научная статья по теме АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ И ФОРМИРОВАНИЕ КРИТЕРИЯ ДЛЯ СРАВНЕНИЯ ДВУХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ТРИЛАТЕРАЦИОННОГО МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ШИРОКОМАСШТАБНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТРУКТУР Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ И ФОРМИРОВАНИЕ КРИТЕРИЯ ДЛЯ СРАВНЕНИЯ ДВУХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ТРИЛАТЕРАЦИОННОГО МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ШИРОКОМАСШТАБНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТРУКТУР»

УДК 621.791

АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ И ФОРМИРОВАНИЕ КРИТЕРИЯ ДЛЯ СРАВНЕНИЯ ДВУХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ТРИЛАТЕРАЦИОННОГО МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ШИРОКОМАСШТАБНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТРУКТУР

А.Ш. Мехтиев, Н.А. Абдуллаев, Х.Г. Асадов

Рассмотрены вопросы разработки критерия для сравнения двух возможных вариантов реализации трилатерационного метода акустической локации: способ локации на основе измерения амплитуды сигнала; способ локации на основе измерений расстояний от приемников до источника звука. Показано, что при выполнении некоторых условий и низком уровне шума в сигнале выбор способа измерения амплитуды сигнала реализации трилатерационного метода для определения местонахождения источника акустических сигналов может быть предпочтительным.

Ключевые слова: акустическая локация, точность, критерий, технологические взрывы, скорость звука, модель, трилатерация, сила звука.

ВВЕДЕНИЕ

Согласно [1], технология определения местонахождения в реальной жизни — эта комбинация методов и правил определения физического местонахождения объекта. Известны шесть фундаментальных методов для определения местонахождения объектов, генерирующих акустические волны: метод "близости", трилатерация, гиперболическая латерация, триангуляция, "анализ следа" и расчетный метод.

Трилатерационный метод позволяет вычислить местонахождение объекта на основе результатов измерений расстояний между приемниками с известными положениями и объектом. Чтобы оценить расстояние между ними, необходимо измерить время прохождения сигнала или амплитуды сигнала на входе приемников.

В методе триангуляции угол поступления сигналов, прибывающих с объекта на приемники, измеряется для определения местонахождения объекта. Два угла, измеренные в двух опорных точках, позволяют сформировать две линии, чтобы определить местонахождение объектов при пересечении.

Самыми распространенными в акустической локации являются триангуляционный и трилатерационный методы. В этой статье мы сравним и проанализируем точность двух вариантов реализации трилатерационного метода и предложим новый критерий для выбора одного из них для разработки трехточечной системы акустической локации мест аварий в крупномасштабных промышленных структурах.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРИМЕРОВ ТИПИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ТРИЛАТЕРАЦИОННОГО МЕТОДА В СИСТЕМАХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ

Как отмечается в [2], решение некоторых технологических задач акустической локации сформулировано как особое направление в технике акусти-

Ариф Шафаятович Мехтиев, доктор физ.-мат. наук, академик, начальник кафедры Национальной Академии Авиации, Азербайджан, г. Баку. Тел. 994-124-621-114. E-mail: mehdiyevas@rambler.ru

Новруз Алмамед-оглы Абдуллаев, канд. техн. наук, старший научный сотрудник НИИ Министерства оборонной промышленности, Азербайджан, г. Баку. Тел. 994-124-761-418. E-mail: nabdullayev@rambler.ru

Хикмет Гамидович Асадов, доктор техн. наук, начальник отдела НИИ Аэрокосмической информатики, Азербайджан, г. Баку. Тел. 994-503-247-240. E-mail: asadzade@rambler.ru

ческого определения местонахождения объектов. Например, в военных операциях звуковые измерения используются для определения местоположения вражеской артиллерии на основе результатов обработки полученных звуковых волн при стрельбе из орудия.

Согласно [2], новый Оффшорный Испытательный и Учебный Участок (ОТТА) был создан для проверки и оценки качества артиллерийского оружия. В составе ОТТА имелась буйковая акустическая система, способная определить время залпа и местоположение орудия в пределах зоны морских испытаний.

Акустические сигналы, полученные морскими буями после предобработки, передаются в центр обработки, использующий трилатерационный алгоритм вычисления позиции цели. Узлы обработки в реальном времени буя обеспечивают точность определения местонахождения до 7 метров. После дополнительной обработки возможно повышение точности до трех метров. В 2004 г. проводили испытания двух орудий с применением акустической системы и GPS. В обоих случаях погрешность акустической системы была в пределах среднеквадратичного отклонения погрешности измерений с помощью GPS.

Как было упомянуто выше, амплитуда сигнала широко применяется в решении некоторых проблем определения местонахождения с использованием трилатерационного метода. В [3] описан метод локации с определением местного градиента амплитуды сигнала. При реализации трилатерацион-ного метода для определения местонахождения объекта оценивается расстояние от источника сигнала до пунктов измерения. Потери в пути между источником акустических волн и приемниками определяются в качестве функции от пройденного расстояния. Вычисление градиента основано на том, что амплитуда сигнала косвенно отражает направление входящих сигналов.

В другой задаче, касающейся определения местонахождения объекта, генерирующего акустические волны в замкнутом помещении, используется трилатерационный подход к определению взвешенного центра масс [4], который состоит из двух фаз: определение расстояния путем измерения амплитуды сигнала во всех точках приема; определение самого вероятного местонахождения объекта, используя координаты точек приема и вычисленных расстояний от объекта до тех точек. Предложенный алгоритм гарантирует определение местонахождения мобильного объекта в замкнутой среде, где конфигурация точек приема не установлена и движение в ослабляющей сигнал среде непредсказуемо.

Относительно простая реализация трилатерационного метода предложена в [5], где представлена конфигурация системы локации для команды роботов сантиметрового размера, которые, сотрудничая друг с другом, исследуют неизвестную окружающую среду. Система определения местонахождения использует ультразвук для измерения расстояния с каждого подвижного робота до трех неподвижных роботов, служащих в качестве бакенов. С помощью трилатерационного алгоритма, измерив соответствующие расстояния, можно определить положение роботов. Команда роботов может двигаться на большой территории, используя метод разведки с пропусками, в котором различные роботы служат бакенами в разное время. Система локации может иметь более высокую точность, чем в способе измерения соответствующих расстояний.

Согласно [6], мультитрилатерация, будучи одним из основных методов акустической локации, до сих пор имеет следующие недостатки: низкая точность измерения расстояний, наличие динамической и шумящей окружающей среды и флуктуации в каналах связи. Предложен новый показатель — параметр трилатерационного качества, который определяет геометрическую связь объектов и шумов измерения расстояний. Рассмотрена итерационная схема локации, в которой узлы динамически выбирают вариант трилатера-ции, обеспечивающий более высокую точность.

2 Дефектоскопия, № 12, 2014

Как это отмечено в [7], при осуществлении второй трилатерации известными оказываются как местоположения трех базисных точек, так и расстояния от каждой из этих базисных точек до объекта. Визуально 2Б-трилатерация обеспечивает определение точки, где три круга пересекаются.

Таким образом, используя 2Б-трилатерацию для определения своего места, выбранный робот должен знать место трех точек в своей координатной системе и измерить расстояние от этих трех точек до своей позиции.

Как следует из вышеприведенного краткого обзора существующих систем локации, различные модификации основных двух методов трилатера-ции широко используются для решения задач локации.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Хорошо известно, что координаты источников миллисекундных ин-фразвуковых волн импульсного типа, возникающих после технологических взрывов, могут быть найдены с помощью классического трилатерационного метода, реализуемого по крайней мере на основе трех микрофонов [8].

Известно [9], что распространение и затухание энергии плоских акустических волн может быть определено с достаточной точностью следующим образом:

Е = ^

тх 2

(1)

где Е — давление акустического сигнала на расстоянии х от источника сигнала; Е0 — давление акустического сигнала у источника; параметр т характеризует затухание сигнала.

На основе формулы (1) можно предложить альтернативные способы для реализации трилатерационного метода локации, где основным параметром для всех необходимых измерений является не скорость звука, а параметр, характеризующий затухание сигнала.

Чтобы объяснить подобие двух возможных реализаций трилатераци-онного метода, рассмотрим обобщенную модель трехточечной акустической локации (рис. 1). Первый вариант трилатерационного метода предусматривает измерение расстояний между объектом и микрофонами. Второй вариант предусматривает измерение амплитуды сигнала у приемника и может быть реализован посредством итерационных вычислений расстояний Я. (/ = 1,3) с использованием первичного предположения о величине Е0. Чтобы вычислить Я. (/ = 1,3), используется формула (1), где в качестве заносят значения звукового давления на соответствующих расстояниях и параметр х заменяется на Я.. Первоначально при принятом значении ^ вычисляются Я{, Я^ и Я3' (см. рис. 1).

Далее формируются круги, центры которых совпадают с М М2 и М и значение Е01 постепенно увеличивается до тех пор, пока контуры трех кругов не совпадут в единой точке. Эта точка должна быть рассмотрена в качестве позиции искомого объекта.

При этом должен быть сформирован объективный критерий для выбора одного из двух возможных вариантов реализации трилатерационного метода. Далее изложены теоретические основы Рис. 1. Обобщенная модель акустической формирования такого критерия. локации.

Я1

/ * »V - ■ч-

V

Мз

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Очевидно, что для выбора одного из вышеуказанных двух способов следует осуществить анализ их точности. Отметим, что основными факторами, влияющими на точность функционирования акустических систем определения местонахождения, являются температура и влажность.

В то же время анализ, проведенный в [9], показал, что влияние температуры намного превосходит влияние влажности (по крайней мере в 3 раза) в допустимых интервалах изменения этих параметров.

По этой причине далее рассмотрим влияние те

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком