БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ НАЗЕМНОГО ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА

advertisement
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%.

Научный руководитель к.т.н., начальник отдела 020, Соколов Анатолий Игоревич
1
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)
o Диапазон измеряемых скоростей: 0,3 ... 250 км/ч;
o Относительная погрешность измерения скорости: менее 0,5%;
o Рабочая дистанция: 200 ±70 мм;
o Выходные интерфейсы: CAN (Motorola/Intel) 2.0B, USB (Full
Speed) 1.1, RS-232C ;
o Стоимость около 15272 €.

Microstar II (Микроволновый)
o Диапазон измеряемых скоростей 0,5 ... 400 км/ч;
o Относительная погрешность измерения скорости: менее 0,5%;
o Рабочая дистанция: 300 ... 1200 мм;
o Выходной интерфейс: RS-232;
o Стоимость около 9791 €.
Среди российских бесконтактных измерителей скорости следует выделить
бесконтактные датчики скорости производства фирмы «ООО «СЕНСОРИКАМ»:

ИСД-3 (Оптический)
o Диапазон измеряемых скоростей: 0,5 ... 250 км/ч;
o Относительная погрешность измерения скорости: менее 0,2%;
o Рабочая дистанция: 100 …400 мм;
o Стоимость около 185 000 рублей.
2

LMS-200 (Лазерный доплеровский)
o Диапазон измеряемых скоростей: 0,03 … 30 м/с;
o Относительная погрешность измерения скорости: менее 0,15%;
o Рабочая дистанция: 200 ±50 мм;
o Стоимость около 200 000 рублей.
Актуальность
Актуальность разработки заключается
бесконтактного измерителя для повышения
курсовой устойчивости, в возможности
навигационных системах счисления пути,
измерителя скорости.
в возможности использования
скорости реагирования систем
использования измерителя в
а также в качестве штатного
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.
3
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:
1. Блока согласования, который содержит в себе схемы передающего и
приемного трактов, вспомогательные устройства для вычислителя, а
также схему «ультразвуковой очистки чувствительных элементов».
2. Блока питания, предназначенного для обеспечения электропитания
измерителя, содержит в себе стабилизаторы напряжения,
гальванические развязки.
3. 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:
1. Продольная составляющая линейной скорости наземного
подвижного объекта относительно подстилающей поверхности;
2. Поперечная составляющая линейной скорости наземного
подвижного объекта относительно подстилающей поверхности;
3. Угол сноса наземного подвижного объекта;
4. Пройденное расстояние наземного подвижного объекта.
4
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].
5
Схема блока выработки скорости
Электрическая схема блока выработки скорости (примерная структура
блока выработки скорости изображена на рис. 4) содержит:
1. Схемы передающих трактов (на каждый блок «приемникпередатчик»);
2. Схемы приемных трактов (на каждый блок «приемникпередатчик»);
3. Блок «ультразвуковой очистки»;
4. Блок питания;
5. 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
6
достоинства и недостатки разрабатываемого измерителя. Разработана структура
измерителя. Разработана электрическая принципиальная схема.
В дальнейшем планируется:
1. 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.
2. Разработать конструкции блоков «приемник-передатчик» и кронштейны
для их крепления на днище наземного подвижного объекта.
3. Разработать системное и прикладное программное обеспечение для
вычислителя блока выработки скорости измерителя.
4. 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
1.
2.
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 __________________________
7
Скачать