CC BY
26
УДК 631.396.96
СИСТЕМА ОПОВЕЩЕНИЯ О НАРУШЕНИИ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ
А.Ю. Лаппо
Рассматривается система, которая будет оповещать водителя о нарушениях безопасности дорожного движения.
Ключевые слова: радиолокация, автомобиль, безопасность, скорость.
Для определения скорости объекта наблюдения можно использовать передатчик непрерывного излучения. Этот метод используется исторически и позволяет реализовать ошибку по скорости в 10 %.
Для определения дальности до цели обычно используют импульсный или сложный непрерывный зондирующий сигнал. Рассмотрим метод определения дальности до объекта через мощность, поступившую на вход приёмника от отражённого объекта. Так как он даёт приемлемую ошибку определения дистанции (не более 20 %), то для всего комплекса определения дистанции и скорости можно использовать одинаковый тип зондирующего сигнала - непрерывный, что в значительной степени может упростить задачу и сделать ее менее дорогостоящей, т.к. радары непрерывного излучения монохромного сигнала являются наиболее дешевыми и простыми средствами радиолокации с точки зрения отсутствия сложных блоков обработки сигналов.
При выборе ширины диаграммы направленности антенны (ДНА) будем руководствоваться типовыми характеристиками поведения автомобиля на дороге.
Питание устройства должно осуществляться в месте установки прибора (автомобиль), а, значит, разумнее будет осуществить его от бортовой сети автомобиля, которое колеблется в разных марках от 12 до 15 Вольт. В данной ситуации передатчик в случае использования непрерывного зондирующего сигнала можно выполнить на базе диода Ганна, питание которого 12 Вольт, а в случае превышения данного напряжения, необходимо использовать стабилизатор напряжения.
В данном комплексе можно применить простой радар непрерывного излучения, изображенный на рис. 1.
Проектируемая РЛС непрерывного излучения содержит одну антенну, работающую как на передачу, так и на приём. Это сократит расходы на изготовление дополнительной антенны и снизит габариты. Для разделения приёмного и передающего сигналов будем использовать циркулятор. Для детектирования Допплеровской частоты, несущей в себе информацию о скорости объекта, воспользуемся смесителем, на входы которого будут подаваться сигналы непосредственно с генератора и циркулятора (принятый с антенны сигнал). Далее выделенный смесителем сигнал поступает на
вход системы СДЦ, которая часто имеет вид полосового фильтра (часто активного). Он предназначен для подавления низкочастотных шумов местности и высокочастотных помех. Для избавления от помех от местности можно использовать систему селекции движущихся целей (СДЦ) на базе фильтров нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот.
Измерение мощности для определения дистанции будем проводить также после СДЦ, чтобы не замерять мощность ненужных шумов от местности. В этом случае будет учитываться затухание во всех узлах, вплоть до входа измерителя.
Измерение скорости сближения
Одной из задач РЛС является определение скорости объекта. Примером таких РЛС являются радары ГАИ. Сигнал этого радара поступает на частотомер (обычно это цифровой частотомер), а по полученной частоте вычисляется скорость. Здесь используется эффект Доплера. Формулы, связывающие скорость с частотой Доплера, выглядят следующим образом:
/д = Цт, V. ^, (1)
где/ - частота Доплера; V.- радиальная скорость (скорость сближения).
Таким образом, получаем первый метод измерения скорости цели.
Измерение скорости обычно проводится методом цифрового частотомера. За определенное время т идет подсчет количества пересечения сигнала через нуль п. По этим значениям вычисляется средний период (Т), а по нему - и частота, которая и отображается на дисплее частотомера:
Т = 2т/п, / = 1/Т = п/2т. (2)
Для идеальной цели (шар, движущейся с определенной скоростью) радиолокационный сигнал является синусоидой, поэтому определить её скорость является тривиальной задачей (рис. 2).
Однако радиолокационный сигнал не является простой синусоидой. В качестве примера рассмотрим сигнал от уезжающего автомобиля (30 км/ч), записанный в ТулГУ на кафедре радиоэлектроники (рис. 3). Основные параметры: частота дискретизации 44100 Гц, разрядность 16 бит, частота среза ФВЧ 200 Гц, алгоритм вычисления спектра - БПФ, размер 32768 выборки (0.65 сек). Как видно из рис. 3, за 60 мс сигнал пересекает 0-й уровень 68 раз. Согласно (2) получаем частоту /=567 Гц, что соответствует скорости У»30 км/ч. Поэтому метод выявления скорости цели с помощью частотомера здесь работает.
Теперь рассмотрим сигнал от идущего человека (1.5 м/с = 5.4 км/ч). (рис. 4) Параметры все те же, кроме частоты среза ФВЧ = 10 Гц.
Исходя из (1), частота Доплера / = 100 Гц, однако частотомер покажет 316 Гц. Из-за наличия шумов и соседних гармоник сигнал пересекает нулевой уровень чаще, чем 100 раз в секунду. Поэтому в этом случае этот метод работать не будет.
Сигнал от медленно приближающегося автомобиля (ситуация когда скорость впереди идущего автомобиля чуть меньше, чем скорость нашего автомобиля) так же будет соответствовать сигналу от человека, поэтому этот недостаток необходимо устранить.
Есть два способа решения этой проблемы - это фильтрация и модификация алгоритма частотомера.
Фильтрация - установка дополнительного ФНЧ для того, чтобы убрать лишние высокочастотные составляющие, позволяет уменьшить погрешность измерения. Например, если установить ФНЧ с частотой среза 400 Гц (примерно 21 км/ч), то получим сигнал, изображенный на рис. 5.
Частотомер покажет примерно 112 Гц (1.6 м/с) против реальных 100 Гц, 1.5 м/с. Первый недостаток этого решения - сужение диапазона измеряемых скоростей. Второй - при уменьшении скорости движения погрешность будет возрастать.
Второе решение - модификация алгоритма частотомера. Предлагалось считать все пересечения, кроме тех, которые идут в непосредственной близости от них, т.е. устанавливается время, в течение которого счетчик пересечений блокируется. Работа этого алгоритма поясняется на примере зашумленной синусоиды 1 КГц (рис. 6).
Разработка алгоритма работы блока оповещения
В зависимости от условий торможения со скорости 60 км/ч остановочный путь может составлять как 25, так и 150 метров. Способность автомобиля снижать скорость до требуемого значения (вплоть до остановки), при этом сохраняя устойчивость и управляемость, зависит от его тормозных свойств.
В теории автомобиля для оценки тормозных свойств используется ряд показателей: максимальное замедление, тормозной путь, время срабатывания тормозных механизмов, диапазон и алгоритм изменения тормозных усилий, падение эффективности вследствие продолжительной работы (нагрева).
Эти показатели определяются конструкцией систем и механизмов автомобиля. Основная система - тормозная, а если точнее, тормозные. Фактически у автомобиля три тормозные системы. Первая - рабочая (или основная) - приводится в действие педалью тормоза. Вторая - стояночная - используется для удержания машины на стоянке, а в случае выхода из строя основной системы помогает замедлять движущийся автомобиль. Третья, вспомогательная - двигатель (режим торможения двигателем).
Следующие «влиятельные» элементы - системы регулирования и распределения тормозных усилий, подвеска (амортизаторы + пружины) и шины.
Тормозной путь - это расстояние, которое проходит автомобиль с момента нажатия на педаль тормоза до полной остановки. Он зависит от времени срабатывания тормозной системы, а также от начальной скорости движения и максимального замедления, которое может развивать автомобиль.
После нажатия на педаль тормоза автомобиль начнет замедляться не сразу, а через некоторое время. Для автомобилей с гидроприводом тормозов (все легковые и часть грузовых) это время составляет 0,1...0,3 с, а для машин с пневмоприводом (грузовики средней и большой грузоподъемности) - 0,3.0,5 с. Еще некоторое время (0,36.0,54 с) понадобится для нарастания тормозного усилия от нуля до максимума.
Хотя замедление автомобиля зависит от конструкции и исправности тормозных механизмов, также на него влияет состояние шин и амортизаторов (с неисправными амортизаторами колесо не может на неровностях сохранять постоянный контакт с дорогой).
Коэффициент сцепления с поверхностью зависит от шин и состояния дорожного покрытия. На величину замедления влияет тип шины (зимняя или летняя), ширина и рисунок протектора, степень его износа. В ходе тестирований различных шин было установлено, что тормозной путь одних и тех же машин с шинами разных производителей может отличаться на несколько метров. Об изменении тормозного пути в зависимости от дорожного покрытия и говорить нечего, достаточно сравнить сухой асфальт и лед.
Кроме тормозного пути, существует понятие остановочного пути. Это длина участка, который пройдет автомобиль с момента обнаружения водителем препятствия до полной остановки.
Другими словами, водитель, увидев какое-либо препятствие, должен осознать опасность, принять решение об остановке или замедлении скорости, перенести ногу с педали газа на педаль тормоза и нажать ее. На это уходит от 0,3 до 1,7 с.
Длина тормозного пути обычно рассчитывается по следующей зависимости:
5 = * *К 2
254 • Ф
где 8 - тормозной путь в метрах; К - тормозной коэффициент (для легкового автомобиля = 1); V - скорость в км/ч в начале торможения; Ф - коэффициент сцепления с дорогой: сухой асфальт - 0,7; мокрая дорога - 0,4; укатанный снег - 0,2; обледенелая дорога - 0,1.
Зависимость тормозного пути от скорости автомобиля представлена на рис. 1.
> в, м
О1 / // км/ч
// г/ //
¿У * /
У / Г
У,
О 50 100 150 200
Рис. 1. Зависимость тормозного пути от скорости автомобиля
Разработка структурной схемы системы
Для определения опасной ситуации на дороге необходимо иметь представление о состоянии дорожного покрытия, информации о ближайшем автомобиле (его скорость и расстояние до нашего автомобиля). РЛС позволяет определить скорость сближения с автомобилем. Если её сложить с собственной скоростью, то будет вычислена реальная скорость впереди идущего автомобиля. Определить состояние дорожного покрытия можно при помощи датчиков дождя (сухой/мокрый асфальт) и часов реального времени (зима или лето). Так как определение погодных условий - достаточно сложная задача, то на данном этапе было решено ограничиться измерителем температуры, таким образом, в случае отрицательных температур будет предполагаться обледенелая дорога, в случае температуры +1...+5 °С - укатанный снег и т. д.
Таким образом, структурная схема системы будет выглядеть, как показано на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема системы
175
На рис. 2 показана примерная блок-схема алгоритма работы логического блока принятия решения.
Рис. 3. Алгоритм работы логического блока принятия решения
Выводы
1. Для анализа расстояния до автомобиля достаточно использования РЛС непрерывного излучения.
2. Для примерной оценки состояния дороги можно использовать датчик дождя, измеритель температуры и часы реального времени
3. Разработана система для обеспечения безопасности дорожного движения.
Список литературы
1. Толкалин Л.Н. Вопросы наземной радиолокащш: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005.148 с.
2. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Сов. радио, 1968. 456 с.
3. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Сов. радио, 1966. 512 с.
Лаппо Антон Юрьевич, канд. техн. наук, доц., strcorpamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
WARNING SYSTEM ON VIOLA TION OF TRAFFIC SAFETY
A. Y. Lappo
A system that will alert the driver about the violation of road traffic safety is described.
Key words: Radar, car, safety, speed.
Lappo Anton Yuryevich, candidate of technical sciences, docent, strcorpa mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.396.96
ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВОГО ДИАГРАММООБРАЗОВАНИЯ В РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЯХ НАЗЕМНОГО БАЗИРОВАНИЯ
О.И. Рыбалкина
Проводится сравнительный анализ основных характеристик РЛС с различными технологиями диаграммообразования (фазированные антенные решетки (ФАР), цифровые фазированные антенные решетки (ЦФАР) и решетки MIMO - many input many output), а также обоснование применения технологии цифрового диаграмообра-зования в РЛС обнаружения наземных движущихся целей.
Ключевые слова: радиолокационная станция, разведка, MIMO, ФАР, ЦФАР.
Технология цифрового диаграммообразования (ЦДО) зародилась в области связных систем и активно применяется в мобильной связи. В радиолокацию данная технология пришла позже и в качестве многопозиционных систем, хотя первые публикации на данную тему приходятся на конец 80-х годов XX века [1]. Для наземной радиолокации более перспективными являются радиолокационные станции с ЦДО с неразнесенными антеннами в силу того, что благодаря близкому расположению приемных и передающих антенн можно получить компактную радиолокационную станцию с высоким угловым разрешением целей. Однако в научной среде отношение к РЛС с ЦДО весьма неоднозначно [2, 3]. В качестве достоинств указывается возможность одновременного обзора всего сектора пространства с высоким угловым разрешением при низких массогабаритных характеристиках, что принципиально важно для РЛС обнаружения назем-
177
