Устройство для измерения скорости движения контролируемого объекта

Устройство может быть использовано для измерения параметров движения контролируемого объекта цифровыми методами, в частности для определения закона изменения линейной или угловой скорости, по показаниям блока датчиков прохождения мерных интервалов в робототехнических системах и системах управления движением с дискретным съемом информации. Устройство основывается на восстановлении гладкой функции по выборочным значениям показаний блока датчиков мерных интервалов, выделении характерных точек полученной функции, восстановлении методом интерполяционной фильтрации гладких зависимостей скорости и времени прохождения заданного интервала от координат объекта и восстановлении гладких зависимостей его местоположения и скорости от времени. Восстановление гладкой функции сигнала блока датчиков осуществляется с помощью интерполяционного фильтра, в качестве характерных точек выступают, в частности, точки экстремумов и нулей. Передаточные или координатные функции датчиков имеют колоколообразную форму, частота дискретизации сигналов датчиков фиксирована, восстановление зависимостей скорости и перемещения от координат объекта осуществляется по наблюдаемым данным и координатам экстремальных точек или нулей с учетом веса погрешности измерения и вычисления, а зависимости координат и скорости объекта от времени определяются как обратные функции. Устройство состоит из источника сканирующего сигнала, движущегося объекта, блока датчиков мерных интервалов с колоколообразными передаточными характеристиками, аналого-цифрового преобразователя, первого и второго блока регистров, первого и второго интерполяционного фильтра, схемы оценивания характерных точек, например, сигнальных экстремумов, опорного генератора, счетчика, схем вычисления скорости и координаты и устройства отображения результатов. В качестве устройства отображения может выступать персональный компьютер, а блок датчиков может состоять из одного единственного датчика. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. Авторское свидетельство СССР №1476390, МПК G01Р 3/64. 2. Патент РФ №2208794, МПК G01Р 3/64.

Авторское свидетельство СССР №1744652, МПК G01Р 3/64.

Изобретение относится к технике измерения параметров движения, в частности определения зависимости от времени линейной или угловой скорости, по выборочным значениям выхода блока датчиков сканирующего сигнала, модулированного координатной функцией мерных интервалов, и может, например, использоваться с целью контроля динамики тренажеров.

Известно устройство для измерения скорости движения [1], содержащее приемник излучения, формирователь импульсов, блок управления, двоичные и десятичный счетчики, переключатель, логические элементы «ИЛИ» и «И», генератор импульсов, кнопку, делитель частоты, последовательно-параллельный регистр, оперативное запоминающее устройство, блок синхронизации, дешифратор, цифровой индикатор и кнопки «Данные», установки режима и сброса.

Описанное устройство рассчитано на определение средней в пределах мерного интервала скорости движения контролируемого объекта по дельтаобразным импульсам на выходе приемника излучения и не обеспечивает восстановление гладкой зависимости местоположения и скорости объекта по колоколообразным импульсам.

Известен способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации [2], основанные на непрерывном измерении сигналов двух идентичных датчиков положения с колоколообразной передаточной характеристикой, установленных вдоль траектории движения, определении координатной функции, зависящей от выходных сигналов датчиков и положения (координаты) объекта, и использовании при вычислении скорости в качестве масштабирующего коэффициента величины перемещения объекта, соответствующего изменению выходного сигнала датчика положения в е раз. Устройство, кроме двух датчиков положения, двух управляемых ключей, делительного устройства, порогового элемента, дифференцирующего устройства и устройства управления, снабжено логарифмическим устройством, выход которого подключен к входу дифференцирующего устройства, а вход логарифмического устройства подключен к выходу делительного устройства, первый и второй входы которого соединены с выходами соответствующих управляемых ключей.

Намеченная цель в описываемом устройстве достигается посредством определения по выходным сигналам двух идентичных датчиков положения u₁(t) и u₂(t) координатной функции и скорости движения с

масштабирующим коэффициентом S _e, соответствующим изменению выходного сигнала датчика положения в е раз. При этом принимается, что выходные сигналы датчиков положения изменяются по экспоненциальному закону, то есть принимается, что

Недостатком описываемого устройства является сложность достижения идентичности и экспоненциальной формы передаточных характеристик датчиков положения и по этой причине сложность обеспечения высокой точности и стабильности результатов измерения.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения скорости движения [3], заключающийся в измерении интервала времени t_k прохождения базового расстояния S_k. Средняя скорость на k -ом интервале определяется по формуле . Причем прохождение базовых расстояний фиксируется по показаниям идентичных пар датчиков с колоколообразными передаточными характеристиками в точках с заранее заданными координатами.

Описанное устройство не обеспечивает восстановление гладких, то есть дифференцируемых, зависимостей местоположения и скорости объекта от времени.

Предлагаемое устройство для измерения скорости движения контролируемого объекта преследует цель преодоления указанных недостатков посредством восстановления зависимостей перемещения и скорости контролируемого объекта от времени в форме гладких, то есть дифференцируемых, функций по дискретным данным методами интерполяционной фильтрации.

Структурная схема предлагаемого устройства для измерения скорости движения представлена фиг.1.

Устройство на фиг.1 состоит из источника сканирующего сигнала 1, движущегося объекта 2, который в процессе движения модулирует выходной сигнал блока датчиков 3 мерных интервалов координатной функцией F(x(t)), аналого-цифрового преобразователя 4, который с периодом дискретизации Т обеспечивает формирование последовательности выборок y_k сигнала блока датчиков, первого блока регистров 5 и первого интерполяционного фильтра 6. Первый интерполяционный фильтр обеспечивает при этом восстановление гладких функций y_m(t) по выборкам у_m,i из последовательности у_k, которые содержатся в первом блоке регистров на m-интервале интерполяции. В состав устройства входят также схема оценивания 7

характерных точек гладких функций ym(t) генератор опорной частоты 8, счетчик 9, который определяет время прохождения соответствующих мерных интервалов, второго блока регистров 10 и второго интерполяционного фильтра 11, схемы вычисления скорости 12, схемы вычисления координаты 13 и устройства отображения 14. Причем сканирующий сигнал с выхода источника после его модуляции движущимся объектом поступает на вход блока датчиков, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом первого блока регистров, второй вход которого соединен с первым выходом первого интерполяционного фильтра, выход блока регистров соединен с входом первого интерполяционного фильтра, второй выход которого соединен с входом схемы оценивания характерных точек сигнала, выход схемы оценивания соединен с первыми входами счетчика и второго блока регистров, выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом счетчика, выход которого соединен со вторым входом второго блока регистров, выход блока регистров соединен с входом, а третий вход с первым выходом второго интерполяционного фильтра, второй выход которого соединен с первым входом схемы вычисления скорости и входом схемы вычисления координаты, выход схемы вычисления координаты соединен со вторым входом схемы вычисления скорости и первым входом устройства отображения, второй вход которого соединен с выходом схемы вычисления скорости.

Процесс на выходе первого интерполяционного фильтра представлен последовательностью согласованных по гладкости интерполяционных многочленов вида согласованных по гладкости в узлах сопряжения интервалов интерполяции То есть многочленов, коэффициенты которых определяются как наблюдаемыми выборками у_m,i, так и значениями многочлена в узлах сопряжения и его производной . В случае алгебраического многочлена

Аналогичным способом определяется процесс на выходе второго интерполяционного фильтра по накопленным во втором блоке регистров состояниям счетчика t_m,i отвечающих координатам характерных точек функций у _m(t) и, отсюда, величине перемещения x_k контролируемого объекта. При этом величина перемещения определяется координатной функцией F(x(t)). Процесс представляется

последовательностью согласованных по гладкости интерполяционных многочленов вида в частности коэффициенты которых определяются по наблюдаемым данным t_m,i, и значениям и в узлах сопряжения.

Коэффициенты многочленов следуют либо из формул Эрмита, либо из процедуры минимизации среднеквадратического отклонения интерполяционной функции от наблюдаемых данных с ограничениями типа равенства в узлах сопряжения, обусловленных требованиями сопряжения по гладкости. При этом значения интерполяционных многочленов в узлах сопряжения подчиняются разностным уравнениям с входными воздействиями, представленными наблюдаемыми данными. Рекуррентный характер вычисления указанных значений находит отражение в цепи обратной связи, соединяющей выход интерполяционного фильтра с входом соответствующего блока регистров.

Устройство работает следующим образом.

Выходной сигнал, например световое излучение или электромагнитное поле, источника сканирующего сигнала, модулированный движущимся объектом, поступает на вход блока датчиков, обеспечивающего выделение указанной модуляции в форме колоколообразных импульсов. Выборки выходного сигнала блока датчика после его дискретизации аналого-цифровым преобразователем накапливаются в первом блоке регистров фиксированного размера совместно со значениями и представляющими результаты восстановления сигнала первым интерполяционным фильтром на предшествующем шаге интерполяции. По данным, содержащимся в первом блоке регистров, осуществляется восстановление сигнала датчика на новом интервале интерполяции в форме гладкой функции обеспечивающей возможность выделения характерных точек, например экстремумов и нулей, сигнала блока датчиков. В моменты, отвечающие указанным точкам, на выходе схемы оценивания характерных точек формируются импульсы, обеспечивающие запись состояний счетчика во второй блок регистров со сдвигом и обнуление счетчика. При этом состояния счетчика, переключаемого с частотой генератора опорной частоты, отражают в себе величину времени прохождения мерных интервалов. Эти состояния совместно со значениями и полученными на предыдущем шаге

интерполяции, поступают во второй блок регистров фиксированного размера со сдвигом.

На основании накопленных данных второй интерполяционный фильтр обеспечивает восстановление зависимости времени прохождения заданного пути от его длины в форме гладкой функции .Схема вычисления скорости обеспечивает нахождение мгновенной скорости движения как производную обратной функции определяемую выражением . Зависимость координаты от времени определяется как функция обратная функции , что обеспечивается схемой вычисления координаты.

Зависимости скорости и координаты от времени поступают на устройство отображения, например с целью их дальнейшего использования.

Предлагаемое устройство при его цифровой реализации обеспечивает повышение точности восстановления гладких зависимостей скорости и координаты движущегося объекта по колоколообразным сигналам датчиков без предъявления повышенных требований к точности передаточных характеристик датчиков, образующих блок датчиков.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авторское свидетельство СССР №1476390, МПК G01Р 3/64.

2. Патент РФ №2208794, МПК G01Р 3/64.

3. Авторское свидетельство СССР №1744652, МПК G01Р 3/64.

Устройство для измерения параметров движения контролируемого объекта, содержащее источник сканирующего сигнала, контролируемый объект, блок датчиков, генератор опорной частоты, счетчик времени прохождения мерных интервалов и устройство отображения, причем сканирующий сигнал источника после его модуляции движущимся объектом поступает на вход датчика, выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом счетчика, отличающееся тем, что устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, первый блок регистров, первый интерполяционный фильтр, схему оценивания характерных точек сигнала блока датчиков, второй блок регистров, второй интерполяционный фильтр, схему вычисления скорости, схему вычисления координаты, причем выход блока датчиков соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом первого блока регистров, второй вход первого блока регистров соединен с первым выходом первого интерполяционного фильтра, выход блока регистров соединен с входом первого интерполяционного фильтра, второй выход которого соединен с входом схемы оценивания характерных точек сигнала, выход схемы оценивания соединен с первыми входами счетчика и второго блока регистров, выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом счетчика, выход которого соединен со вторым входом второго блока регистров, выход блока регистров соединен с входом, а третий вход - с первым выходом второго интерполяционного фильтра, второй выход которого соединен с первым входом схемы вычисления скорости и входом схемы вычисления координаты, выход схемы вычисления координаты соединен со вторым входом схемы вычисления скорости и первым входом устройства отображения, второй вход которого соединен с выходом схемы вычисления скорости, первый интерполяционный фильтр обеспечивает восстановление гладкого сигнала блока датчиков по формуле второй интерполяционный фильтр обеспечивает восстановление гладкой зависимости времени прохождения заданного пути от его величины по формуле схема вычисления скорости функционирует в соответствии с формулой для производной обратной функции , и схема вычисления координаты обеспечивает определение функции обратной к функции