×
08.06.2019
219.017.757e

Результат интеллектуальной деятельности: БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРОЙДЕННОГО ПУТИ

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002690842
Дата охранного документа
06.06.2019
Аннотация: Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения пройденного расстояния наземным транспортным средством с использованием эффекта Доплера. Достигаемый технический результат – повышение точности измерения пути, пройденного наземным транспортным средством. Указанный результат достигается тем, что бесконтактный измеритель пройденного пути содержит СВЧ генератор электромагнитных колебаний с длиной волны λ, направленный ответвитель, циркулятор, антенну, ориентированную вперед под углом α по направлению движения транспортного средства, два смесителя, вычислительный блок, линию задержки на λ/2, компаратор и счетчик импульсов, соединенные между собой определенным образом, при этом в вычислительном блоке определяется пройденное расстояние по формуле L=nλ/2cos(α), где n - текущее показание счетчика импульсов. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения пройденного расстояния наземным транспортным средством с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.

В настоящее время известны радиоволновые устройства бесконтактного измерения путевой скорости и, соответственно, пройденного расстояния, основанные на эффекте Доплера (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 124-132 с.). В отличие от устройств, определяющих расстояние по числу оборотов колеса, радиоволновые доплеровские устройства позволяют определять истинную путевую скорость и расстояние, как результат интегрирования скорости по времени, которое не зависит от скольжения, движения при повороте и пробуксовывании, поскольку измерение производится бесконтактно. Эта информация о реальном перемещении относительно поверхности, очень важна для правильной оценки пройденного пути, которая может быть использована в позиционировании транспортного средства при отсутствии сигналов спутниковой навигации. Обычно радиоволновые доплеровские устройства измерения пути работают следующим образом. СВЧ радиоволны с частотой ƒ0 излучаются вперед с помощью антенны под углом α по направлению движения транспортного средства. Отраженные от поверхности дороги электромагнитные волны принимаются или этой же антенной или другой приемной антенной. Затем эти волны смешивают в смесителе с частью излучаемых волн и выделяют сигнал разностной частоты. Частота отраженных волн в процессе движения транспортного средства, поступающая на смеситель, будет отличаться от излучаемой частоты СВЧ волн на доплеровскую частоту ƒD. Эту частоту, пропорциональную скорости движения будет иметь сигнал, выделяемый на смесителе:

где λ0=с/ƒ0 - длина излучаемой электромагнитной волны, с - скорость света в воздухе. Отсюда скорость можно вычислить из уравнения:

Поскольку при движении скорость постоянно меняется, то пройденное расстояние L за время Т, будет определяться интегралом от мгновенной скорости или доплеровской частоты по времени:

То есть фактически в идеальном случае требуется точное измерение мгновенной доплеровской частоты.

Обычно ƒD определяют по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала, что в условиях движения объекта не может гарантировать точной оценки его скорости и перемещения. Реальная антенна не излучает одну волну прямолинейно, а имеет некоторую диаграмму направленности с шириной главного лепестка θ, отраженная волна будет выглядеть не одной гармоникой, а суперпозицией волн, падающих и отраженных с разными углами α-θ/2≤αi≤α+θ/2 от подстилающей поверхности ΔƒD. Функцию распределения энергии отраженной волны от угла а можно выразить через уравнение радиолокации:

В этой формуле α - угол наклона относительно горизонтальной поверхности, θc - угол направления центра диаграммы направленности антенны (ДНА), А(α) - функция распределения ДНА, R(α)=Н/sin(α) - расстояние от фазового центра антенны до точки отражения, Н - высота расположения антенны над поверхностью (см. Фиг. 1). K - константа, определяемая системными параметрами, σ(α) - функция эффективной отражающей поверхности дороги. А(α) имеет максимум при условии равенства α=θс и симметрична относительно θс. σ(α) имеет тенденцию к увеличению с увеличением угла α, в соответствии с ДНА. Если выполнить подстановку значения α=arccos(λ0ƒD/2V) из (1) в Е(α) согласно уравнению (3), получим выражение для спектральной плотности доплеровского сигнала S для данной скорости:

В результате имеет место принципиальное смещение между максимумом спектральной плотности и собственно доплеровской частотой ƒD. Кроме этого сам доплеровский сигнал будет иметь существенную стохастическую составляющую из-за случайного характера распределения отражающих свойств по площади отражающей поверхности, а также влияния вибрации и неровностей дороги. Также следует отметить, что вычисление спектра требует времени для накопления данных, что приводит к дискретному измерению скорости. За время записи доплеровского сигнала скорость может меняться. В результате влияния всех этих факторов, доплеровский сигнал будет постоянно меняться по частоте и амплитуде, поэтому результат измерения будет неточным. На Фиг. 1а представлена реальная запись доплеровского сигнала за время Т=1 сек. в относительных единицах и на Фиг. 1б его периодограмма спектральной плотности в нормализованном виде по частотам F=π/ts, где ts - время выборки. Из спектра сигнала видно, что точно определить максимум распределения спектральной плотности за время записи сигнала невозможно, да и сам этот максимум не соответствует точно доплеровской частоте, по которой можно вычислить скорость и соответственно пройденный путь.

С другой стороны для целей позиционирования можно в принципе обойтись без измерения мгновенной частоты, а измерять пройденный путь, подсчитывая число полупериодов текущей доплеровской частоты - n. Тогда пройденное расстояние можно определить по формуле:

Погрешность измерения в этом случае будет дискретной и соответствует полуволне излучаемого колебания поделенной на косинус угла α. При этом в процессе вычисления пути уже нет необходимости в измерении мгновенной доплеровской частоты с последующим интегрированием.

Наиболее близким по технической сущности является, устройство измерения путевой скорости (М.И. Финкельштейн. Основы радиолокации. М., Советское радио. 1973, с. 85), принятое за прототип. Электромагнитные колебания фиксированной частоты от генератора СВЧ излучаются под углом α между направлением движения и подстилающей поверхностью. Отраженные волны принимаются антенной и смешиваются на смесителе с частью излучаемых электромагнитных колебаний, поступающих с направленного ответвителя. В результате выделяется доплеровский сигнал, путевая скорость вычисляется по частоте доплеровского сигнала, а пройденный путь определяется по интегрированию этой частоты по времени.

Недостатком устройства являются значительные ошибки в определении путевой скорости, обусловленные измерением доплеровской частоты по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала и дискретным характером измерения. В результате пройденный путь также будет вычислен не точно. Для использования в навигационных системах, системах безопасности и для экономии расхода топлива требуется точное измерение пройденного пути. Для этого необходимо его прямое измерение, например путем подсчета числа периодов сигнала доплеровской частоты. Однако сложный спектральный состав этого сигнала не позволяет сделать это с достаточной точностью.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения пути, пройденного наземным транспортным средством.

Технический результат достигается тем, что в измерителе пройденного пути, содержащем СВЧ генератор электромагнитных колебаний с длиной волны λ0, направленный ответвитель, циркулятор, антенну, ориентированную вперед под углом α по направлению движения транспортного средства, первый смеситель и вычислительный блок, причем выход генератора соединен с входом направленного ответвителя, основной выход которого соединен с первым выводом циркулятора, второй вывод соединен с антенной, а третий с первым входом смесителя, второй вход соединен с вспомогательным выводом направленного ответвителя. Дополнительно к этому содержит линию задержки на λ0/2, второй смеситель и счетчик импульсов, при этом третий вывод циркулятора соединен с первым входом второго смесителя через линию задержки, а второй его вход с вспомогательным выходом направленного ответвителя, компаратор, входы которого соединены с выходами смесителей и счетчик импульсов, входом соединенный с выходом компаратора, а выходом с вычислительным блоком, определяющим пройденное расстояние по формуле L=nλ0/2cos(α), где n - текущее показание счетчика импульсов.

На Фиг. 1а представлен реальный доплеровский сигнал в течение 1 сек., а на Фиг. 1б его периодограмма спектральной плотности в нормализованном виде.

На Фиг. 2 представлена структурная схема устройства.

На Фиг. 3 изображены временные диаграммы сигналов на выходах первого и второго смесителя I(f) и Q(f), а также импульсы на выходе компаратора.

Устройство, расположено на транспортном средстве и содержит генератор СВЧ 1, направленный ответвитель 2, циркулятор 3, антенну 4, линия задержки на λ0/4 - 5, первый смеситель 6, второй смеситель 7, компаратор 8, счетчик импульсов 9, вычислительный блок 10 (см. Фиг. 2). Антенна ориентирована под углом α между направлением движения и подстилающей поверхностью 11.

Устройство работает следующим образом. От генератора СВЧ сигнал с частотой ƒ0 поступает через основной вывод направленного ответвителя и циркулятор на антенну и излучается в сторону подстилающей поверхности. При этом часть сигнала через вспомогательный вывод направленного ответвителя поступает на первые входы двух смесителей, а на вторые его входы поступает СВЧ сигнал, отраженный от поверхности обратно в антенну и прошедший через циркулятор. Однако, если на первый смеситель он приходит напрямую, то на второй вход - после задержки на λ0/4, что соответствует сдвигу по фазе на угол 90°. В результате на выходе первого и второго смесителя образуются доплеровские сигналы I(t) и Q(t) также сдвинутые между собой по фазе на 90° (см. фиг. 3). Затем сигналы I(t) и Q(t) подаются на входы компаратора, на выходе которого формируются короткие импульсы в моменты совпадения сигналов. Далее эти импульсы подсчитываются счетчиком, а пройденный путь определяется в вычислительном блоке по формуле (5).

Поскольку форма сигнала Q(t), сдвинутого по фазе на 90° относительно сигнала I(t), изменяющегося как по частоте, так и по амплитуде одинакова, то ошибка, вызванная неточностью подсчетов числа периодов сигнала доплеровской частоты устраняется, а точность определения пути увеличивается. При этом ошибка измерения будет постоянной и равной полуволне электромагнитного колебания, поделенной на косинус угла α. При этом фактически измеряется мгновенная доплеровская частота с максимально возможной точностью без вычисления спектра и с максимально возможным быстродействием.

Бесконтактный измеритель пройденного пути, содержащий СВЧ генератор электромагнитных колебаний с длиной волны λ, направленный ответвитель, циркулятор, антенну, ориентированную вперед под углом α по направлению движения транспортного средства, первый смеситель и вычислительный блок, причем выход генератора соединен с входом направленного ответвителя, основной выход которого соединен с первым выводом циркулятора, второй вывод соединен с антенной, а третий - с первым входом смесителя, второй вход соединен с вспомогательным выводом направленного ответвителя, отличающийся тем, что содержит линию задержки на λ/2, второй смеситель и счетчик импульсов, при этом третий вывод циркулятора соединен с первым входом второго смесителя через линию задержки, а второй его вход - с вспомогательным выходом направленного ответвителя, компаратор, входы которого соединены с выходами смесителей, и счетчик импульсов, входом соединенный с выходом компаратора, а выходом - с вычислительным блоком, определяющим пройденное расстояние по формуле L=nλ/2cos(α), где n - текущее показание счетчика импульсов.
БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРОЙДЕННОГО ПУТИ
БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРОЙДЕННОГО ПУТИ
БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРОЙДЕННОГО ПУТИ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 151-160 из 276.
29.12.2017
№217.015.f37a

Способ определения состояния поверхности дороги

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для определения состояния поверхности дорожного полотна, на котором возможно образование слоя воды, снега или льда. Техническим результатом является повышение точности и упрощение процесса определения состояния поверхности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637797
Дата охранного документа: 07.12.2017
29.12.2017
№217.015.f863

Способ определения концентрации компонента в двухкомпонентной газовой смеси

Предлагаемый способ относится к области информационно-измерительной техники и может быть использован для предотвращения пожаров на объектах энергетики и других отраслей промышленности. Предложен способ определения концентрации компонента в двухкомпонентной газовой смеси, помещенной в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002639740
Дата охранного документа: 22.12.2017
19.01.2018
№218.016.00ab

Способ измерения уровня вещества в емкости

Изобретение может быть использовано для измерения уровня различных веществ в емкостях, в частности уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение быстродействия и точности измерения. Способ...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002629706
Дата охранного документа: 31.08.2017
19.01.2018
№218.016.00b8

Пьезоэлектрический подводный движитель

Изобретение относится к области приводов и может быть использовано для приведения в движение небольших подводных объектов. Пьезоэлектрический подводный движитель содержит пьезоэлектрические элементы с обратным пьезоэффектом плоской формы в виде мембран, который обеспечивает изгиб мембран в две...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002629736
Дата охранного документа: 31.08.2017
19.01.2018
№218.016.0ba6

Привязной тепловой аэростат с подогревом по электрическому кабелю с земли

Изобретение относится к области воздухоплавательных аппаратов легче воздуха. Привязной тепловой аэростат содержит оболочку с теплоизолирующим слоем, нагреватель с вентилятором, датчиками температуры, электрически управляемый клапан сброса теплого воздуха в верхней части оболочки и систему...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002632551
Дата охранного документа: 05.10.2017
20.01.2018
№218.016.1123

Устройство анализа результатов тестирования для локализации двукратных неисправностей

Изобретение относится к области тестирования дискретных объектов большой размерности. Технический результат заключается в повышении кратности неисправностей при их локализации. Устройство анализа результатов тестирования для локализации двукратных неисправностей содержит m m-разрядных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633908
Дата охранного документа: 19.10.2017
20.01.2018
№218.016.1153

Способ встречного разгона и столкновения нейтральных микрочастиц

Изобретение относится к способам встречного разгона нейтральных микрочастиц. При вращении ротора 1 внутри неподвижного статора 8, 10 исследуемые образцы (жидкость или газ) поступают во входные окна 18 и затем проходят через зазоры, образованные зубцами статора 10 и ротора 7. При этом движение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633964
Дата охранного документа: 20.10.2017
20.01.2018
№218.016.115d

Устройство для встречного разгона нейтральных микрочастиц

Изобретение относится к устройствам для встречного разгона нейтральных микрочастиц. Устройство содержит систему управления и состоит из коаксиально установленных двух ускорителей, направленных суженной стороной навстречу друг другу, с зазором и вращающихся относительно друг друга ротора 1 и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633994
Дата охранного документа: 23.10.2017
20.01.2018
№218.016.1166

Способ перистальтического нагнетания текучих сред на основе пьезоэлектрических элементов

Изобретение относится к способам для нагнетания текучих сред и может быть использовано в промышленности, на транспорте и в быту при перекачивании жидкостей, а также иных несжимаемых и сжимаемых текучих сред. В способе нагнетания текучих сред используют бегущую волну деформаций замкнутого объема...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633975
Дата охранного документа: 20.10.2017
20.01.2018
№218.016.118c

Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке

Использование: для контроля потоков неоднородных диэлектрических веществ. Сущность изобретения заключатся в том, что устройство для измерения физических свойств вещества в потоке содержит на измерительном участке волноводный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002634090
Дата охранного документа: 23.10.2017
Показаны записи 41-41 из 41.
18.10.2019
№219.017.d7e6

Измеритель вектора перемещения транспортного средства

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к радиоволновым способам измерения перемещения транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн. Технический результат - увеличение точности измерения достигается тем, что устройство измерения перемещения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002703281
Дата охранного документа: 16.10.2019
+ добавить свой РИД