RU2097771C1

RU2097771C1 - Method of no-contact measurement of moving object speed and device intended for its realization

Info

Publication number: RU2097771C1
Application number: RU96113768A
Authority: RU
Inventors: В.П. Васильев
Original assignee: Московский энергетический институт (Технический университет)
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 1997-11-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: two signals corresponding to object position at two spatial points are numbered and subjected to narrow-band digital filtering. Corresponding zero-points of transition are registered by obtained quasi-harmonic oscillations through zero from bottom to top, and delay time and respective speed of object are determined by counting the number of digitization periods in interval between zero- points. Device has transducers 1 and 2 positioned at some distance and connected to digitizers 3 and 4 controlled by clock-pulse generator 13. Outputs of digitizers are connected to inputs of two-channel digital processing unit 5 with digital resonators 6 and 7 and nullindicators 8 and 9, respectively. Device generates commands for alternate switching-on/off of clock pulse counter 10 counting the number of periods of oscillations coming from generator 13 within interval between switching on and off. Speed calculation unit 11 converts this number to speed which is shown by indicator 12. EFFECT: higher measurement results. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерениям и может быть использовано на транспортных средствах и в технологических установках для неконтактного определения скорости движения объектов. The invention relates to measurements and can be used on vehicles and in technological installations for non-contact determination of the speed of objects.

Известны способы неконтактного измерения относительной скорости V подвижных объектов, основанные на корреляционной обработке сигналов двух датчиков (оптических, ультразвуковых, температурных, радиационных и т.п.), размещенных по вектору скорости объекта на базовом расстоянии B. Вычисляя абсциссу максимума взаимно корреляционной функции (ВКФ) этих сигналов, определяют транспортную задержку t_з запаздывающего сигнала по сравнению с опережающим и, зная базовое расстояние B между датчиками, вычисляют скорость движения объекта, которая при отсутствии помех равна V B/t_з [1]
Однако непосредственное вычисление абсциссы максимума ВКФ имеет низкую точность из-за гладкости реальных ВКФ, что приводит к малому изменению значения функции при достаточно большом изменении аргумента вблизи точки максимума. Стремление повысить точность путем фиксации нулевого значения первой производной от ВКФ [2] приводит к усложнению алгоритма обработки, требующего высокоточной фильтрации, ортогонализации, взаимно ортогональной корреляции, операций умножения и т. п. Кроме того, при условии изменяемости диапазона измеряемых скоростей во времени для любой модификации корреляционных способов измерения скорости необходимо обеспечить режимы слежения и адаптации, что приводит к дополнительному усложнению алгоритмов и повышению соответствующих стоимостных затрат.Known methods for non-contact measurement of the relative velocity V of moving objects, based on the correlation processing of the signals of two sensors (optical, ultrasonic, temperature, radiation, etc.) placed along the velocity vector of the object at a base distance B. Calculating the abscissa of the maximum of the cross-correlation function (VKF ) of these signals, determine the transport delay _of the delayed signal t as compared with leading and knowing base distance B between the sensors, calculating the speed of the object on which at in the absence of interference is equal to VB / t _s [1]
However, the direct calculation of the abscissa of the maximum of the VKF has low accuracy due to the smoothness of the real VKF, which leads to a small change in the value of the function with a sufficiently large change in the argument near the maximum point. The desire to improve accuracy by fixing the zero value of the first derivative of VKF [2] complicates the processing algorithm that requires high-precision filtering, orthogonalization, mutually orthogonal correlation, multiplication operations, etc. In addition, provided that the range of measured velocities varies with time for any modifications of the correlation methods for measuring speed, it is necessary to provide tracking and adaptation modes, which leads to an additional complication of the algorithms and an increase in the corresponding cost costs.

Наиболее близким по технической сущности цифровые измерители скорости подвижных объектов [3] основанные на корреляционных способах измерения, содержат расположенные на расстоянии друг от друга два датчика, соединенные с соответствующими дискретизаторами, один из которых подключен к линии задержки, генератор тактовых импульсов, блок обработки сигналов с корреляционным дискриминатором, устройством стабилизации уровня сигнала в виде системы типа автоматической регулировки усиления (АРУ) и устройством адаптации к изменению диапазона измеряемых скоростей, блок вычисления скорости и индикации. Однако повышение точности измерения скорости и диапазона измеряемых скоростей в этих устройствах достигается за счет усложнения их схемного состава, а применение в них дополнительных структур в виде контуров слежения и стабилизаторов уровней сигналов приводит к сниженю быстродействия аппаратуры и повышению затрат на ее изготовление и эксплуатацию. The closest in technical essence digital measuring instruments of speed of moving objects [3] based on correlation methods of measurement, contain two sensors located at a distance from each other, connected to the corresponding discretizers, one of which is connected to the delay line, a clock pulse generator, a signal processing unit with correlation discriminator, a device for stabilizing the signal level in the form of a system such as automatic gain control (AGC) and a device for adapting to changing the range of measured speeds, speed calculation and indication unit. However, increasing the accuracy of measuring speed and the range of measured speeds in these devices is achieved by complicating their circuit composition, and the use of additional structures in the form of tracking loops and signal level stabilizers leads to a decrease in the speed of the equipment and an increase in the cost of its manufacture and operation.

Техническая задача, решаемая предлагаемым способом и устройством для его осуществления, заключается в упрощении алгоритма определения транспортной задержки, расширении динамического диапазона измеряемых скоростей, снижении уровня систематических ошибок. The technical problem solved by the proposed method and device for its implementation is to simplify the algorithm for determining transport delay, expand the dynamic range of the measured speeds, reduce the level of systematic errors.

Это достигается тем, что в известном способе неконтактного измерения транспортной задержки подвижных объектов, заключающемся в том, что формируют два сигнала, соответствующие положению объекта в двух пространственно разнесенных по вектору скорости точках, эти сигналы оцифровывают, осуществляют узкополосную цифровую фильтрацию обоих цифровых сигналов, определяют соответственные точки пересечения нулевого уровня отфильтрованными колебаниями, подсчитывают число периодов дискретизации между соседними точками пересечения этими колебаниями нулевого уровня и определяют транспортную задержку между ними, соответствующую скорости движения объекта. This is achieved by the fact that in the known non-contact measurement method of the transport delay of moving objects, which consists in generating two signals corresponding to the position of the object at two points spatially spaced along the velocity vector, these signals are digitized, narrow-band digital filtering of both digital signals is carried out, and the corresponding zero level intersection points by filtered vibrations, count the number of sampling periods between adjacent intersection points of these vibrations zero level and determine the transport delay between them, corresponding to the speed of the object.

В устройстве для осуществления указанного способа, содержащем два датчика отраженного излучения, разнесенных пространственно по вектору скорости движения объекта, датчики подключены соответственно к входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей (АЦП), выходы которых подключены к первому и второму входам цифрового блока обработки сигналов, выход которого подключен к последовательно соединенным блоку вычисления скорости и индикатору, блок обработки сигналов снабжен счетчиком тактовых импульсов и выполнен в виде двух идентичных каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные цифровой резонатор и нуль-индикатор, выходы нуль-индикаторов подключены к соответствующим первому и второму входам счетчика тактовых импульсов, а выход генератора тактовых импульсов соединен одновременно с управляющими входами первого и второго АЦП и с третьим входом счетчика тактовых импульсов. In a device for implementing the method, comprising two reflected radiation sensors spaced spatially along the object’s velocity vector, the sensors are connected respectively to the inputs of the first and second analog-to-digital converters (ADCs), the outputs of which are connected to the first and second inputs of a digital signal processing unit, the output of which is connected to the speed calculation unit and the indicator connected in series, the signal processing unit is equipped with a clock counter and is made in the form of two ides channels, each of which contains a digital resonator and a null indicator connected in series, the null indicator outputs are connected to the corresponding first and second inputs of the clock counter, and the output of the clock generator is connected simultaneously with the control inputs of the first and second ADCs and with the third counter input clock pulses.

На фиг. 1 приведены эпюры колебаний u₁(t) и u₂(t) на выходах датчиков отраженного сигнала; на фиг. 2 эпюры квазигармонических колебаний v₁(t) и v₂(t) после операции узкополосной цифровой фильтрации;на фиг. 3 структурная схема устройства, реализующего заявленный способ.In FIG. 1 shows diagrams of oscillations u ₁ (t) and u ₂ (t) at the outputs of the reflected signal sensors; in FIG. 2 diagrams of quasi-harmonic oscillations v ₁ (t) and v ₂ (t) after the operation of narrow-band digital filtering; FIG. 3 is a structural diagram of a device that implements the claimed method.

Два сигнала, соответствующие положению объекта в разнесенных по вектору скорости точках, показаны на эпюрах на выходах датчиков, причем первый сигнал опережает второй. Эти сигналы оцифровывают, а затем подвергают узкополосной цифровой фильтрации. В результате образуются квазигармонические колебания, показанные на соответствующих эпюрах, имеющие фазовый сдвиг, пропорциональный времени задержки между входными сигналами. Затем фиксируют соответственные точки перехода этими колебаниями через нулевой уровень (например, снизу вверх). При этом для однозначности отсчета максимальное время задержки должно быть меньше "периода" квазигармонических колебаний, что определяет центральную частоту узкополосной фильтрации, которая должна быть меньше величины, обратной к максимальной транспортной задержке. При этом точка пересечения нулевого уровня вторым колебанием не опережает точку следующего пересечения нулевого уровня первым квазигармоническим колебанием. Величину транспортной задержки рассчитывают по подсчету числа периодов дискретизации между соответственными точками пересечения нулевого уровня квазигармоническими колебаниями. Величина измеряемой скорости равна отношению расстояния между сигналами (базы) к транспортной задержке. Two signals corresponding to the position of the object at points spaced apart along the velocity vector are shown on the diagrams at the outputs of the sensors, the first signal being ahead of the second. These signals are digitized and then subjected to narrowband digital filtering. As a result, quasi-harmonic oscillations are formed, shown on the corresponding diagrams, having a phase shift proportional to the delay time between the input signals. Then, the corresponding transition points are fixed by these oscillations through the zero level (for example, from bottom to top). In this case, for the sake of unambiguity, the maximum delay time should be less than the “period” of quasi-harmonic oscillations, which determines the central frequency of narrow-band filtering, which should be less than the reciprocal of the maximum transport delay. In this case, the point of intersection of the zero level by the second oscillation does not exceed the point of the next intersection of the zero level by the first quasiharmonic oscillation. The magnitude of the transport delay is calculated by calculating the number of sampling periods between the corresponding intersection points of the zero level by quasi-harmonic oscillations. The value of the measured speed is equal to the ratio of the distance between the signals (base) to the transport delay.

Увеличение частоты дискретизации приводит к снижению уровня систематической ошибки измерения времени задержки и, позволяя измерять малые задержки, расширяет динамический диапазон измеряемых скоростей в область высоких скоростей. Выбор центральной частоты узкополосной фильтрации из условия f<1/t_зmax, где t_зmax максимальная транспортная задержка, определяет нижнюю границу измеряемых скоростей.An increase in the sampling frequency leads to a decrease in the level of systematic error in measuring the delay time and, allowing the measurement of small delays, extends the dynamic range of the measured velocities to the region of high velocities. The choice of the center frequency of narrow-band filtering from the condition f <1 / t _zmax , where t _{zmax is the} maximum transport delay, determines the lower boundary of the measured velocities.

Поскольку момент пересечения нулевого уровня квазигармоническим колебанием не зависит от его интенсивности, то не требуется адаптации к уровню сигнала, что упрощает алгоритм обработки и повышает его быстродействие. Since the moment of crossing the zero level by quasi-harmonic oscillation does not depend on its intensity, adaptation to the signal level is not required, which simplifies the processing algorithm and improves its speed.

Устройство для осуществления способа содержит первый и второй датчики отраженного сигнала 1 и 2, соединенные с первыми входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 3 и 4, выходы которых подключены соответственно к первому (I) и второму (II) входам цифрового блока обработки сигналов 5, в который входят цифровые резонаторы первого и второго каналов 6 и 7, нуль-индикаторы первого и второго каналов 8 и 9, выходы которых подключены соответственно к первому (I) и второму (II) входам счетчика тактовых импульсов 10, выход которого соединен последовательно с блоком вычисления скорости 11 и индикатором 12, генератор тактовых импульсов 13, выход которого одновременно соединен с управляющими входами (II) первого и второго АЦП 3 и 4 соответственно, и с третьим входом (III) счетчика тактовых импульсов 10. The device for implementing the method comprises first and second reflected signal sensors 1 and 2 connected to the first inputs of the first and second analog-to-digital converters (ADCs) 3 and 4, the outputs of which are connected respectively to the first (I) and second (II) inputs of the digital block signal processing 5, which includes digital resonators of the first and second channels 6 and 7, zero indicators of the first and second channels 8 and 9, the outputs of which are connected respectively to the first (I) and second (II) inputs of the clock counter 10, the output of which conjunction sequentially with velocity calculation unit 11 and an indicator 12, a clock generator 13, whose output is connected simultaneously to the control inputs (II) the first and second ADC 3 and 4, respectively, and to the third input (III) of the counter clock 10.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

С помощью датчиков 1 и 2, например, оптических, ультразвуковых или радиационных, разнесенных пространственно по вектору скорости движения объекта, формируют два электрических сигнала, причем сигнал от первого датчика 1 опережает сигнал от второго датчика 2. Эти сигналы оцифровывают с помощью АЦП 3 и 4, управляемых от генератора тактовых импульсов 13 по соответствующим входам (II). Полученные цифровые сигналы поступают в двухканальный цифровой блок обработки сигналов 5, на цифровые резонаторы 6 и 7 соответственно. Отфильтрованные резонаторами 6 и 7 квазигармонические колебания поступают на соответствующие нуль-индикаторы 8 и 9. Нуль-индикаторы 8 и 9 фиксируют нуль-точки моменты перехода соответствующими квазигармоническими сигналами нулевого уровня снизу вверх. Начиная с момента обнаружения нуль-точки нуль-индикатором 8 в первом канале и выработкой им же команды включения счетчика тактовых импульсов 10 по входу (I) и до момента обнаружения нуль-точки во втором канале нуль-индикатором 9 и выработки им же команды выключения счетчика 10 по входу (II), производится подсчет числа периодов колебаний генератора тактовых импульсов 13, поступающих на вход (III) счетчика, до момента обнаружения нуль-точки во втором канале нуль-индикатором 9, который вырабатывает команду выключения счетчика 10 по входу (I). Таким образом, счетчик 10 запускается по входу (I) и останавливается по входу (II), а на его третий (III) вход поступают сигналы от генератора тактовых импульсов 13 синхронно с импульсами, идущими на управляющие (II) входы АЦП 3 и 4. Счетчик тактовых импульсов 10 подсчитывает число n импульсов периодов дискретизации T, находящихся между соседними точками пересечения нулевого уровня квазигармоническими колебаниями, пропорциональное времени задержки второго сигнала относительного первого, и это число n поступает в блок вычисления скорости 11, при этом скорость определяется формулой V B/(nT) и индицируется с помощью индикатора 12, например светового информационного табло. При этом темп выдачи информации о текущей скорости на индикаторе 12 численно совпадает с резонансной частотой цифровых резонаторов 6 и 7. Using sensors 1 and 2, for example, optical, ultrasonic or radiation, spatially spaced along the velocity vector of the object, two electrical signals are generated, and the signal from the first sensor 1 is ahead of the signal from the second sensor 2. These signals are digitized using ADCs 3 and 4 controlled from the clock generator 13 at the corresponding inputs (II). The received digital signals are fed to a two-channel digital signal processing unit 5, to the digital resonators 6 and 7, respectively. The quasi-harmonic oscillations filtered by the resonators 6 and 7 arrive at the corresponding zero indicators 8 and 9. The zero indicators 8 and 9 fix the zero-points when the transition occurs with the corresponding zero-level quasi-harmonic signals from the bottom up. From the moment a null-point is detected by a null-indicator 8 in the first channel and it generates a command to turn on the counter of clock pulses 10 at the input (I) until the null-point is detected in the second channel by a null-indicator 9 and it generates the same command to turn off the counter 10 at the input (II), the number of periods of oscillation of the clock pulse generator 13 arriving at the counter input (III) is calculated until a null point is detected in the second channel by a null indicator 9, which generates a command to turn off the counter 10 at the input (I) . Thus, the counter 10 starts at the input (I) and stops at the input (II), and its third (III) input receives signals from the clock pulse generator 13 synchronously with the pulses going to the control (II) inputs of the ADC 3 and 4. The clock counter 10 counts the number n of pulses of the sampling periods T located between adjacent intersection points of the zero level by quasi-harmonic oscillations, proportional to the delay time of the second signal relative to the first one, and this number n enters the speed calculation unit 11, while the bore is determined by the formula V B / (nT) and is indicated by indicator 12, for example, a light information board. The rate of information about the current speed on the indicator 12 numerically coincides with the resonant frequency of the digital resonators 6 and 7.

Блок обработки сигналов содержит только два идентичных цифровых резонатора (например, рекурсивных фильтра второго порядка), два идентичных нуль-индикатора и один счетчик тактовых импульсов, в результате чего схемный состав прост. Упрощение аппаратурной реализации устройства приводит к снижению стоимостных затрат на разработку, изготовление и эксплуатацию устройства, упрощает возможность проведения тестирования, повышает надежность устройства. Повышается также и достоверность измерений в большем диапазоне измеряемых скоростей поскольку не требуется применять сложные (высоких порядков) контуры слежения и адаптации. The signal processing unit contains only two identical digital resonators (for example, second-order recursive filters), two identical zero indicators and one clock pulse counter, as a result of which the circuit composition is simple. Simplification of the hardware implementation of the device leads to lower cost costs for the development, manufacture and operation of the device, simplifies the possibility of testing, increases the reliability of the device. The reliability of measurements also increases in a wider range of measured velocities since complex (high orders) tracking and adaptation contours are not required.

Исследования компьютерной модели измерителя скорости, основанного на предложенном способе измерения, для трековых испытаний автомобилей с датчиками отраженного сигнала в виде фотоприемников показали, что уровень средней относительной ошибки измерения скорости не превышает 0,5% (при частоте дискретизации 14 кГц) в широком диапазоне измерения скорости V_max/V_min 30.50 и при отношении сигнал/шум 40 дБ на выходах цифровых резонаторов. Случайные ошибки измерения скорости обусловлены собственными шумами датчиков, АЦП и цифровых резонаторов, суммарный уровень которых в практических ситуациях не превосходит -40.-60 дБ относительно уровня сигналов.Studies of a computer model of a speed meter, based on the proposed measurement method, for track tests of cars with reflected sensors in the form of photodetectors showed that the level of the average relative error of speed measurement does not exceed 0.5% (at a sampling frequency of 14 kHz) in a wide range of speed measurement V _max / V _min 30.50 and with a signal-to-noise ratio of 40 dB at the outputs of digital resonators. Random errors in speed measurement are caused by the intrinsic noise of sensors, ADCs and digital resonators, the total level of which in practical situations does not exceed -40.-60 dB relative to the signal level.

Claims

1. The method of non-contact measurement of the speed of moving objects, which consists in generating two signals corresponding to the position of the object at two points spatially spaced along the velocity vector, these signals are digitized, characterized in that both digital signals are subjected to narrow-band digital filtering, and the corresponding intersection points are determined the zero level by filtered oscillations, count the number of sampling periods between adjacent points of intersection of the zero level and determine the transport Derzhko between them.

2. A device for non-contact measurement of the speed of moving objects, containing two reflected radiation sensors located at a distance from each other, a clock pulse generator, sensors are connected respectively to the first and second analog-to-digital converters, the outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the digital unit signal processing, the output of which is connected to a series-connected speed calculation unit and an indicator, characterized in that the signal processing unit is equipped with a counter m of clock pulses and is made in the form of two identical channels, each of which contains a digital resonator and a zero indicator connected in series, the outputs of the zero indicators are connected respectively to the first and second inputs of the clock counter, and the output of the clock generator is connected simultaneously with the control inputs of the first and a second analog-to-digital converter and with a third clock counter input.