Способ исключения аномальных результатов измерений скорости в автономной системе навигации наземного транспортного средства
METHOD OF EXCLUDING ABNORMAL RESULTS OF SPEED MEASUREMENTS IN AUTONOMOUS NAVIGATION SYSTEM OF GROUND VEHICLE

Изобретение относится к области наземной навигации и может быть использовано в автономных системах наземной навигации, в которых требуется определение с высокой точностью скорости движения и пройденного расстояния наземным транспортным средством (НТС). Для этого используется несколько измерителей параметров навигации, работающих параллельно.
Комплексные навигационные систем (КНС) вследствие имеющейся в них избыточной информации, наличия соответствующих корректирующих цепей и автоматической обработки навигационной информации позволяют получить более точные результаты измерений параметров навигации, чем любой отдельный измеритель.
В качестве дополнительных измерителей могут использоваться измерители, основанные на различных физических принципах определения параметров движения НТС.
Известно множество реализаций КНС на наземных транспортных средствах, в которых для определения скорости и пройденного пути используются измерители, основанные на различных физических принципах: механический датчик пути/скорости (МДП/МДС), доплеровский датчик скорости (ДДС), измерители линейных ускорений (акселерометры), корреляционно-экстремальные измерители скорости и др. [1, 2].
Необходимо отметить, что в большинстве случаев конструктивно существующие в настоящее время МДП и МДС весьма близки, разница между ними состоит лишь в принятом алгоритме обработки и выходных сигналов. Так количество импульсов на выходе МДП пропорционально пройденному НТС расстоянию, а количество импульсов на выходе МДП в единицу - пропорционально скорости НТС.
Известен также оптоэлектронный датчик скорости (ОЭДС). Принцип его работы основан на измерении времени задержки τ появления электрических сигналов (импульсов) на выходах первого и второго каналов ОЭДС, на входы которых (оптоэлектронные матрицы) поступают отраженные от дорожного покрытия, освещаемого микропрожекторами ОЭДС, световые потоки Ф(τ) и Ф(t+τ).
Оптоэлектронные матрицы установлены на НТС и разнесены на его шасси на строго определенное расстояние  друг относительно друга в продольном направлении по ходу движения НТС. Тогда скорость V движения НТС может быть определена в соответствии с формулой:
Основное отличие принципа действия ОЭДС от других близких по принципам измерения скорости датчиков, например, от корреляционно-экстремальных измерителей скорости (ИС) заключается в том, что оценивается не вся совокупность сигналов на выходах обоих каналов ОЭДС, а лишь отдельные, характерные импульсы, имеющие достаточно большие амплитуды отраженных сигналов.
Наиболее близкой по технической сущности является навигационная система (НС) для определения скорости, в которой используется основной измеритель, работающий непрерывно во время движения НТС, и дополнительный работающий периодически. В качестве основного используется МДС, который является достаточно надежным и простым измерителем при относительно невысокой точности измерений. Он, кроме этого вырабатывает прогнозируемые значения отрезков интервалов времени, в течение которых должны производиться необходимые измерения скорости движения вторым более точным измерителем. В качестве дополнительного измерителя используется оптоэлектронный измеритель, позволяющий производить подкалибровку МДС (RU №243184, 2011).
На основании определения времени задержки между импульсами, отраженными от одной и той же неоднородности дорожного покрытия и принимаемыми первым и вторым каналов ОЭДС, определяется скорость движения НТС [3].
В указанной НС выполняются следующие действия.
1. МДС осуществляет непрерывное измерение скорости движения НТС с относительно невысокой точностью и вырабатывает прогнозируемые значения отрезков интервалов времени, в которых должны производиться необходимые измерения скорости движения вторым более точным измерителем.
2. ОЭДС периодически в прогнозируемые отрезки времени выполняет с более высокой точностью измерения скорости движения НТС.
3. На основании точных измерений ОЭДС в ЭВМ вырабатываются поправочные коэффициенты.
4. Поправочные коэффициенты хранятся в памяти ЭВМ и используются для последующей подкалибровки результатов измерений МДС.
Основным недостатком рассмотренного способа определения скорости наземного транспортного средства является нестабильность измерений, полученных от ОЭДС, зависящих от неблагоприятных условий эксплуатации, как наличие на дорожном покрытии воды, льда, свежего снега и пр. При освещении минипрожекторами ОЭДС дорожного покрытия отраженные сигналы от его неоднородностей могут быть либо слабым, либо вовсе отсутствовать. В этом случае результаты измерений точного ИС блокируются, чтобы исключить ошибочную коррекцию МДС.
Во время движения НТС измерения параметров навигации, производимые точным оптоэлектронным измерителем, могут искажаться либо вовсе отсутствовать при воздействии внешних неблагоприятных дорожных условий. Освещаемые минипрожекторами ОЭДС неоднородности дорожного покрытия во время движения НТС отражают падающий на них свет неодинаково. Чувствительные элементы ОЭДС воспринимают отдельные характерные отраженные от дорожного покрытия импульсы, выделяемые в прогнозируемые интервалы времени.
В случае неработоспособности состояния ОЭДС или неблагоприятных для него дорожных условиях (вода, солнечные блики и др.) измерение им не производится, он выключается на некоторый период движения НТС. Через определенное время ОЭДС вновь включается для проведения очередных измерений.
cp
Поэтому при благоприятных для ОЭДС условиях измерений необходимо точно определять среднее значение скорости V, по которому осуществляется коррекция МДС.
Целью настоящего изобретения является уменьшение вероятности проведения ошибочной коррекции МДС и повышение точности определения скорости движения и достоверности результатов измерений скорости движения и пройденного расстояния НТС, а также осуществление регистрации аномальных измерений («промахов») для выявления дефектов в работе МДС или ОЭДС и удовлетворительного состояния дорожного покрытия. Вводится дополнительная обработка результатов измерений, по итогам которой производится коррекция МДС от ОЭДС, исключение и регистрация «грубых» промахов.
Технический результат достигается исключением аномальных результатов измерений скорости в автономной системе навигации наземного транспортного средства, заключающийся в том, что на основе анализа результатов в серии из n измерений, получаемых с помощью ОЭДС, производят проверку полученных значений навигационных параметров на наличие «промахов», которые должны исключаться из серии измерений при определении средней скорости Vcp, в память бортовой ЭВМ загружают таблицу с коэффициентами, которые используются при определении «промахов» и программное обеспечение для организации диагностирования работоспособности измерительных узлов датчиков скорости, после исключения из серии из n измерений «промахов» производят новое вычисление средней скорости Vcp из оставшихся n-1 измерений, которое используется для подкалибровки МДС, производят регистрацию грубых «промахов» для выявления дефектов в работе МДС или ОЭДС, производят оценку работоспособности ОЭДС и удовлетворительного состояния дорожного покрытия, причем в противном случае ОЭДС выключается на некоторый период движения НТС, отличающийся тем, что результаты измерений дополнительно регистрируют, проводят их селекцию, исключают из измерительной выборки аномальные результаты, уменьшают вероятность ошибочной коррекции механического датчика скорости, организуют диагностирование рабочих узлов измерителей скорости наземного транспортного средства.
Дополнительная обработка информации включает ее контроль с целью выявления и исключения промахов в ОЭДС включает контроль результатов n измерений в сериях N измерений на отсутствие в них результата, резко выделяющегося от остальных значений, который снижает точность среднего измеренного значения скорости ОЭДС и тем самым снижает точность текущей навигационной информации, полученной при движении наземных агрегатов от датчиков скорости и/или ускорений.
После получения серии из n измерений с помощью ОЭДС проводится их проверка не является ли результат, резко отличающегося от остальных в данной серии при его наличии «промахом». Такой результат, обычно называемый «промахом» необходимо проверить действительно ли он резко отличающийся от других результат, является «промахом». Для этого проводится проверка, при которой применяется специальный критерий, не связанный с величиной σ (средним квадратическим отклонением), т.к. при ее использовании с малым числом n измерений связано с большой погрешностью [5]. Такой критерий получается, если рассматривать распределение следующей случайной величины:
(n)
(1)
где  - средняя квадратическая погрешность одного измерения,  - дисперсия выборки, V- наибольшее значение измерения в серии из n измерений, V - индекс в скобках соответствует расположению измерений в порядке возрастания величины n.
Распределение данной случайно величины имеет вид:
где Г-гамма распределение случайной величины (1).
max
(n)
Изобретение работает следующим образом, в памяти бортовой ЭВМ хранятся специальные таблицы, в которых приведены значения коэффициентов используемых при оценке отклонений измеряемых величин от допустимых значений, с помощью которых возможно определение и исключение из серии измерений «промахов». В таблицах приведены значения V - максимально возможные значения V, возникающие вследствие статистического разброса, соответствующие заданной надежности α.
(n)
(n)
max
(n)
Если резко выделяющееся значение измерения v, полученное в серии из n измерений, соответствует соотношению V>V при заданном значении надежности α, то это означает, данное значение V можно рассматривать как аномальный результат. Это измерение следует исключить из серии из n измерений и определить новые значения ускорения и погрешности скорости ΔV для серии из оставшихся n-1 измерений.
Также в памяти бортовой ЭВМ хранится специализированное программное обеспечение, которое позволяет производить сбор и хранение информации об аномальных («грубых») результатах измерений, проводить селекцию и регистрацию «грубых» результатов измерений, на основе которых проводится диагностирование, в том числе, возникающих дефектов в рабочих узлах МДС или ОЭДС [6].
cp
Исключение «промахов» в серии из n измерений позволяет повысить точность определения среднеарифметического значения скорости V, относительного которого производится подкалибровка МДС, а также организовать диагностирование работоспособности датчиков скорости, обеспечивающих заданные характеристики по точности определения текущей навигационной информации и надежности функционирования основных элементов и узлов.
Таким образом, в предлагаемом новом способе помимо перечисленных в ближайшем аналоге, используются следующие дополнительные действия.
cp
1. На основе анализа результатов в серии из n измерений, получаемых с помощью ОЭДС, производится проверка полученных значений навигационных параметров на наличие «промахов», которые должны исключаться из серии измерений при определении средней скорости V.
2. В память бортовой ЭВМ загружается специальная таблица с коэффициентами, которые используются при определении «промахов» и специализированное программное обеспечение для организации диагностирования работоспособности измерительных узлов датчиков скорости.
cp
3. После исключения из серии из n измерений «промахов» производится новое вычисление средней скорости V из оставшихся n-1 измерений, которое используется для подкалибровки МДС.
4. Производится регистрация грубых «промахов» для выявления дефектов в работе МДС или ОЭДС.
5. Производится оценка работоспособности ОЭДС и удовлетворительного состояния дорожного покрытия. В противном случае ОЭДС выключается на некоторый период движения НТС.
Сравнительный анализ существенных признаков существующих способов определения параметров навигации наземных транспортных средств и настоящего способа показывает, что предложенный способ, основанный на использовании дополнительных операций, связанных с контролем и обработкой результатов измерений, получаемых от ОЭДС, и выявлением дефектов при функционировании измерительных элементов, отличается тем, что за счет указанной обработки полученной информации уменьшается вероятность неточной подкалибровки МДС, обеспечивается более точное определение текущих навигационных параметров движения НТС, организуется диагностирование работоспособности измерительных узлов датчиков скорости.
Таким образом, предложенный способ имеет новизну. Авторам не известна совокупность существенных признаков, применяемых для решения данной технической задачи, что соответствует критерию «изобретательский уровень».
Литература.
1. Солодов В.И. Системы наземной навигации. М.: ВА РВСН имени Петра Великого, 1998. - 128 с.
2. Белоглазов И.Н., Тарасенко В.П. Корреляционно-экстремальные системы. М: Сов. Радио, 1974. - 392 с.
3. Кутузов С.В., Макаров В.А., Кулешов В.В. Патент 2431847 С1 РФ, МПК G01P 3/50 (2001.01) «Способ определения скорости движения наземного транспортного средства». 2010101941/20. Заяв. 22.01.10. Опубл. 20.10.11. Бюл. №29.
4. Епифанов В.В., Мужичек С.М. Патент 2300080 С1 РФ, МПК G01C 22/00 (2006.01) «Способ измерения расстояния, пройденного автомобилем и устройство для его осуществления». 2005139221/28, 15.12.2005.
5. Кулешов В.В. Сборка, регулировка и обработка результатов испытаний гироскопических приборов. М: ВА РВСН имени Петра Великого, 2009. - 168 с.
6. Клюев В.В., Пархоменко П.П. Надежность и эффективность в технике. Техническая диагностика. Т.9. М.: Машиностроение, 1987. - 351 с.