Бесконтактный измеритель линейной скорости наземного подвижного объекта

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОАО «Концерн «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР», Санкт-Петербург

Бесконтактный измеритель линейной скорости наземного подвижного объекта

А.С. Раскин

И.В. Венедиктов

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 185000 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 200000 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.

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.

Литература

ультразвуковой бесконтактный измеритель скорость

1. Виноградов, К.А. Абсолютные и относительные лаги // К.А. Виноградов, В.Н. Кошкарев, Б.А. Осюхин, А.А. Хребтов. - Л.: Судостроение, 1990. - 264 с.

2. 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.

Размещено на Allbest.ru