Диссертация (Алгоритмы обработки сигналов в радиолокаторах предупреждения столкновений транспортных средств), страница 10

Алгоритм усреднения оценки скорости по четырём кадрамНа рис. 3.9 приведена структурная схема, поясняющая принцип работы алгоритма медианной фильтрации при формировании оценки вектора скорости автомобиля по четырём кадрам.Поскольку количество точек является чётным (4), то конечной оценкой вектора скорости будет считаться усреднённое значение второго и третьего элементамассива после фильтрации. В данном случае горизонтальные составляющие вектора скорости автомобиля вычисляются по следующим формулам:VOY =Fδ R 1 3∑ nR,i ,[ м/с],3 2 i =21 3VOX = VOY tg  ∑ nα ,iδ α , [ м/с], 6 i =2(3.7)(3.8)69Кадр№1Кадр№2Кадр№3Кадр№4Кадр№5Кадр№6Кадр№7Кадр№8ОценкамаксимумаВКФ №1ОценкамаксимумаВКФ №2ОценкамаксимумаВКФ №3ОценкамаксимумаВКФ №4ОценкамаксимумаВКФ №5Оценкасмещения№1Оценкасмещения№2Оценкасмещения№3Оценкасмещения№4Оценкасмещения№5Кадр№9Кадр№10Кадр№11ОценкаОценкаОценкамаксимума максимума максимумаВКФ №7ВКФ №8ВКФ №6Оценкасмещения№6Оценкасмещения№7Оценкасмещения№8nR11≤ nR12≤ nR13≤ nR14 nR21≤ nR22≤ nR23≤ nR24 nR31≤ nR32≤ nR33≤ nR34 nR41≤ nR42≤ nR43≤ nR44nα11≤ nα12≤ nα13≤ nα14 nα21≤ nα22≤ nα23≤ nα24 nα31≤ nα32≤ nα33≤ nα34 nα41≤ nα42≤ nα43≤ nα44nR1 =(nR12+ nR13)/2nα1 =(nα12+ nα13)/2nR2 =( nR22+ nR23)/2nα2 =( nα22+ nα23)/2nR3 =( nR32+ nR33)/2nα3 =( nα32+ nα33)/2nR4 =( nR42+ nR43)/2nα4 =( nα42+ nα43)/2Фильтрация полученных оценок смещений nR, nα медианным фильтромОценка вектораскорости автомобиляОценка вектораскорости автомобиляОценка вектораскорости автомобиляОценка вектораскорости автомобиляРисунок 3.9.

Алгоритм медианного фильтра при формировании оценки вектораскорости автомобиля по четырём кадрамАнализ сечений ВКФ, приведённых на графиках рис.3.7, показывает, чтодля случая (д) – точность измерения вектора скорости при использовании алгоритма с медианным фильтром выше, чем точность алгоритма усреднения вектораскорости по четырём кадрам.3.4 Оценка эффективности корреляционного алгоритма измеренияскорости движения автомобиляАнализ экспериментальных данных, полученных при испытаниях макетаРПС, позволил построить сечения ВКФ для 1-го и 4-го кадра, 2-го и 5-го, 3-го и 6го, 4-го и 7-го для различных участков движения, которые приведены на рис. 3.10.Здесь, графики на рис.

3.10а, 3.10в построены для случаев увеличения, уменьшения скорости автомобиля, движения по коридору дороги с листвой, поворотаналево или поворота направо; графики на рис. 3.10б, 3.10д – для случая равномер-70ного движения автомобиля с неизменной скоростью. Анализ показал, что присутствие нескольких движущихся объектов в кадре РЛИ, точность измерения скорости автомобиля не будет снижаться. Кроме того, точность измерения скоростидвижения автомобиля с помощью корреляционного алгоритма практически не зависит от уровня случайных флуктуаций радиояркости.(а)(в)(б)(д)Рис. 3.10.

Сечения тела ВКФгде, а, в –по дальности (для 1-го и 4-го кадра, 2-го и 5-го, 3-го и 6-го, 4-го и7-го), б, д – по азимуту (для 1-го и 4-го кадра, 2-го и 5-го, 3-го и 6-го, 4-го и 7-го).В общем случае, если применяется корреляционный алгоритм между k иk+j кадром (j = 1, 2, 3…), то модуль горизонтальных составляющих вектора скорости автомобиля вычисляется по следующим формулам:1.

при использовании алгоритма усреднения оценок вектора скорости: 1 4VOY = Fδ R nR ,i ,[ м/с],∑ (4 j ) i =1(3.9)71 1 4VOX = VOY tg nα ,iδ α ,[ м/с],∑ (4 j ) i =1(3.10)2. при использовании алгоритма медианной фильтрации оценок вектораскорости:VOY 1 3= Fδ R nR ,i ,[ м/с],∑ (2 j ) i =2(3.11) 1 3VOX = VOY tg nα ,iδ α ,[ м/с],∑ (2 j ) i =2(3.12)Из формул 3.9 - 3.12 следует, что погрешность измерения горизонтальныхсоставляющих вектора скорости ( VOY , VOX ) автомобиля определяется погрешностьюоценки смещения nR и nα .(а)(б)Рис. 3.12 1 4nR ,i  ,∑ 4 j i =1Рис. 3.13.

Зависимость значений  1 3 ∑ nR ,i  от величины «j». 2 j i =272На рис. 3.12а приведено ОИ участка дороги, на рис. 3.12б – соответствую 1 4nR ,i  ,∑ 4 j i =1щее РЛИ и рис. 3.13 – зависимость значений составляющих  1 3 ∑ nR ,i  2 j i =2от величины «j».Анализ рис. 3.13 показывает, что алгоритм измерения вектора скорости автомобиля с медианного фильтра работает наилучшим образом.

Таким образом,наиболее эффективным методом повышения точности измерения горизонтального вектора скорости автомобиля является применение корреляционного алгоритма с медианным фильтром через четыре кадра.Выводы к главе 31. Разработан корреляционный алгоритм измерения горизонтального вектора скорости перемещения центра масс автомобиля (а потенциально и скорости поворота строительных осей относительно поверхности) на базе РПС. Данный измеритель является независимым датчиком относительно традиционного спидометра и объективным в случае утраты сцепления колёс с дорогой. В условиях недостаточной оптической видимости (сильный дождь, снег и т.п.), когда целесообразно использование РПС, снижение коэффициента сцепления колёс с дорогой является вполне вероятным.

Таким образом, размещение РПС на борту автомобиля,позволяет не только обеспечить безопасность движения в условиях ограниченнойили отсутствия оптической видимости, но и алгоритмическими методами обеспечить оценки вектора скорости движения автомобиля.2. Показано, что наиболее простым и эффективным методом решения поставленной задачи измерения горизонтального вектора скорости автомобиля является применение корреляционного алгоритма с медианным фильтром через четыре кадра.734 Оценка погрешности измерения координат наблюдаемых объектов в РПС4.1 Флуктуации амплитуды спектра сигнала биенийВ РПС сигналы, отраженные от целей, являются флуктуирующими.

Факторы, которые приводят к изменению эффективной ширины спектра собственныхфлуктуаций полезного сигнала, обусловлены движением элементарных отражателей цели, например, за счет качки, вибрации корпуса автомобиля и т. п. Сюда же(к собственным флюктуациям) необходимо отнести случайные колебания амплитуды отраженного сигнала, которые вызваны интерференцией прямого и переотраженного (от поверхности бетона, асфальта и других «гладких» поверхностей)сигналов при настильных углах облучения, характерных для лоцирования в РПС.Основная специфика расчётов погрешностей связана: с протяженным характером отражающей поверхности, с пространственными селективными свойствами зондирующего сигнала, с рассеивающими свойствами объектов лоцирования.Составляющие погрешности измерения можно разделить на:− методические погрешности, которые обусловлены: случайным характеромпринятого сигнала, отраженного от наблюдаемых объектов; изменениемрассеивающих свойств наблюдаемых объектов в процессе движения радара;флуктуациями сигнала из-за процесса рассеяния электромагнитных волн;шумами внешнего происхождения;− динамические ошибки, вызванные движением носителя РПС,− ошибки, связанные с неравномерностью АЧХ и шумами приемника и спектральной плотностью шумов и др.В результате обработки большого количества РЛИ, полученных по результатам натурных испытаний макета РПС, в таблицах 4.1-4.3 приведены примерыфлюктуаций амплитуды спектра сигнала (биений), отраженного от наблюдаемыхобъектов (обочины, деревьев, ограждений) в сечениях по дальности (азимуту)РЛИ для нескольких последовательных кадров, полученных в процессе движенияРПС.74Таблица 4.1Оптическое и радиолокационноеизображенияСечение РЛИпо дальностиФлуктуации спектра сигнала, отраженного от наблюдаемых объектов,по дальностиNθ = 85Nθ = 110Nθ = 85Nθ = 110Сечение РЛИ по азимутуФлуктуации спектра сигнала, отраженного от наблюдаемых объектов,по азимутуN R = 50N R = 100N R = 50N R = 10075Таблица 4.2Оптическое изображениеРадиолокационное изображениеФлуктуации спектра сигнала, отраженного от наблюдаемых объектов подальностиNθ = 5Nθ = 5 0Флуктуации спектра сигнала, отраженного от наблюдаемых объектов поазимутуN R = 82N R = 163Таблица 4.3Оптическое изображениеРадиолокационное изображениеФлуктуации спектра сигнала, отраженного от наблюдаемых объектов подальностиФлуктуации спектра сигнала, отраженного от наблюдаемых объектов поазимутуNθ = 10Nθ = 42N R = 55N R = 7576Из анализа результатов, полученных при обработке РЛИ, следует, что расширение ширины спектра сигнала биений зависит не только от рассеивающихсвойств объекта, но и от угла ориентации ДНА на наблюдаемые (протяжённые)объекты, а также расстояния до них.

Чем больше расстояние R (NR ) и азимутальный угол ДНА θ (Nθ ) относительно оси дороги, тем больше расширение спектрасигнала биений (здесь N R - координата наблюдаемого на РЛИ объекта по дальности, Nθ - по азимуту).Известно [1], что данное обстоятельство приводит к увеличению погрешности измерения азимутального угла и расстояния до наблюдаемых объектов.Таким образом, важным этапом проектирования РПС является оценка погрешности измерения координат наблюдаемых объектов в зависимости от величины азимутального угла, расстояния до них и др.

В результате такой оценкиможно сформулировать рекомендации по выбору технических параметров РПС, атакже предложить методы повышения точности измерения координат наблюдаемых в РПС объектов.4.2 Оценка погрешности измерения координат обочины дорогиПогрешность измерения NR и Nθ запишется в виде:∆N R = N R* − N R , ∆Nθ = Nθ * − Nθ ,(4.1)здесь, N R , Nθ - измеренные значения, а N R , Nθ - идеальные значения.**В случае нормального закона распределения погрешностей исчерпывающими характеристиками ошибки являются значения дисперсии, а среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки измерения значений R и θ определяется следующим образом:σ ∆N =R1 n∆N R2 , σ ∆Nθ =∑in i =11 n∆N θ2∑in i =1(4.2)где, σ ∆2N , σ ∆2N - дисперсия флюктуационной ошибки, n – количество измерений.Rθ77Когда направление движения системы РПС параллельно по направлениюоси дороги азимутальные углы ДНА (Nθ1, Nθ2) и дальности (NR1, NR2) до обочиныне зависит от модуля скорости РПС (см.