RU2686674C1

RU2686674C1 - Non-contact method for measuring distance traveled

Info

Publication number: RU2686674C1
Application number: RU2018130976A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владиленович Хаблов
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2019-04-30

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to measuring techniques, in particular to radio wave methods for measuring the vehicle ground speed using the Doppler effect for electromagnetic waves. Method for measuring distance traveled consists in the fact that electromagnetic waves with wavelength λemitted forward at an angle α in direction of vehicle movement, receiving reflected from road surface electromagnetic waves, then these waves are mixed in the first mixer with part of emitted waves and the first differential frequency signal is extracted. In addition, reflected waves are transmitted through a delay line with length of a quarter wavelength of the electromagnetic oscillation, mixing them at the second mixer with part of emitted waves and separating the second differential frequency signal, at coincidence of these signals, pulses are generated, by the number of these pulses n the traversed path is calculated by formula L=nλ/2cos(α).EFFECT: high accuracy of measuring the distance traveled by a vehicle.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения пройденного расстояния наземным транспортным средством с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.The invention relates to measuring equipment, in particular to methods for measuring distance traveled by ground vehicle using the Doppler effect for electromagnetic waves.

В настоящее время известны бесконтактные радиоволновые способы 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 способов, определяющих расстояние по числу оборотов колеса, радиоволновые доплеровские способы измерения 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 при реализации способа СВЧ радиоволны с частотой ƒ₀ излучаются вперед и 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 ƒ_D. Эту частоту, пропорциональную скорости движения будет иметь сигнал, выделяемый на смесителе:At present, contactless radio wave methods for measuring ground speed and, accordingly, distance traveled, are known based on the Doppler effect (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of technological process parameters. M .: Energoatomizdat, 1989. 124-132 c). In contrast to the methods that determine the distance by wheel speed, radio wave Doppler measurement methods allow you to determine the true ground speed and distance, as a result of integrating speed over time that does not depend on sliding, turning and slipping, since the measurement is non-contact. This information on the actual movement relative to the surface is very important for a correct assessment of the distance traveled, which can be used in positioning the vehicle in the absence of satellite navigation signals. Usually, when implementing a method of microwave, radio waves with a frequency of ƒ ₀ are radiated forward and at an angle α in the direction of the vehicle. Electromagnetic waves reflected from the road surface are received either by the same antenna or another receiving antenna. Then these waves are mixed in the mixer with a part of the emitted waves and emit a signal of the difference frequency. The frequency of the reflected waves in the process of moving the vehicle arriving at the mixer will differ from the radiated frequency of the microwave waves at the Doppler frequency ƒ _D. This frequency is proportional to the speed of movement will have a signal allocated to the mixer:

где λ₀ = с/ƒ₀ - длина излучаемой электромагнитной волны, c - скорость света в воздухе. Отсюда скорость можно вычислить из уравнения:where λ ₀ = c / ƒ ₀ is the length of the emitted electromagnetic wave, c is the speed of light in the air. From here the speed can be calculated from the equation:

Поскольку при движении скорость постоянно меняется, то пройденное расстояние L за время Т, будет определяться интегралом от мгновенной скорости или доплеровской частоты по времени:Since the velocity is constantly changing during the motion, the distance traveled L over time T will be determined by the integral of the instantaneous velocity or the Doppler frequency over time:

То есть фактически в идеальном случае требуется точное измерение мгновенной доплеровской частоты.That is, in fact, in the ideal case, an accurate measurement of the instantaneous Doppler frequency is required.

Обычно ƒ_D 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≤α_i≤α+θ/2 от подстилающей поверхности Δƒ_D. Функцию распределения энергии отраженной волны от угла α можно выразить через уравнение радиолокации:Usually ƒ _{D is} determined by the maximum of the spectral density of the Doppler signal, which, under the conditions of motion of an object, cannot guarantee an accurate estimate of its velocity and displacement. A real antenna does not radiate a single wave straight, but has a certain radiation pattern with a main lobe width θ, the reflected wave will look like not one harmonic, but a superposition of waves incident and reflected with different angles α-θ / 2≤α _i ≤α + θ / 2 from the underlying surface Δƒ _D. The energy distribution function of the reflected wave from the angle α can be expressed through the radar equation:

В этой формуле α - угол наклона относительно горизонтальной поверхности, θ_с - угол направления центра диаграммы направленности антенны (ДНА), A(α) - функция распределения ДНА, R(α)=H/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. A(α) имеет максимум при условии равенства α=θ_с и симметрична относительно θ_c. σ(α) имеет тенденцию к увеличению с увеличением угла α, в соответствии с ДНА. Если выполнить подстановку значения α=arccos(λ₀ƒ_D/2V) из (1) в E(α) согласно уравнению (3), получим выражение для спектральной плотности доплеровского сигнала S для данной скорости:In this formula, α is the angle of inclination relative to the horizontal surface, θ _с is the angle of the direction of the center of the antenna pattern (DND), A (α) is the distribution function of the DND, R (α) = H / sin (α) is the distance from the phase center of the antenna to the point of reflection, H is the height of the antenna above the surface (see Fig. 1). K is a constant determined by system parameters, σ (α) is a function of an effective reflecting road surface. A (α) has a maximum under the condition that α = θ _{c is} equal and is symmetric with respect to θ _c . σ (α) tends to increase with increasing angle α, in accordance with DND. If we substitute the value α = arccos (λ ₀ ƒ _D / 2V) from (1) to E (α) according to equation (3), we obtain the expression for the spectral density of the Doppler signal S for a given speed:

В результате имеет место принципиальное смещение между максимумом спектральной плотности и собственно доплеровской частотой ƒ_D. 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/t_s, где t_s - 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.As a result, there is a fundamental shift between the maximum spectral density and the actual Doppler frequency ƒ _D. In addition, the Doppler signal itself will have a significant stochastic component due to the random distribution of reflective properties over the area of the reflective surface, as well as the effects of vibration and road irregularities. It should also be noted that the calculation of the spectrum takes time to accumulate data, which leads to a discrete measurement of speed. During the recording of the Doppler signal, the speed may vary. As a result of the influence of all these factors, the Doppler signal will constantly vary in frequency and amplitude, so the measurement result will be inaccurate. FIG. 1a shows the actual recording of the Doppler signal during T = 1 sec. in relative units and in FIG. 1b its periodogram of spectral density in the normalized form over the frequencies F = π / t _s , where t _s is the sampling time. It can be seen from the signal spectrum that it is impossible to accurately determine the maximum distribution of the spectral density during the recording of the signal, and this maximum itself does not correspond exactly to the Doppler frequency, from which you can calculate the speed and, accordingly, the distance traveled.

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:On the other hand, for positioning purposes, it is possible in principle to do without measuring the instantaneous frequency, and measure the distance traveled by counting the number of half-periods of the current Doppler frequency, n. Then the distance traveled can be determined by the formula:

Погрешность измерения в этом случае 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.The measurement error in this case corresponds to the half-wave of the emitted oscillation divided by the cosine of the angle α. At the same time, in the process of calculating the path, it is no longer necessary to measure the instantaneous Doppler frequency and then integrate it.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения путевой скорости (М.И. Финкельштейн. Основы радиолокации. М., Советское радио. 1973, с. 85), принятый 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 с частью излучаемых электромагнитных колебаний. В результате выделяется доплеровский сигнал, путевая скорость вычисляется по частоте доплеровского сигнала, а пройденный путь определяется по интегрированию этой частоты по времени.The closest in technical essence is a way to measure ground speed (MI Finkelstein. Basics of radar. M., Soviet radio. 1973, p. 85), adopted for the prototype. Electromagnetic oscillations of a fixed frequency from a microwave generator are emitted at an angle α between the direction of motion and the underlying surface. Reflected waves are received by the antenna and are mixed with a part of the emitted electromagnetic oscillations. As a result, the Doppler signal is extracted, the ground speed is calculated from the frequency of the Doppler signal, and the distance traveled is determined by integrating this frequency over time.

Недостатком способа 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.The disadvantage of this method are significant errors in determining the ground speed, due to the measurement of the Doppler frequency from the maximum spectral density of the Doppler signal and the discrete nature of the measurement. As a result, the distance traveled will also not be calculated accurately. For use in navigation systems, safety systems and to save fuel consumption requires accurate measurement of the distance traveled. This requires its direct measurement, for example, by counting the number of periods of the Doppler frequency signal. However, the complex spectral composition of this signal does not allow to do this with sufficient accuracy.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения пройденного пути наземного транспортного средства.The technical result of the present invention is to improve the accuracy of measurement of the traversed path of a land vehicle.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения пройденного пути, заключающимся в том, что электромагнитные волны с длиной волны λ₀ излучают вперед под углом α по направлению движения транспортного средства, принимают отраженные от поверхности дороги электромагнитные волны, затем эти волны смешивают в первом смесителе с частью излучаемых волн и выделяют первый сигнал разностной частоты. Дополнительно к этому отраженные волны пропускают через линию задержки длиной в четверть длины волны электромагнитного колебания, смешивают их на втором смесителе с частью излучаемых волн и выделяют второй сигнал разностной частоты, в моменты совпадения этих сигналов формируют импульсы, по количеству этих импульсов n вычисляют пройденный путь по формуле L=nλ₀/2cos(α).The technical result is achieved in that in the method of measuring the distance traveled, which consists in the fact that electromagnetic waves with a wavelength λ ₀ radiate forward at an angle α in the direction of the vehicle, receive electromagnetic waves reflected from the road surface, then these waves are mixed in the first mixer with a part of the emitted waves and emit the first signal of the difference frequency. In addition, the reflected waves are passed through a quarter-wavelength line of the electromagnetic wave, they are mixed on the second mixer with a part of the emitted waves, and a second difference frequency signal is extracted, at the instants of coincidence of these signals, pulses are generated, and by the number of these pulses n the formula L = nλ ₀ / 2cos (α).

На Фиг. 1а представлен реальный доплеровский сигнал в течение 1 сек., а на Фиг. 1б его периодограмма спектральной плотности в нормализованном виде.FIG. 1a shows the real Doppler signal for 1 sec., And FIG. 1b its periodogram of spectral density in normalized form.

На Фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего способ.FIG. 2 shows a block diagram of a device that implements the method.

На Фиг. 3 изображены временные диаграммы сигналов на выходах первого и второго смесителя I(t) и Q(t), а также импульсы на выходе компаратора.FIG. 3 shows time diagrams of signals at the outputs of the first and second mixer I (t) and Q (t), as well as pulses at the output of the comparator.

Устройство, реализующее способ 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.Device implementing the method is located in a vehicle and comprises a generator of microwave 1, a directional coupler 2, a circulator 3, an antenna 4, a delay line to λ _0/4 - 5, a first mixer 6, a second mixer 7, a comparator 8, the pulse counter 9, a computer block 10 (see Fig. 2). The antenna is oriented at an angle α between the direction of movement and the underlying surface 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).The device works as follows. From the generator, the microwave signal with frequency ƒ ₀ enters through the main output of the directional coupler and the circulator to the antenna and is radiated towards the underlying surface. In this part of the signal through the auxiliary output of the directional coupler is fed to the first inputs of the two mixers, and to the second of its inputs, the microwave signal is reflected from the surface back to the antenna and passed through the circulator. However, if the first mixer it comes directly, the second input - after being delayed by λ _0/4, which corresponds to a phase shift by an angle of 90 °. As a result, the Doppler signals I (t) and Q (t) are also formed at the output of the first and second mixers, also shifted in phase by 90 ° between themselves (see Fig. 3). Then the signals I (t) and Q (t) are fed to the inputs of the comparator, at the output of which short pulses are formed at the moments of coincidence of the signals. Further, these pulses are counted by the counter, and the distance traveled is determined in the computing unit by the formula (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, деленной на косинус угла α. При этом фактически измеряется мгновенная доплеровская частота с максимально возможной точностью без вычисления спектра и с максимально возможным быстродействием.Since the Q (t) waveform is 90 ° out of phase with respect to the I (t) signal, which varies both in frequency and amplitude, the error caused by inaccurate calculations of the number of Doppler frequency signal periods is eliminated, and increases. In this case, the measurement error will be constant and equal to the half-wave of the electromagnetic oscillation divided by the cosine of the angle α. In this case, the instantaneous Doppler frequency is measured with the highest possible accuracy without calculating the spectrum and with the highest possible speed.

Claims

A contactless way to measure the distance traveled, which consists in the fact that electromagnetic waves with a wavelength of λ ₀ radiate forward at an angle α in the direction of the vehicle, receive electromagnetic waves reflected from the road surface, then these waves are mixed in the first mixer with a part of the emitted waves and emit the first signal of the difference frequency, characterized in that the reflected waves pass through a delay line a quarter-wavelength of the electromagnetic wave, mix them on the second mixer with h The emitted waves emit a second difference frequency signal, at the moments of coincidence of these signals, pulses are generated, and the number of these pulses, n, calculates the distance traveled using the formula L = nλ ₀ / 2cos (α).