УДК 621.398.694.4
А. С. РАСКИН, И.В. ВЕНЕДИКТОВ
(ОАО «Концерн «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР», Санкт-Петербург)
бесконтактнЫЙ измерителЬ линейной скорости наземного подвижного объекта
В докладе рассматриваются преимущества ультразвукового бесконтактного измерителя линейной скорости, работающего относительно подстилающей поверхности. Уникальность измерителя обусловлена низкой стоимостью и низкой погрешностью выработки значений продольной и поперечной составляющих линейной скорости, а также наличием встроенной системы очистки чувствительных элементов.
Введение
В настоящее время наземные транспортные средства преимущественно укомплектовываются измерителями скорости – спидометрами, вырабатывающими скорость движения по оборотам вала. Данное обстоятельство приводит к значительным (порядка 10%) погрешностям измерения скорости у такого рода измерителей. Основными причинами возникновения погрешностей являются: различный диаметр колёс, изношенность шин, изношенность механических частей спидометра, погрешность передачи данных. Использование GPS систем для выработки скорости также не обеспечивает возможности качественного и точного измерения скорости во всех условиях эксплуатации наземных подвижных объектов.
Спидометры с бесконтактными чувствительными элементами, работающие по эхо-сигналу, отраженному от подстилающей поверхности (асфальт, грунт и т.п.), в отличие от обычных (традиционных) спидометров являются более точными. Бесконтактные спидометры имеют погрешность на уровне 0.5%, которая не зависит от подвижных частей наземных подвижных объектов, от диаметра колес, степени изношенности шин. В отличие от лазерных, микроволновых и оптических измерителей ультразвуковые датчики более «грязеустойчивы», т.к. не имеют легко загрязняемых оптических элементов (линз, зеркал и т.д.) или микроволновых антенн.
Предлагаемый доклад посвящен решению задачи измерения продольной и поперечной составляющих линейной скорости движения наземного подвижного объекта относительно подстилающей поверхности с помощью бесконтактных ультразвуковых датчиков с погрешностью определения составляющих скорости не более 0.5%.
Бесконтактный измеритель
Постановка задачи
Целью работы является разработка бесконтактного ультразвукового измерителя, работающего относительно подстилающей поверхности, производящего измерение продольной и поперечной составляющих скорости с погрешностью не более 0.5%, имеющего встроенную систему очистки чувствительных элементов.
Аналоги бесконтактного измерителя
Представлены аналоги бесконтактного измерителя, которые обладают высокой стоимостью и используются преимущественно для испытаний наземных подвижных объектов.
Среди зарубежных бесконтактных измерителей скорости следует выделить бесконтактные датчики скорости производства фирмы «CORRSYS-DATRON» (Германия):
Correvit LF II (Оптический)
Диапазон измеряемых скоростей: 0,3 ... 250 км/ч;
Относительная погрешность измерения скорости: менее 0,5%;
Рабочая дистанция: 200 ±70 мм;
Выходные интерфейсы: CAN (Motorola/Intel) 2.0B, USB (Full Speed) 1.1, RS-232C ;
Стоимость около 15272 €.
Microstar II (Микроволновый)
Диапазон измеряемых скоростей 0,5 ... 400 км/ч;
Относительная погрешность измерения скорости: менее 0,5%;
Рабочая дистанция: 300 ... 1200 мм;
Выходной интерфейс: RS-232;
Стоимость около 9791 €.
Среди российских бесконтактных измерителей скорости следует выделить бесконтактные датчики скорости производства фирмы «ООО «СЕНСОРИКА-М»:
ИСД-3 (Оптический)
Диапазон измеряемых скоростей: 0,5 ... 250 км/ч;
Относительная погрешность измерения скорости: менее 0,2%;
Рабочая дистанция: 100 …400 мм;
Стоимость около 185 000 рублей.
LMS-200 (Лазерный доплеровский)
Диапазон измеряемых скоростей: 0,03 … 30 м/с;
Относительная погрешность измерения скорости: менее 0,15%;
Рабочая дистанция: 200 ±50 мм;
Стоимость около 200 000 рублей.
Актуальность
Актуальность разработки заключается в возможности использования бесконтактного измерителя для повышения скорости реагирования систем курсовой устойчивости, в возможности использования измерителя в навигационных системах счисления пути, а также в качестве штатного измерителя скорости.
Принцип работы измерителя
Принцип работы измерителя основан на эффекте Доплера.
Поэтапно работу измерителя можно расписать следующим образом:
Производится излучение акустического сигнала под определенным углом к подстилающей поверхности. Сигнал частично отражается и частично рассеивается обратно (см. рис. 1);
Обратно рассеянный сигнал (эхо-сигнал) поступает в приемник;
Эхо-сигнал проходит фильтр высоких частот;
Сигнал усиливается двумя инструментальными усилителями;
Сигнал преобразуется в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя;
Цифровой сигнал передается по 14-разрядной шине на программируемую логическую интегральную схему, где происходит его обработка;
Производится выдача информации о значениях составляющих линейной скорости, угле сноса и пройденном расстоянии наземного подвижного объекта по интерфейсам RS-232, CAN.
Рис. 1. Излучение и обратное рассеяние акустического сигнала
Структура измерителя
Измеритель состоит из двух блоков «приемник-передатчик», установленных на днище наземного подвижного объекта и блока выработки скорости, находящегося на наземном подвижном объекте (структурная схема измерителя приведена на рис.2).
Блок выработки скорости решает задачу преобразования сигналов от чувствительных элементов (ультразвуковые приемопередатчики) в готовые выходные параметры и выдает их потребителям информации по интерфейсам CAN и RS-232.
Блок выработки скорости состоит из:
Блока согласования, который содержит в себе схемы передающего и приемного трактов, вспомогательные устройства для вычислителя, а также схему «ультразвуковой очистки чувствительных элементов».
Блока питания, предназначенного для обеспечения электропитания измерителя, содержит в себе стабилизаторы напряжения, гальванические развязки.
Вычислителя, который реализует алгоритм обработки информации о доплеровских сдвигах частот, полученных с каждого приемника, и преобразования этой информации в значения продольной и поперечной составляющих скорости наземных подвижных объектов в связанной системе координат.
Выходными параметрами измерителя являются:
Продольная составляющая линейной скорости наземного подвижного объекта относительно подстилающей поверхности;
Поперечная составляющая линейной скорости наземного подвижного объекта относительно подстилающей поверхности;
Угол сноса наземного подвижного объекта;
Пройденное расстояние наземного подвижного объекта.
Рис. 2. Структура бесконтактного измерителя
Основные формулы и расчеты
Приведены основные математические и геометрические соотношения для определения линейной скорости наземного подвижного объекта на основе данных о принятых частотах на 2 приемниках (см. рис.3).
Рис. 3. Математические и геометрические соотношения
Использование модифицированной двухлучевой двухсторонней схемы для измерения скорости позволяет компенсировать погрешность, связанную с изменением угла прихода акустического сигнала [1]. Так как схема развернута относительно центра наземного подвижного объекта на 45°, это позволяет измерять поперечную составляющую скорости. Блоки «приемник-передатчик» расположены под углом 30° к вертикали наземного подвижного объекта; при таком наклоне блоков доплеровское смещение составляет примерно 70% от рабочей частоты [2].
Схема блока выработки скорости
Электрическая схема блока выработки скорости (примерная структура блока выработки скорости изображена на рис. 4) содержит:
Схемы передающих трактов (на каждый блок «приемник-передатчик»);
Схемы приемных трактов (на каждый блок «приемник-передатчик»);
Блок «ультразвуковой очистки»;
Блок питания;
Вычислитель.
Рис. 4. Структурная схема блока выработки скорости
Слева на рисунке 4 показаны приемники и передатчики. Пунктиром отмечены функциональные элементы передающего, приемного трактов, блока «ультразвуковой очистки» и структура вычислителя (обозначено «ПЛИС»).
Расчетная мощность блока выработки скорости составила примерно 1,9 Вт.
Заключение
В работе приведены результаты разработки бесконтактного ультразвукового измерителя линейной скорости наземного подвижного объекта, основанного на эффекте Доплера.
Выполнено макетирование приемного и передающего трактов. Произведено сравнение характеристик измерителя с аналогами, указаны достоинства и недостатки разрабатываемого измерителя. Разработана структура измерителя. Разработана электрическая принципиальная схема.
В дальнейшем планируется:
Провести моделирование работы измерителя с учетом температурной погрешности (влияет на скорость звука, а следовательно, и на измерение составляющих скорости), с учетом шероховатости подстилающей поверхности, с учетом «сдувания характеристик направленности» приемников, с учетом вибрации наземного подвижного объекта.
Разработать конструкции блоков «приемник-передатчик» и кронштейны для их крепления на днище наземного подвижного объекта.
Разработать системное и прикладное программное обеспечение для вычислителя блока выработки скорости измерителя.
Провести натурные испытания измерителя и выполнить калибровку измерителя по их результатам.
Работа проводится при поддержке ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», а также при поддержке ООО «Дипольные структуры» в рамках конкурса «У.М.Н.И.К.» (Договор № У-2012-2/3).
Литература
Виноградов, К.А. Абсолютные и относительные лаги // К.А. Виноградов, В.Н. Кошкарев, Б.А. Осюхин, А.А. Хребтов. – Л.: Судостроение, 1990. – 264 с.
Мартынюк, А.П. Некоторые аспекты измерения скорости доплеровским лагом на малых глубинах // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2006. — № 3. — С. 84-88. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
Текст доклада согласован с научным руководителем.
Соколов Анатолий Игоревич,
ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»,
кандидат технических наук
Подпись __________________________
|
