать измерительный луч 6 с прогрессией излучаемой частоты, которая не является постоянной по времени, например, в случае способов со скачкообразной перестройкой частоты, при которых частота постоянно изменяется (по заданной или известной схеме). Представленные графики изменения принимаемой частоты (комбинации частот) по времени, показанные на фиг.1a-1d и 4, построены относительно ранее известного изменения по времени излучаемой частоты измерительного луча 6 (либо в постоянной, либо в изменяющейся форме), то есть, со ссылкой или стандартизованный относительно данного известного изменения, так чтобы можно было компенсировать влияние известных изменений излучаемой частоты по времени.
Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается представленными вариантами осуществления, но распространяется и на все возможные варианты и модификации, охватываемые объемом приведенной формулы изобретения.