Способ испытаний систем обнаружения препятствий автотранспортных средств в условиях воздействия электромагнитного поля
METHOD FOR TESTING SYSTEMS FOR DETECTING OBSTACLES INSTALLED IN VEHICLES UNDER THE INFLUENCE OF AN ELECTROMAGNETIC FIELD

Изобретение относится к электромагнитным испытаниям бортовых систем обнаружения препятствий мобильных объектов, в частности - автотранспортных средств (АТС), к воздействию электромагнитного поля (ЭМП), и может быть использовано для проверки работоспособности (помехоустойчивости) бортовых радаров* и сонаров** при воздействии на них электромагнитных помех.
* - Радáр - англ. от Radio Detection and Ranging - в общем случае, система обнаружения объектов, определения их геометрических параметров и удаленности посредством электромагнитных волн радиодиапазона.
** - Сонáр - англ. от Sound Navigation and Ranging - в общем случае, система обнаружения объектов, определения их геометрических параметров и удаленности посредством волн ультразвукового диапазона.
Современные мобильные объекты все чаще снабжаются системами технического зрения, функционирующими во все более сложных и изменяющихся условиях среды, окружающей мобильный объект. Системы технического зрения могут содержать используемые в любой совокупности и по-отдельности: - видео камеры, работающие в инфракрасной или видимой области спектра электромагнитного излучения, радары, сонары, лидары***, а также лидарные камеры, в том числе с круговым обзором.
*** - Лидáр - англ. Light Detection and Ranging - в общем случае, система обнаружения объектов, определения их геометрических параметров и удаленности посредством волн оптического диапазона.
Использование видеокамер предполагает высокую вычислительную нагрузку на аппаратную часть системы технического зрения, связанную с задачами обработки изображения от одной или нескольких камер, а также определения пространственного расположения препятствия (препятствий) относительно мобильного объекта, что обуславливает относительно высокие стоимость, энергопотребление и массу аппаратного обеспечения системы.
4
Для мобильных объектов, поставленных в жесткие рамки по массогабаритным показателям, стоимости и энергопотреблению, система технического зрения, в ряде случаев, может быть низведена до уровня системы обнаружения препятствия (препятствий) - ограничена, без ущерба для эксплуатационных качеств мобильного объекта, минимально - функцией выявления препятствия в зоне* внимания или максимально - функцией выявления препятствия в зоне внимания и определения, в пределах зоны внимания, дистанции до препятствия. Указанные функции могут быть реализованы применением относительно дешевых датчиков присутствия / пространства / препятствия (встречающиеся в источниках информации варианты наименований) - световых (инфракрасных или лазерных), радио и ультразвуковых дальномеров, выявляющих, в минимизированном варианте, наличие препятствия в зоне внимания, а во втором случае и определяющих дистанцию до препятствия.
4
* - зона пространства на пути движения мобильного объекта или на пути возможного/предполагаемого движения мобильного объекта при изменении траектории его движения - ограниченно наблюдаемый или не доступный, в том числе временно, для визуального наблюдения («мертвая» зона) участок внешнего, относительно мобильного объекта, пространства, где возможно появление препятствия, и/или опасная дистанция между мобильным объектом и препятствием (при его наличии), в пределах которой, при несоблюдении мобильным объектом условий движения, ограничиваемых текущим состоянием среды, окружающей мобильный объект, вероятно столкновение мобильного объекта с препятствием.
Исходя из климатических условий эксплуатации мобильных объектов, способности датчиков при внешнем загрязнении выполнять возложенные на них задачи, геометрических характеристик зон обнаружения датчиков, чувствительности датчиков, разнообразия физических свойств объектов, с которыми требуется предотвратить нежелательное столкновение мобильного объекта, массогабаритных показателей, энергопотребления и стоимости аппаратуры систем технического зрения, а также интегрируемой с системой технического зрения аппаратуры управления мобильным объектом (для автоматизированных или полу автоматизированных мобильных объектов) или аппаратуры отображения информации о наличии препятствия или о наличии препятствия и дистанции до него (для мобильных объектов с ручным или полуавтоматическим управлением) в легковом (массовом) автомобилестроении, в настоящее время, наибольшее применение нашли системы обнаружения препятствия, сформированные с использованием радио и звуковых датчиков присутствия / пространства / препятствия (далее датчиков препятствия).
Из статьи Г.Р. Мардоян, Р.И. Симонян, Н.А. Карпов, Н.А. Пронин, С.Ю. Метелев «Современные подходы к испытанию систем ADAS на всех этапах разработки». Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород. - НГТУ. - 2018. - №4 (123). - С.233-242, известен способ испытаний ADAS (англ. Advanced Driver Assistance Systems - передовых систем помощи водителю), в частности систем обнаружения препятствий АТС, в котором радары, камеры и лидары, по отдельности и комплексно, проверяются в составе специализированного аппаратно-программного комплекса, тестирующего взаимодействие указанных систем по различным программным сценариям. Испытания проводятся в лаборатории до проведения тестов в составе АТС, что позволяет выявлять ошибки в работе систем на раннем этапе разработки.
Недостатком данного способа является отсутствие проверки систем обнаружения препятствий в составе АТС в приближенных к реальным условиях и в совокупности с воздействием на АТС ЭМП, что не позволяет оценить помехозащищенность и определить уровни помехоустойчивости указанных систем и, соответственно, не позволяет их оценить с позиции электромагнитной безопасности.
Из Правил № 10 ЕЭК ООН, 2008 г., «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении электромагнитной совместимости» [Текст] (добавление 9, пересмотр 3) известен способ испытаний бортовых систем электрооборудования АТС на устойчивость к воздействию ЭМП при реализации которого испытуемое АТС, оснащенное испытуемыми системами, располагают в камере, преимущественно защищенной от внешних факторов, и подвергают воздействию высокочастотного ЭМП с заданными параметрами, создаваемого внешними поле образующими устройствами (антеннами или полосковыми системами). Проверку работоспособности бортовых систем электрооборудования осуществляют в режиме имитации ездового цикла АТС с движением вперед на скорости 50 км/ч в совокупности с процессом воздействия ЭМП, создаваемым внешними поле образующими системами.
Недостатком данного способа является отсутствие проверки систем обнаружения препятствий на восприимчивость к ЭМП при наличии препятствия, расположенного в зоне видимости датчика препятствия, что исключает возможность оценки надежности функционирования систем обнаружения препятствия под воздействием ЭМП в период времени их работы.
За прототип предлагаемого изобретения принят известный из книги Николаев П.А. Электромагнитная совместимость автотранспортных средств [Текст] / Николаев П.А., Кечиев Л.Н. / Под ред. Л.Н. Кечиева. - М.: Грифон, 2015. - 424 с. - (Библиотека ЭМС) способ испытаний при реализации которого проверяемое АТС, оснащенное испытуемой системой (в частности, в книге рассматривается система обнаружения препятствий при парковке, содержащая ультразвуковой датчик препятствия), располагают на роликовом стенде (симуляторе) камеры, преимущественно защищенной от внешних факторов, например, электромагнитной безэховой камеры (БЭК) или камеры поперечных волн (ТЕМ), и подвергают воздействию высокочастотного ЭМП с заданными параметрами, создаваемого внешними, относительно АТС, полеобразующими устройствами (антеннами или полосковыми системами). Функционирование тестируемой системы проверяют в процессе воздействия ЭМП, создаваемого внешними полеобразующими устройствами.
При этом, перед началом испытаний системы обнаружения препятствий в зону обзора датчика препятствия устанавливают имитатор препятствия высотой не более 20 см, сформированный из диэлектрического материала, а тестирование системы выполняют в процессе имитации движения АТС в диапазоне скоростей от 0 до 5 км/ч. В условиях воздействия ЭМП испытуемая система должна обнаруживать имитатор препятствия и сигнализировать о его наличии.
Недостатками данного способа являются:
- Отсутствие проверки работоспособности систем обнаружения препятствий в режиме сканирования «мертвых» зон АТС, т. е. при имитации движения АТС со скоростями свыше 5 км/ч.
- Невозможность проверки радарных систем обнаружения препятствий.
- отсутствие проверки систем обнаружения препятствий на реакционную способность в отношении одиночного препятствия больших размеров, а также в отношении группы препятствий различных, в том числе и больших, размеров.
Задачей изобретения является создание способа проверки бортовых систем обнаружения препятствий АТС, содержащих радио и/или акустические датчики препятствия, на способность обнаружения одиночных и групповых препятствий различных размеров, в широком диапазоне скоростей движения АТС в условиях воздействия внешнего ЭМП.
Указанная задача решается в способе испытаний систем обнаружения препятствий, заключающемся в размещении АТС, оснащенного бортовой системой обнаружения препятствий, в электромагнитной безэховой камере (БЭК) или камере поперечных волн (ТЕМ) на роликовом симуляторе, в размещении в зоне обзора датчика препятствия АТС имитатора препятствия, в последующем воздействии на АТС высокочастотного ЭМП с заданными параметрами, создаваемого внешними, относительно АТС, полеобразующими устройствами (антеннами или полосковыми системами), и проверке контекстуальной работоспособности системы обнаружения препятствий в условиях воздействии на АТС высокочастотного ЭМП.
Технический результат достигается тем, что:
1. Перед началом испытаний на устойчивость к воздействию высокочастотного ЭМП в зону обзора заданного условиями теста датчика препятствия системы обнаружения препятствий АТС устанавливают, как минимум один имитатор препятствия, выполненный в виде металлического уголкового отражателя с треугольными, секторальными или квадратными гранями.
2. Максимальные геометрические размеры используемого в тесте уголкового отражателя выбирают исходя из частотных характеристик тестируемого датчика препятствия и минимальных геометрических параметров объектов (целей) обнаружения, характеризующихся соответствующими параметрами отражения:
- для уголкового отражателя с треугольными гранями величина внутренних ребер отражателя выбирается из условия
;
- для уголкового отражателя с квадратными гранями величина внутренних ребер отражателя выбирается из условия
;
- для уголкового отражателя с секторальными гранями величина внутренних ребер отражателя выбирается из условия
,
где λ - длина волны излучения датчика препятствия тестируемой системы обнаружения препятствий АТС;
σ - эффективная площадь рассеяния наименьших по величине объектов (целей), геометрические размеры которых обеспечивают обнаружение объекта (цели) системой.
3. Перед началом испытаний на воздействие высокочастотного ЭМП
проверяют целевую функцию системы обнаружения препятствий в заданной, тестируемым датчиком препятствия, зоне обзора, при этом значение целевой функции должно однозначно указывать на наличие в упомянутой зоне обзора имитатора/имитаторов препятствия:
1
2
i
n
F(x, x, x…, x) = 1, где
i
x - соответствующие тесту имитаторы препятствия.
4. Затем АТС, с принятой в предшествующем опыте конфигурацией расположения имитатора/имитаторов препятствия, подвергают воздействию высокочастотного ЭМП с заданными параметрами, создаваемого внешними, относительно АТС, полеобразующими устройствами и в процессе испытаний проверяют целевую функцию системы обнаружения препятствий в зоне обзора тестируемого датчика препятствия в условиях воздействия высокочастотного ЭМП, значение которой также однозначно должно указывать на наличие в упомянутой зоне обзора имитатора/имитаторов препятствия:
эмп
1
2
i
n
F(x, x, x…, x) = 1,
5. Тестированию подвергают все зоны обзора системы обнаружения препятствий АТС, по результатам тестов делают заключение о помехоустойчивости системы.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1, где проиллюстрированы испытания по обнаружению и сопровождению, методом радиозондирования, расположенного перед АТС одиночного имитатора препятствия; позициями обозначены: 1 - испытательная камера (показана электромагнитная безэховая камера); 2 - АТС; 3 - полеобразующее устройство (показана); 4 - роликовый стенд; 5 - радиочастотный датчик препятствия (датчик головного обзора), включающий в себя передатчик и приемник головного обзора системы обнаружения препятствий; 6 - имитатор препятствия (уголковый отражатель - имитатор расположенного перед АТС одиночного препятствия); 7 - электромагнитная волна, излучаемая датчиком головного обзора в сторону имитатора препятствия; 8 - электромагнитная волна, отраженная от имитатора препятствия в сторону датчика головного обзора.
Фиг. 2, где проиллюстрированы испытания по обнаружению и сопровождению, методами радио и ультразвукового зондирования группы имитаторов препятствий; позициями обозначены: 9 - ультразвуковой датчик препятствия (датчик бокового обзора), включающий в себя акустические передатчик и приемник бокового обзора системы обнаружения препятствий; 10 - имитатор препятствия (уголковый отражатель - имитатор одиночного препятствия, расположенного сбоку или сбоку и сзади от АТС); 11 - акустическая (ультразвуковая) волна, излучаемая датчиком бокового обзора в сторону имитатора препятствия; 12 - акустическая (ультразвуковая) волна, отраженная от имитатора препятствия в сторону датчика бокового обзора.
Фиг. 3, где проиллюстрированы испытания по обнаружению и сопровождению, методом акустического (ультразвукового) зондирования, одиночного имитатора препятствия, расположенного сбоку и сзади от АТС.
Фиг. 4, где проиллюстрированы испытания по обнаружению и сопровождению, методом акустического (ультразвукового) зондирования, одиночного имитатора препятствия, расположенного сзади от АТС; позициями обозначены: 13 - датчик препятствия (датчик заднего обзора), включающий в себя акустические (ультразвуковые) приемник и передатчик заднего обзора системы обнаружения препятствий; 14 - акустическая (ультразвуковая) волна, излучаемая датчиком заднего обзора в сторону имитатора препятствия; 15 - акустическая (ультразвуковая) волна, отраженная от имитатора препятствия в сторону датчика заднего обзора; 16 - расположенный сзади от АТС имитатор препятствия).
Фиг. 5, где проиллюстрированы варианты применяемых имитаторов препятствия: 17 - уголковый отражатель с треугольными гранями; 18 - уголковый отражатель с секторными гранями; 19 - уголковый отражатель с квадратными гранями.
Изобретение может быть реализовано в испытательной камере 1 (электромагнитной безэховой, ТЕМ или реверберационной), содержащей в своем составе расположенные в камере симулятор - роликовый стенд 4 и полеобразующее устройство (излучающую ЭМП антенну 3 или полосковую систему), в которой, на период испытаний, на симуляторе размещено АТС 2, оснащенное системой обнаружения препятствий. Помимо указанного, испытательная камера выполнена оснащенной, например, усилителями мощности ЭМП, генераторами сигналов, компьютером и соответствующим программным обеспечением, входящими в конфигурацию испытательного комплекса - являются необходимым оснащением камеры, не имеющим прямого отношения к заявляемому решению, поэтому детально не рассматриваются.
Для реализации заявляемого способа испытательную камеру оснащают имитатором/имитаторами препятствия - обозначены позициями 6, 10, 16, любой их которых выполнен в виде уголкового отражателя с треугольными, секторальными или квадратными гранями. Каждый из имитаторов препятствия размещают вне АТС 2 в зоне обзора тестируемого датчика препятствия АТС - обозначены позициями 5, 9, 13.
Максимальные геометрические размеры используемого в тесте имитатора препятствия выбирают исходя из частотных характеристик тестируемого датчика препятствия и минимальных геометрических параметров объектов (целей) обнаружения, характеризующихся соответствующими параметрами отражения:
- для имитатора препятствия, выполненного в виде уголкового отражателя с треугольными гранями, величина внутренних ребер отражателя выбирается из условия
;
- для имитатора препятствия, выполненного в виде уголкового отражателя с квадратными гранями, величина внутренних ребер отражателя выбирается из условия
;
- для имитатора препятствия, выполненного в виде уголкового отражателя с секторальными гранями, величина внутренних ребер отражателя выбирается из условия
,
где λ - длина волны излучения передатчика, входящего в состав датчика препятствия тестируемой системы обнаружения препятствий АТС;
σ - эффективная площадь рассеяния наименьших по величине объектов (целей), геометрические размеры которых обеспечивают обнаружение объекта (цели) системой.
2
2
При реализации заявляемого способа применяют выполненные из метала уголковые отражатели, параметры отражения которых идентичны отражающим параметрам реальных препятствий - характерная для АТС эффективная площадь рассеяния - σ обычно находится в диапазоне 7-30 м, а для человека 0,08 м.
Для имитатора препятствия, обеспечивающего проверку работоспособности радиочастотного датчика препятствия (датчика головного обзора) системы обнаружения препятствий АТС, работающего в диапазоне 24 ГГц:
2
- Величина внутренних ребер уголкового отражателя с квадратными гранями, для случая имитации впереди двигающегося или стоящего автомобиля с эффективной площадью рассеяния 30 м, будет равна 11см;
2
- Величина внутренних ребер уголкового отражателя с квадратными гранями, для случая имитации впереди идущего или стоящего человека с эффективной площадью рассеяния σ =0,08 м, будет иметь размер 2,4 см.
2
Для имитатора препятствия, обеспечивающего проверку работоспособности ультразвуковых датчиков препятствия (датчиков бокового или заднего обзора) с несущей частотой 58 кГц, величины внутренних ребер уголковых отражателей с квадратными гранями, в случаях имитации ими объектов обнаружения с площадями рассеяния - σ, равными 30 и 0,08 м, будут иметь, соответственно, размеры 7 см и 1,6 см.
С практической позиции - целесообразно применение уголковых отражателей с величинами внутренних ребер равными 2,4 см, т.к. имитаторы препятствия с такими геометрическими параметрами выполняют свое функциональное назначение как в радио, так и в акустическом диапазонах. При этом, в силу малых размеров, такие имитаторы препятствия не вносят значительной погрешности в однородность воздействующего ЭМП.
Согласно изобретения АТС 2 устанавливают в испытательной камере 1 на роликовый стенд 4 и ориентируют его относительно полеобразующей системы, например, излучающей ЭПМ антенны 3 согласно заданным регламентом испытаний требованиям на их взаимное расположение. Имитатор / имитаторы препятствия устанавливают в зоне / зонах обзора заданного /заданных этапом тест-плана испытаний датчика / датчиков препятствия системы обнаружения препятствий АТС таким образом, чтобы система обнаружения препятствий определяла каждый из установленных имитаторов препятствия.
Перед началом испытаний на помехоустойчивость задают режим работы АТС, контекстуально связанный с заданным этапом теста режимом работы системы определения препятствий - в общем случае - имитируют движение АТС вперед или назад, с заданной тест-планом скоростью, и проверяют значение целевой функции обнаружения имитатора/имитаторов препятствия, которое должно быть равно 1, что в соответствии с физическим смыслом означает обнаружение всех препятствий (целей):
1
2
i
n
F(x, x, x…, x) = 1, где
i
x - соответствующие тесту имитаторы препятствия.
Затем АТС, с достигнутой в предшествующем опыте конфигурацией расположения имитатора / имитаторов препятствия, подвергают воздействию высокочастотного ЭМП с заданными (частота, длительность, период, модуляция и амплитуда) параметрами, формируемому полеобразующим устройством, например, излучающей ЭМП антенной.
В процессе испытаний на помехоустойчивость системы обнаружения препятствий проверяют целевую функцию системы обнаружения имитатора / имитаторов препятствия в зоне/зонах обзора тестируемого/тестируемых датчика/датчиков препятствия в условиях воздействия высокочастотного ЭМП, значение которой также однозначно должно указывать на наличие в упомянутой зоне обзора имитатора / имитаторов препятствия:
1
2
i…
n
Fэмп(x, x, x, x) = 1
Тестированию поэтапно (раздельно или комплексно) подвергают все зоны обзора системы обнаружения препятствий АТС и по результатам тестов делают заключение о помехоустойчивости системы.
Критерием успешного прохождения тестов является неизменность значения целевой функции, которое должно быть равно 1.
Предлагаемый в изобретении способ испытаний позволяет производить тесты перспективных современных систем обнаружения препятствий АТС на устойчивость к воздействию электромагнитных полей в приближенных к реальным, лабораторных условиях, оценивать помехозащищенность и помехоустойчивость указанных систем, а в случае несоответствия нормативным требованиям производить их соответствующую доработку.