RU2805016C1

RU2805016C1 - Method for determining the speed of ground vehicles

Info

Publication number: RU2805016C1
Application number: RU2022133482A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Кулешов; Владимир Андреевич Макаров; Максим Андреевич Максимов
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2023-10-10

Abstract

FIELD: autonomous ground navigation.

SUBSTANCE: when measuring speed, two sensors are used: the main one is a mechanical one, and an additional one is a high-precision optoelectronic one. The mechanical speed sensor operates continuously and determines the time intervals in which speed measurements should be made by the optoelectronic meter. The measurement of the speed by an optoelectronic meter operating periodically is based on measuring the delay time when the light-sensitive elements receive signals reflected from the microrelief of the underlying surface (US) when they are illuminated by a mini-spotlight of a moving ground vehicle (GV) at a known distance between the light-sensitive elements of the meter. The optoelectronic meter has two light-sensitive matrices of a given size, which identify the US microrelief. When measuring the speed, images of photosensitive matrices are formed using the criterion of coincidence reliability of the signals of the first and second channels of the meters. The velocity is estimated in the absence of a priori information about the statistical characteristics of the coincidence microrelief, as well as the noise of the measuring equipment.

EFFECT: increased accuracy and reliability of determining the GV speed.

1 cl

Description

Изобретение относится к области наземной навигации и может быть использовано в автономных системах наземной навигации, в которых требуется определение с высокой точностью скорости движения и пройденного расстояния наземным транспортным средством (НТС). Для этого используется комплексирование нескольких измерителей параметров движения.The invention relates to the field of land navigation and can be used in autonomous land navigation systems that require high accuracy determination of the speed and distance traveled by a ground vehicle (GV). For this purpose, a combination of several motion parameters meters is used.

Известны комплексные навигационные системы для автономной наземной навигации (КНС), которые, вследствие имеющейся избыточной информации, наличия соответствующих корректирующих цепей и автоматической обработки навигационной информации, позволяют получить более точные результаты измерений параметров навигации, чем любой отдельный измеритель. В качестве дополнительных измерителей могут использоваться измерители, основанные на различных физических принципах определения параметров движения НТС [1-5].Complex navigation systems for autonomous land navigation (GNS) are known, which, due to the available redundant information, the presence of appropriate corrective circuits and automatic processing of navigation information, allow one to obtain more accurate results of measuring navigation parameters than any individual meter. As additional meters, meters can be used that are based on various physical principles for determining the motion parameters of the NTS [1-5].

Известен «Способ определения скорости движения наземного транспортного средства» [6], где для повышения точности определения скорости НТС используется совместная работа механического и более точного оптоэлектронного датчиков скорости (ОЭДС).There is a well-known “Method for determining the speed of a ground vehicle” [6], where, to increase the accuracy of determining the speed of a ground vehicle, the joint operation of mechanical and more accurate optoelectronic speed sensors (OEDS) is used.

В данном способе при использовании двух измерителей скорости основного и дополнительного осуществляют непрерывное измерение скорости движения объекта основным и периодическое измерение с высокой точностью дополнительным измерителем, при этом используют измерение времени задержки сигнала второго канала относительно первого высокоточным измерителем в определенных границах временных интервалов, предварительно определенных менее точным измерителем.In this method, when using two speed meters, the main and an additional one, a continuous measurement of the speed of an object is carried out by the main one and periodic measurement with high accuracy by an additional meter, while measuring the delay time of the signal of the second channel relative to the first by a high-precision meter within certain boundaries of time intervals, previously determined by a less accurate one meter.

Оптоэлектронные матрицы установлены на НТС и разнесены на его шасси на строго определенное расстояние друг относительно друга в продольном направлении по ходу движения НТС. Тогда скорость V движения НТС может быть определена ОЭДС в соответствии с формулой:Optoelectronic matrices are installed on the NTS and spaced on its chassis at a strictly defined distance relative to each other in the longitudinal direction along the direction of the NTS movement. Then the speed V of the NTS movement can be determined by the EMF in accordance with the formula:

где τ - времени задержки сигнала второго канала относительно первого (транспортное запаздывание).where τ is the signal delay time of the second channel relative to the first (transport delay).

Принцип работы ОЭДС основан на измерении времени задержки τ появления электрических сигналов (импульсов) на выходах первого и второго каналов ОЭДС, на входы которых (оптоэлектронные матрицы) поступают отраженные от дорожного покрытия, освещаемого минипрожекторами ОЭДС, световые потоки Ф(t) и Ф(t+τ).The principle of operation of the OEDS is based on measuring the delay time τ of the appearance of electrical signals (pulses) at the outputs of the first and second channels of the OEDS, the inputs of which (optoelectronic matrices) receive light fluxes Ф(t) and Ф(t) reflected from the road surface illuminated by mini-spotlights of the OEDS +τ).

В данном способе осуществляют непрерывное измерение скорости объекта основным (МДС) и периодическое измерение скорости с высокой точностью дополнительным измерителем (ОЭДС).In this method, a continuous measurement of the object’s speed with the main one (MDS) and periodic measurement of the speed with high accuracy with an additional meter (OEDS) are carried out.

Механический датчик скорости является достаточно надежным и простым измерителем параметров наземной навигации, однако, имеет ряд методических погрешностей в определении пути, основная из которых -погрешность из-за изменения давления в шинах в процессе движения наземного транспортного средства. Поэтому ожидаемым эффектом от совместного использования МДС и ОЭДС является периодическая (в течение времени работы ОЭДС) подкалибровка масштабного коэффициента МДС и повышение точности определения скорости НТС.A mechanical speed sensor is a fairly reliable and simple meter for land navigation parameters; however, it has a number of methodological errors in determining the path, the main one of which is the error due to changes in tire pressure during the movement of a land vehicle. Therefore, the expected effect from the joint use of MMF and OEMF is periodic (during the operating time of OEMF) calibration of the MMF scale factor and an increase in the accuracy of determining the speed of the NTS.

Основной проблемой при реализации указанного способа являются повышение точности и достоверности при определении скорости дополнительным измерителем. Действительно, в данном способе предложено оценивать не всю совокупность импульсов, поступающих на чувствительные элементы, а лишь отдельные характерные сигналы в виде импульсов. Однако, такие характерные сигналы, учитывая малое значение могут и не встретиться, кроме того такие сигналы с учетом определенных технических погрешностей измерительной аппаратуры и характеристик микрорельефа будут иметь более сложную форму, периоды нарастания и спада и не совсем ясно, когда определять временной интервал их совпадения.The main problem in implementing this method is increasing the accuracy and reliability when determining speed with an additional meter. Indeed, in this method it is proposed to evaluate not the entire set of pulses arriving at the sensitive elements, but only individual characteristic signals in the form of pulses. However, such characteristic signals, given the small value may not occur, in addition, such signals, taking into account certain technical errors of the measuring equipment and the characteristics of the microrelief, will have a more complex shape, periods of rise and fall, and it is not entirely clear when to determine the time interval for their coincidence.

Кроме того, необходимо отключать измеритель в те моменты, когда измерения сильно искажены (наличие на дорожном покрытии воды, льда, свежего снега, воды со льдом, разность в естественной освещенности участка дорожной поверхности под первым и вторым чувствительным элементом ОЭДС).In addition, it is necessary to turn off the meter at those moments when the measurements are highly distorted (the presence of water, ice, fresh snow, water with ice on the road surface, the difference in the natural illumination of the section of the road surface under the first and second OEDS sensitive elements).

Известны способы, направленные на повышение точности и достоверности определении скорости дополнительным измерителем [7, 8].There are known methods aimed at increasing the accuracy and reliability of speed determination using an additional meter [7, 8].

Так, в «Способе определения скорости наземного транспортного средства» [7] предложено отключать измеритель в те моменты, когда измерения сильно искажены - периодичность измерений высокоточным измерителем определяется на основе сравнения уровней сигналов второго канала высокоточного измерителя относительно первого канала и при их расхождении, превышающем пороговый уровень, отключается более высокоточный измеритель. Однако, как и в [6] отсутствуют действия, реализующие тот или иной критерий достоверности совпадения сигналов в каналах измерителей.Thus, in the “Method for determining the speed of a ground vehicle” [7] it is proposed to turn off the meter at those moments when the measurements are highly distorted - the frequency of measurements with a high-precision meter is determined based on a comparison of the signal levels of the second channel of the high-precision meter relative to the first channel and when their divergence exceeds a threshold level, the more high-precision meter is turned off. However, as in [6], there are no actions that implement one or another criterion for the reliability of signal matching in the measuring channels.

Известен также «Способ определения скорости движения наземного транспортного средства» [8]. В данном способе предложено чувствительные элементы дополнительного измерителя представить в виде прямоугольного поля, состоящего из нескольких рядов оптоэлектронных элементов (например, фототранзисторов). Высокоточный измеритель состоит из нескольких измерительных каналов оптоэлектронных чувствительных элементов, которые идентифицируют области неоднородностей дорожного покрытия; в случае идентификации одной и той же области неоднородностей одновременно двумя, тремя или всеми каналами при наличии пропорциональности отношения значения сигналов всех пар одноименных оптоэлектронных чувствительных элементов соответствующих измерительных каналов, уточняется с разной степенью точности масштабный коэффициент основного измерителя, а в случае идентификации неоднородности только одним каналом высокоточный измеритель переходит в режим одновременной идентификации двух разных областей неоднородностей, находящихся в поле зрения измерительных каналов высокоточного измерителя, после успешной идентификации одной или одновременно двух, из которых также уточняется масштабный коэффициент основного измерителя, в случае же идентификации только одной неоднородности только одним каналом, либо снижения точности определения масштабного коэффициента основного измерителя ниже заданного уровня, корректировка масштабного коэффициента основного датчика временно блокируется и возобновляется через установленный интервал времени.The “Method for determining the speed of a ground vehicle” is also known [8]. In this method, it is proposed to represent the sensitive elements of an additional meter in the form of a rectangular field consisting of several rows of optoelectronic elements (for example, phototransistors). The high-precision meter consists of several measuring channels of optoelectronic sensitive elements that identify areas of inhomogeneity in the road surface; in the case of identification of the same area of inhomogeneities simultaneously by two, three or all channels in the presence of proportionality to the ratio of the value of the signals of all pairs of the same optoelectronic sensitive elements of the corresponding measuring channels, the scale factor of the main meter is specified with varying degrees of accuracy, and in the case of identification of inhomogeneity by only one channel the high-precision meter switches to the mode of simultaneous identification of two different areas of inhomogeneities located in the field of view of the measuring channels of the high-precision meter, after successful identification of one or two at the same time, of which the scale factor of the main meter is also specified, in the case of identification of only one inhomogeneity by only one channel, or When the accuracy of determining the scale factor of the main meter decreases below a specified level, adjustment of the scale factor of the main sensor is temporarily blocked and resumed after a set time interval.

Достоинством данного способа в отличие от ранее описанных способов является то, что оцениваются не отдельные характерные импульсы, а области неоднородностей дорожного покрытия, что обеспечивает более достоверное и точное определение скорости движения наземного транспортного средства.The advantage of this method, in contrast to previously described methods, is that it is not individual characteristic impulses that are assessed, but areas of inhomogeneity of the road surface, which provides a more reliable and accurate determination of the speed of a ground vehicle.

Однако данный способ не лишен недостатков. Среди основных, можно выделить следующие:However, this method is not without drawbacks. Among the main ones, the following can be distinguished:

1. Увеличивается число различных погрешностей при использовании разных рядов каналов измерителя.1. The number of different errors increases when using different rows of meter channels.

2. Сложный алгоритм управления работой измерителя.2. Complex algorithm for controlling the operation of the meter.

3. Отсутствуют действия, реализующих возможный критерий пропорциональности отношения значения сигналов всех пар одноименных оптоэлектронных чувствительных элементов соответствующих измерительных каналов.3. There are no actions that implement the possible criterion of proportionality of the ratio of the signal values of all pairs of the same optoelectronic sensitive elements of the corresponding measuring channels.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является «Способ автономного определения скорости движения наземного транспортного средства» [7].The closest analogue of the proposed invention is “Method for autonomously determining the speed of a ground vehicle” [7].

В данном способе при использовании двух измерителей скорости основного и дополнительного осуществляют непрерывное измерение скорости движения объекта основным и периодические измерения с высокой точностью дополнительным измерителем и при этом используют измерение времени задержки сигнала второго канала относительно первого высокоточным измерителем в определенных границах временных интервалов, предварительно определяемых менее точным измерителем скорости, причем периодичность измерений высокоточным измерителем определяют на основе сравнения уровней сигналов второго канала высокоточного измерителя относительно первого канала и при их расхождении, превышающем пороговый уровень, отключают более высокоточный измеритель.In this method, when using two speed meters, the main and an additional one, a continuous measurement of the speed of an object is carried out by the main one and periodic measurements with high accuracy using an additional meter and at the same time using a measurement of the delay time of the signal of the second channel relative to the first with a high-precision meter within certain boundaries of time intervals, previously determined by a less accurate one. a speed meter, and the frequency of measurements with a high-precision meter is determined based on a comparison of the signal levels of the second channel of the high-precision meter relative to the first channel, and if their divergence exceeds a threshold level, the more high-precision meter is turned off.

Целью настоящего изобретения является повышение точности и достоверности измерения скорости движения наземного транспортного средства на основе использования критерия достоверности совпадения сигналов первого и второго каналов дополнительного измерителя при отсутствии априорной информации о статистических характеристиках микрорельефа подстилающей поверхности, а также шумов измерительной аппаратуры.The purpose of the present invention is to increase the accuracy and reliability of measuring the speed of a ground vehicle based on the use of a reliability criterion for matching the signals of the first and second channels of an additional meter in the absence of a priori information about the statistical characteristics of the microrelief of the underlying surface, as well as the noise of the measuring equipment.

Данная цель достигается тем, что в качестве первого и второго каналов дополнительного измерителя скорости используют светочувствительные матрицы заданного размера, идентифицирующие область микрорельефа дорожного покрытия; устанавливают пороговый уровень сигнала на выходах ячеек светочувствительных матриц и создают образы светочувствительных матриц, причем каждой ячейке образов присваивают значение либо нуля либо единицы; при измерении скорости транспортного средства запоминают образ светочувствительной матрицы первого канала и одновременно с заданной тактовой частотой запоминают последовательность образов светочувствительной матрицы второго канала за интервал времени, определяемый менее точным измерителем скорости; в каждом такте определяют сумму ячеек образов светочувствительных матриц первого и второго каналов, где соответствующие значения не совпадают, определяют время задержки сигнала второго канала относительно первого, соответствующее моменту времени получения минимальной суммы ячеек образов, после чего определяют скорость движения транспортного средства и уточняют масштабный коэффициент основного, менее точного измерителя.This goal is achieved by using photosensitive matrices of a given size that identify the microrelief area of the road surface as the first and second channels of the additional speed meter; a threshold signal level is set at the outputs of the cells of the photosensitive matrices and images of the photosensitive matrices are created, each cell of the images being assigned a value of either zero or one; when measuring the speed of a vehicle, the image of the photosensitive matrix of the first channel is stored and, simultaneously with a given clock frequency, the sequence of images of the photosensitive matrix of the second channel is stored for a time interval determined by a less accurate speed meter; in each step, the sum of the cells of the images of the photosensitive matrices of the first and second channels is determined, where the corresponding values do not coincide, the delay time of the signal of the second channel relative to the first is determined, corresponding to the moment in time of obtaining the minimum sum of the cells of the images, after which the speed of the vehicle is determined and the scale factor of the main one is specified , a less accurate meter.

Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и настоящего способа показывает, что предложенный способ, основанный на использовании критерия достоверности совпадения сигналов первого и второго каналов измерителя при отсутствии априорной информации о статистических характеристиках микрорельефа подстилающей поверхности, а также шумов измерительной аппаратуры, обеспечивает более достоверное и точное определение скорости наземного транспортного средства.A comparative analysis of the essential features of the prototype and the present method shows that the proposed method, based on the use of a reliability criterion for matching the signals of the first and second channels of the meter in the absence of a priori information about the statistical characteristics of the microrelief of the underlying surface, as well as the noise of the measuring equipment, provides a more reliable and accurate determination of speed ground vehicle.

Данное изобретение может быть осуществлено с использованием минипрожектора, типовых светочувствительных матриц и специализированной цифровой вычислительной машины.This invention can be implemented using a mini-projector, standard photosensitive matrices and a specialized digital computer.

Дороги, на которых целесообразно использовать данное изобретение: асфальтовые, гравийные и бетонные.Roads on which it is advisable to use this invention: asphalt, gravel and concrete.

Источники информацииInformation sources

1. Помыкаев И.И., Селезнев В.П., Дмитриченко А.А. Навигационные приборы и системы: Учебное пособие для ВУЗов, М.: «Машиностроение», 1983. - 456 с.1. Pomykaev I.I., Seleznev V.P., Dmitrichenko A.A. Navigation devices and systems: Textbook for universities, M.: “Machine Building”, 1983. - 456 p.

2. Попов А.П. Теория навигации. Ч. 1. Тексты лекций. М.: МО СССР, 1982. - 196 с.2. Popov A.P. Theory of navigation. Part 1. Lecture texts. M.: USSR Ministry of Defense, 1982. - 196 p.

3. Патент RU 2193755, 2002.3. Patent RU 2193755, 2002.

4. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. М.: «Наука», 1966. - 600 с.4. Andreev V.D. Theory of inertial navigation. Autonomous systems. M.: “Science”, 1966. - 600 p.

5. Белоглазов И.Н., Тарасенко В.П. Корреляционно-экстремальные системы. М.: Сов. радио, 1974. - 392 с.5. Beloglazov I.N., Tarasenko V.P. Correlation-extremal systems. M.: Sov. radio, 1974. - 392 p.

6. Патент RU 2431847, 2010.6. Patent RU 2431847, 2010.

7. Патент RU 2552757, 2015.7. Patent RU 2552757, 2015.

8. Патент RU 2680654, 2019.8. Patent RU 2680654, 2019.

Claims

A method for determining the speed of a ground vehicle, which consists in the fact that when using two speed meters, the main and an additional one, a continuous measurement of the speed of an object is carried out by the main one and periodic measurements with high accuracy with an additional meter and at the same time using a measurement of the delay time of the signal of the second channel relative to the first a high-precision meter within certain boundaries of time intervals, pre-determined by a less accurate speed meter, and the frequency of measurements with a high-precision meter is determined based on a comparison of the signal levels of the second channel of the high-precision meter relative to the first channel and if their divergence exceeds a threshold level, the more high-precision meter is turned off, characterized in that that photosensitive matrices of a given size are used as the first and second channels of the additional speed meter, identifying the microrelief area of the road surface; a threshold signal level is set at the outputs of the cells of the photosensitive matrices and images of the photosensitive matrices are created, each cell of the images being assigned a value of either zero or one; when measuring the speed of a vehicle, the image of the photosensitive matrix of the first channel is stored and, simultaneously with a given clock frequency, the sequence of images of the photosensitive matrix of the second channel is stored for a time interval determined by a less accurate speed meter; in each step, the sum of the cells of the images of the photosensitive matrices of the first and second channels is determined, where the corresponding values do not coincide, the delay time of the signal of the second channel relative to the first is determined, corresponding to the moment in time of obtaining the minimum sum of the cells of the images, after which the speed of the vehicle is determined and the scale factor of the main one is specified , a less accurate meter.