РАДИОЛОКАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ АВТОМОБИЛЯ Российский патент 2001 года по МПК G01S13/93 

Предлагаемое устройство относится к радиолокации и может использоваться в системах предотвращения столкновений транспортных средств, системах поддержания дистанции в транспортном потоке.

Известны радиолокационные устройства для предотвращения столкновений автомобилей (авт. свид. СССР N 457.054, G 01 S 9/68, 1975; N 794575, G 01 S 15/08, 1976; N 915.035, G 01 S 13/93, 1980; N 926.611, G 01 S 13/93, 1980; патенты США N 3.841.427, G 01 S 13/93, 1976; N 3.898.652, G 01 S 13/93, 1976 и др.).

Из известных устройств наиболее из близких к предлагаемому является "Радиолокационное устройство для предотвращения столкновений автомобиля" (авт. свид. СССР N 915.035, G 01 S 13/93, 1980), которое и выбрано в качестве базового объекта.

Указанное устройство обеспечивает снижение суммарного уровня излучения датчиков при их массовом использовании, что уменьшает влияние сверхвысокочастотного поля на людей, уменьшает взаимное влияние датчиков друг на друга, что снижает вероятность ложных тревог, повышает точностные характеристики, а также уменьшает влияние излучения на другие сверхвысокочастотные устройства.

Однако указанное устройство не обеспечивает точного измерения дистанции до впереди идущего автомобиля. В результате область применения этого устройства ограничивается необходимостью завышения безопасной дистанции до впереди идущего автомобиля на случай взаимодействия с автомобилем, обладающим более динамичными тормозными свойствами.

В связи с этим завышение безопасной дистанции при условиях, когда в нем нет необходимости, ведет к занижению плотности транспортных потоков по отношению к плотности, реально обеспечивающей безопасность движущихся автомобилей, что обуславливает снижение пропускной способности дорог.

Задачей настоящего изобретения является сокращение безопасной дистанции между движущимися автомобилями и повышение плотности транспортных протоков путем точного измерения дистанции до впереди идущего автомобиля.

Поставленная задача выполняется тем, что в устройство, содержащее последовательно включенные датчик состояния дороги, формирователь управляющего сигнала, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, аттенюатор, второй вход которого соединен с выходом передатчика, и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну, приемник, блок выработки сигнала предупреждения, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, а третий вход соединен с выходом датчика состояния дорог, и регистратор, введены блок регулируемой задержки, перемножитель, фильтр нижних частот, узкополосный фильтр, экстремальный регулятор, измерительный прибор, фазометр и исполнительный блок, причем между выходом приемника и первым входом блока выработки сигнала предупреждения последовательно включены блок регулируемой задержки, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом передатчика, узкополосный фильтр и фазометр, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, к выходу перемножителя последовательно подключены фильтр нижних частот, экстремальный регулятор и блок регулируемой задержки, второй выход которого подключен к четвертому входу блока выработки сигнала предупреждения, к выходу фильтра нижних частот подключен измерительный прибор, а ко второму выходу блока выработки сигнала предупреждения подключен исполнительный блок.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на чертеже. Устройство содержит последовательно включенные генератор 12 высокой частоты, фазовый манипулятор 13, второй вход которого соединен с выходом генератора 11 модулирующего кода, усилитель 14 мощности, аттенюатор 2 и передающую антенну 1. К выходу датчика 6 состояния дороги подключен формирователь 4 управляющего сигнала, второй вход которого соединен с выходом датчика 5 скорости, а выход подключен ко второму входу аттенюатора 2. К выходу приемной антенны 8 последовательно подключены смеситель 16, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 15, усилитель 17 промежуточной частоты, блок 19 регулируемой задержки, перемножитель 20, второй вход соединен с выходом усилителя 14 мощности, узкополосный фильтр 24, фазометр 25, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 15, блок 9 выработки сигнала предупреждения, второй, вход которого соединен с выходом датчика 5 скорости, а третий вход соединен с выходом датчика 6 состояния дороги, и регистратор 10. К выходу перемножителя 20 последовательно подключены фильтр 21 нижних частот, экстремальный регулятор 22 и блок 19 регулируемой задержки, второй выход которого подключен к четвертому входу блока 9 выработки сигнала предупреждения. К выходу фильтра 21 нижних частот подключен измерительный прибор 23. Ко второму выходу блока 9 выработки сигнала предупреждения подключен исполнительный блок 26. При этом генератор 11 модулирующего кода, генератор 12 высокой частоты, фазовый манипулятор 13 и усилитель 14 мощности образуют передатчик 3. Гетеродин 15, смеситель 16 и усилитель 17 промежуточной частоты образуют приемник 7. Блок 19 регулируемой задержки, перемножитель 20 и фильтр 21 нижних частот образуют коррелятор 18.

Устройство работает следующим образом.

Датчик 5 определяет собственную скорость движения транспортного средства и вырабатывает сигнал, пропорциональный измеренной скорости. Датчик 6 измеряет коэффициент сцепления Φ, зависящий от состояния дороги. Формирователь 4 вырабатывает напряжение
U = f(V, Φ),
где V - скорость движения транспортного средства.

Таким образом, чтобы излучаемая мощность в зависимости от скорости движения и коэффициента сцепления изменялась пропорционально , напряжение воздействует на управляемый аттенюатор 2, представляющий собой "pin"-диод, установленный в волноводе и изменяющий в зависимости от U свою проводимость, т.е. пропускаемую мощность.

Напряжение высокой частоты
u₁(t) = U₁•cos(ω_сt+Φ_с), 0≅t≅T_с,
с выхода генератора 12 поступает на первый вход фазового манипулятора 13, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 11. На выходе фазового манипулятора 13 образуется фазоманипулированный (Фмн) сигнал
u₂(t) = U₂•cos[ω_сt+Φ_к(t)+Φ_с], 0≅t≅T_с,
где Φ_к(t) = {0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем Φ (t) = const при k τ_э < t < (k+1) τ_э, и может изменятся скачком при t = k τ_э , т.е. на границах между элементарными посылками (k = 1, 2, ..., N-1);
τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_с (T_с = N• τ_э ), который поступает на вход усилителя 14 мощности. На входе последнего образуется Фмн-сигнал
u_с(t) = U_с•cos[ω_сt+Φ_к(t)+Φ_с], 0≅t≅T_с,
который, пройдя аттенюатор 2, излучается передающей антенной 1 в направлении впереди идущего транспортного средства.

Отраженный от впереди идущего транспортного средства Фмн-сигнал
u_o(t) = U_o•cos[ω_с(t-τ_o)+Φ_к(t-τ_o)+Φ_o], 0≅t≅T_с,
где τ_o = 2R/C - задержка отраженного сигнала;
R - расстояние между собственным и впереди идущим транспортным средствами;
поступает с выхода приемной антенны 8 на первый вход смесителя 16, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 15
u_r(t) = U_r•cos(ω_rt+Φ_r),
На выходе смесителя 16 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 17 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

где
K₁ - коэффициент передачи смесителя;
ω_пр = ω_с-ω_r - промежуточная частота;
Φ_пр = Φ_o-Φ_r
которое поступает на первый вход блока 19 регулируемой задержки,
который вместе с перемножителем 20, на второй вход которого поступает Фмн-сигнал U_с(t), и фильтром 21 нижних частот образуют коррелятор 18. Получаемая на выходе коррелятора 18 корреляционная функция R(τ) имеет максимум при значении введенного регулируемого запаздывания τ_o. Корреляционная функция R(τ_o) регистрируется измерительным прибором 23. Максимальное значение R(τ_o) поддерживается с помощью экстремального регулятора 22, воздействующего на блок 19 регулируемой задержки. При компенсации временной задержки τ_o с помощью блока 19 регулируемой задержки на первый вход перемножителя поступает Фмн-сигнал на промежуточной частоте
u_пр1(t) = U_пр1•cos[ω_прt+Φ_к(t)+Φ_пр], 0≅t≅T_с
На выходе перемножителя 20 образуется гармоническое колебание
u₃(t) = U₃•cos(ω_rt+Φ_r+ΔΦ), 0≅t≅T_с,
где
K₂ - коэффициент передачи перемножителя,
ΔΦ = Φ_с-Φ_o = ω_c•2R/C;
которое выделяется узкополосным фильтром 24 и поступает на первый вход фазометра 25, на второй вход которого подается напряжение Ur(t) гетеродина 15. Фазометр 25 измеряет фазовый сдвиг ΔΦ, по которому точно определяется расстояние до впереди идущего транспортного средства. Так формируется фазовая шкала измерений, которая является точной, но неоднозначной. Измеренный фазовый сдвиг поступает в блок 9 выработки сигнала предупреждения.

Временной сдвиг τ_o определяется по шкале блока 19 регулируемой задержки, со второго входа которого он также поступает в блок 9 выработки сигнала предупреждения. Так формируется временная шкала измеренной дальности до впереди идущего транспортного средства, которая является грубой, но однозначной. Таким образом, точно измеряется дистанция до впереди идущего транспортного средства.

Следует отметить, что фазовая шкала, позволяющая измерить расстояние до впереди идущего транспортного средства с высокой точностью, является неоднозначной, т.е. фазометр 25 измеряет разность фаз только по модулю 2π:
ΔФ = K+ΔΦ,
где K - целое число периодов полной разности фаз (в фазовых циклах);
ΔΦ - разность фаз, измеряемая фазовой шкалой (измеряется в долях фазового цикла, 0≅ΔΦ≅π).

Для определения целого числа периодов полной разности фаз K используется временная шкала измерения.

Условие согласования фазовой и временной шкал состоит в том, чтобы удвоенная максимальная ошибка измерения расстояния R по грубой (временной) шкале была меньше, чем интервал однозначного измерения R по точной (фазовой) шкале



где qbx² - отношение сигнал/шум по мощности на входе приемника;
ΔF - ширина выходной полосы системы измерения времени запаздывания отраженного Фмн-сигнала по отношению к зондирующему;
Δf_с - ширина полосы линейной системы, согласованной со спектром используемого Фмн-сигнала.

Учитывая, что , можно условие согласования фазовой и временной шкал записать в виде

где m - некоторый коэффициент, связанный с P_над следующим соотношением m = Ф^-1(P_над),
Ф^-1() - обратная функция интеграла вероятности;
P_над - вероятность надежности согласования шкал (например, при P_над = 0,9973 m = 3).

Из приведенного выражения следует, что надежность согласования измерительных шкал не зависит от расстояния R между транспортными средствами, а определяется характеристиками сложного Фмн-сигнала и его энергетикой, а также выходной полосой временной шкалы измерения.

При этом, если R > R₀, где R₀ - безопасная дистанция, то в регистраторе 10 фиксируется сигнал о наличии резерва безопасной дистанции. Если R < R₀, то регистратор 10 выдает сигнал тревоги, например звуковой или световой, а исполнительный блок 26, например тормозная система автомобиля, осуществляет автоматически замедление собственного транспортного средства с интенсивностью, пропорциональной величине дефицита безопасной дистанции, в результате которого дистанция до впереди идущего транспорта увеличивается до безопасной.

Преимуществом данного устройства является снижение суммарного уровня излучения датчиков при их массовом использовании, что уменьшает влияние сверхвысокочастотного поля на людей, уменьшает взаимное влияние датчиков друг на друга, что снижает вероятность ложных тревог, повышает точностные характеристики, а также уменьшает влияние излучения на другие сверхвысокочастотные устройства.

Кроме того, использование предлагаемого устройства позволит исключить основную причину ДТП, связанных с несоблюдением дистанции. За счет точного измерения расстояния до впереди идущего транспортного средства создаются резервы увеличения плотности транспортных потоков на дорогах; тем самым увеличивается их пропускная способность. Данное устройство своевременно информирует водителя о скорости автомобиля, состоянии дороги и о дистанции до впереди идущего транспортного средства, а также позволяет упростить процесс управления автомобилем в напряженной обстановке оживленной транспортной магистрали благодаря освобождению водителя от функции оценки и сохранения безопасной дистанции до впереди идущего транспортного средства.

Причем измерение фазового сдвига ΔΦ осуществляется на фиксированной частоте ω_r гетеродина. Поэтому нестабильность несущей частоты ω_c отраженного Фмн-сигнала, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, не оказывает влияния на результаты измерений. Кроме того, указанное устройство позволяет реализовать преимущества, присущие сложным Фмн-сигналам, в том числе повысить чувствительность при низком отношении сигнал/шум. Это достигается сверткой спектра сложного Фмн-сигнала, который преобразуется в узкополосное гармоническое напряжение, что позволяет выделить его с помощью узкополосного фильтра, отфильтровав при этом значительную часть шумов и помех, т. е. повысить реальную чувствительность устройства при низком отношении сигнал/шум.

Сложные сигналы обладают также энергетической и структурной скрытностью и позволяют осуществлять структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять эти сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени с другими сигналами и помехами.

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в системах предотвращения столкновений транспортных средств, системах поддержания дистанции в транспортном потоке. Технический результат - сокращение безопасной дистанции между движущимися автомобилями и повышение плотности транспортных протоков путем точного измерения дистанции до впереди идущего автомобиля. Устройство содержит передающую антенну 1, аттенюатор 2, передатчик 3, формирователь 4 управляющего сигнала, датчик 5 скорости, датчик 6 состояния дороги, приемник 7, приемную антенну 8, блок 9 выработки сигнала предупреждения, регистратор 10, генератор 11 модулирующего кода, генератор 12 высокой частоты, фазовый манипулятор 13, усилитель 14 мощности, гетеродин 15, смеситель 16, усилитель 17 промежуточной частоты, коррелятор 18, блок 19 регулируемой задержки, перемножитель 20, фильтр 21 нижних частот, экстремальный регулятор 22, измерительный прибор 23, узкополосный фильтр 24, фазометр 25 и исполнительный блок 26. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Радиолокационное устройство для предотвращения столкновений автомобиля, содержащее последовательно включенные датчик состояния дороги, формирователь управляющего сигнала, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, аттенюатор, второй вход которого соединен с выходом передатчика, и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну и приемник, второй вход блока выработки сигнала предупреждения соединен с выходом датчика скорости, третий вход соединен с выходом датчика состояния дороги, а выход подключен к регистратору, отличающееся тем, что в него введены блок регулируемой задержки, перемножитель, фильтр нижних частот, узкополосной фильтр, экстремальный регулятор, измерительный прибор, фазометр и исполнительный блок, причем между выходом приемника и первым входом блока выработки сигнала предупреждения последовательно включены блок регулируемой задержки, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом передатчика, узкополосной фильтр и фазометр, второй вход которого соединен с выходом гетеродина приемника, к выходу перемножителя последовательно подключены фильтр нижних частот, экстремальный регулятор и блок регулируемой задержки, второй выход которого подключен к четвертому входу блока выработки сигнала предупреждения, к выходу фильтра нижних частот подключен измерительный прибор, а ко второму выходу блока выработки сигнала предупреждения подключен исполнительный блок. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора высокой частоты, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, и усилителя мощности, выход которого является выходом передатчика. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемник выполнен в виде последовательно подключенных к выходу приемной антенны смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и усилителя промежуточной частоты, выход которого является выходом приемника.