Устройство измерения скорости наземного транспортного средства
DEVICE FOR MEASURING SPEED OF GROUND VEHICLE

Изобретение относится к области навигации наземных транспортных средств (НТС) и может быть использовано в автономных системах наземной навигации, в которых для определения пройденного расстояния НТС с высокой точностью применяется комплексирование нескольких измерителей скорости (расстояния).
Комплексные навигационные системы (КНС) вследствие имеющейся в них избыточной информации, наличия соответствующих корректирующих средств и автоматической обработки избыточной информации обладают точностью выше, чем любой из измерителей в отдельности.
Известно множество реализаций КНС для наземных транспортных средств, в которых для определения пройденного пути используются измерители, основанные на различных физических принципах определения параметров движения: механический датчик пути/скорости (МДП/МДС), доплеровский датчик скорости (ДДС), измерители линейных ускорений (акселерометры), корреляционно-экстремальные измерители скорости и др.
Необходимо отметить, что в большинстве случаев конструктивно существующие в настоящее время МДП и МДС весьма близки, разница между ними состоит лишь в принятом алгоритме обработки их выходных сигналов. Так количество импульсов на выходе МДП пропорционально пройденному НТС расстоянию, а количество импульсов на выходе МДП в единицу времени - пропорционально скорости НТС.
Известен также оптоэлектронный датчик скорости (ОЭДС) [1]. Принцип его работы основан на измерении времени задержки τ появления электрических сигналов (импульсов) на выходах первого и второго каналов ОЭДС, на выходы которых (оптоэлектронные матрицы) поступают отраженные от дорожного покрытия, освещаемого микропрожектором, световые потоки Φ(t) и Φ(t+τ).
Оптоэлектронные матрицы установлены на НТС и разнесены в пространстве на строго определенное расстояние  друг относительно друга в продольном направлении по ходу движения НТС. Тогда скорость V движения НТС может быть определена в соответствии с формулой:
Основное отличие принципа действия ОЭДС от других близких по принципам измерения скорости, например, от корреляционно-экстремальных измерителей скорости [2] заключается в том, что оценивается не вся совокупность сигналов на выходах обоих каналов ОЭДС, а лишь отдельные, характерные импульсы, имеющие достаточно большие амплитуды отраженных импульсов.
Известно устройство для измерения расстояния НТС как составная часть системы наземной навигации, в котором при измерении пройденного расстояния комплексируются механический и два доплеровских датчика скорости [3]. Причем МДС используется при малых скоростях движения НТС, когда ДДС дают большую погрешность при измерении скорости.
Наиболее близким по технической сущности изобретением (прототипом) является устройство для измерения расстояния, пройденного автомобилем [4], которое осуществляет коррекцию масштабного коэффициента механического датчика пути на основе анализа не всей совокупности импульсов, поступающих с выхода оптоэлектронного датчика скорости, а лишь характерные импульсы, выделяемые в прогнозируемые интервалы времени с помощью механического датчика скорости.
Данное устройство для измерения расстояния, пройденного автомобилем, содержит механический датчик скорости, генератор импульсов, связанный по выходу со счетчиком импульсов, триггер, выход которого связан с первым входом счетчика импульсов, а второй вход счетчика связан с выходом генератора импульсов, оптоэлектронный датчик скорости, интегратор и логическую схему, связанную своим выходом с первым входом триггера, второй вход которого соединен со вторым выходом оптоэлектронного датчика скорости, первый выход которого подключен ко второму входу схемы И, первый вход которой связан со вторым выходом вычислительного устройства, а первый его выход подключен к первому входу оптоэлектронного датчика скорости, на второй и третий входы которого поступает входные сигналы, выход же счетчика связан со вторым входом вычислительного устройства, первый вход которого связан с выходом механического датчика скорости, а третий выход вычислительного устройства связан со входом интегратора.
Признаками данного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются: закрепленный на колесе датчик пути/скорости и вычислительное устройство.
Недостатком данного устройства является следующее. При использовании двух измерителей скорости основного и дополнительного, осуществляют непрерывное измерение скорости движения объекта основным (МДС) и периодические измерения с высокой точностью дополнительным измерителем (ОЭДС) и при этом используют измерение времени задержки сигнала второго канала относительно первого высокоточным измерителем в определенных границах временных интервалов, предварительно определяемых менее точным измерителем скорости. Причем периодичность измерений высокоточным измерителем определяют на основе сравнения уровней сигналов второго канала высокоточного измерителя относительно первого канала и при их расхождении, превышающем пороговый уровень, отключают более высокоточный измеритель.
Однако в реальных условиях функционирования транспортного средства (наличие на дорожном покрытии воды, льда, свежего снега, воды со льдом и т.п., разность в естественной освещенности участка дорожной поверхности под первым и вторым чувствительным элементом ОЭДС, а также запыленности между ОЭДС и дорожным покрытием) только сравнения уровней сигналов второго канала высокоточного измерителя относительно первого канала и при их расхождении, превышающем пороговый уровень, отключения более высокоточного измерителя недостаточно для достоверного определении скорости движения НТС.
Технической задачей предлагаемого устройства является повышение точности и достоверности измерения скорости движения наземного транспортного средства.
С этой целью в предлагаемом устройстве в качестве дополнительно измерителя параметров движения НТС используются четыре канала измерения ОЭДС (фиг. 1). Каждый канал измерения состоит из пяти оптоэлектронных чувствительных элементов (фототранзисторов).
Таким образом, на выходе каждого канала измерения ОЭДС присутствует сигнал, содержащий информацию не об одной неоднородности, а об области неоднородностей, за счет чего повышается достоверность определения момента времени прохождения НТС над одной и той же неоднородностью разными каналами ОЭДС по сравнению с прототипом.
Так, например, область неоднородности третьим каналом определяется с учетом возможных флуктуаций сигнала на выходе оптоэлектронных чувствительных элементов первого и третьего каналов, связанных с изменением светопроницаемости воздушной среды (туман, водяная взвесь, пыль и т.п.) во время движения НТС и собственными шумами оптоэлектронных чувствительных элементов. В основе данного способа лежит принцип сохранения пропорциональности отношения значения сигналов на выходе всех пар одноименных оптоэлектронных чувствительных элементов первого и третьего ряда.
В случае отличия значений сигналов на выходе используемых оптоэлектронных чувствительных элементов первого и третьего ряда, но сохранения пропорциональности отношения значения сигналов на выходе всех пар используемых оптоэлектронных чувствительных элементов, считается, что под третьим рядом оптоэлектронных чувствительных элементов в текущий момент времени, находится та же область неоднородностей, что в предыдущий момент времени находилась под первым рядом оптоэлектронных чувствительных элементов.
В случае отсутствия пропорциональности отношения значения сигналов на выходе всех пар используемых оптоэлектронных чувствительных элементов, считается, что условия работы ОЭДС неблагоприятные. Для повышения надежности работы ОЭДС в неблагоприятных условиях, используется информационная избыточность, введенная в ОЭДС. Так измерения начинают проводиться одновременно по двум разным неоднородностям, между двумя парами рядов оптоэлектронных чувствительных элементов соответственно 1 и 2, 3 и 4.
После определения области неоднородности вторым каналом, отстоящим от первого на базу, определяется скорость движения НТС.
В процессе определения скорости движения НТС, проводится контроль точности измерений в каждой паре каналов ОЭДС.
Способ контроля точности на примере первого и второго каналов ОЭДС, выглядит следующим образом. В результате произведенных n измерений в каждой серии измерений за короткий отрезок времени, в течение которого скорость движения НТС меняется незначительно (отрезок времени в несколько мс), определяется среднее значение скорости, а также среднеквадратические значения разбросов текущих значений скорости от их средних значений. При разности полученных среднеквадратических значений сигналов на выходах первого и второго каналов ОЭДС, превышающих пороговое значение происходит отбраковка рассчитанного значения средней скорости движения НТС для данной пары каналов.
При условии положительного контроля точности по всем парам каналов ОЭДС среднее значение скорости ОЭДС, определяется как среднее арифметическое средних значений скоростей всех пар каналов ОЭДС, таким образом, повышая итоговую точность определения скорости НТС.
В случае отрицательного результата контроля точности по одной паре каналов из трех возможных пар, среднее значение скорости пары каналов с отрицательным результатом контроля точности отбраковывается.
В случае отрицательного результата контроля точности по двум парам каналов из трех возможных или по всем парам каналов, результаты измерения скорости НТС отбраковываются и для подкалибровки МДС используются следующие значения измерений, полученных с помощью ОЭДС.
Таким образом, в предлагаемом способе по сравнению с прототипом высокоточный измеритель дополнен еще двумя измерительными каналами, причем каждый канал представляет собой ряд нескольких оптоэлектронных чувствительных элементов, идентифицирующих области неоднородностей; в случае идентификации одной и той же области неоднородностей одновременно двумя, тремя или всеми каналами при наличии пропорциональности отношения значения сигналов всех пар одноименных оптоэлектронных чувствительных элементов соответствующих измерительных каналов, уточняется с разной степенью точности масштабный коэффициент основного измерителя, а в случае идентификации неоднородности только одним каналом высокоточный измеритель переходит в режим одновременной идентификации двух разных областей неоднородностей, находящихся в поле зрения измерительных каналов высокоточного измерителя, после успешной идентификации одной или одновременно двух, из которых также уточняется масштабный коэффициент основного измерителя, в случае же идентификации только одной неоднородности только одним каналом, либо снижения точности определения масштабного коэффициента основного измерителя ниже заданного уровня, корректировка масштабного коэффициента основного датчика временно блокируется и возобновляется через установленный интервал времени.
Устройство для определения скорости НТС содержит механический датчик скорости, вычислительное устройство и отличается тем, что введены четыре ряда оптоэлектронных элементов выходы которых соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока идентификации и поиска неоднородностей, с пятым входом блока идентификации и поиска неоднородностей соединен первый выход вычислительного устройства, с шестым входом блока идентификации и поиска неоднородностей соединен первый выход блока контроля каналов, а с седьмым входом блока идентификации и поиска неоднородностей соединен первый выход блока определения скорости, выходы блока идентификации и поиска неоднородностей с первого по четвертый соединены с входами два, три, четыре и пять запоминающего устройства, седьмой выход блока идентификации и поиска неоднородностей соединен с первым входом блока контроля каналов, восьмой выход блока идентификации и поиска неоднородностей соединен с первым входом блока определения скорости, пятый выход блока идентификации и поиска неоднородностей соединен с первым входом запоминающего устройства, а шестой выход блока идентификации и поиска неоднородностей соединен с вторым входом вычислительного устройства, второй выход блока контроля каналов соединен с шестым входом запоминающего устройства, первый, второй, третий и четвертый выходы запоминающего устройства соединены с вторым, третьим, четвертым и пятым входами блока контроля каналов, а выходы с пятого по восьмой запоминающего устройства соединены с вторым, третьим, четвертым и пятым входами блока определения скорости, второй выход которого в свою очередь соединен с седьмым входом запоминающего устройства, а третий выход блока определения скорости соединен с третьим входом вычислительного устройства.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1 и включает следующие элементы: 1 - первый канал измерения ОЭДС; 2 - второй канал измерения ОЭДС; 3 - третий канал измерения ОЭДС; 4 - четвертый канал измерения ОЭДС; 5 - МДС; 6 - блок идентификации и поиска неоднородностей (БИиПН) ОЭДС; 7 - вычислительное устройство; 8 - блок контроля каналов (БКК) ОЭДС; 9 - запоминающее устройство (ЗУ) ОЭДС; 10 - блок определения скорости (БОС) ОЭДС.
нтс
МДС
Устройство работает следующим образом: МДС 5 непрерывно измеряет скорость движения НТС V(t) и результаты измерений с его выхода V(t) поступают на вход 1 вычислительного устройства 7, которое на основании этих измерений имеет возможность прогнозировать изменение значения скорости в следующие моменты времени. При наступлении условий (превышение времени непрерывного движения, превышение максимального значения пройденного пути и т.п.) вычислительное устройство 7 выдает с выхода 1 на вход 5 БИиПН 6 команду на высокоточное определение скорости движения НТС и значение интервала времени расчета скорости, определяемого вычислительным устройством 7 на основе прогноза изменения значения скорости движения НТС.
изм.нтс
По команде, поступающей из вычислительного устройства с выхода 1 на вход 5 блока идентификации и поиска неоднородностей ОЭДС, последний начинает принимать и обрабатывать сигналы каналов измерения ОЭДС, поступающих непрерывно на входы 1-4 БИиПН 6. С начала БИиПН 6 идентифицирует одинаковые области неоднородности первым и вторым каналами измерения в течении установленного временного интервала и передает результат (номер неоднородности и время идентификации неоднородности) с выходов 1-4 на входы 2-5 запоминающего устройства и одновременно с выхода 7 на вход 1 блока контроля каналов 8 выдает команду, содержащую номера контролируемых каналов, на контроль точности проведенных измерений неоднородностей. Блок контроля каналов 8 по запросу с выхода 2 на вход 6 запоминающего устройства 9, получает с выходов 1-4 запоминающего устройства 9 на свои входы 2-5 накопленную соответствующими измерительными каналами ОЭДС в течении последнего интервала измерения, информацию о временах идентификации и номерах неоднородностей. В случае положительного результата контроля точности проведенных измерений неоднородностей блок контроля каналов 8 с выхода 1 выдает команду на вход 6 БИиПН 6 об успешном проведении контроля. При получении такой команды БИиПН 6 выдает со своего выхода 8 команду на вход 1 блока определения скорости 10 на расчет скорости движения НТС. Блок определения скорости 10, по запросу со своего выхода 2 на вход 7 запоминающего устройства 9, получает с выходов 5-8 запоминающего устройства 9 на свои входы 2-5 накопленную, измерительными каналами ОЭДС информацию о времени идентификации и номерах неоднородностей, по которой производит расчет скорости движения НТС. Результаты расчета скорости движения НТС блок вычисления скорости 10 с выхода 3 передает на вход 3 вычислительного устройства 7, где они обрабатываются и используются в дальнейшем для выработки уточненных значений скорости движения наземного транспортного средства V(t) на выходе 2 вычислительного устройства 7. Одновременно по выходу 1 блок вычисления скорости 10 подтверждает квитанцией на вход 7 БИиПН 6 факт расчета скорости движения НТС. При получении сигнала по входу 7 БИиПН 6 по команде со своего выхода 5 на вход 3 запоминающего устройства стирает текущую измерительную информацию в запоминающем устройстве.
В БИиПН 6 реализуется адаптивный алгоритм контроля условий работы каналов измерения ОЭДС. В случае отсутствия пропорциональности отношения значения сигналов на выходе всех пар используемых оптоэлектронных чувствительных элементов измерительных каналов 1 и 2, считается, что условия работы ОЭДС неблагоприятные. Для повышения надежности работы ОЭДС в неблагоприятных условиях, используется информационная избыточность, введенная в ОЭДС. Так измерения начинают проводиться между двумя парами рядов оптоэлектронных чувствительных элементов соответственно первого, второго каналов измерения, и третьего, четвертого каналов измерения.
В случае изменения количества используемых канало измерения, как в большую так и в меньшую сторону, БИиПН 6 со своего выхода 7 выдает об этом сообщение на вход 1 блока контроля каналов 8.
В случае отрицательного результата контроля точности по всем парам каналов, блок контроля каналов 8 с выхода 1 выдает команду на вход 6 БИиПН 6, при получении которой БИиПН 6 с выхода 6 отправляет на вход 2 вычислительного устройства сообщение об отсутствии технической возможности определения скорости движения наземного транспортного средства.
В случае отрицательного результата контроля точности по одной паре каналов из двух задействованных, блок контроля каналов 8 с выхода 1 выдает команду на вход 6 БИиПН 6, содержащую номера и признаки успешности прохождения контроля для каждого из используемых в текущий момент времени БИиПН 6 измерительных каналов ОЭДС. Затем номера измерительных каналов, успешно прошедших контроль, БИиПН 6 с выхода 8 передает в виде команды на проведение расчета скорости на вход 1 блока определения скорости 10.
Физическая реализация данного устройства может быть выполнена на следующей элементной базе:
- в ОЭДС - оптическая система с объективом «Зенитар» (фокусное расстояние 50 см), фотоприемная матрица «Аэрофон» с частотным диапазоном 0-10000 Гц, интегральные усилители типа К-140-УД1. В качестве микропрожектора, установленного на НТС, - фонари галогенные ФАГ-1;
- для блока контроля каналов - интегральные микросхемы (ИМС) К155ТМ8;
- для запоминающего устройства - ИМС К134РУ6;
- для блока определения скорости и расстояния - арифметико-логическое устройство на базе ИМС К134ИП3
- для вычислительного устройства и блока идентификации и поиска неоднородностей - микропроцессор К1810.
Таким образом, обеспечивается повышение точности и достоверности измерения скорости движения НТС, на основе увеличения объема измерительной информации получаемой, за счет использования областей неоднородностей, и введения дополнительного контроля качества измерения, реализуемого в блоке контроля каналов, для каждой пары измерительных каналов ОЭДС.
Источники информации:
1. RU 2431847 С1, 20.10.2011.
2. Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. - Основы навигации по геофизическим полям. - М.: Наука. Главная редакция физиКо-математической литературы, 1985. - С. 135-247.
3. Солодов В.И. Системы наземной навигации. - М.: ВА РВСН им. Петра Великого, 1998, С. 60-93.
4. RU 2549607 С1, 08.11.2013.