ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЕКТОРА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE MOVEMENT VECTOR MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения перемещения транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.
В настоящее время известны и применяются радиоволновые устройства измерения перемещения и скорости, основанные на эффекте Доплера (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 124-132 с.). Обычно они применяются в радиолокации для определения скорости и координат движущихся объектов. Также они находят применение для измерения путевой скорости и перемещения автомобилей и железнодорожных составов. В отличие от устройств, определяющих перемещение по числу оборотов колеса, как например, в одометрах, радиоволновые доплеровские устройства измерения позволяют определять истинную путевую скорость и перемещение, которое является результатом интегрирования скорости, пропорциональной доплеровской частоте по времени. В данном случае оно не зависит от скольжения, движения на виражах и при буксовании, так как измерение производится бесконтактно.
0
D
Доплеровский способ измерения заключается в зондировании движущихся объектов электромагнитными волнами СВЧ диапазона и выделении частоты смещения рассеянной волны. Если источник излучения с фиксированной частотой ƒ расположен спереди транспортного средства движущегося со скоростью V и его антенна направлена под углом α к направлению движения в вертикальной плоскости (см. Фиг. 2), то доплеровская частота ƒ смещения отраженного сигнала определится по формуле:
где  - длина волны в среде измерения, а ε - ее диэлектрическая проницаемость, которая для воздуха равна единице, с - скорость света в воздухе. Таким образом, измеряя доплеровскую частоту, можно вычислить скорость по формуле:
Поскольку при движении скорость постоянно меняется, то пройденное расстояние S или перемещение за время Т, будет определяться интегралом от мгновенной скорости или доплеровской частоты по времени согласно уравнению:
D
При этом обычно ƒ определяют по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала.
Такие устройства для измерения перемещения и скорости являются более точными по сравнению с широко применяемыми в настоящее время одометрами, хотя они также представляют скорость в одномерном виде. В тоже время, в современных автомобилях предпочтительно получение информации о двух координатном векторе скорости и определение перемещения в пространстве. Это важно для использования в автономных навигационных системах (например, инерционных), которые в настоящее время предпочитают применять совместно с системами глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС и др.). Применение для измерения вектора путевой скорости и перемещения инерционных систем на основе гироскопов и акселерометров затруднено из-за необходимости их размещения точно в центре тяжести транспортного средства, защите хрупких механических деталей от вибраций и повреждений, необходимости проведения частых коррекций ошибок, высокой стоимости. При этом необходимо учитывать большое количество параметров, таких как момент инерции, коэффициент трения, сопротивление воздуха и др. Кроме этого, накопительный характер ошибок в определении координат инерционными системами приводит к их существенному росту при продолжительном отсутствии коррекции. Поэтому радиоволновые устройства могут иметь преимущества, поскольку являясь бесконтактными, определяют истинное перемещение относительно подстилающей поверхности.
0
D
Наиболее близким по технической сущности является устройство измерения путевой скорости и, соответственно, перемещения ((Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 124-132 с.), принятый за прототип. Устройство содержит последовательно соединенные генератор СВЧ с фиксированной частотой ƒ, направленный ответвитель, циркулятор и антенну, излучение которой направлено под углом α к направлению движения в вертикальной плоскости, смеситель и вычислительный блок, при этом основной выход направленного ответвителя подсоединен к первому выводу циркулятора, а его вспомогательный выход соединен с первым входом смесителя, антенна соединена со вторым выводом циркулятора, а его третий вывод соединен с вторым входом смесителя, выход которого соединен с вычислительным блоком. В вычислительном блоке определяется доплеровская частота из сигнала на выходе смесителя ƒ и затем по формуле (2) вычисляется скорость. При этом измерение собственно вектора путевой скорости не производится, поскольку измеряется лишь средняя скорость при движении транспортного средства по направлению его оси. Для измерения же вектора путевой скорости за время Δt необходимо произвести измерение модуля вектора скорости и угла его отклонения относительно первоначального положения оси.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения перемещения транспортного средства за счет определения его в векторном виде.
1
2
i
i
Технический результат достигается тем, что измеритель вектора перемещения транспортного средства содержит последовательно соединенные первый генератор СВЧ с фиксированной частотой ƒ и направленный ответвитель, а также содержащий первый циркулятор и первую антенну, излучение которой направлено под углом α к направлению движения в вертикальной плоскости, при этом основной выход направленного ответвителя подсоединен к первому выводу первого циркулятора, первая антенна соединена со вторым выводом первого циркулятора, первый смеситель и вычислительный блок, при этом вспомогательный выход первого направленного ответвителя соединен с первым входом первого смесителя, выход которого соединен с вычислительным блоком, дополнительно содержит делитель мощности, вход которого соединен с третьим выводом первого циркулятора, а первый выход со вторым входом первого смесителя, второй смеситель, первый вход которого соединен с вторым выходом делителя мощности, второй генератор СВЧ с фиксированной частотой ƒ, второй циркулятор и вторую антенну, излучение которой направлено под углом α к направлению движения в вертикальной плоскости, при этом выход генератора соединен с первым выводом второго циркулятора, вторая антенна соединена со вторым выводом второго циркулятора, а его третий вывод соединен с вторым входом второго смесителя, выход которого соединен с вычислительным блоком, при этом первая и вторая антенны расположены в передней части транспортного средства таким образом, что их диаграммы направленности дополнительно повернуты на углы β в горизонтальной плоскости по разные стороны от оси транспортного средства, при этом модуль вектора перемещения L и его фаза ϕ за время Δt определяется в вычислительном блоке по формулам:
1
1
2
2
D1
1
2
D
D2
D1
D
где λ=c/ƒ, λ=c/ƒ, с - скорость света в воздухе, ƒ - доплеровская частота сигнала с выхода первого смесителя, Δƒ=ƒ-ƒ, ΔF - частота сигнала с выхода второго смесителя, ƒ=Δƒ+ƒ-ΔF, r=2h×ctg(α)tg(β), где h - высота расположения антенн.
На Фиг. 1 показана функциональная схема измерителя вектора перемещения.
На Фиг. 2 представлено расположение антенн измерителя вектора перемещения на транспортном средстве (вид сбоку).
На Фиг. 3 показано расположение антенн измерителя вектора перемещения на транспортном средстве сверху при его движении.
На Фиг. 4 поясняется процесс определения вектора перемещения при движении транспортного средства.
1
2
Измеритель (см. Фиг. 1) содержит генератор СВЧ с фиксированной частотой ƒ-1, направленный ответвитель - 2, первый циркулятор - 3, первую антенну - 4, первый смеситель - 5, генератор СВЧ с фиксированной частотой ƒ-6, второй циркулятор - 7, вторую антенну - 8, делитель мощности на 2-9, второй смеситель - 10 и вычислительный блок - 11. Антенны - 1,2 расположены в передней части транспортного средства (ТС) - 3 таким образом, что оси их диаграмм направленности излучения наклонены относительно оси ТС под углом α в вертикальной и β в горизонтальной плоскости (см. Фиг. 2 и Фиг. 3).
1
1
2
1
D
Измеритель работает следующим образом. От генератора СВЧ 1 часть мощности электромагнитных колебаний с частотой ƒ поступает на первый вход смесителя 5 через вспомогательный выход направленного ответвителя 2, а другая часть с основного его выхода проходит циркулятор 3 и излучается антенной 4. Затем, после отражения от поверхности, рассеянное излучение возвращается обратно через антенну, циркулятор и делитель мощности 9, попадая на второй вход смесителя 5. На его выходе формируется доплеровский сигнал D(t), который поступает на вычислительный блок 11. В тоже время от генератора СВЧ 6 электромагнитные колебания с частотой ƒ поступают через циркулятор 7 на антенну 8 и излучаются. После отражения от поверхности рассеянное излучение поступает обратно в антенну и через циркулятор подается на вход смесителя 10, а на другой его вход поступает рассеянное отраженное излучение с частотой ƒ со второго выхода делителя мощности. С выхода этого смесителя сигнал разности двух отраженных сигналов с частотой ΔF подается на вычислительный блок.
D1
D
1
D1
2
D2
1
2
D1
D2
Таким образом, в вычислительный блок поступает сигнал с доплеровской частотой ƒ с выхода первого смесителя и сигнал разности двух доплеровских сигналов с выхода второго смесителя ΔF=(ƒ+ƒ)-(ƒ+ƒ)=(ƒ-ƒ)+(ƒ-ƒ). Отсюда можно числить доплеровский сигнал от второй антенны
1
2
где, Δƒ=ƒ-ƒ - величина постоянная, известная заранее.
Поскольку антенны ориентированы по отношению к направлению движения под углами α в вертикальной и β в горизонтальной плоскости, то используя формулу (2) для относительных скоростей взаимного перемещения между антеннами и центральными точками на следах от диаграмм направленностей, можно составить следующую систему уравнений:
1
1
2
2
D1
D2
где λ=c/ƒ, λ=c/ƒ - длины волн излучений от первого и второго генераторов CB4, ƒ и ƒ - соответствующие доплеровские частоты.
1
2
1i
2i
Если транспортное средство движется по прямой (см. Фиг. 3а), совпадающей с его осью, то эти скорости будут равны. Если происходит поворот направо, как показано на Фиг. 3б, то скорость V будет больше V, а движение будет происходить по окружности с радиусом R, проходящей через место расположения антенн на оси транспортного средства. При этом центры левого и правого следов диаграмм направленности антенн датчиков (см. заштрихованные области на Фиг. 3) будут перемещаться по радиусам R+r/2 и R-r/2, где r - расстояние между ними. Тогда за некоторый дискретный i-ый одинаковый период времени Т=Δt, перемещения этих проекций по подстилающей поверхности S и S (см. Фиг. 4), будут определяться выражениями
i
i
где R и ω - текущий радиус и угол поворота оси транспортного средства (см. Фиг. 3), которые определяются из решения системы уравнений (6):
i
i
i
i
i
i
i
Поскольку, длина хорды L=2Rsin(ω/2), a ϕ=ω/2 (см. Фиг. 4), то с учетом (7), получим выражение для вектора перемещения {-L,ϕ} за время Δt:
Расстояние r можно вычислить из формул решения прямоугольных треугольников (см. Фиг. 2 и Фиг. 3):
а
i1
i2
где  - расстояние между проекцией датчика на поверхность и центром следа диаграммы направленности его антенны на поверхность в вертикальной плоскости, h - высота расположения антенн 1,2 над поверхностью (см. Фиг. 2). Перемещения S и S, используя (5) можно выразить через формулы:
где Δt - дискретный отрезок времени.
1i
2i
1i
2i
Найдем выражения для суммы А=S+S и разности В=S-S.
D2
где ƒ - вычисляется по формуле (4). Таким образом, модуль и фазу вектора перемещения за время Δt в соответствии с (8) и (11) можно определить по формулам:
Маршрут перемещения транспортного средства при этом будет складываться из всех измеренных векторов перемещения согласно формулам (12)
Таким образом, описанное устройство позволяет непрерывно измерять перемещение в виде вектора в прямоугольной системе координат, что в итоге существенно повышает точность измерения по сравнению с продольным измерением пройденного пути и позволяет позиционировать транспортное средство в двумерной системе координат.