D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un cinemómetro sonoro para Ia determinación de Ia velocidad en vehículos, basado en una antena formada por una agrupación lineal de micrófonos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El desarrollo de diferentes sistemas de micrófonos agrupados, así como el estudio de nuevas aplicaciones, ha evolucionado de forma significativa en los últimos años. Como consecuencia, diversos autores han publicado trabajos dirigidos hacia Ia optimización del funcionamiento de un sistema de micrófonos, o el desarrollo de nuevas aplicaciones para antenas regulares. Algunos investigadores como LAGUNAS et al., proponen el uso de antenas de 2 dimensiones, para Ia localización de fuentes de ruido en campo cercano, consiguiendo que muchos de los avances logrados hayan sido posteriormente comercializados por empresas tales como Bruel&kjaer, BSWA o GFAI Technology.

Una de las principales aplicaciones dadas a las antenas de micrófonos es Ia de actuar como herramienta para Ia localización de fuentes de ruido, habiendo publicaciones que recapitulan las principales técnicas de diferencias finitas en el dominio de tiempo empleadas para Ia localización y medición sonora de fuentes en campo cercano y autores que trabajan con algoritmos de cálculo rápido con el fin de proporcionar sistemas de identificación y localización de fuentes sonoras en tiempo real. La propiedad de obtener Ia ubicación de una fuente sonora es también conocida como DOA (Direction Of Arrival) y basa su funcionamiento en Ia estimación del ángulo de llegada de Ia onda sonora, teniendo en cuenta el retraso de Ia misma entre los diferentes micrófonos.

La aplicación de antenas sencillas puede proporcionar resultados satisfactorios. LOPEZ-VALCARCE y MORAN et al. han llevado a cabo diferentes ensayos para Ia detección de fuentes de ruido, localización y velocidad a través de antenas de micrófonos. KODERA et al. proponen un sistema de 4 micrófonos para Ia localización de vehículos automóviles en campo cercano, con el propósito de poder aplicarlo en seguridad vial. Trabajando con un sistema de sólo dos micrófonos, PEREZ-GONZALEZ et al. proponen un algoritmo de cálculo para detectar Ia posición y velocidad de fuentes sonoras en movimiento emitiendo en un estrecho ancho de banda, trabajando para optimizar resultados con Ia serie de Monte Cario.

A su vez, dentro del proyecto de investigación Harmonoise se propone el uso de antenas de micrófonos para localizar y caracterizar fuentes de ruido de un vehículo en movimiento, así como holografías en campo cercano, empleando antenas lineales y 2D.

Si se buscan aplicaciones de agrupaciones de micrófonos en campo lejano, QUARANTA et al. propone un modelo para Ia detección de fuentes de ruido en espacios abiertos, empleando sensores sonoros a grandes distancias, así como otros autores que serán comentados más delante. Por último, en Ia bibliografía es fácil encontrar sistemas de micrófonos subacuáticos empleados para Ia localización de fuentes de ruido en grandes volúmenes de agua.

Con el fin de seleccionar el sistema de micrófonos que permita alcanzar los objetivos inicialmente planteados en esta investigación, se ha realizado una recopilación meticulosa de los principales tipos de sistemas agrupaciones de micrófonos existentes en Ia bibliografía, así como las diferentes aplicaciones para las que han sido empleadas cada una de ellas.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de Ia invención es un cinemómetro capaz de detectar Ia velocidad de un vehículo por una vía de trayectoria previamente conocida, empleando para ello el sonido irradiado por si mismo. Con el fin de garantizar su viabilidad, el cinemómetro sonoro constará de un número reducido de micrófonos y un procesado de datos Io más sencillo posible con Ia intención de agilizar su funcionamiento.

Tal y como se ha visto en el apartados anterior, Ia bibliografía recoge una gran cantidad de aplicaciones prácticas de antenas de micrófono empleadas para Ia localización de fuentes sonoras. Pero una de las ventajas del objeto de Ia invención que se describe, es su capacidad de detectar fuentes en movimiento con una Ia elevada variación del ángulo de localización de las mismas con el tiempo, así como Ia posibilidad de determinar Ia velocidad de circulación del vehículo durante un largo tramo de su recorrido (más de 150 m), Io que introduce varias complicaciones en Ia distribución de sensores y posterior procesado de Ia señal. A todo ello, se añade Ia posibilidad de trabajar con una antena sencilla, fácil de manejar y controlar, basada en un número reducido de micrófonos y con un rápido procesado. Algunos autores han publicado los resultados obtenidos empleando sistemas lineales de micrófonos para Ia localización de fuentes de ruido en movimiento en condiciones concretas JEON, pero no se tiene evidencias de cómo se comportaría este tipo de antena en unas condiciones generales, con ruido de fondo en las mismas frecuencias que el emitido por Ia fuente que se pretende localizar.

Con el fin de proponer Ia herramienta más apropiada para esta aplicación, se proponen agrupaciones de diferentes características, estableciendo una relación entre las tipologías, distribución y número de sensores, y los resultados obtenidos.

Un objeto de Ia invención es una agrupación lineal equidistante, ULA, de 7 micrófonos. Esta disposición de micrófonos se realiza en posición perpendicular y paralela a Ia línea de paso del vehículo.

Otro objeto de Ia invención es una agrupación lineal proporcional, PROP, de 9 micrófonos. Tal y como sucede con Ia anterior antena lineal, también se realiza en posición perpendicular y paralela a Ia línea de paso del vehículo.

A su vez, el micrófonos empleado en ambos es un micrófono de % de pulgada ICP modelo tipo agrupación de Bruel&Kjaer 4935. Estos micrófonos resultan muy apropiados para una distribución en forma de agrupación de micrófonos, ya que se encuentran en fase y su reducido tamaño permite un fácil montaje. El número de micrófonos empleado es de 7 para los sistemas uniformemente distribuidos, y excepcionalmente de 9 para las antenas con micrófonos distanciados de forma proporcional.

El sistema propuesto consta de una estructura de aluminio que sustenta un conjunto de 7 micrófonos distanciados uniformemente entre sí y conectados a un equipo de adquisición de datos. Este sistema de micrófonos trabaja como un único sensor de ruido altamente direccional, capaz de localizar Ia posición de una fuente sonora en un radio de acción de más de 100 metros.

A su vez, el sistema consta de un par de fotocélulas convencionales conectadas al mismo sistema de adquisición y que detectaran el paso del vehículo controlado por el punto más cercano al Cinemómetro.

Las señales captadas por el sistema de micrófonos y las fotocélulas son posteriormente filtradas y tratadas para detectar Ia tendencia de desplazamiento del vehículo durante su trayectoria. Esta información es posteriormente implementada en un algoritmo de cálculo de velocidad, que minimiza la desviación de los datos y corrige las posibles variaciones sufridas en Ia fase de adquisición debidas a desajustes en el sistema de micrófonos o Ia trayectoria del vehículo.

Actualmente los sistemas empleados para el control de vehículos en carretera, basan su funcionamiento en antenas radas. Estas son instaladas y enfocadas a un punto concreto de Ia vía. El cinemómetro propuesto es capaz de localizar y captar Ia velocidad de un vehículo convencional durante 150 metros de su trayectoria.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de Ia misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

Figura 1.- Muestra un diagrama de los distintos elementos del cinemómetro sonoro.

Figura 2.- Muestra un diagrama del proceso de determinación de velocidad de un vehículo usando el cinemómetro sonoro descrito.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A Ia vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del cinemómetro sonoro objeto de esta invención.

Independientemente de las características de Ia antena, conformada por micrófonos (2), empleada para Ia localización de Ia fuente, los aspectos básicos de Ia realización serán los mismos en todos los casos.

Para Ia realización práctica del objeto de Ia invención se selecciona una vía por Ia que va a circular un vehículo, así como Ia ubicación del sistema de micrófonos (2), encargados de adquirir unas señales sonoras (5) y los sensores de posición (4) que en este caso son las fotocélulas encargadas de captar una señal de posición (6). La pista tiene una longitud total de 300 metros y Ia velocidad será mantenida durante 180 m. Para Ia ubicación de Ia antena de micrófonos (2) y su orientación con Ia pista se emplean las coordenadas UTM del micrófono (2) de referencia y Ia distancia a elementos del entorno.

El terreno en el que se ubicó Ia antena presenta matorral bajo y tierra, Io que Io hace una superficie poco reflectante. De esta forma se reduce de forma significativa Ia presencia de ondas reflejadas que podrían alterar las condiciones de las señales captadas.

Se empleó un único modelo de vehículo, para que Ia comparativa de resultados y peculiaridades del ensayo no se vieran alteradas. El vehículo debía permanecer circulando a una velocidad constante entre 20 y 25 m/s. Para poder verificar las condiciones de velocidad de Ia fuente y comprobar el correcto funcionamiento de las agrupaciones se empleó un sistema de localización geográfica o Sistema Global de Navegación por Satélite (GPS) instalado en el vehículo, capaz de facilitar información de Ia posición del mismo cada segundo. Gracias a esta información se determinará Ia velocidad de circulación del vehículo cada segundo. Al trabajar con variaciones de posición relativa, se estima que Ia velocidad obtenida del sistema tendrá un margen de error de ± 1 m/s, aspecto que deberá ser tenido en cuenta a Ia hora de analizar los resultados.

Para poder realizar el procesado de datos (10), será necesario disponer de información precisa del paso del vehículo por el centro de paso. Para ello se empleó, tal y como se ha descrito anteriormente, un par de sensores de posición (4) de paso que realizan Ia adquisición de Ia de posición (6), estas fotocélulas fueron instaladas a 1 y 3 metros de distancia del punto de referencia, Io que facilitó información precisa de Ia velocidad de circulación en ese instante.

Las señales sonoras (5) pasa por un proceso de filtrado de paso de banda

(7)- S _n (t) , antes de que se realice Ia reducción a k bloques de 0.1sf datos (8)

S _{n k} (t),τ(k) , desde donde se realiza un filtrado Hanning (9) S" _k (?) antes de pasar al procesado de datos (10).

En Ia fase de procesado de datos (10) se aplica de forma secuencial un

DFT a frecuencia temporal X _{n k} (f) = DFT{S" _k (ή), un procesado de espectro d cruzado R _k (f,d) = ∑X _n¿ X _n ^* _k y un DFT a frecuencia espacial

H _k {f,k) = DFT(R _k (f,d)) cuando Ia señal a procesar es de banda ancha.

A continuación se realizó Ia determinación del ángulo de posición (11 ) del vehículo a = (τ) y se determinaron los centro de paso (12,15), tanto el centro de paso de Ia agrupación (12) C _{p A} como el centro de paso (15) de los sensores de posición (4) C _{p ph} . Con estos datos se realizó Ia corrección (13) de Ia distancia y el tiempo D(T') mediante el parámetro β determinado a partir del el centro de paso (15) de los sensores de posición (4) C _{p ph} .

Finalmente se obtiene Ia determinación de Ia velocidad (14) del vehículo v(r) .

Como sistema de procesado (3) se empleó el analizador de 16 canales a

24 bits, LMS Pimento, alimentado por un sistema de baterías. El analizador se configuró conectando los micrófonos (2) del sistema de agrupación de micrófonos (2), así como los sensores de posición (4) a sus canales. A su vez, el software del mismo nombre Pimento V6.0, sirvió para el tratamiento inicial de los datos, haciendo uso de un filtrado paso banda.