УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ
DEVICE FOR DETERMINING SPEED

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству определения скорости, способу определения скорости и компьютерной программе для определения скорости объекта. Кроме того, изобретение относится к объекту, содержащему упомянутое устройство определения скорости.
Уровень техники
В патенте США № 6233045 B1 раскрыт интерференционный датчик на основе самосмешения для определения скорости объекта. Датчик на основе самосмешения содержит лазер, излучающий лазерный луч, направляемый, например, на землю. Лазерный луч отражается землей, и отраженный лазерный луч поступает в лазерный резонатор. Отраженный лазерный луч, поступающий в лазерный резонатор, интерферирует с находящимся там электромагнитным полем. Возникает интерференция, так называемая «интерференция самосмешения» в виде интенсивных изменений электромагнитного поля в резонаторе. Основная частота интерференционного сигнала самосмешения является доплеровской частотой, которую используют для определения скорости объекта.
Такое определение скорости может искажаться, например, агрессивными условиями окружающей среды и тяжелыми дорожными условиями, если объектом является, например, транспортное средство. Лазерный луч также может временно блокироваться рассеивающими элементами между лазером и поверхностью дороги, то есть землей, либо сигнал обратной связи самосмешения, то есть отраженный лазерный луч может стать слишком слабым из-за непомерно большой расфокусировки или присутствия таких блокирующих объектов, как листья или другой мусор, который может подняться над землей из-за воздушной турбулентности. Вследствие этого может снизиться качество определения скорости.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является обеспечение устройства определения скорости, способа определения скорости и компьютерной программы для определения скорости объекта, которые позволяют повысить качество определения скорости. Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение соответствующего объекта, содержащего устройство определения скорости.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено устройство определения скорости для определения скорости объекта, где устройство определения скорости содержит:
блок измерения доплеровской частоты для измерения доплеровской частоты по меньшей мере для трех разных направлений измерения частоты,
блок вычисления доплеровской частоты для вычисления доплеровской частоты для одного направления вычисляемой частоты по меньшей мере из трех разных направлений вычисляемой частоты в зависимости от доплеровских частот, измеренных по меньшей мере для двух дополнительных направлений частоты из по меньшей мере трех разных направлений частоты,
блок определения скорости для определения скорости объекта в зависимости от вычисленной доплеровской частоты, которая была вычислена для упомянутого направления вычисляемой частоты и доплеровских частот по меньшей мере для двух дополнительных направлений частоты.
Поскольку блок вычисления доплеровской частоты приспособлен для вычисления доплеровской частоты для одного направления частоты из по меньшей мере трех разных направлений частоты в зависимости от доплеровских частот, измеренных по меньшей мере для двух дополнительных направлений частоты из по меньшей мере трех разных направлений частоты, надежную доплеровскую частоту можно определить также в упомянутом направлении вычисляемой частоты даже в том случае, если измерение доплеровской частоты в этом направлении вычисляемой частоты искажено. В частности, блок определения скорости может определить скорость объекта даже в том случае, если измерение доплеровской частоты в направлении вычисляемой частоты искажено путем использования вычисленной доплеровской частоты и доплеровских частот по меньшей мере для двух дополнительных направлений частоты, которые отличаются от упомянутого направления вычисляемой частоты. Это позволяет повысить качество определения скорости объекта.
Объектом предпочтительно является здесь транспортное средство.
Термин «направление частоты» - это направление, в котором измеряется доплеровская частота.
Блок определения скорости предпочтительно приспособлен для определения скорости в трех направлениях в целях определения трехмерной скорости. Объект движется предпочтительно по направлению вперед в горизонтальной плоскости, причем три направления скорости предпочтительно включают в себя направление вперед, поперечное направление, которое также предпочтительно находится в горизонтальной плоскости и которое предпочтительно перпендикулярно направлению вперед, и вертикальное направление.
Доплеровские частоты, измеряемые в разных направлениях частоты, предпочтительно измерять независимо друг от друга, то есть предпочтительно, чтобы на измерение доплеровской частоты в первом направлении частоты не влияло измерение доплеровской частоты во втором направлении частоты, отличающемся от первого направления частоты. Блок измерения доплеровской частоты приспособлен для измерения отдельной доплеровской частоты в каждом направлении частоты.
Предпочтительно, чтобы блок вычисления доплеровской частоты был приспособлен не только для вычисления абсолютного значения доплеровской частоты, но также и знака доплеровской частоты, где блок определения скорости может быть адаптирован не только для определения абсолютного значения скорости, но также и направления скорости.
Предпочтительно, чтобы блок определения скорости был адаптирован для определения скорости в трех направлениях скорости для определения трехмерной скорости, где эти три направления скорости отличаются по меньшей мере от трех направлений частоты, так что скорость в одном из направлений скорости можно было бы определить комбинацией доплеровских частот, измеренных по меньшей мере для трех направлений частоты. Кроме того, предпочтительно, чтобы блок вычисления доплеровской частоты был приспособлен для вычисления доплеровской частоты для направления вычисляемой частоты в зависимости от линейной комбинации доплеровских частот, измеренных по меньшей мере для двух дополнительных направлений частоты. Кроме того предпочтительно, чтобы блок вычисления доплеровской частоты был приспособлен для вычисления доплеровской частоты для упомянутого направления вычисляемой частоты в зависимости от отрицательной суммы доплеровских частот, измеренных по меньшей мере для двух других направлений частоты. Это позволяет вычислить доплеровскую частоту для данного направления вычисляемой частоты при низких вычислительных затратах.
К тому же предпочтительно, чтобы устройство определения скорости, кроме того, содержало блок определения соблюдения условия точности для определения того, удовлетворяется ли условие точности, показывающее точность вычисления, выполненного блоком вычисления доплеровской частоты, где блок вычисления доплеровской частоты приспособлен для вычисления доплеровской частоты для направления вычисляемой частоты, если блок определения соблюдения точности определил, что условие точности соблюдено. Кроме того предпочтительно, чтобы блок определения скорости был приспособлен для определения скорости в трех направлениях скорости в целях определения трехмерной скорости, где устройство определения скорости содержит блок хранения для сохранения скоростей, которые были определены в течение времени в том или ином направлении скорости, где блок определения соблюдения условия точности приспособлен для определения того, соблюдено ли условие точности, указывающее точность вычисления, выполненного блоком вычисления доплеровской частоты, в зависимости от сохраненных скоростей. Кроме того предпочтительно, чтобы блок определения соблюдения условия точности был приспособлен для определения того, соблюдается ли условие точности, указывающее точность вычисления, выполненного блоком вычисления доплеровской частоты, путем вычисления среднего значения сохраненных скоростей и сравнения этого среднего значения с заранее определенным пороговым значением. Перед вычислением среднего значения предпочтительно выполнить низкочастотную фильтрацию сохраненных скоростей. Это обеспечивает определение только доплеровской частоты для направления вычисляемой частоты, если вычисление является достаточно точным, что дополнительно повышает качество определения скорости.
Указанное, заранее определенное пороговое значение можно определить, например, посредством калибровочных измерений, в ходе которых вычисляют упомянутое среднее значение, когда известно, достаточна или нет точность определения скорости.
Линейная комбинация доплеровских частот, измеренных по меньшей мере для двух дополнительных направлений частоты, для вычисления доплеровской частоты для направления вычисляемой частоты предпочтительно основана на одном допущении, касающемся одной или нескольких скоростей. В частности, указанная линейная комбинация может быть основана на предположении, что объект в основном перемещается в горизонтальной плоскости x-y, то есть что скорость в вертикальном направлении равна нулю. Блок хранения предпочтительно приспособлен для сохранения скоростей, которые были определены в течение некоторого времени в направлении скорости, которое относится к упомянутому допущению. В частности, блок хранения может быть приспособлен к сохранению скоростей, которые соответствуют направлению вертикальной скорости. Если объектом является транспортное средство, которое, как принято считать, перемещается в основном только по земле, то есть в горизонтальной плоскости, то можно допустить, что скорость в вертикальном направлении фактически равна нулю. Следовательно, доплеровскую частоту в направлении вычисляемой частоты можно вычислить, используя уравнение, которое описывает линейную комбинацию доплеровских частот, измеренных в других направлениях частоты, и которое основано на допущении равенства нулю скорости в вертикальном направлении. Точность вычисления доплеровской частоты в направлении вычисляемой частоты зависит тогда от степени подобия между уже сохраненными скоростями, которые были измерены в направлении вертикальной скорости и равны нулю. В этом примере можно определить, соблюдено ли условие точности, путем сравнения средней из сохраненных скоростей, которые были измерены для направления вертикальной скорости, с пороговым значением, близким к нулю.
Кроме того, предпочтительно, чтобы блок вычисления доплеровской частоты был приспособлен к определению ошибочного направления частоты, в котором измерение доплеровской частоты связано с ошибками, и вычисления доплеровской частоты для направления вычисляемой частоты, являющегося ошибочным направлением частоты, в зависимости от доплеровских частот, измеренных по меньшей мере для двух дополнительных направлений частоты из по меньшей мере трех разных направлений частоты. Например, блок вычисления доплеровской частоты может быть приспособлен для сравнения отношения сигнал-шум, например, интерференционного сигнала самосмешения с заранее определенным пороговым значением, чтобы определить, является ли измерение доплеровской частоты ошибочным. Для определения ошибочности измерения доплеровской частоты можно также использовать другие способы. Например, можно сравнить форму частотного пика, например, интерференционного сигнала самосмешения с расчетным частотным пиком, причем, если это сравнение дает отклонение, превышающее заранее определенное пороговое значение, то можно считать, что соответствующее направление частоты является ошибочным. Либо можно определить, приводит ли доплеровская частота, измеренная в конкретном направлении частоты, к значению скорости в этом направлении частоты, которое находится в заранее определенном расчетном диапазоне скорости, причем, если эта скорость не находится в указанном заранее определенном расчетном диапазоне скорости, то можно считать, что измерение в этом конкретном направлении частоты является ошибочным. Кроме того, можно вычислить ускорение в этом конкретном направлении частоты на основе соответствующей измеренной доплеровской частоты, и можно определить, находится ли это ускорение в заранее определенном расчетном диапазоне ускорения, чтобы определить, является ли измерение доплеровской частоты ошибочным. Диапазон скорости и/или диапазон ускорения можно определить на основе известных возможных скоростей и/или ускорений объекта. Для определения того, является ли измерение доплеровской частоты в том или ином направлении частоты ошибочным, можно использовать калмановскую фильтрацию. Предпочтительно, чтобы блок вычисления доплеровской частоты был приспособлен для вычисления доплеровской частоты для данного направления вычисляемой частоты только в том случае, если блок вычисления доплеровской частоты определил ошибочное направление частоты, в котором измерение доплеровской частоты выявляется ошибочным, где данное направление вычисляемой частоты в этом случае является ошибочным направлением частоты. Это может гарантировать выполнение вычисления доплеровской частоты в направлении вычисляемой частоты только в том случае, если измерение доплеровской частоты в направлении вычисляемой частоты действительно является ошибочным, что позволяет избежать ненужных вычислений.
Кроме того, предпочтительно, чтобы блок измерения доплеровской частоты содержал по меньшей мере три лазера, направленных по меньшей мере по трем разным направлениям частоты для измерения доплеровской частоты по меньшей мере в трех разных направлениях частоты.
Кроме того, предпочтительно, чтобы блок измерения доплеровской частоты был приспособлен для использования способа измерения доплеровской частоты на основе интерференции самосмешения по меньшей мере в трех разных направлениях частоты. При использовании лазеров и интерференции самосмешения доплеровскую частоту можно определить с повышенной точностью.
Поскольку блок измерения доплеровской частоты предпочтительно содержит по меньшей мере три лазера, направленных по меньшей мере в трех разных направлениях частоты, эти направления частоты также можно рассматривать как направления лазерного луча.
Кроме того, предпочтительно, чтобы блок определения доплеровской частоты содержал более трех лазеров, где по меньшей мере два лазера направлены в одном и том же направлении частоты. Поскольку по меньшей мере два лазера направлены в одном и том же направлении частоты, доплеровская частота измеряется с избыточностью в указанном одном и том же направлении частоты. Таким образом, даже в том случае, если измерение доплеровской частоты одним их этих двух лазеров подвергается искажению, доплеровскую частоту все же можно будет измерить с высоким уровнем качества благодаря использованию другого лазера из по меньшей двух лазеров, направленных в одном и том же направлении частоты. Это может дополнительно повысить качество определения скорости объекта.
Кроме того, предпочтительно, чтобы блок определения доплеровской частоты содержал более трех лазеров, направленных в разных направлениях частоты. Поскольку блок определения доплеровской частоты содержит более трех лазеров, направленных в разных направлениях частоты, доплеровские частоты можно определить для более чем трех направлений частоты. Кроме того, поскольку более чем три лазера направлены в разных направлениях частоты, эти разные направления частоты линейно зависят друг от друга, и доплеровскую частоту, измеренную для первого направления частоты, также можно вычислить посредством линейного комбинирования доплеровских частот, измеренных для других направлений частоты. Таким образом, в этом варианте также имеет место избыточность, которую можно использовать для замены измеренной доплеровской частоты вычисленной доплеровской частотой при ошибочном измерении доплеровской частоты. Например, если вышеупомянутая доплеровская частота, которая была измерена для первого направления частоты, получена с ошибкой, то эту измеренную доплеровскую частоту можно заменить вычисленной доплеровской частотой при определении скорости.
Кроме того, предпочтительно, чтобы блок определения доплеровской частоты содержал более трех лазеров, направленных в разных направлениях частоты, где блок определения скорости приспособлен для использования первого поднабора лазеров для определения первой линейной скорости и использования второго поднабора лазеров для определения второй линейной скорости. Предпочтительно, чтобы блок определения скорости был приспособлен для определения параметра вращения, в частности, углового положения и/или угловой скорости объекта на основе определенных первой и второй линейных скоростей. В частности, блок определения скорости приспособлен для определения по меньшей мере одного из: скорости рысканья, скорости крена и скорости тангажа в качестве угловой скорости. Лазеры для формирования первого поднабора и второго поднабора можно выбирать в динамическом режиме. Первый поднабор лазеров и второй поднабор лазеров можно рассматривать в качестве двух виртуальных датчиков. Предпочтительно, чтобы блок определения скорости был приспособлен для переключения с первого поднабора лазеров на второй поднабор лазеров и обратно, так чтобы первая линейная скорость и вторая линейная скорость определялись последовательно и многократно, где угловую скорость объекта определяют на основе последовательно и многократно определенных первой и второй линейных скоростей. Поскольку первый поднабор лазеров отличается от второго поднабора лазеров, по меньшей мере одним направлением лазерного луча (то есть направлением частоты) первого поднабора лазеров отличается от любого из направлений лазерного луча второго поднабора лазеров. Таким образом, угловое перемещение объекта типа рысканья, крена или тангажа, обычно приводит к разным линейным скоростям по меньшей мере в одном из направлений скорости. Блок определения скорости может быть приспособлен для определения угловой скорости на основе этого различия.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения представлен объект, содержащий устройство определения скорости для определения скорости объекта. Объектом предпочтительно является транспортное средство, такое как автомобиль, велосипед, мотоцикл, грузовой автомобиль, поезд, корабль, лодка, самолет и т.д., либо иной подвижный объект.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения представлен способ определения скорости для определения скорости объекта, причем способ определения скорости содержит:
измерение доплеровской частоты по меньшей мере для трех разных направлений частоты,
вычисление доплеровской частоты для одного направления вычисления частоты по меньшей мере из трех разных направлений частоты в зависимости от доплеровских частот, измеренных поменьшей мере трех разных направлений частоты, так что можно надежно определить доплеровскую частоту в направлении вычисляемой частоты даже в том случае, если измерение доплеровской частоты подвергается искажению,
определение скорости объекта в зависимости от вычисленной доплеровской частоты, которая была вычислена для упомянутого направления вычисляемой частоты и доплеровских частот по меньшей мере для двух дополнительных направления частоты.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения представлена компьютерная программа определения скорости для определения скорости рассматриваемого объекта, где компьютерная программа содержит средство программного кода для инициирования выполнения устройством определения скорости, определенным в пункте 1 формулы изобретения, этапов способа определения скорости, определенного в пункте 14 формулы изобретения, при выполнении компьютерной программы определения скорости на компьютере, управляющем устройством определения скорости.
Должно быть понятно, что устройство определения скорости по п.1, объект по п.13, способ определения скорости по п.14 и компьютерная программа определения скорости по п.15 подобны и/или идентичны предпочтительным вариантам осуществления изобретения, детально определенным в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительным вариантом изобретения также может быть любая комбинация зависимых пунктов с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - примерное схематическое представление варианта транспортного средства, содержащего вариант устройства определения скорости для определения скорости указанного транспортного средства.
Фиг.2 - более подробное примерное схематическое представление варианта устройства определения скорости.
Фиг.3 - примерное схематическое представление варианта блока измерения доплеровской частоты, входящего в состав блока определения скорости.
Фиг.4 - примерное схематическое представление ориентации направлений частоты, в которых измеряют доплеровскую частоту, по отношению к направлениям скорости, в которых определяют скорость транспортного средства.
Фиг.5 - примерная зависимость доплеровских частот от времени.
Фиг.6 - примерная блок-схема, иллюстрирующая вариант способа определения скорости для определения скорости транспортного средства.
Фиг.7 - примерное схематическое представление дополнительного варианта блока измерения доплеровской частоты.
Фиг.8 и 9 - возможные конфигурации лазеров и направлений частоты в дополнительных вариантах блока измерения доплеровской частоты.
Осуществление изобретения
На фиг.1 в качестве примера схематически представлен объект 2, в данном варианте транспортное средство, которое содержит устройство 1 определения скорости для определения скорости транспортного средства 2. Устройство 1 измерения скорости более подробно схематически показано на фиг.2.
Устройство 1 определения скорости содержит блок 3 измерения доплеровской частоты для измерения доплеровской частоты для трех разных направлений частоты. В качестве примера блок 3 измерения доплеровской частоты более подробно показан на фиг.3.
Блок 3 измерения доплеровской частоты содержит три лазера 13, 14, 15 для создания излучения 9 в направлении земли 8 в трех разных направлениях 10, 11, 12 частоты для измерения доплеровской частоты в этих разных направлениях 10, 11, 12. Лазеры 13, 14, 15 управляются блоком 16 управления. Блок 3 измерения доплеровской частоты приспособлен для использования интерференционного способа смешения для измерения доплеровских частот в указанных трех различных направлениях 10, 11, 12 частоты. Лазерный луч, излучаемый соответствующим лазером, отражается землей 8, и отраженный луч вновь поступает в резонатор соответствующего лазера. Вновь поступающий свет лазера вызывает интерференцию самосмешения в резонаторе, создавая изменения интенсивности в резонаторе. Для измерения этих изменений интенсивности и создания соответствующего сигнала интенсивности предусмотрен встроенный фотодиод или внешний фотодиод. В другом варианте эти изменения также можно измерить путем измерения флуктуаций питающего тока или питающего напряжения соответствующего лазера. При использовании внешнего фотодиода часть лазерного света выводится, и эта выведенная часть лазерного света направляется на внешний фотодиод. Созданный сигнал интенсивности можно рассматривать как интерференционный сигнал самосмешения, а основную частоту сигнала интенсивности можно рассматривать как доплеровскую частоту. Таким образом, блок 16 управления предпочтительно приспособлен для приема трех сигналов интенсивности от фотодиодов, которые выделены для трех лазеров 13, 14, 15, и для определения из каждого из трех сигналов интенсивности, то есть из каждого из трех интерференционных сигналов самосмешения доплеровской частоты для соответствующего направления 10, 11, 12 частоты. Более подробное описание способа на основе интерференционного самосмешения можно найти в работе Xavaier Raoul и др. «A Double Laser Diode Onboard Sensor for Velocity Measurements», IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, том 53, №№ стр. 95-101, Февраль 2004, содержание которой включено сюда по ссылке.
Устройство 1 определения скорости содержит блок 4 вычисления доплеровской частоты для вычисления доплеровской частоты для направления вычисляемой частоты из числа трех разных направлений 10, 11, 12 частоты в зависимости от доплеровских частот, измеренных по меньшей мере для дополнительных направлений частоты из по меньшей мере трех разных направлений 10, 11, 12 частоты. Устройство 1 определения скорости, кроме того, содержит блок 5 определения скорости для определения скорости объекта 2 в зависимости от вычисленной доплеровской частоты, которая была вычислена для направления вычисляемой частоты и доплеровских частот по меньшей мере двух дополнительных направлений частоты.
Поскольку блок 4 вычисления доплеровской частоты приспособлен для вычисления доплеровской частоты для направления вычисляемой частоты из трех разных направлений 10, 11, 12 частоты в зависимости от доплеровских частот, измеренных по меньшей мере для двух дополнительных направлений частоты в трех разных направлениях 10, 11, 12 частоты, надежную доплеровскую частоту можно также определить в направлении вычисляемой частоты даже в том случае, если измерение доплеровской частоты в направлении вычисляемой частоты подвергается искажению. Таким образом, блок 5 определения скорости может определить скорость объекта 2 даже в том случае, если измерение доплеровской частоты в направлении вычисляемой частоты подвергается искажению, путем использования вычисленной доплеровской частоты и доплеровских частот, измеренных для по меньшей мере двух дополнительных направлений частоты, которые отличаются от направления вычисляемой частоты. Это повышает надежность определения скорости объекта 2.
В одном варианте блок 4 вычисления доплеровской частоты адаптирован для определения того, является ли измерение доплеровской частоты ошибочным. Если три измеренные доплеровские частоты не являются ошибочными, то эти три измеренные доплеровские частоты подают в блок 5 определения скорости для определения скорости в зависимости от этих трех измеренных доплеровских частот. Если одна из измеренных доплеровских частот является ошибочной, то блок 4 вычисления доплеровской частоты вычисляет доплеровскую частоту в зависимости от измеренных доплеровских частот, не являющихся ошибочными, причем блок 5 определения скорости определяет скорость в зависимости от откалиброванной доплеровской частоты и измеренных доплеровских частот, которые не являются ошибочными.
Например, блок вычисления доплеровской частоты может быть адаптирован для сравнения отношения сигнал-шум, например, интерференционного сигнала самосмешения с предварительно определенным пороговым значением, чтобы определить, является ли измерение доплеровской частоты ошибочным. Для определения ошибочного измерения доплеровской частоты можно также использовать другие способы. Например, можно сравнить форму частотного пика, например, интерференционного сигнала самосмешения с расчетным частотным пиком, причем, если сравнение дает отклонение, большее заранее определенного порогового значения, можно определить, что соответствующее направление частоты является ошибочным направлением частоты. Либо можно определить, даст ли доплеровская частота, измеренная в конкретном направлении частоты, скорость в этом же направлении частоты, которая окажется в заранее определенном расчетном диапазоне скорости, причем, если эта скорость не окажется в заранее определенном расчетном диапазоне скорости, то можно считать, что измерение в этом конкретном направлении частоты является ошибочным. Кроме того, в этом конкретном направлении частоты можно вычислить ускорение на основе соответствующей измеренной доплеровской частоты, и можно определить, находится ли это ускорение в заранее определенном расчетном диапазоне ускорения, чтобы определить, является ли данное измерение доплеровской частоты ошибочным. Диапазон скорости и/или диапазон ускорения можно определить на основе известных возможных скоростей и/или ускорений объекта. Для определения того, является ли измерение доплеровской частоты в том или ином направлении частоты ошибочным, можно также использовать фильтрацию Калмана.
x
y
z
x
y
z
<mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>→</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>x</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>→</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>→</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>→</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>→</mo></mover>
Блок 5 определения скорости приспособлен для определения скорости v, v, v в трех направлениях
скорости для определения трехмерной скорости. Объект 2 предпочтительно перемещается в прямом направлении
в горизонтальной плоскости, то есть в плоскости, параллельной земле 8, где три направления v, v, v скорости предпочтительно включают в себя прямое направление
поперечное направление
, которое также находится в горизонтальной плоскости и перпендикулярно прямому направлению
и вертикальное направление
скорости. Эти три направления
скорости показаны на фиг.1 в виде координатной системы 42.
<mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>→</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo>→</mo></mover><mo>,</mo></mrow>
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>→</mo></mover>
x
y
z
Три направления
скорости отличаются по меньшей мере от трех направлений 10, 11, 12 частоты, так что скорость в одном из направлений
скорости можно определить как комбинацию доплеровских частот, измеренных для трех направлений 10, 11, 12 частоты. В этом варианте блок 5 определения скорости приспособлен для определения скорости объекта 2, то есть вектора v, v, v скорости транспортного средства относительно земли в соответствии со следующим уравнением:
Скорость транспортного средства предпочтительно определяют в заранее определенной системе отсчета транспортного средства, как это описано в стандарте ISO 8855. Система отсчета транспортного средства представляет собой правостороннюю прямоугольную систему координат, зафиксированную на транспортном средстве. Положительное направление оси x указывает на направление, в котором ведут транспортное средство, положительное направление оси y указывает направление влево, если смотреть в положительном направлении оси x, а положительное направление оси z указывает направление вверх.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>v</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>r</mi><mi>o</mi><mi>a</mi><mi>d</mi></mrow></msub></mrow>
<mover accent="true"><mi>v</mi><mo>→</mo></mover>
В общем случае, если цель движется от датчика скорости, то доплеровская частота будет отрицательной, а если цель движется к датчику скорости, то доплеровская частота будет положительной. В настоящем варианте целью является дорога, где скорость дороги
является отрицательной скоростью
транспортного средства. Следовательно, доплеровскую частоту можно вычислить согласно следующему уравнению:
<mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover>
где
- единичный вектор соответствующего направления частоты. Спроецировав направления частот в системе отсчета транспортного средства, можно получить следующее уравнение:
<mi>λ</mi>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
где
обозначает длину волны лазерных лучей, излучаемых лазерами 13, 14, 15, а
обозначают доплеровские частоты, измеренные или вычисленные для направлений 10, 11, 12 частоты соответственно.
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>φ</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>φ</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>e</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
Углы
и
для направлений частот с единичными векторами
, где i=1, 2, 3, предпочтительно определяют следующим образом. Угол
предпочтительно является углом между соответствующим направлением частоты и единичным вектором z, а угол
предпочтительно является проекцией
на плоскость x-y и единичный вектор x.
В одном варианте эти углы можно установить следующим образом:
На фиг.3 схематически показаны три направления 10, 11, 12 частоты без указания предпочтительной трехмерной ориентации направлений 10, 11, 12 частоты. Предпочтительная трехмерная ориентация направлений 10, 11, 12 частоты показана на фиг.4. Как можно видеть из фиг.4, три направления 10, 11, 12 частоты предпочтительно имеют одинаковый угол тангажа, равный 25 градусам, и азимутальные углы, равные 0, 210 и 330 градусам соответственно.
Доплеровские частоты, измеренные в разных направлениях 10, 11, 12 частоты, измеряют независимо друг от друга, то есть на измерение доплеровской частоты в первом направлении частоты не влияет измерение доплеровской частоты во втором направлении частоты, отличающемся от первого направления частоты. В частности, блок 3 измерения доплеровской частоты приспособлен для измерения отдельной доплеровской частоты в каждом направлении 10, 11, 12 частоты.
Из-за жестких условий окружающей среды и тяжелых дорожных условий один канал обнаружения, то есть измерение доплеровской частоты в одном из направлений 10, 11, 12 частоты может оказаться ошибочным. Например, лазерный луч в одном направлении частоты может быть временно заблокирован рассеивающими объектами, находящимися между соответствующим лазером и поверхностью 8 дороги, либо из-за значительной расфокусировки слишком сильно ослабнет сигнал обратной связи на основе самосмешения, то есть интенсивность отраженного света, который вновь поступил в соответствующий резонатор. Если измерение доплеровской частоты в одном направлении частоты оказывается ошибочным, то в общем случае невозможно надежное определение скорости согласно уравнению (2). Однако, если предположить, что вертикальная скорость транспортного средства относительно мала по сравнению с компонентой прямой скорости и компонентой поперечной скорости, можно будет переопределить эту трехканальную систему, то есть уравнение (2). Это приведет к следующему уравнению:
<mrow><mi>Θ</mi><mmultiscripts><mo>,</mo><mprescripts /><mn>1</mn><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
Используя уравнение (4), можно, исходя из доплеровских частот, измеренных в других направлениях 11, 12 частоты, восстановить доплеровскую частоту канала с ошибочным обнаружением, то есть ошибочную доплеровскую частоту в некотором направлении частоты, которым может быть, например, направление частоты, указанное под ссылочной позицией 10 на фиг.3 и 4. В частности, если углы
равны, то ошибочную определенную доплеровскую частоту в некотором направлении частоты можно восстановить исходя из доплеровских частот, измеренных в других направлениях частоты, согласно следующему уравнению:
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Таким образом, в этом примере блок 4 вычисления доплеровской частоты приспособлен для вычисления доплеровской частоты
для направления 10 вычисляемой частоты в зависимости от линейной комбинации доплеровских частот
, измеренных для двух других направлений 11, 12 частоты. В частности, блок 4 вычисления доплеровской частоты приспособлен для вычисления доплеровской частоты
для направления 10 вычисляемой частоты в зависимости от отрицательной суммы доплеровских частот
, измеренных для двух других направлений 11, 12 частоты. Это позволяет вычислить доплеровскую частоту
для направления 10 вычисляемой частоты с низкими вычислительными затратами.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
На фиг.5 в качестве примера показаны измеренные и вычисленные частоты f (в МГц) в зависимости от времени t в произвольных единицах. Кривые, обозначенные ссылочными позициями 43, 44 и 45, представляют измерения доплеровской частоты
соответственно. Доплеровские частоты
не изменяются скачками или т.п., что указывало бы на ошибочные измерения соответствующих доплеровских частот. Однако кривая 43, представляющая измеренную доплеровскую частоту
, демонстрирует скачки, указывающие на ошибки при измерении доплеровской частоты
. Кроме того, на фиг.5 показана кривая 46, представляющая вычисленную доплеровскую частоту
, которую можно вычислить согласно уравнению (5) и которая не демонстрирует скачки. Таким образом, хотя канал одного направления, то есть доплеровской частоты в направлении 10 измеряемой частоты, временно вышел из строя, например, из-за низкого качества сигнала, эти выпадения легко восстанавливаются на основе двух других каналов, то есть на основе доплеровских частот, измеренных в других направлениях 11, 12 частоты. Если предположить, что вертикальная скорость равна нулю, то скорость транспортного средства относительно земли все же можно измерить.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Устройство 1 определения скорости, кроме того, содержит блок 6 определения соблюдения условия точности для определения того, соблюдается ли условие точности, указывающее точность вычисления, выполненного блоком 4 вычисления доплеровской частоты, причем условие точности также можно рассматривать как условие уровня сигнала, где блок 4 вычисления доплеровской частоты приспособлен для вычисления доплеровской частоты
для направления 10 вычисляемой частоты, если блок 6 определения соблюдения точности определил, что условие точности соблюдено. Устройство 1 определения скорости, кроме того, содержит блок 7 хранения для сохранения скоростей, определенных во времени в том или ином направлении скорости, где блок 6 определения соблюдения условия точности приспособлен для определения того, соблюдается ли условие точности, указывающее точность вычисления, выполненного блоком 4 вычисления доплеровской частоты, в зависимости от сохраненных скоростей. Блок 6 определения соблюдения условия точности может быть адаптирован для определения того, соблюдается ли условие точности, указывающее точность вычисления, выполненного блоком 4 вычисления доплеровской частоты, путем вычисления средней из сохраненных скоростей и сравнения этой средней скорости с заранее определенным пороговым значением. Перед вычислением средней скорости желательно выполнить фильтрацию нижних частот.
<mrow><msub><mi>v</mi><mi>z</mi></msub></mrow>
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mi>v</mi><mi>z</mi></msub></mrow>
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>v</mi><mi>z</mi></msub></mrow>
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mi>v</mi><mi>z</mi></msub></mrow>
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>→</mo></mover>
В данном варианте изобретения блок 7 хранения приспособлен для сохранения скоростей
, которые соответствуют направлению
вертикальной скорости, причем можно предположить, что скорость
в вертикальном направлении
фактически равна нулю. Точность вычисления доплеровской частоты
в направлении 10 вычисляемой частоты зависит от степени подобия между уже сохраненными скоростями
, которые были измерены в направлении
вертикальной скорости и равны нулю. В этом примере блок 6 определения соблюдения условия точности приспособлен для определения того, соблюдено ли условие точности, путем сравнения средней из сохраненных скоростей
, которые были измерены для направления
вертикальной скорости, с пороговым значением, близким к нулю. Это пороговое значение предпочтительно определяется заранее, например, посредством калибровочных измерений, где среднюю скорость вычисляют, когда известно, достаточна ли точность определения скорости.
Таким образом, блок 6 определения соблюдения условия точности гарантирует, что вертикальная скорость достаточно мала при вычислении, что вертикальная скорость достаточно мала при вычислении доплеровской частоты в направлении вычисляемой частоты, посредством текущего контроля данных значений вертикальной скорости в прошлом. Таким образом, блок 6 определения соблюдения условия точности может различить случаи, когда вышеупомянутый подход согласно уравнениям (4) и (5) приведет к слишком низкой точности, что указывает на серьезный сбой устройства определения скорости, и случаи, когда соблюдаются требования точности, и устройство определения скорости может продолжать определять скорость.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>Θ</mi><mmultiscripts><mo>,</mo><mprescripts /><mn>1</mn><none /></mmultiscripts></mrow>
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
Из уравнения (4) можно также получить две другие частоты
. В частности, если углы
одинаковы, то две другие частоты
можно вычислить согласно следующим уравнениям:
если измерение доплеровской частоты в направлении 11 или в направлении 12 частоты соответственно выполнено с ошибкой.
Блок 4 вычисления доплеровской частоты приспособлен не только для вычисления абсолютного значения доплеровской частоты, но также знака доплеровской частоты, где блок 5 определения скорости приспособлен для определения абсолютного значения скорости, а также направления скорости. Согласно уравнению (3), в частности, согласно уравнениям (5)-(7) можно определить знак соответствующей вычисленной доплеровской частоты, и этот определенный знак вычисленной доплеровской частоты можно использовать для определения направления скорости транспортного средства 2. Следовательно, исходя из знака двух каналов, то есть исходя из знака доплеровских частот, измеренных в двух направлениях частоты, можно проверить и восстановить (если потребуется) знак другого канала, то есть знак доплеровской частоты в другом направлении частоты. Следовательно, можно увеличить надежность определения направления.
Блок 5 определения скорости предпочтительно приспособлен для пересылки определенной скорости на дисплей 47, чтобы показать эту определенную скорость человеку. Блок 5 определения скорости и дисплей 47 можно приспособить для беспроводной связи или связи через проводное соединение для передачи данных.
Далее со ссылками на блок-схему, показанную на фиг.6, описывается один примерный вариант способа определения скорости для определения скорости объекта.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
x
y
z
z
На этапе 201 измеряют доплеровские частоты
для трех разных направлений 10, 11, 12 частоты. На этапе 202 определяют скорости v, v, v объекта 2 в зависимости от трех измеренных частот
предпочтительно в соответствии с уравнением (2). На этапе 203 определяют, выполнено ли измерение доплеровской частоты в одном из разных направлений 10, 11, 12 с ошибкой. Если на этапе 203 определено, что измерение доплеровской частоты выполнено без ошибок в любом из направлений 10, 11, 12 частоты, на этапе 204 сохраняют вертикальную скорость v и посылают эту определенную скорость на дисплей 47 для ее демонстрации на этапе 205. Затем способ продолжается с этапа 201.
z
z
Если на этапе 203 определено, что измерение доплеровской частоты в одном из направлений 10, 11, 12 частоты выполнено с ошибкой, то на этапе 206 определяют, была ли записана в память одна или несколько вертикальных скоростей v. Если вертикальная скорость v еще не записана, то на этапе 207 на дисплее 47 отображается сообщение об ошибке, либо дисплей 47 просто не обновляется, отображая ранее определенную скорость.
z
z
z
Если на этапе 206 определено, что вертикальные скорости v уже записаны, то на этапе 208 эти сохраненные вертикальные скорости v подвергаются фильтрации нижних частот, и на этапе 209 выполняется их усреднение для определения средней скорости. Фильтрация нижних частот может выполняться путем вычисления скользящего среднего значения на некотором количестве последних измерений, например, по последним десяти измерениям, либо с помощью других известных процедур фильтрации нижних частот. На этапе 210 абсолютное значение средней скорости сравнивают с заранее определенным пороговым значением, близким к нулю. Это пороговое значение можно определить с помощью калибровочных измерений, как упоминалось выше. Если абсолютное значение средней скорости не меньше заранее определенного порогового значения, то условие точности, то есть тот факт, что вертикальная скорость v фактически равна нулю, не соблюдается, и способ продолжается с этапа 207. Если абсолютное значение средней скорости менее заранее определенного порогового значения, то условие точности соблюдается, и способ продолжается дальше с этапа 211.
z
На этапе 211 для доплеровской частоты, измеренной с ошибкой, вычисляется доплеровская частота в зависимости от двух других измеренных доплеровских частот согласно одному из вышеупомянутых уравнений (5)-(7), а на этапе 211 определяют скорость в зависимости от вычисленной доплеровской частоты, которая была вычислена для направления вычисляемой частоты, то есть для того направления частоты, в котором измерение доплеровской частоты было выполнено с ошибкой, и от доплеровских частот, измеренных в двух других направлениях частоты. На этапе 212 сохраняется вертикальная составляющая v определенной скорости, и на этапе 205 определенная скорость посылается на дисплей 47, где она и отображается. Затем способ продолжается с этапа 201.
На фиг.7 в качестве примера схематически показан дополнительный вариант блока измерения доплеровской частоты, который можно использовать с дополнительными компонентами, описанными выше, в частности, со ссылками на фиг.2.
Блок 103 измерения доплеровской частоты, показанный на фиг.7, содержит четыре лазера 13, 14, 15, 17, где два лазера 13, 17 направлены в одном и том же направлении 10, 10'. Поскольку лучи двух лазеров 13, 17 имеют одно и то же направление 10, 10', доплеровская частота измеряется в этом направлении 10, 10' с избыточностью. Таким образом, даже в том случае, если измерение доплеровской частоты одним из двух лазеров 13, 17 подверглось искажению, то доплеровская частота все же может измеряться с высоким качеством благодаря использованию другого из двух лазеров 13, 17, имеющих одинаковое направление 10, 10' излучения. Это дополнительно повышает качество определения скорости объекта 2. Если измерение одной из доплеровских частот, измеряемых с использованием лазеров 13, 17, подверглось искажению, то для определения скорости объекта 2 в блок определения скорости может быть введена доплеровская частота, измеренная другим из двух лазеров 13, 17, возможно без искажения. Если обе доплеровские частоты, измеренные лазерами 13, 17, не подверглись искажению, то их можно усреднить, и использовать эту усредненную доплеровскую частоту вместе с другими измеренными доплеровскими частотами для определения скорости объекта.
В дополнительном варианте изобретения блок определения доплеровской частоты содержит более трех лазеров, излучающих в разных направлениях. Поскольку в этом варианте блок определения доплеровской частоты содержит более трех лазеров, излучающих в разных направлениях, доплеровские частоты можно определить для более чем трех направлений частоты. Если измерение доплеровской частоты в одном из этих направлений выполнено с ошибкой, то для определения скорости можно использовать доплеровские частоты, измеренные в трех других направлениях частоты.
Таким образом, для повышения надежности и увеличения срока службы устройств определения скорости можно предусмотреть избыточные лазеры. Множество избыточных лазеров может быть выполнено в виде твердотельного мультилазерного кристалла или в виде дискретных устройств. В обоих случаях подмножества этих лазеров могут вместе использовать одну оптическую систему и один оптический тракт, формирующий измерительные каналы с помощью избыточных лазеров. В другом варианте каждый отдельный лазер может иметь, частично или целиком, отдельную оптическую систему.
Избыточные лазеры можно рассматривать как избыточные измерительные каналы, совместно использующие один или несколько блоков обработки сигналов, которые могут представлять собой вышеупомянутый блок вычисления доплеровской частоты и блок определения скорости. При пространственном разделении, в частности, посредством индивидуальных оптических систем, избыточные измерительные каналы, совместно использующие один или несколько блоков обработки, могут обеспечить следующие выгоды: а) возможность использования разных измерительных каналов с разными планами измерений, где разные планы измерений могут отличаться мощностью оптического излучения, коэффициентом заполнения и шириной импульса, а также обязательными требованиями безопасности для глаз; и b) определение виртуальных датчиков путем выбора и группирования отдельных поднаборов измерительных каналов.
Что касается планов измерений, то можно повысить надежность измерений в тяжелых эксплуатационных условиях, в частности, в условиях низкого отношения сигнал-шум, путем одновременного увеличения мощности оптического излучения, увеличения ширины импульса и уменьшения коэффициента заполнения. Однако, если сочетание мощности оптического излучения, ширины импульса и коэффициента заполнения приводит к тому, что интенсивность лазерного излучения будет превышать пороговое значение, связанное с безопасностью для глаз, то такая комбинация не будет использоваться блоком определения скорости. Чтобы увеличить отношение сигнал-шум при проведении лазерных измерений, удовлетворяющих требованиям безопасности для глаз, можно использовать другие планы измерений, описанные в качестве примера далее со ссылками на фиг.8.
На фиг.8 схематически показана примерная компоновка лазеров 18…23, измеряющих доплеровские частоты в направлениях 24…29 частоты. В этом варианте управление поднабором лазеров, например, лазеров 18, 20, 22, осуществляется согласно первому плану измерений, а управление вторым поднабором лазеров, например, 19, 21, 23, осуществляется согласно второму плану измерений, отличающемуся от первого плана измерений. Первый и второй планы измерений адаптированы таким образом, что интерференционные сигналы самосмешения могут генерироваться с приемлемым отношением сигнал-шум при соблюдении требований безопасности для глаз. Например, согласно первому плану измерений лазеры 18, 20 и 22 могут излучать лазерные лучи мощностью 1 мВт с длиной волны 850 нм, шириной импульса 0,3 мс и частотой повторения 1 кГц. Второй план измерений может определять излучение лазеров 19, 21, 23 мощностью 1,9 мВт с длиной волны 850 нм, шириной импульса 3 мс и частотой повторения 10 Гц. Объединение обоих планов измерений на одном наборе лазеров запрещено требованиями безопасности для глаз, но в случае пространственного разделения оптических измерительных каналов их объединение разрешено. Благодаря применению второго плана измерений надежность измерений может быть значительно повышена в наихудших условиях распространения сигнала, поскольку в этом плане сочетается более длительное измерение с более высокой мощностью оптического излучения.
Кроме того, предпочтительно, чтобы блок определения доплеровской частоты содержал более трех лазеров с разными направлениями излучения, где блок определения скорости приспособлен для использования первого поднабора лазеров для определения первой линейной скорости и для использования второго поднабора лазеров для определения второй линейной скорости. Геометрическую конфигурацию разных виртуальных датчиков можно выбрать таким образом, чтобы вектор линейной скорости, измеряемый разными виртуальными датчиками, оказался чувствительным или не чувствительным к угловому положению кузова транспортного средства. Например, конфигурация с азимутальными углами, определенная в уравнении (8),
чувствительна к изменению угла крена, но не чувствительна к изменению угла тангажа, в то время как конфигурация с азимутальными углами, определяемая уравнением (9),
чувствительна к изменению угла тангажа, но не чувствительна к изменению угла крена. Таким образом, выбирая правильную угловую конфигурацию виртуальных датчиков и математически манипулируя по отдельности измеренными векторами линейной скорости, можно вычислить угловые координаты и скорости, то есть угловые положения и угловые скорости кузова транспортного средства. Другим путем измерения угловых координат и угловой скорости является конфигурирование более простых виртуальных датчиков, которые могут непосредственно измерять угловую координату. Например, двухлазерный датчик с конфигурацией согласно уравнению (10) будет способен непосредственно измерять угол тангажа корпуса транспортного средства:
Предпочтительно, чтобы блок определения скорости был приспособлен для определения угловой скорости объекта на основе определенных первой и второй линейных скоростей. В частности, блок определения скорости приспособлен для определения по меньшей мере одного из: угла и/или скорости рыскания, угла и/или скорости крена и угла и/или скорости тангажа в качестве угла поворота или угловой скорости. Лазеры для формирования первого поднабора и второго поднабора могут выбираться в динамическом режиме. Первый поднабор лазеров и второй поднабор лазеров можно рассматривать как два виртуальных датчика. Блок определения скорости предпочтительно приспособлен для переключения с первого поднабора лазеров на второй поднабор лазеров и обратно, так что первую линейную скорость и вторую линейную скорость определяют последовательно и многократно, причем угловую скорость объекта определяют на основе последовательно и многократно определяемых первой и второй линейных скоростей. Поскольку первый поднабор лазеров и второй поднабор лазеров разные, направление по меньшей мере одного лазерного луча, то есть направление частоты первого поднабора лазеров, отличается от какого-либо из направлений лазерного луча из второго поднабора лазеров. Таким образом, угловое перемещение объекта, такое как рысканье, тангаж или крен, в общем случае вызывает изменение линейных скоростей по меньшей мере в одном из направлений скорости. Блок определения скорости может быть приспособлен для определения угловой скорости на основе появившегося различия.
Соотношение между этим различием и угловой скоростью можно определить, используя простые математические рассуждения или калибровочные измерения, при которых измеряется указанное различие при известной угловой скорости. Блок определения скорости предпочтительно приспособлен для определения угловой скорости на основе указанного, действительно измеренного различия и определенных соотношений между угловыми скоростями и различиями линейных скоростях. В процедуре инициализации можно определить угловое положение транспортного средства, где во время управления транспортным средством действительное угловое положение можно определить на основе изначально определенного или заранее определенного углового положения и определенной угловой скорости. В предпочтительном варианте углы, определяющие угловое положение транспортного средства, изначально установлены в нуль.
Предполагается, что транспортное средство представляет собой жесткую конструкцию, так что локальная скорость
(x, y, z), которую измеряют в точке (x, y, z), можно определить как сумму вектора скорости
(x, y, z) центра масс транспортного средства и ротора относительно центра масс согласно следующему уравнению:
<mover accent="true"><mi>R</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>R</mi><mo>→</mo></mover>
где
- вектор вращения, величина которого пропорциональна величине угловой скорости, а направление перпендикулярно плоскости поворота, а
- соединительный вектор между точкой x, y, z и центром масс. Блок измерения доплеровской частоты может быть приспособлен для измерения доплеровских частот по меоньшей мере для двух разных точек, где блок определения скорости мжет быть приспособлен для определения скорости транспортного средства, по меньшей мере в этих двух разных точках, и для определения вектора
поворота на основе скоростей, определенных по меньшей мере в этих двух разных точках и на основе уравнения (12).
Для определения виртуальных датчиков, в частности, в режиме реального времени можно выбрать и сгруппировать отдельные поднаборы каналов, то есть отдельные лазеры, излучающие лазерные лучи в разных направлениях частоты. Более подробно это описывается ниже со ссылками на фиг.9.
На фиг.9 схематически показана примерная компоновка лазеров 30…35, излучающих лазерный свет в различных направлениях 36…41 частоты, для измерения доплеровских частот в этих направлениях 36…41 частоты. Например, можно сформировать два следующих поднабора: первый поднабор с лазерами 30, 31, 32 и второй поднабор с лазерами 33, 34, 35. Оба этих поднабора можно рассматривать как два отдельных пространственно разделенных виртуальных датчика. Доплеровские частоты, измеренные с использованием лазеров из соответствующего поднабора, можно использовать для определения трехмерного вектора скорости для каждого из двух отдельных датчиков, определенных указанными первым и вторым поднаборами. Два трехмерных вектора скорости можно использовать для вычисления дополнительных параметров динамики транспортного средства, таких как угол рысканья, угол крена и/или угол тангажа. Как уже упоминалось выше, эти виртуальные датчики можно динамически реконфигурировать. Например, в первой конфигурации первый поднабор может содержать лазеры 30, 31, 32, а второй поднабор может содержать лазеры 33, 34, 35, а во второй конфигурации первый поднабор может содержать лазеры 30, 33, 34, а второй поднабор может содержать лазеры 31, 32, 35.
Виртуальные датчики могут совместно использовать одни и те же аппаратные и программные ресурсы для обработки сигналов, чтобы уменьшить сложность датчиков.
Хотя в вариантах изобретения, описанных выше со ссылками на фиг.1-4, блок измерения доплеровской частоты содержит только три лазера для измерения доплеровских частот в трех направлениях частоты, вариант, описанный со ссылками на фиг.1-4, может также содержать более трех лазеров для измерения доплеровской частоты по более чем трем направлениям частоты.
Хотя в вышеописанных вариантах изобретения лазеры использовались для оптического измерения доплеровской частоты, в других вариантах могут быть использованы другие средства для измерения доплеровской частоты другим путем. Например, доплеровскую частоту можно определить акустическими методами путем использования акустических датчиков для посылки акустических волн и их приема. Например, для акустического измерения доплеровских частот можно использовать ультразвуковые преобразователи.
Хотя в вышеописанных вариантах доплеровская частота определялась оптическими методами с использованием способа интерференционного самосмешения, доплеровскую частоту, как возможный вариант, можно также определить путем использования другого оптического способа типа радиационной интерферометрии.
Хотя на фиг.1 в качестве транспортного средства показан автомобиль, транспортным средством может также быть велосипед, мотоцикл, грузовой автомобиль, поезд, корабль, лодка, самолет и т.д., либо другой подвижный объект.
Хотя в вышеописанном варианте изобретения определенная скорость посылается на дисплей для ее отображения человеку, вдобавок или в качестве альтернативы блок определения скорости может быть приспособлен для пересылки определенной скорости на другой блок, такой как антиблокировочный блок, блок электронного контроля устойчивости, блок адаптивного круиз-контроля, блок автоматической парковки и т.д.
Специалисты в данной области техники смогут предложить другие возможные версии раскрытых здесь вариантов изобретения при практической реализации заявленного изобретения на основе изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и употребление элементов в единственном числе не исключает их множества.
Один блок или устройство может полностью выполнять функции нескольких объектов, перечисленных в формуле изобретения. То обстоятельство, что некоторые показатели перечислены в попарно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что нельзя будет успешно использовать ту или иную комбинацию этих показателей.
Вычисления и определения, такие как вычисление доплеровской частоты, вычисление скорости, определение того, соблюдается ли условие точности, и т.д., выполняемые одним или несколькими блоками или устройствами, могут выполняться любым другим количеством блоков или устройств. Вычисления и определения и/или управление устройством определения скорости согласно упомянутому способу определения скорости могут быть реализованы средством программного кода и/или специализированными аппаратными средствами.
Компьютерная программа может храниться/распределяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, поставляемый вместе или в качестве части другого аппаратного обеспечения, а также может распределяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.
Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничение объема изобретения.
Изобретение относится к устройству определения скорости для определения скорости объекта. Блок измерения доплеровской частоты приспособлен для измерения доплеровских частот по меньшей мере в трех разных направлениях частоты, где блок вычисления доплеровской частоты приспособлен для вычисления доплеровской частоты для направления вычисляемой частоты, подобного одному из по меньшей мере трех разных направлений частоты, в зависимости от доплеровских частот, измеренных по меньшей мере для двух дополнительных направлений частоты из числа по меньшей мере трех различных направлений частоты. Затем можно определить скорость в зависимости от вычисленной доплеровской частоты и измеренных доплеровских частот. Поскольку в направлении вычисляемой частоты для определения скорости измеренная доплеровская частота не нужна, можно также надежно определить скорость в направлении вычисляемой частоты даже в том случае, если измерение доплеровской частоты в этом направлении вычисляемой частоты подвергается искажению.