Диссертация (Радиолокационная система обеспечения безопасности движения наземных транспортных средств)

Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)«МАИ»На правах рукописиШнайдер Виктор БорисовичРАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИДВИЖЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВСпециальность 05.12.14«Радиолокация и радионавигация»ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Кандидат технических наук, доцентРасторгуев Владимир ВикторовичМосква - 20142ОглавлениеВведение ........................................................................................................................... 41 Постановка задачи исследования ............................................................................

131.1Анализ состояния проблемы .............................................................................. 131.2Специфика АРЛС ................................................................................................. 181.3Основные задачи проектирования АРЛС .......................................................... 241.4Прототипы АРЛС................................................................................................. 252 Разработка модели фоноцелевой обстановки ........................................................ 292.1 Влияние переотражений от поверхности дороги на яркостное ........................

29изображение формируемое АРЛС ............................................................................... 292.2Анализ характеристик рассеяния ЭМВ на подстилающих ............................. 35поверхностях применительно к условиям визирования в АРЛС ............................. 352.3 Сравнение контрастности РЛИ, полученных в Х и Ка диапазонах ................... 443 Разработка методики проектирования АРЛС ........................................................

513.1 Выбор и обоснование технических требований к АРЛС ................................... 513.2 Выбор и обоснование структурной схемы АРЛС ............................................... 563.3 Методика расчёта структурной схемы АРЛС ...................................................... 644 Алгоритмическое и программное обеспечение АРЛС .......................................... 694.1 Задачи вторичной обработки РЛИ в АРЛС ..........................................................

704.2 Алгоритм измерения расстояния до границы дороги ......................................... 71и определения ориентации автомобиля на дороге..................................................... 714.3 Оценка допустимой погрешности измерения расстояния .................................. 74до обочины ..................................................................................................................... 744.4 Алгоритм построения границ дорожного полотна .............................................. 7634.5 Программная реализация алгоритма измерения расстояния до......................... 79границ дороги и определения ориентации автомобиля на дороге ........................... 794.6 Алгоритм обнаружения препятствий в пределах КБ ..........................................

844.7 Алгоритмы формирования и обработки РЛИ в АРЛС ........................................ 87Заключение .................................................................................................................... 99Список сокращений и условных обозначений ......................................................... 101Список литературы .....................................................................................................

1034ВведениеАктуальность работыПри управлении транспортными средствами (ТС) в условиях ограниченнойили отсутствующей оптической видимости существенно возрастает вероятностьдорожно-транспортных происшествий (ДТП), поэтому задача обеспечения безопасности движения в таких условиях является очень актуальной.По данным американского агентства NTHSA [2,9], ДТП чаще всего связаныс невнимательностью водителя (68%), с несоблюдением дистанции (19%), а такжес недостаточной информацией, получаемой водителем во время движения. Приэтом, степень информированности водителя о ситуации на дороге находится впрямой зависимости от условий оптической видимости, таких как:•освещённость дороги и обочины;•наличие качественной разметки и указателей;•степень загрязнённости остекления кабины;•наличие гидрометеообразований (сильного снегопада, ливневых дож-дей, тумана), смога, пыли и других мешающих факторов.Задача улучшить информированность водителя о дорожной ситуации былапоставлена давно, и для её решения во многих странах предложены программы посозданию и внедрению различных систем активной безопасности, которые помогают водителю управлять автомобилем в условиях ограниченной оптической видимости, а в будущем и полностью заменили бы его [3,5,6,7,9,52,55].Ключевым элементом систем автоматического управления, является сенсор.В зависимости от принципа действия все сенсоры этих систем можно разделитьна оптические, ультразвуковые и радиолокационные.Оптические сенсоры видео и инфракрасного (ИК) диапазонов широко применяются в автомобилях, однако объединяет их два серьёзных недостатка: неработоспособность в условиях отсутствия оптической видимости (дождь, снег, туман, пыль); а также невозможность измерять расстояние до объектов.5Ультразвуковые сенсоры имеют ограниченную дальность действия (<10м) ииспользуются главным образом для обеспечения парковки автомобиля.Поэтому основным сенсором, который сохраняет свою работоспособность вусловиях отсутствия оптической видимости и тем самым обеспечивает безопасность движения ТС, является радиолокационный сенсор.В целом, большинство известных и представленных в настоящее время нарынке сенсоров либо решают задачу предотвращения столкновения с препятствием в пределах полосы движения (например, радары системы Audi pre sense, радарсистемы “DISTRONIC PLUS” компании Mercedes-Benz), либо обладают ограниченной (до 3-6 градусов) разрешающей способностью в азимутальной плоскости(например, радар фирмы Delco [9,10]).Если азимутальное разрешение таких сенсоров не позволяет однозначно определить находится ли посторонний объект внутри полосы движения перед автомобилем (или, например, припаркован на обочине), то такая система будет постоянно требовать остановки, либо снижения скорости для решения задачи безопасного проезда другими средствами, имеющими меньшую дальность видения всложившихся погодных условиях.

Большинство дорог имеет такие объекты дорожной инфраструктуры, как знаки, столбы, ограждения и т.п. Эти объекты, согласно проведённым исследованиям [3], имеют эффективную поверхность рассеяния (ЭПР), достаточную для их обнаружения. Поэтому для обеспечения безостановочного движения необходимо обеспечить азимутальное разрешение радиолокационного сенсора не менее 0,7 – 1 градус, достаточное для разделения объектов находящихся в полосе движения и вне полосы, на дистанции превышающейтормозной путь. Кроме того, радиолокационный сенсор должен обеспечивать необходимый сектор обзора в азимутальной плоскости.Проведенный обзор известных технических решений показал, что ни одиниз представленных на рынке и проектируемых радиолокационных сенсоров непозволяют получить высокоинформативное панорамное радиолокационное изображение (РЛИ) с требуемым азимутальным разрешением и разрешением подальности, необходимые для безопасного управления движением автомобиля в6условиях ограниченной или отсутствия оптической видимости.Поэтому можно утверждать [27,30,31], что основным путём решения актуальной проблемы повышения безопасности и управления движением наземныхтранспортных средств в условиях отсутствия или ограниченной оптической видимости является предоставление водителю достоверной информации о дорожной ситуации перед ТС в реальном времени.

Для получения такой информациинеобходимо решить задачу создания панорамной автомобильной РЛС (АРЛС),вопросам разработки которой и посвящена диссертационная работа.АРЛС относится к классу РЛС малой дальности, называемыми например в[12] системами ближней радиолокации (СБРЛ), однако к ней предъявляются рядспецифических требований, сформулированных в первой главе.Исследованиями, связанными с поставленными в диссертации проблемными областями, занимались различные группы исследователей, как в нашей стране,так и за рубежом. Прежде всего, необходимо отметить основополагающие работытаких учёных, как П.А.Бакулев, Ю.Г.Сосулин.

Большое влияние на разработку исоздание первых панорамных РЛС для ТС (АРЛС) оказали многолетние исследования известных специалистов МАИ: Нуждина В.М., Расторгуева В.В., ЧукинаЛ.Ф., Давидича И.В.. Все эти специалисты являются учениками известного вСССР учёного, профессора, доктора технических наук, ведущего специалиста вобласти радиолокациипротяжённой земной поверхности – Жуковского А.П..Кроме того, вопросы разработки радиолокаторов ближней дальности рассмотрены в трудах Шелухина О.И., Елистратова В.В. Среди зарубежных учёных необходимо отметить труды: M.Skolnik, P.Russer, R.Rollman, M.