Способ определения длины пути, пройденного подвижным объектом

 

Относится к технике бесконтактного измерения расстояния пройденного подвижным объектом, может быть использовано на контейнерных площадках для определения в декартовой системе координат места установки контейнеров с помощью мостового крана. Способ определения длины пути, пройденного подвижным объектом, с помощью активной и пассивной приемопередающих антенн, одна из которых установлена на подвижном объекте, а другая - неподвижно на земле, раскрывами навстречу друг другу и параллельно направлению движения объекта, заключающийся в одновременном облучении электромагнитными волнами активной антенной пассивной антенны и расположенных около нее местных предметов, в периодическом изменениии импеданса пассивной антенны, приеме активной антенной сигналов, отраженных от пассивной антенны и местных предметов, выделении из суммы этих сигналов сигнала модуляции, изменяющего импеданс пассивной антенны, и измерении количества минимумов или максимумов этого сигнала при перемещении подвижного сигнала из одной точки пространства в другую, а пройденный объектом путь определяют по формуле l = (2n-1)λ/8, , где n-количество минимумов или максимумов, выделенных из сигнала, отраженного от пассивной антенны, λ - рабочая длина волны, излучаемая активной антенной. 5 ил.

Изобретение относится к технике бесконтактного измерения расстояния, пройденного подвижным объектом. Изобретение может быть использовано на контейнерных площадках для определения в декартовой системе координат места установки контейнеров с помощью мостового крана.

Известен способ и устройство бесконтактного измерения расстояния [1] Этот способ и устройство предназначены для измерения расстояния или измерения расстояния между движущимся объектом и опорным пунктом. При этом передатчик излучает электромагнитные волны непосредственно на объект, а также в виде опорного излучения на приемник, находящийся по соседству с объектом, причем на приемник поступают сигналы, отраженные от объекта. В приемнике образуются биения из опорного излучения и сигнала отраженного от объекта, которому соответствует напряжение периодически меняющееся по косинусной функции в зависимости от изменения расстояния и разности фаз между опорным излучением и отраженным от объекта сигналом.

По этому способу измеряемые расстояния ограничены диапазоном, для которого обеспечивается однозначная зависимость между расстоянием и напряжением биения, определяемым фазовой разностью между опорным излучением и отраженным от объекта сигналом. Кроме того, местные предметы, находящиеся рядом с объектом вносят погрешность в измерение расстояния.

Также известны способы и зонд для измерения расстояния пройденного подвижным объектом Фазовый зонд содержит активную и пассивную приемопередающие антенны, генератор, соединенный через линию связи с активной антенной, и фазометр, вход опорного сигнала которого соединен с выходом генератора, а сигнальный вход соединен с выходом активной антенны. Одна из антенн установлена на подвижном объекте, а другая на земле неподвижно.

Пройденный путь подвижной антенной по прямой измеряется путем измерения целого числа циклов колебаний и избытка сверх целого числа. При известной длине волны генератора изменение фазы однозначно связано с пройденным подвижной антенной расстоянием.

Этот способ измерения имеет существенные погрешности измерения при наличии отражений от местных предметов, расположенных в зоне перемещения подвижной антенны.

Техническим результатом изобретения является высокая точность измерения расстояния, пройденного подвижным объектов, в присутствии сигналов, отраженных от местных предметов.

Этот результат достигается благодаря тому, что длину пути, пройденного подвижным объектом, определяют с помощью активной и пассивной приемопередающих антенн, одна из которых установлена на подвижном объекте, а другая - неподвижно на земле, раскрывами навстречу друг другу и электрическими осями на одной линии, параллельной направлению движения объекта. Способ определения пути, пройденного подвижным объектом, состоит в облучении электромагнитными волнами активной антенной пассивной антенны и расположенных около нее местных предметов, в периодическом изменении входного импеданса пассивной антенны, приеме активной антенной сигналов, отраженных от пассивной антенны и местных предметов, выделении из суммы этих сигналов сигнала модуляции, изменяющего импеданс пассивной антенны, измерении числа минимумов или максимумов этого сигнала при перемещении подвижного объекта из одной точки пространства в другую, пройденный путь определяет по формуле l = (2n-1)λ/8, где n- количество минимумов или максимумов сигнала модуляции, выделенного из сигнала, отраженного от пассивной антенны; λ рабочая длина волны, излучаемая активной антенной.

Способ определения длины пути пройденного объектом, поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для определения длины пути по изобретению; на фиг. 2 принципиальная электрическая схема реактивной регулируемой нагрузки в составе пассивной антенны и модулятора; на фиг. 3 векторная диаграмма постоянной и переменной части суммарного сигнала, вызванного отражением от пассивной антенны и местных предметов; на фиг. 4 - график зависимости суммарного напряжения на выходе активной антенны от текущего времени; на фиг. 5 график зависимости переменной составляющей суммарного напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя от расстояния, пройденного подвижным объектом.

На фиг. 1-5 введены обозначения: 1 СВЧ генератор (Г); 2 3 направленные ответвители (НО); 4 активная приемопередающая антенна (АА); 5 пассивная приемопередающая антенна (ПА); 6 регулируемая реактивная нагрузка (РРН);
7 модулятор (М);
8 смеситель с фильтром высоких частот (См);
9 усилитель частоты модуляции сигнала изменения импеданса пассивной антенны (Ус);
10 полосовой фильтр частоты модуляции (ФП);
11 двухполупериодный выпрямитель (ДПВ);
12 пороговое устройство (ПУс);
13 счетчик импульсов с индикатором (Сч);
14 подвижный объект (ПО);
15 катушка индуктивности (L);
16 резистор (R);
17 варикап (ВС).

Генератор 10 выполняется по схеме автогенератора на транзисторах или клистроне дециметрового, сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн без модуляции.

Направленный ответвитель 2 может быть выполнен на отрезках волновода, коаксиального кабеля или полосковой линии. Направленность ответвителя должна быть более 10 дБ, а переходное ослабление не менее 15 дБ.

Направленный ответвитель 3 может быть выполнен на отрезках волновода, коаксиального кабеля или полосковой линии. Направленность ответвителя должна быть более 20 дБ, а оптимальное переходное ослабление 3 дБ.

Антенны 4 и 5 могут быть выполнены рупорными, дипольными и др.

Регулируемая реактивная нагрузка 6 может быть выполнена по схеме фиг.2 (РФ, пат. N 2018868, H 04 B, приоритет 1992 г.).

Модулятор 7 может быть выполнен на транзисторах по схеме автогенератора непрерывных или импульсных электромагнитных колебаний.

Смеситель 8 может быть собран на диоде, конденсаторе и резисторе.

Усилитель 9 может быть собран по схеме усилителя на транзисторах.

Фильтр 10 может быть собран на катушках индуктивности и конденсаторах по П, Т или Г образной схеме.

Выпрямитель 11 может быть собран по мостиковой схеме.

Пороговое устройство 12 может быть собрано на микросхемах по схеме, обеспечивающей его срабатывание, выдающей на выходе импульс счета при входном сигнале меньше или больше порогового уровня напряжения.

Счетчик 13 может быть собран на микросхемах с электронным индикатором.

Устройство, реализующее способ определения длины пути, пройденного подвижным объектом 14, например мостовым краном, содержит: СВЧ генератор 1, два направленных ответвителя 2 и 3, две приемопередающие антенны активную 4 и пассивную 5, реактивную регулируемую нагрузку 6, модулятор 7, смеситель 8, усилитель 9, полосовой фильтр 10, выпрямитель 11, пороговое устройство 12 и счетчик 13.

Выход генератора 1 соединен со входом НО 2, выход бокового плеча которого соединен с гетеродинным входом смесителя 8. НО 3 включен встречно НО 2, а его выход соединен с антенной 4, боковое плечо НО соединено с сигнальным входом смесителя 8. Выход антенны 5 соединен со входом РРН 6, а его второй вход соединен с выходом модулятора 7. Антенна 5, РРН 6 и М 7 установлены на подвижном объекте 14. Выход смесителя 8 соединен со входом ФП 10 через усилитель 9. Выход ФП 10 соединен со входом последовательно соединенных ДПВ 11, ПУс 12 и Сч. 13.

Способ определения длины пути, пройденного ПО 14, состоит в следующем. Одновременно антенной 4 облучают электромагнитными волнами антенну 5 и местные предметы (например фермы мостового крана, контейнеры и т.п. предметы, находящиеся в диаграмме направленности 4). С помощью РРН 6 и М 7 изменяют импеданс антенны 5, поэтому сигнал, отраженный от антенны 5 будет промодулирован частотой М 7, в то время как от местных предметов отраженный сигнал немодулирован. Антенной 4 принимают сигналы, отраженные от антенны 5 и местных предметов. С помощью смесителя 8 смешивают сигнал Г 1 частотой f с сигналами, отраженными от антенны 5 и местных предметов. Полезная информация содержится в сигнале с частотой f + f_м (где f_м частота модуляции). На выходе смесителя 8 выделяется частота f_м. Сигнал с частотой f_м усиливается, фильтруется, выпрямляется и поступает на вход порогового устройства, которое вырабатывает электрические импульсы, когда амплитуда сигнала становится меньше порогового напряжения, а счетчик 13 считает эти импульсы.

Пройденный объектом путь определяют по формуле
l = (2n-1)λ/8
где
n количество минимумов или максимумов сигнала модуляции, выделенного из сигнала, отраженного от пассивной антенны;
λ рабочая длина волны, излучаемая активной антенной.

Пояснения к фиг. 3, 4 и 5.

U_с амплитуда СВЧ сигнала, промодулированная антенной 5 и отраженная от нее; на сигнальном входе смесителя;
U_о амплитуда сигнала генератора на гетеродинном входе смесителя.

Для нормальной работы устройства по изобретению должно соблюдаться неравенство
U_о > U_с
В этом случае справедливо выражение для измеренного напряжения U из отраженного антенной 5 и промодулированного сигнала

где ϕ разность фаз между промодулированным и гетеродинным сигналами;
v равно 4πl/λ, где l длина пути пройденного подвижным объектом 14. При v p/2, cos ϕ 0, т.е. через каждые нечетное число четвертей длины волны U_из U_о, что можно записать математически
l = (2n-1)λ/8
На фиг. 4 ΣU суммарная амплитуда сигнала на выходе антенны 4, а t - текущее время.

На фиг.5 U_дпв напряжение на выходе выпрямителя 11.

Погрешность измерения по данному способу составляет:
максимальная ± λ/8;
среднеквадратическая ± λ/24.

Выбором рабочей длины волны λ можно добиться требуемой точности измерения расстояния пройденного подвижным объектом. Так при длине волны l 3 см погрешность измерений составляет ± 0,125 см.

Формула изобретения

Способ определения длины пути, пройденного подвижным объектом, с помощью активной и пассивной приемопередающих антенн, одна из которых установлена на подвижном объекте, а другая неподвижно на земле, раскрывами навстречу друг другу и электрическими осями на одной прямой линии, параллельной направлению движения объекта, основанный на облучении активной антенной электромагнитными волнами пассивной антенны и приеме активной антенной сигналов, отраженных от пассивной антенны, отличающийся тем, что одновременно активной антенной облучают электромагнитными волнами пассивную антенну и расположенные около нее местные предметы, периодически изменяют входной импеданс пассивной антенны, активной антенной принимают сигналы, отраженные от пассивной антенны и местных предметов, выделяют из суммы этих сигналов сигнал модуляции, изменяющий импеданс пассивной антенны, и измеряют количество минимумов или максимумов этого сигнала при перемещении подвижного объекта из одной точки пространства в другую, а пройденный объектом путь определяют по формуле
l = (2n-1)λ/8,
где n количество максимумов или минимумов сигнала модуляции, выделенного из сигнала, отраженного от пассивной антенны;
λ - рабочая длина волны, излучаемая активной антенной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5