CZ302406B6

CZ302406B6 - Jednotka polohy pro detektory kovu

Info

Publication number: CZ302406B6
Application number: CZ20080649A
Authority: CZ
Inventors: Ripka@Pavel
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2011-05-04
Also published as: CZ2008649A3

Abstract

Jednotka polohy pro detektory kovu sestává z detekcní hlavy (10) pripojené k mikroprocesorové centrální vyhodnocovací a rídicí jednotce (1) s displejem a z trojice akcelerometru (3), prípadne snímacu úhlové rychlosti nebo úhlového zrychlení, které jsou propojeny s touto mikroprocesorovou centrální vyhodnocovací a rídicí jednotkou (1) a zároven jsou pevne spojeny s detekcní hlavou (10). K mikroprocesorové centrální vyhodnocovací a rídicí jednotce (1) je pripojen bezkontaktní senzor (4) rychlosti, napríklad optická kamera. Výhodné také je, je-li k mikroprocesorové centrální vyhodnocovací a rídicí jednotce (1) pripojen senzor (7) pro merení vzdálenosti detekcní hlavy (10) od terénu (6) a/nebo od prídavné znacky (5).

Description

Jednotka polohy pro detektory kovů

Oblast techniky

Vynález se týká jednotky polohy pro detektory kovů, která využívá akcelerometrů, senzorů úhlové rychlosti, případně úhlového zrychlení a kamer snímajících terén a případně přidané značky. Taková jednotka může být určena k získání profilu nebo dvourozměrné mapy signálu detektoru, což slouží k diskriminaci hledaných objektů.

Dosavadní stav techniky

Detektory kovů se používají k hledání min, nevybuchlé munice a dalších předmětů obsahujících elektricky vodivé součásti. Většina těchto detektorů pracuje na principu vířivých proudů. Detektory pro vyhledávání hlubších předmětů, například nevybuchlých leteckých bomb, pracují i na principu stejnosměrných magnetometrů nebo radiometrů, viz Guelle, D., Smith, A., Lewis, A., and T. Bloodworth: Metal Detector Handbook for Humanitarian Demining.

European Communities 2003, ISBN 92—894—6236—1.

Ruční detektory slouží k vyhledávání mělkých objektů, jako jsou například, protipěchotní miny. Tyto detektory obvykle mají zvukový výstup. Jejich společnou nevýhodou je malá diskriminační schopnost, neboť tato zařízení reagují na jakýkoli kovový předmět a nejsou tedy schopna rozlišit mezi minou a šrotem. V praktických aplikacích to vede k velkému množství falešných poplachů.

Komplikované mapovací systémy využívají jednoho nebo častěji většího množství detektorů připevněných na vozidle nebo na rameni robota. K informaci o poloze detektoru používají tyto systémy diferenciální GPS, měřicí pásma, scannery nebo inerciální navigační systémy. Po prozkoumání určité oblasti je obvykle vytvořena pseudobarevná dvourozměrná mapa signálu, ve které hledané objekty vytvářejí charakteristické příznaky, viz. J. Direcherl, C. Bruschini: Metal Detectors Catalogue 2005, Geneva International Centre for Humanitarian Demining, ISBN 288487-009-1

Nevýhodou mapovacích systémů založených na diferenciální GPS nebo na scannerech je nutnost ustavení stacionární stanice a vysoká cena takových systémů. Nevýhodou inerciálních navigačních systémů založených na akcelerometrech a senzorech úhlové polohy je drift, způsobený integrací offsetu. V praxi pak chyba polohy dramaticky narůstá s časem. Takové systémy jsou popsány např. v US 6 026 135 - Multisensor vehicle-mounted mine detektor, McFee et al., February 15, 2000, US 6 476 610 - Magnetic anomaly sensing systém and methods for maneuverable sensing platforms, Wiegert et al., November 5, 2002, US 6 809 520 - Compact, autonomous robotíc detection and Identification sensor systém of unexploded ordnance site remediation, Nelson, a US 6 333 631 - Cantilevered manipulátor for autonomous non-contact scanning of natural surfaces for the deployment of the landmine detectors Das et al..

US 6 473 025 popisuje systém k vyhledávám min založený na zemním radaru (GPR - groundpenetrating radar), který využívá GPS a inerciální navigaci. Nevýhodou takového řešení je především zmíněná vysoká cena diferenciální GPS s přesností 1 cm a dlouhá doba potřebná k ustavení stacionární stanice.

Podstata vynálezu

Shora uvedené nedostatky odstraňuje jednotka polohy založená na inerciální navigaci s kompenzací driftu. Základem známých inerciálních navigačních systémů je trojice akcelerometrů a případně i trojice snímačů úhlové rychlosti nebo úhlového zrychlení. Podstatou vynálezu je, že inerCZ 302406 B6 ciální navigační systém je dále vybaven dodatečným bezkontaktním senzorem rychlosti pro korekci offsetu a driftu akcelerometrů a případně snímačů úhlové rychlosti a nebo úhlového zrychlení. Tímto senzorem pro korekci offsetu a driftu může být s výhodou např. optická kamera. Kromě toho může být k mikroprocesorové centrální vyhodnocovací a řídicí jednotce připojen senzor pro měření vzdálenosti detekční hlavy od terénu a/nebo od přídavné značky.

Výhodou uvedeného řešení je, že díky periodickému automatickému nulování offsetu inerciálních senzorů, to je senzorů zrychlení a případně úhlové rychlosti nebo úhlového zrychlení, je možno dosáhnout vyšší přesnosti určení polohy. Toto nulování se provádí s pomocí přídavného bezkontaktního senzoru rychlosti.

Přehled obrázků na výkresech

Na Obr. 1 je detektor kovů, používaný např. pro hledání protipěchotních min. Obr. 2 ukazuje postup při liniovém skenování. Obr. 3 ukazuje postup při plošném skenování při hledání min. Výsledkem liniového skenování je profil, jehož příklad je na obr. 4. Na Obr. 5 je uvedeno blokové schéma jednotky polohy pro detektory kovů jako ilustrace příkladu provedení vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Na Obr. 1 je znázorněn jednoduchý detektor kovů používaný například pro hledání protipěchotních min. Hlavní součástí detektoru je detekční hlava JO, která má obvykle tvar ploché smyčky. Operátor detekční hlavou pohybuje nad kontrolovanou oblastí ve směrech x a y. Operátor při tom dodržuje konstantní vzdálenost detekční hlavy od terénu. Součástí detekční hlavy JO je obvykle i elektronika, takže na výstupu detekční hlavy 10 je již signál úměrný typu přítomného vodivého objektu. V takovém případě stačí k detekční hlavě 10 připojit jen indikátor tohoto signálu, obvykle sluchátko, což je obvyklé řešení u dosud známých detektorů kovů.

Při liniovém skenování, které je znázorněno na Obr. 2, se postupuje tak, že se detekční hlavou JO pomalu kýve mezi body označenými A a B. Při plošném skenování při hledání min, viz Obr. 3, operátor kýve detekční hlavou JO ze strany na stranu a při tom současně postupuje vpřed. Trajektorie měřicí hlavy prochází body C-D-E-F-O-H-I-J. Výsledkem liniového skenování je profil, jehož příklad je na obr. 4. Na ose x je vynesena poloha X na linii skenování, na ose y intenzita 1 výstupního signálu detektoru kovů. Výsledkem plošného skenování je pak intenzitní mapa, například pseudobarevná mapa, která barvou vyznačuje hodnotu výstupního signálu detektoru kovů. Na zmíněném Obr. 4 jsou příklady hodnot naměřených nad protipěchotní minou, kdy data pocházejí z databáze JRC Ispra.

Jedno možné provedení jednotky polohy pro detektory kovů je schematicky naznačeno na Obr. 5. Mikroprocesorová centrální vyhodnocovací a řídicí jednotka I má na svůj výstup připojen displej 2. Tato mikroprocesorová centrální vyhodnocovací a řídicí jednotka I je propojena s detekční hlavou JO. Detekční hlava 10 je pevně spojena strojící akcelerometrů 3, vyznačených zde jako jeden blok, s bezkontaktním senzorem 4 rychlosti, který je zde tvořen optickou kamerou a se senzorem 7 pro měření vzdálenosti detekční hlavy JO od terénu 6 a/nebo od přídavné značky 5. Trojice akcelerometrů 3, bezkontaktní senzor 4 rychlosti, detekční hlava JO a senzor 7 pro měření vzdálenosti detekční hlavy JO od terénu 6 a/nebo od přídavné značky 5 jsou v tomto provedení pevně propojeny.

Do mikroprocesorové centrální vyhodnocovací a řídicí jednotky 1 vstupuje signál z akcelerátorů 3 a z bezkontaktního senzoru 4 rychlosti, zde z optické kamery, která sleduje polohu přídavné značky 5 na terénu 6 nebo přímo povrch terénu 6. Senzor 7 pro měření vzdálenosti detekční hlavy od terénu a/nebo od přídavné značky 5 průběžně měří výšku detekční hlavy JO nad terénem 6 nebo nad přídavnou značkou 5. Akcelerometry 3 jsou vždy umístěny na detekční hlavě JO.

Bezkontaktní senzor 4 rychlosti je obvykle umístěn na detekční hlavě 10, v jiném provedení může ale být umístěn například na přilbě operátora a v tom případě není pevně spojen s akcelerometry 3 a se senzorem 7 pro měření vzdálenosti detekční hlavy JO od terénu 6 a/nebo od přídavné značky 5.

Při aplikaci jednotky nejprve operátor položí značku 5 na terén 6. Obvyklý postup je, že dvě značky 5 ve tvaru terčíku nebo praporku vyznačují místo, kde byl zachycen signál při přehledovém měření, a které bude podrobněji měřeno. Značky 5 mohou být však umístěny kdekoli na terénu a tvořit jen artefakt pro snadnější měření rychlosti kamerou. Toto se využívá v případě, kdy povrch terénu na sobě nemá žádné kontrasty, o které by se mohla kamera opřít, například jeli terénem 6 rovna písková plocha. Jednotku je ale možno použít bez značky 5, a to tak, že bezkontaktní senzor 4 rychlosti snímá přímo povrch terénu 6.

Mikroprocesorová centrální vyhodnocovací a řídicí jednotka i zpracovává informaci z akcelerometrů 3, a vyhodnocuje okamžitou polohu detekční hlavy JO. K. tomu numericky integruje informaci z akcelerometrů 3 a získává tím informaci o okamžité rychlosti detekční hlavy JO. Další integrací získá údaj o poloze detekční hlavy 10. Mikroprocesorová centrální vyhodnocovací a řídicí jednotka i dále zpracovává informaci z bezkontaktního senzoru 4 rychlosti a vyhodnocuje okamžik nulové rychlosti detekční hlavy J_0. V tomto okamžiku se provádí korekce offsetu akcelerometrů 3 tak, že se veličina reprezentující okamžitou rychlost položí rovná nule. Mikroprocesorová centrální vyhodnocovací a řídicí jednotka 1 také zpracovává informaci ze senzoru 7 pro měření vzdálenosti detekční hlavy JO od terénu 6 a/nebo od přídavné značky 5, který funguje například na ultrazvukovém nebo optickém principu. Tato informace se primárně používá pro kontrolu správné činnosti operátora.

Bezkontaktní senzor 4 rychlosti, který je použit pro korekci offsetu a driftu, detekuje okamžik nulové rychlosti, případně úhlového zrychlení nebo okamžik průchodu detekční hlavy JO nad umělou značkou. Korekce offsetu a driftu jednotlivých senzorů, akcelerometrů 3 a případně senzorů úhlové rychlosti nebo úhlového zrychlení může být provedena například tak, že v okamžiku, kdy byla detekována nulová okamžitá rychlost detekční hlavy JO je vynulována odpovídající proměnná ve výpočetním programu. Kromě toho může být jednotka vybavena dalším senzorem 7, který měří vzdálenost nad terénem 6. Mikroprocesorová centrální vyhodnocovací a řídicí jednotka i vypočte z údajů akcelerometrů 3 a případně ze senzorů úhlové rychlosti nebo úhlového zrychlení okamžitou polohu detekční hlavy JO a vytváří profil, tedy liniový graf, nebo dvourozměrnou mapu na které je vyznačena síla signálu detekční hlavy a případně také polohy přídavných značek 5. Z plošné mapy nebo profiluje pak možno usoudit na typ nalezeného objektu. Tím je možno odlišit hledané objekty, například protipěchotní miny, od jiných objektů jako je např. šrot.

V jiném možném uspořádání detekční hlava JO neobsahuje elektroniku, která je soustředěna do zvláštního bloku, který může být např. zavěšen na těle operátora.

Průmyslová využitelnost

Jednotka polohy pro detektory kovů může zvýšit detekční a diskriminační schopnost detektorů kovů. Může se vyrábět jako součást těchto detektorů nebo jako samostatná přídavná jednotka. Jednotka může být s výhodou využita i při výcviku operátorů detektorů kovů.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

5 1. Jednotka polohy pro detektory kovů sestávající z detekční hlavy připojené k mikroprocesorové centrální vyhodnocovací a řídicí jednotce s displejem a z trojice akcelerometrů, případně snímačů úhlové rychlosti nebo úhlového zrychlení, které jsou propojeny s touto mikroprocesorovou centrální vyhodnocovací a řídicí jednotkou a zároveň jsou pevně spojeny s detekční hlavou, vyznačující se tím, žek mikroprocesorové centrální vyhodnocovací a řídicí jednotce ίο (1) je připojen bezkontaktní senzor (4) rychlosti.
2. Jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že bezkontaktní senzor (4) rychlosti je tvořen optickou kamerou.

15 3. Jednotka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že k mikroprocesorové centrální vyhodnocovací a řídicí jednotce (1) je připojen senzor (7) pro měření vzdálenosti detekční hlavy (10) od terénu (6) a/nebo od přídavné značky (5), umístěné v místech zachycení signálu při přehledovém měření.