CC BY
28
ТЕОР1Я I ПРАКТИКА РАД1ОВИМ1РЮВАНЬ
УДК 681.88
МОН1ТОРИНГ РУХУ ОБ'еКТ1В
Боднарчук С.В., Бичковський В.О., Куршко С.С.
Розглядаеться та анал1зуеться метод видобування тформаци про швидшсть та напрям руху об 'ект1в. Даеться методика монторингу руху об 'ект1в, проводиться ана-л1з статистичних i ентротйних характеристик вим1рювального пристрою та ре-зультат1в його випробувань.
Вступ
Контроль за швидюстю перемщення об'екту та мониторинг його руху ведеться за допомогою як мехашчних, так i електронних вимiрювачiв[1]. Найбшьш поширеним у транспортi е механiчний спосiб вимiрювання швидкостi, який мае недолiки: неможливiсть визначення швидкост при заблокованiй колiснiй парi, пробуксовщ, неможливiсть визначення напря-му руху (вперед чи назад), низька надшшсть. Використання датчиюв ком-бiнованого типу (з перетворенням повщомлення в електричний сигнал) дае можливють визначити напрям руху. Але проблема вимiру швидкост при пробуксовцi чи юзi не виршуеться. Найбiльш зручним засобом для безко-нтактного вимiрювання швидкостi е прилади на основi ефекту Допплера (радюлокацшт та оптоелектроннi). Радiолокацiйнi пристро! е досить скла-дними. В оптоелектронних пристроях використовуються досить складш способи обробки шформаци, на результати вимiрювань впливають атмос-фернi опади, використання лазера та дифракцшних грат не е економiчно доцiльним. Наведет методи монiторингу руху об'ектiв не вщповщають сучасним вимогам, не забезпечують завадостiйкостi i ефективностi
Постановка задачi
Для вирiшення iснуючих проблем, на наш погляд, доцшьно використання ультразвукових вимiрювачiв, якi забезпечують визначення швидко-стi та напряму руху об'екта безконтактним способом, мають високу меха-нiчну мiцнiсть та просту конструкцш [2, 3].
Теоретичнi викладки
Для мониторингу руху об'ектiв доцшьно використовувати ефект Допплера, при цьому не поперечний, а кутовий [2, 3]. Якщо ю - частота первин-но! хвилi, с - швидкiсть звуку, 0 - кут мiж вектором швидкостi об'екта та напрямом на приймач, ю' - отримана частота, Дю= ю - ю' - рiзниця частот, то при розташуванш джерела випромшювання перпендикулярно до розсь ючо! поверхш швидкiсть руху
сАш
и =-%. (1)
р ш cos 0 v у
В вимiрювачi використовуеться два приймач^ розташованi пiд кутом
94 BicHUK Нащонального техтчногоутверситету Украти "КП1"
Серiя — Радютехтка. Радюапаратобудування.-2007.-№35
ф=180°- 0 вiдносно вектора швидкостi, що дае можливiсть зробити висно-вок про напрям руху. Якщо одна з прийнятих частот бшьша за шшу, то на-прям вектора швидкост один, i навпаки. Значення Дю обчислюеться як
|ю''-ю'
Дю = --!■, (2)
2
де ю', ю'' - частоти, прийнят вiдповiдно з першого та другого приймача.
Значення cos 0 обчислюеться математично при встановленш вимiрювача на об'ект (за вимiрюваннями вiдстанi h вiд джерела до вщбиваючо! повер-хнi i вiдстанi l вщ джерела до приймача) як
l
cos 0=W+F ■ (3)
За формулою (1) проводиться вираховування мжропроцесором швид-костi руху об'екту. Вимiрювач е функцiональним перетворювачем вщнос-но! частоти = Дю/ю та кута 0 в швидюсть и :
U . (4)
р cos 0 w
Кут 0 е випадковою величиною оскiльки визначаеться при встановленш вимiрювача на об'ект на пiдставi визначення вiдстаней l та h. Якщо W1( 0) - щшьшсть iмовiрностi кута 0, то можна визначити щшьшсть iмо-вiрностi швидкостi W1v(up) [4], а саме
W1(0 )d 0 = W1u (U р )d U р, (5)
d U
звiдки Wlu (U р ) = Wx( 0)
З формули (4) визначаемо:
d 0
(6)
0 = arccos—. (7)
U v 7
р
Для щшьност кутiв приймаеться рiвномiрний закон [4]. Таким чином
~ 1
^1(0) = ^' (8) де 02 та 01 - найбiльше та найменше значення установочних ку^в. На пiдставi формули (7) визначаемо:
0 2=arccos-, (9)
U Р 2
0 ,=arccos-. (10)
1 U ,
р1
BicHUK Нацюнального техтчногоутверситету Украти "КП1" 95
Серiя — Радютехтка. Радюапаратобудування.-2007.-№35
Виконуючи процедури, передбачеш сшввщношеннями (6)-(10), визна-чаемо щiльнiсть ímobíphoctí швидкостi:
Wlu (U,) = 1-Цт- (arccosUj--arceosС-)]-1 • (11)
В вимiрювачi, як у функцiональному перетворювач^ спостерiгаеться певний ентропiйний баланс [5]. Якщо Н0( 0) - апрюрна ентропiя кута 0,
Но( U ) - апрюрна ентротя швидкостi Up, то умова ентропшного балансу
H0(Up) = Но(0) + АН, (12)
де АН - втрата ентропи, що визнаеться як
d 0
АН = -J W¡(0 )ln
01
На пiдставi формули (4) визначаемо:
d и р
d 0 •
d U р -1 1 cos2 0
d 0 л/1 - cos2 0
(13)
(14)
Коефщент ентропшно! потужностi вимiрювача
Кт=вхр(2АН). (15)
Пiдсилення ентропшно! потужностi у вимiрювачi (в децибелах):
КИеИ=8,68 АН. (16)
Для ощнки статистичних та ентропшних характеристик вимiрювача ви-конувались розрахунки вiдповiдно до формул (11), (16). Аналiз сшввщно-шення (11) показуе, що при збiльшеннi параметра о=ир2/ир1 збшьшуеться
математичне очiкування швидкостi руху, яка буде вимiрюватися. Таким чином, вимоги до якост робiт при встановленнi вимiрювача визначаються на пiдставi вимог до точност вимiрювання швидкостi. При збiльшеннi установочного кута 01 збшьшуеться параметр ир1, що супроводжуеться бь льшим математичним очiкуванням вимiрюваноl швидкост руху.
Пiдсилення ентропшно! потужностi у вимiрювачi згiдно формул (13), (14), (16) буде залежати як вщ точностi установочних робiт, так i вiд параметра Е = Дю/ю. При збiльшеннi Е , шдсилення ентропшно! потужностi стае меншею вiд'емною величиною, i навпаки. Таким чином вибором час-тоти ю можна досягнути певного значення Кпеп та контролювати апрiорну ентропiю швидкост руху, яка вимiрюеться.
Результати експерименту
На пiдставi теоретичних дослiджень побудований вимiрювач за принципом визначення зсуву частоти переданого сигналу вщносно прийнятого [6]. Встановлено, що висота розмщення датчикiв-приймачiв може змшю-ватися в широких межах. Найоптимальшшим е дiапазон вiд 0,5м до 1м. На роботу вимiрювача суттево не впливають клiматичнi умови; вiн працюе
96 Вкник Нащонального техтчногоутверситету Украти "КП1"
Серiя — Радютехтка. Радюапаратобудування.-2007.-№35
при суцшьному сшговому покривi на вiдбиваючiй поверхш та при коли-ваннях напруги. Вимiрювач е стiйким до високочастотного випромшюван-ня та захищеним вщ ураження електричним струмом. Робоча температура вщ -40°С до +400С. Вщносна вологiсть повiтря 98% при температурi 250С.
Висновки
Проведенi теоретичнi та експериментальш дослiдження пiдтверджують доцiльнiсть мошторингу руху об'ектiв з використанням ультразвукових вимiрювачiв. При цьому з'являеться можливють визначення напряму руху (вперед чи назад), визначення швидкост при заблокованш колiснiй парi та при пробуксовщ. Використання в вимiрювачi мiкропроцесора дае можли-вiсть за промiжок часу 1 с робити 100 цикшв вимiрювання та обчислення з узагальненням отриманих результатiв (усередненням отриманих значень швидкостi за один цикл). Сучасш засоби реашзаци вимiрювача роблять процедуру мошторингу руху об'еклв шформативною та надiйною.
Л1тература
1. Справочник по радиоэлектронным системам/Ред. Кривицкого Б.Х. Т.2. - М.: Сов. радио, 1972.-368 с.
2. Голямина И.П. Маленькая энциклопедия. Ультразвук. - М.: Сов. энциклопедия, 1979. - 300 с.
3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1990. - 630 с.
4. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. - М.: Сов. радио, 1969 - 752 с.
5. Голдман С. Теория информации. - М.: ИИЛ, 1957. - 446 с.
6. Тузов Г.И. Выделение и обработка информации в допплеровских системах. - М.: Сов. радио, 1967. - 256 с.
Боднарчук С.В.,Бычковский В. А.,Куришко Е.С. Мониторинг движения объектов
Рассматривается и анализируется метод извлечения информации о скорости и направлении движения объектов. Дается методика мониторинга движения объектов, проводится анализ статистических и энтропийных характеристик измерительного устройства и результатов его испытаний.
Bodnarchuk S.V.,Bychkovsky V.A.,Kurishko E.S. The objects movement monitoring
The method of extraction of information about the direction of the object movement and its speed is viewed, investigated and analyzed. The methodic of the objects movement monitoring is given in the research, the analysis of statistical and entropic characteristics of measuring apparatus and result of its testing.
BicHUK Нащонального техтчногоутверситету Украти "КП1" 97
Серiя — Радютехтка. Радюапаратобудування.-2007.-№35
