Устройство для измерения скорости и направления движения Советский патент 1984 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоват ся для измерения скорости и направления движения различных транспортных средств, а также в системах при кладной робототехники и промьгатенной автоматики. Известно устройство, осуществляю щее способ измерения скорости полосы, содержащее источник света, фото электрический преобразователь изображения, генератор развертки, комму татор и функциональный преобразователь 1 . Данное устройство не обеспечивае высокой точности измерения из-за влияния на результаты измерения неравномерности неоднородных участков полосы. Наиболее близким к предлагаемому является устройство, осуществляющее способ измерения Скорости и направления движения протяженного объекта например полосы, содержащее оптическую систему, фотоэлектрический преобразователь в виде матрицы фото чувствительных элементов, генератор развертки с переменной скоростью развертывания и блок анализа сигнал подключенньй к фильтру высокой частоты С2 }. В таком устройстве сканирование изображения поверхности полосы, скорость движения которой измеряется, производится с переменной скоростью при помощи колеблющейся вдоль направ ления движения по известному закону оптической системы. Для определения скорости и направления движения полосы фиксируются моменты времени, когда скорость механического перемещения элементов изображения поверхности относительно фоточувствительных элементов равна нулю. Недостатком устройства является сравнительно низкое быстродействие, обуславливаемое необходимостью механического сканирования изображения поверхности полосы периодически в цзук направлениях: совпадающем°с движением полосы и встречном. Во время скнйрования изображения во встречном направлении измерение скорости не производится. Цель изобретения - увеличение быстродействия устройства. Для достютения поставленной цели устройство для измерения скорости и направления движения, содержащее оптическую систему, фотоэлектрический преобразователь в виде матрицы фоточувствительных элементов, генератор развертки с переменной скоростью развертьгоания, фильтр высокой частоты и блок анализа сигнала, подключенный к выходу фильтра высокой частоты, снабжено вторым фильтром высокой частоты, а матрица фоточувствительных элементов выполнена из четного числа вертикальных и четного числа горизонтальных шин, где все нечетные горизонтальные шины подключены к одному, а все четные горизонтальные шины - к другому фильтру высокой частоты, нечетные вертикальные шины подключены к генератору развертки с переменной скоростью развертывания и соединены попарно с четными вертикальными шинами по порядку, начиная с первой нечетной и последней четной шин, все фоточувствительные элементы каждой четной строки одними выводами подключены к четным вертикальным шинам, а фоточувствительные элементы нечетных строк - к нечетным вертикальным шинам, другими выводами все фоточувствительные элементы каждой чётной строки подключены к четным горизонтальным шинам, а нечетных строк к нечетным горизонтальным шинам,при этом в блоку анализа сигнала пропорционально подключен выход второго фильтра высокой частоты и выход генератора развертки с переменной скоростью развертьюания. Блок анализа сигнала выполнен в виде двух коммутаторов, вычислителя скорости и двух индикаторов нулевого сигнала, управляющий вход первого коммутатора и вход первого инликатора нулевого сигнала соединены с выходом первого фильтра, а управляющий вход второго коммутатора и вход второго индикатора нулевого сигнала соединены с выходом второго фильтра высокой частоты, причем сигнальные входы обоих коммутаторов соединены с выходом генератора развертки с переменной скоростью развертывания, а выходы коммутаторов с входом вычислителя скорости. Благодаря осуществлению опроса фоточувствительных элементов преобразователя с помощью генератора развертки с переменной скоростью разверты3вания, а также описанному соединени и включению фоточувствительных элементов в матрице преобразователе отпадает необходимость сканирования изображения протяженного объекта, в двух направлениях по заранее извест ному закону механическим способом, -что позволяет увеличить быстродей- ствие устройства. На фиг. 1 схема -ически изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - структурная схема электрической час:ти устройства;, на фиг.З т кривая зависимости длительности опр са фоточувствительных элементов от времени вдоль строки матрицы фотоэлектрического преобразователя. Устройство состоит из оптической системы 1 (фиг. 1), проектирующей изображение протяженного объекта 2 на фотоэлектрический преобразовател 3 двух фильтров 4 и 5 высокой частоты, генератора 6 развертки с пере менной скоростью развертывания и блока 7 анализа сигнала. Фотоэлектрический преобразователь 3 вьтолнен в виде матрицы фоточувствительных элементов 8 (фиг. 2), имеющей четное число горизонтальных и четное число вертикальных шин, где все нечетные горизонтальные шины 9 подключены к первому фильтру 4, а все четные горизонтальные шины 10 - к второму фильтру 5 высокой частоты. Нечетные вертикальные шины 11 подключены к генератору .6 развертки с переменной скоростью развертьшани и соединены попарно с четными вертикальными шинами 12 по порядку, начиная с первой нечетной вертикаль ной 11 и последней четной вертикальной 12 шин. Все фоточувствйтельные элементы 8 каждой четной строки одними выводами подключены к четным вертикальным шинам 12, а фоточувствительные элементы 8 нечет ных строк - к нечетным вертикальным шинам 11, вторыми выводами все фото чувствительные элементы 8 каждой четной строки подключены к четным горизонтальным шинам 10, а фоточувствительные элементы 8 нечетных строк - к нечетным горизонтальным шинам 9, например, в нечетных строках фоточувсгвительные элементы В одними выводами подключены к нечетным вертикальным шинам 11 и вторыми выводами - k нечетным горизонталь7 ,4 ным шинам 9, а в четных строках одними выводами к четным вертикальным шинам 12 и четньм горизонтальным шинам 10 (фиг. 2). В качестве фоточувствительных элементов 8 могут применяться фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, а также аналогич-, ные фоточувствительные к световому излучению приемники, а в качестве генератора 6 развертки с переменной скоростью развертывания можно применить, например, многоканальный коммутатор, управляемый генератором, качающейся частоты. Блок анализа сигнала состоит.из двух Коммутаторов 13 и 14, вычисли- . теля 15 скорости движения, выполняющего операций вычисления и усреднения значения искомой скорости, и двух индикаторов 16 и 17 нулевого сигнала, в качестве которых могут применяться, например, цифровые или аналоговые измерители напряжения, выдающие на выходе информацию при появлении на его входе сигнала менее некоторого заранее установленного порога. Управляющий вход первого коммута-. тора 13 соединен с выходом первого фильтра 4 высокой частоты, а управляющий вход второго коммутатора 14 с выходом второго фильтра 5 высокой частоты. Сигнальные входы коммутаторов 13 и 14 подключены к генератору 6 развертки с переменной скоростью развертьшания, а выходы соединены с входом вычислителя 15, на выходе которого вьщаются результаты измерения скорости движения. К выходу первого фильтра 4 также подключен первый индикатор 16 нулевого сигнала, а к выходу второго фильтра 5 - второй индикатор 17 нулевого сигнала. Устройство работает следуклдим образом. Изображение поверхности протяженного объекта -проектируется на фотоэлектрический преобразователь,3 (фиг. 1). Последовательный опрос фоточувствительных элементов 8 производится одновременно во всех строках, причем в каждой второй строке опрос начинают q первого фоточувствительного элемента 8, а в то же время в остальных строках опрос производится в обратном порядке, начиная с последнего элемента. Это возможно благодаря описанному соединению нечетных и четных вертикальных шин 11 и 12 матрицы. За время Т,р поэлемен ного опроса строки длительность Т опроса одного фоточувствительного элемента 8 монотонно меняются по не которому закону (например, линейном от своего максимального значения С S момент t начала периода опро са до минимального значенияТ в момент t. окончания периода опроса строки (фиг. 3), или наоборот - от м нимапьного до максимального значения. Таким образом, по ходу опроса строк одновременная развертка фотоэлектрического преобразователя 3 в обоих направлениях производится с переменной скоростью. Из-за наличия оптических неоднородностей протяженного объекта, ско рость и направление движения которо го требуется измерить, и перемещения их изображения относительно фот электрического преобразователя 3 на каждой, например i-й,строке возникает сигнал, частота которого FJ вы ажается F.7t) m.V(t), где V.Jt) - относительная скорост перемещения элемента изображения протяженного объекта 2 на поверхности фотоэлектрического преобразователя 3 относительно скорости VA(t) опроса фоточувствительного элемента 8 вдоль строки; т - коэффициент, зависящий от плотности фоточувствительных элементов В в фотоэлектрическом пре образователе 3 и плотности оптических неоднородностей протяженного объекта 2. Моментную скорость Vp(t) опроса фоточувствительного элемента 8 вдол строки можно определить по формуле т Гс - Э JK VpU) - /..ч , где AJ - шаг между фоточувствительными элементами 8 в матриv це; ijf - одиночный вектор, направле ние которого соответствует направлению опроса фоточув ствительных элементов 8 в строке. Если искомая скорость движения объекта V, то скорость У у определяется из уравнения W - , где К - коэффициент, учитьгоающий свойства оптической системы. Из последней формулы видно, что в случае совпадения направлений дви,жения изображения протяженного объекта 2 и направления опроса фоточувствительных элементов 8 в строке, наступит момент времени t, когда означает, что в строках, где направление опроса и направление движения изображения протяженного объекта 2 совпадают в некоторый короткий-промежуток времени, определяемьй крутизной кривой изменения (t) (фиг. 3), на нескольких соседних фоточувствительньк элементах 8 с малоотличакнцейся длительностью опроса , во время опроса каждого из них будет проектироваться изображение того же элемента поверхности протяженного объекта 2, а сигнал на выходе этих строк за это время будет постоянным. Таким образом, за время опроса одного фоточувствительного элемента 8 расстояние перемещения элемента поверхности протяженного объекта 2 на поверхности фотоэлектрического преобразователя 3 равно шагу АЗ между фоточувствительными элементами 8. Тогда искомая скорость V определяется по формуле V 3 т( -к где ) длительность времени опроса того фоточувствительного элемента 8, скорость опроса которого совпадает со скоростью передвижения изображения протяженного объекта 2 на поверхности фотоэлектрического преобразователя 3. На выходе строк, в которых направление опроса и направление движения изображения протяженного объекта 2 совпадают, в момент времени t появляется постоянньй сигнал, который подается на вход, например, первого фильтра 4 высокой частоты, и на выходе того же фильтра 4 появляется нулевой сигнал, т.е. сигнал менее некоторого установленного порога. На выходах строк, в которых направление опроса и направление движения изображения протяженного объекта 2 не совпадают, за все: .время Т рпоэлементного опроса строки будет переменный сигнал, который подается на второй фильтр 5 высокой частотъ, н.ч

выходе которого сигнал также будет переменным. Далее сигналы с фильт.ров 4 и 5 поступают в анализатор сигналов 7, состоящий из двух коммутаторов 13 и 14, вычислителя 15 скорости движения и двух индикаторов 16 и 17 нулевого сигнала. С момента появления нулевого сигнала на управляющем входе одного из коммуторов 13 и 14. генератор 6 развертки с переменной скоростью развертывания подключается этим коммутатором 13 или 14 к вычислителю 15 скорости где по длительности поступающих из генератора 6 развертки . с переменной скоростью развертывания импульсов опроса (t) шагу А, и постоянному коэффициенту.К, согласно последней приведенной формуле вычисляется и / за время действия нулевого сигнала усредняется искомая скорость движения протяженного объекта 2. Следует отметить, что в этом случае отпадает необходимость зараней известности закона V (t), так как сама моментная длительность (или частота) сигналов опроса непосредственно используется для вычисления искомой скорости.

Число фоточувствительных элементов 8 в каждой строке, а также число строк выбираются в зависимости от необходимой точности и достоверности измерения, а также области применения устройства.Диапазон монотонного изменения длительности опроса фоточувствительного элемента 8 выбирается соответственно с возможной максимальной и минимальной скоростью движения протяженного объекта 2, Крутизна изменения длительности опроса фоточувствитель5 ных элементов 8 обуславливает число фоточувствительных элементов 8 в строке, сигналы от которых будут постоянными. При меньшей крутизне число подряд идущих фоточувствительных

0 элементов 8, вьщающих постоянный . сигнал, будет больше, тем самым увеличится точность измерения.

По сравнению с известным предлагаемое устройство отличается повьш1ен5 ным быстродействием из-за исключения необходимости механического сканирования изображения поверхности протяженного объекта 3 в двух направлениях путем колебания оптической

0 системы. В предлагаемом устройстве производится электрическое сканирование матричного фотоэлектрического преобразователя 3 одновременно в двух направлениях благодаря описан5 ному соединению нечетных и четных

вертикальных шин 11 и 12 и включе- V нию фотоэлектрических элементов 8 в матрице, что повьш1ает быстродействие устройства не менее чем в 2 раза.

0 I

Кроме того, предлагаемое устройство проще, так как в известном для осуществления сканирования изображения протяженного объекта J 2с помощью колеблющейся оптической системы по заданному закону необходима сложная система механического привода.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ, содержащее оптическую систему, фотоэлектрический преобразователь в виде матрицы фоточувствительных элементов, генератор развертки с переменной скоростью развертывания, фильтр высокой частоты и блок анализа сигнала, подключенный к выходу фильтра высокой частоты, отличающееся тем, что, с целью увеличения быстродействия устройства, оно снабжено вторым фильтром высокой частоты, а матрица фоточувствительных элементов выполнена из четного числа вертикальных и горизонтальных шин, где все нечетные горизонтальные шины подключены к одному, а все летные горизонталь- ные шины - к другому фильтру высокой частоты, нечетные вертикальные шины подключены к генератору развертки с переменной скоростью развертывания и соединены попарно с четными вертикальными шинами по порядку, все фоточувствительные элементы каждой четной строки одними вьгаодами подключены к четным вертикальным шинам, а фоточувствительные элементы нечетных строк - к нечетным вертикальным шинам, другими выводами все фоточувствительные элементы каждой четной строки подключены к четным горизонтальным шинам, а нечетных строк - к нечетным горизонтальным шинам, при этом к блоку анализа сигнала дополнительно подключен выход второго фильтра высокой частоты и выход генератора развертки с переменной скоростью развертывания. 2..Устройство по п.1, отличающееся тем, что- блок анализа сигнала вьшолнен в виде двух коммутаторов, вычислителя скоСХ) рости и двух индикаторов нулевого сигнала, управляющий вход первого со коммутатора и вход первого индикагора нулевого сигнала соединены с выходом первого фильтра, а управляющий вход второго коммутатора и вход второго индикатора нулевого сигнала соединены с выходом второго фильтра высокой частоты, причем сигналыше входы обоих коммутаторов соединены с выходом генератора развертки с переменной скоростью развертывания, а выходы коммутаторов - с входом вычислителя скорости.

//

11

/

f/

X

-п

12.12.

/2

/2

г

f

r

10

/

.1 9

I t

I I

I I I I I

Г

10

1

10

o:

f

Ю

tfj

Ы.

W/flfX.

,3