ES2376209A1 - Cinemómetro sonoro. - Google Patents
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Abstract
Cinemómetro sonoro.La invención hace referencia a un cinemómetro sonoro para determinar velocidades en vehículos, que hace uso de una antena conformada por una agrupación lineal o multidimensional de micrófonos dispuestos de forma separada y equidistante, o dispuestos de forma separada y con una distancia proporcional entre ellos. Asimismo se hace uso de unas fotocélulas a modo de sensores para detectar el paso del vehículo.
Description
Cinemómetro sonoro.
La presente invención se refiere a un
cinemómetro sonoro para la determinación de la velocidad en
vehículos, basado en una antena formada por una agrupación lineal de
micrófonos.
El desarrollo de diferentes sistemas de
micrófonos agrupados, así como el estudio de nuevas aplicaciones, ha
evolucionado de forma significativa en los últimos años. Como
consecuencia, diversos autores han publicado trabajos dirigidos
hacia la optimización del funcionamiento de un sistema de
micrófonos, o el desarrollo de nuevas aplicaciones para antenas
regulares. Algunos investigadores como LAGUNAS et al.,
proponen el uso de antenas de 2 dimensiones, para la localización de
fuentes de ruido en campo cercano, consiguiendo que muchos de los
avances logrados hayan sido posteriormente comercializados por
empresas tales como Bruel&kjaer, BSWA o GFAI Technology.
Una de las principales aplicaciones dadas a las
antenas de micrófonos es la de actuar como herramienta para la
localización de fuentes de ruido, habiendo publicaciones que
recapitulan las principales técnicas de diferencias finitas en el
dominio de tiempo empleadas para la localización y medición sonora
de fuentes en campo cercano y autores que trabajan con algoritmos de
cálculo rápido con el fin de proporcionar sistemas de identificación
y localización de fuentes sonoras en tiempo real.
La propiedad de obtener la ubicación de una
fuente sonora es también conocida como DOA (Direction Of Arrival) y
basa su funcionamiento en la estimación del ángulo de llegada de la
onda sonora, teniendo en cuenta el retraso de la misma entre los
diferentes micrófonos.
La aplicación de antenas sencillas puede
proporcionar resultados satisfactorios.
LÓPEZ-VALCARCE y MORAN et al. han llevado a
cabo diferentes ensayos para la detección de fuentes de ruido,
localización y velocidad a través de antenas de micrófonos. KODERA
et al. proponen un sistema de 4 micrófonos para la
localización de vehículos automóviles en campo cercano, con el
propósito de poder aplicarlo en seguridad vial. Trabajando con un
sistema de sólo dos micrófonos, PÉREZ-GONZÁLEZ et
al. proponen un algoritmo de cálculo para detectar la posición y
velocidad de fuentes sonoras en movimiento emitiendo en un estrecho
ancho de banda, trabajando para optimizar resultados con la serie de
Monte Carlo.
A su vez, dentro del proyecto de investigación
Harmonoise se propone el uso de antenas de micrófonos para localizar
y caracterizar fuentes de ruido de un vehículo en movimiento, así
como holografías en campo cercano, empleando antenas lineales y
2D.
Si se buscan aplicaciones de agrupaciones de
micrófonos en campo lejano, QUARANTA et al. propone un modelo
para la detección de fuentes de ruido en espacios abiertos,
empleando sensores sonoros a grandes distancias, así como otros
autores que serán comentados más delante. Por último, en la
bibliografía es fácil encontrar sistemas de micrófonos subacuáticos
empleados para la localización de fuentes de ruido en grandes
volúmenes de
agua.
agua.
Con el fin de seleccionar el sistema de
micrófonos que permita alcanzar los objetivos inicialmente
planteados en esta investigación, se ha realizado una recopilación
meticulosa de los principales tipos de sistemas agrupaciones de
micrófonos existentes en la bibliografía, así como las diferentes
aplicaciones para las que han sido empleadas cada una de ellas.
El objeto de la invención es un cinemómetro
capaz de detectar la velocidad de un vehículo por una vía de
trayectoria previamente conocida, empleando para ello el sonido
irradiado por sí mismo. Con el fin de garantizar su viabilidad, el
cinemómetro sonoro constará de un número reducido de micrófonos y un
procesado de datos lo más sencillo posible con la intención de
agilizar su funcionamiento.
Tal y como se ha visto en el apartados anterior,
la bibliografía recoge una gran cantidad de aplicaciones prácticas
de antenas de micrófono empleadas para la localización de fuentes
sonoras. Pero una de las ventajas del objeto de la invención que se
describe, es su capacidad de detectar fuentes en movimiento con una
la elevada variación del ángulo de localización de las mismas con el
tiempo, así como la posibilidad de determinar la velocidad de
circulación del vehículo durante un largo tramo de su recorrido (más
de 150 m), lo que introduce varias complicaciones en la distribución
de sensores y posterior procesado de la señal. A todo ello, se añade
la posibilidad de trabajar con una antena sencilla, fácil de manejar
y controlar, basada en un número reducido de micrófonos y con un
rápido procesado. Algunos autores han publicado los resultados
obtenidos empleando sistemas lineales de micrófonos para la
localización de fuentes de ruido en movimiento en condiciones
concretas JEON, pero no se tiene evidencias de cómo se comportaría
este tipo de antena en unas condiciones generales, con ruido de
fondo en las mismas frecuencias que el emitido por la fuente que se
pretende localizar.
Con el fin de proponer la herramienta más
apropiada para esta aplicación, se proponen agrupaciones de
diferentes características, estableciendo una relación entre las
tipologías, distribución y número de sensores, y los resultados
obtenidos.
Un objeto de la invención es una agrupación
lineal equidistante, ULA, de 7 micrófonos. Esta disposición de
micrófonos se realiza en posición perpendicular y paralela a la
línea de paso del vehículo.
Otro objeto de la invención es una agrupación
lineal proporcional, PROP, de 9 micrófonos. Tal y como sucede con la
anterior antena lineal, también se realiza en posición perpendicular
y paralela a la línea de paso del vehículo.
A su vez, el micrófonos empleado en ambos es un
micrófono de ¼ de pulgada ICP modelo tipo agrupación de
Bruel&Kjaer 4935. Estos micrófonos resultan muy apropiados para
una distribución en forma de agrupación de micrófonos, ya que se
encuentran en fase y su reducido tamaño permite un fácil montaje. El
número de micrófonos empleado es de 7 para los sistemas
uniformemente distribuidos, y excepcionalmente de 9 para las antenas
con micrófonos distanciados de forma proporcional.
El sistema propuesto consta de una estructura de
aluminio que sustenta un conjunto de 7 micrófonos distanciados
uniformemente entre sí y conectados a un equipo de adquisición de
datos. Este sistema de micrófonos trabaja como un único sensor de
ruido altamente direccional, capaz de localizar la posición de una
fuente sonora en un radio de acción de más de 100 metros.
A su vez, el sistema consta de un par de
fotocélulas convencionales conectadas al mismo sistema de
adquisición y que detectaran el paso del vehículo controlado por el
punto más cercano al Cinemómetro.
Las señales captadas por el sistema de
micrófonos y las fotocélulas son posteriormente filtradas y tratadas
para detectar la tendencia de desplazamiento del vehículo durante su
trayectoria; para ello se realiza o bien un procesado DFT a
frecuencia temporal, espectro cruzado y DFT a frecuencia espacial
para procesar señales de banda ancha, o bien un procesado mediante
el método MUSIC y/o CAPON para procesar señales de banda estrecha.
Esta información es posteriormente implementada en un algoritmo de
cálculo de velocidad, que minimiza la desviación de los datos y
corrige las posibles variaciones sufridas en la fase de adquisición
debidas a desajustes en el sistema de micrófonos o la trayectoria
del vehículo.
Actualmente los sistemas empleados para el
control de vehículos en carretera, basan su funcionamiento en
antenas radas. Estas son instaladas y enfocadas a un punto concreto
de la vía. El cinemómetro propuesto es capaz de localizar y captar
la velocidad de un vehículo convencional durante 150 metros de su
trayectoria.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra un diagrama de los distintos
elementos del cinemómetro sonoro.
Figura 2.- Muestra un diagrama del proceso de
determinación de velocidad de un vehículo usando el cinemómetro
sonoro descrito.
A la vista de las figuras se describe a
continuación un modo de realización preferente del cinemómetro
sonoro objeto de esta invención.
Independientemente de las características de la
antena, conformada por micrófonos (2), empleada para la localización
de la fuente, los aspectos básicos de la realización serán los
mismos en todos los casos. Éstos son: posicionar unos sensores de
posición (4) en un ángulo de aproximadamente 90º respecto de la vía
por la que circula el móvil, ubicar una agrupación de micrófonos (2)
- que en una realización preferente puede ser multidimensional- en
una zona libre de interferencias, conectar una antena (1) y los
sensores de posición (4) a un centro de procesado (3), captar datos
mediante la antena (1) y los sensores de posición (4), y procesar
los datos obtenidos en la fase anterior para determinar una
velocidad (14) del móvil.
Para la realización práctica del objeto de la
invención se selecciona una vía por la que va a circular un
vehículo, así como la ubicación del sistema de micrófonos (2),
encargados de adquirir unas señales sonoras (5) y los sensores de
posición (4) que en este caso son las fotocélulas encargadas de
captar una señal de posición (6). La pista tiene una longitud total
de 300 metros y la velocidad será mantenida durante 180 m. Para la
ubicación de la antena de micrófonos (2) y su orientación con la
pista se emplean las coordenadas UTM del micrófono (2) de referencia
y la distancia a elementos del entorno.
El terreno en el que se ubicó la antena presenta
matorral bajo y tierra, lo que lo hace una superficie poco
reflectante. De esta forma se reduce de forma significativa la
presencia de ondas reflejadas que podrían alterar las condiciones de
las señales captadas.
Se empleó un único modelo de vehículo, para que
la comparativa de resultados y peculiaridades del ensayo no se
vieran alteradas. El vehículo debía permanecer circulando a una
velocidad constante entre 20 y 25 m/s. Para poder verificar las
condiciones de velocidad de la fuente y comprobar el correcto
funcionamiento de las agrupaciones se empleó un sistema de
localización geográfica o Sistema Global de Navegación por Satélite
(GPS) instalado en el vehículo, capaz de facilitar información de la
posición del mismo cada segundo. Gracias a esta información se
determinará la velocidad de circulación del vehículo cada segundo.
Al trabajar con variaciones de posición relativa, se estima que la
velocidad obtenida del sistema tendrá un margen de error de \pm 1
m/s, aspecto que deberá ser tenido en cuenta a la hora de analizar
los resultados.
Para poder realizar el procesado de datos (10),
será necesario disponer de información precisa del paso del vehículo
por el centro de paso. Para ello se empleó, tal y como se ha
descrito anteriormente, un par de sensores de posición (4) de paso
que realizan la adquisición de la de posición (6), estas fotocélulas
fueron instaladas a 1 y 3 metros de distancia del punto de
referencia, lo que facilitó información precisa de la velocidad de
circulación en ese instante.
Las señales sonoras (5) pasa por un proceso de
filtrado de paso de banda (7) S_{n}(t), antes de que
se realice la reducción a k bloques de 0.1 sf datos (8)
S_{n,k}(t),T(k), desde donde se realiza un
filtrado Hanning (9) S^{H}_{n,k}(t) antes de pasar
al procesado de datos (10).
En la fase de procesado de datos (10) se aplica
de forma secuencial un DFT a frecuencia temporal
100 un procesado de espectro cruzado
101 y un DFT a frecuencia espacial
102 cuando la señal a procesar es de banda
ancha.
A continuación se realizó la determinación del
ángulo de posición (11) del vehículo \alpha = (T) y se
determinaron los centro de paso (12, 15), tanto el centro de paso de
la agrupación (12) C_{p,A} como el centro de paso (15) de
los sensores de posición (4) C_{p,ph}. Con estos datos se
realizó la corrección (13) de la distancia y el tiempo
D(T') mediante el parámetro \beta determinado a
partir del el centro de paso (15) de los sensores de posición (4)
C_{p,ph}.
Finalmente se obtiene la determinación de la
velocidad (14) del vehículo V(T').
Como sistema de procesado (3) se empleó el
analizador de 16 canales a 24 bits, LMS Pimento, alimentado por un
sistema de baterías. El analizador se configuró conectando los
micrófonos (2) del sistema de agrupación de micrófonos (2), así como
los sensores de posición (4) a sus canales. A su vez, el software
del mismo nombre Pimento V6.0, sirvió para el tratamiento inicial de
los datos, haciendo uso de un filtrado paso banda.
Claims (8)
1. Cinemómetro sonoro caracterizado
porque comprende:
- -
- una antena (1) formada por una agrupación de micrófonos (2) distanciados entre sí encargados de captar datos y generar unas señales sonoras (5),
- -
- unos sensores de posición (4) conectados al sistema de procesado (3) encargados de detectar el paso de vehículos y generar una señal de posición (6), y
- -
- un sistema de procesado (3) encargado de procesar las señales (5, 6) generadas por los micrófonos (2) y los sensores de posición (4).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Cinemómetro sonoro según reivindicación 1
caracterizado porque la agrupación de micrófonos (2) es
lineal.
3. Cinemómetro sonoro según reivindicación 1
caracterizado porque la agrupación de micrófonos (2) es
multidimensional.
4. Cinemómetro sonoro según reivindicación 2 ó 3
caracterizado porque la agrupación de micrófonos (2) lineal
es uniforme siendo la distancia entre micrófonos (2) invariable.
5. Cinemómetro sonoro según reivindicación 2 ó 3
caracterizado porque la agrupación de micrófonos (2) lineal
es proporcional siendo la distancia entre micrófonos (2)
variable.
6. Cinemómetro sonoro según reivindicación 5
caracterizado porque la distancia entre micrófonos (2) varía
de forma proporcional.
7. Procedimiento de determinación de velocidad
de un móvil que hace uso del cinemómetro descrito en las
reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque comprende las
siguientes fases:
- -
- posicionar los sensores de posición (4) en un ángulo de aproximadamente 90º respecto de la vía por la que circula el móvil,
- -
- ubicar la agrupación de micrófonos (2) en una zona libre de interferencias,
- -
- conectar la antena (1) y los sensores de posición (4) al centro de procesado (3),
- -
- captar datos mediante la antena (1) y los sensores de posición (4), y
- -
- procesar los datos obtenidos en la fase anterior para determinar la velocidad (14) del móvil.
\vskip1.000000\baselineskip
8. Procedimiento de determinación de velocidad
de un móvil según reivindicación 7 caracterizado porque la
fase de procesado de datos comprende las siguientes subfases:
- -
- adquirir unas señales sonoras (5) a partir de los micrófonos (2) de la antena (1) y una señal de posición (6) señal a partir de los sensores de posición (4),
- -
- filtrar (7) las señales sonoras (5) mediante un filtro de paso de banda,
- -
- dividir (8) el resultado de la fase anterior en bloques de 0.1 sf,
- -
- realizar un filtrado Hanning (9) al resultado del paso anterior,
- -
- procesar la agrupación (10) resultado del paso anterior para la localización y caracterización de fuentes de las señales sonoras (5) mediante:
- -
- DFT a frecuencia temporal, espectro cruzado y DFT a frecuencia espacial para procesar señales de banda ancha, o
- -
- método MUSIC y/o CAPON para procesar señales de banda estrecha,
- -
- determinar el ángulo de posición (11) del móvil,
- -
- determinar la localización del centro de paso de la agrupación (12) de micrófonos (2) y de la localización del centro de paso (15) de los sensores de posición (4),
- -
- realizar una corrección (13) de las distancias con respecto a la ubicación del centro de paso de los sensores de posición (4) y de la ubicación del centro de paso de los micrófonos (2) y del tiempo de duración de la adquisición de las señales (5 y 6), y
- -
- determinar la velocidad (14) del móvil a partir del resultado del paso anterior.
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|---|---|---|---|
| ES200930283A ES2376209B1 (es) | 2009-06-09 | 2009-06-09 | Cinemómetro sonoro. |
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Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2376209A1 true ES2376209A1 (es) | 2012-03-12 |
| ES2376209B1 ES2376209B1 (es) | 2013-01-29 |
Family
ID=43308461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2376209B1 (es) |
| WO (1) | WO2010142832A1 (es) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005073736A2 (fr) * | 2003-12-30 | 2005-08-11 | Neavia Technologies | Procede et systeme de mesure de la vitesse d'un vehicule |
| WO2009044509A1 (ja) * | 2007-10-01 | 2009-04-09 | Panasonic Corporation | 音源方向検知装置 |
-
2009
- 2009-06-09 ES ES200930283A patent/ES2376209B1/es active Active
-
2010
- 2010-06-09 WO PCT/ES2010/070384 patent/WO2010142832A1/es active Application Filing
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005073736A2 (fr) * | 2003-12-30 | 2005-08-11 | Neavia Technologies | Procede et systeme de mesure de la vitesse d'un vehicule |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2010142832A1 (es) | 2010-12-16 |
| ES2376209B1 (es) | 2013-01-29 |
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