Устройство для определения углового положения объекта

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к навигационному приборостроению и может быть использовано для определения углового положения объекта в пространстве с использованием магнитного поля Земли. В устройстве для определения углового положения объекта, представляющем собой измерительный блок, содержащий основание, на котором закреплен комплект магнитометров для измерения проекций напряженности магнитного поля Земли, вычислительное устройство и изотропная ферромагнитная сфера, обеспечивающая неколлинеарность векторов искусственно искаженного магнитного поля Земли в области расположения магнитометров, а вычислительное устройство выполнено с возможностью определения малых отклонений углового положения объекта , , путем решения системы уравнений

АХ=В,

где Hx₁₀, Hy₁₀, Hz ₁₀ и Hx₂₀, Hy₂₀, Hz₂₀ - величины проекций напряженности магнитного поля в исходном положении измерительного блока в двух точках расположения магнитометров, Hx₁ (, , ), Hy₁ (, , ), Hz₁ (, , ) и Hx₂ (, , ), Hy₂ (, , ), Hz₂ (, , ) - текущие измерения проекций магнитного поля, A - матрица градиентов магнитного поля в точках расположения магнитометров, , , - малые отклонения углового положения объекта. Для обеспечения возможности измерения произвольных по величине углов поворота объекта измерительный блок установлен в трехосном кардановом подвесе, снабженном датчиками углового положения и приводами по каждой оси, с помощью которых по сигналам с вычислительного устройства блок удерживается в неизменном положении относительно магнитного поля Земли, что дает возможность определения углового положения объекта в пространстве по сигналам датчиков угла поворота на осях подвеса. Заявляемая полезная модель позволяет получить все три угловые координаты объекта без использования внешних источников магнитного поля, не связанных с объектом, и без использования акселерометров, что даст возможность построить автономную систему измерения углового положения объекта. 1 з.п. ф-лы, 3 илл.

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к навигационному приборостроению и может быть использовано для определения углового положения объекта в пространстве с использованием магнитного поля Земли.

Для определения углового положения объекта (углов курса, крена и тангажа) на борту объекта необходимо иметь опорные направления - векторы, сохраняющие свое положение неизменными при эволюциях объекта. В настоящее время в качестве таких опорных векторов используют гравитационную вертикаль и вектор напряженности магнитного поля Земли.

В навигационном приборостроении известны устройства и способы, предназначенные для измерения магнитного курса и углов наклона подвижных объектов. Для измерения магнитного курса используют информацию о проекциях на оси связанной системы координат вектора напряженности магнитного поля Земли и линейного ускорения подвижного объекта. Вычисление одного из углов наклона подвижного объекта, необходимого для определения магнитного курса, производят из равенства априорно известной горизонтальной или вертикальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Земли с его вычисленным значением по измеренной датчиками информации. Вычисление другого угла наклона производят по измеренной датчиками информации и определенному первому углу наклона (Патент RU 2130588, G01C 21/08, G01C 21/12, G01C 17/38, опубл. 20.05.1999 г.) - [1].

Сущность изобретения «Способ цифровой компенсации электромагнитной девиации для магнитного электронного компаса и устройство для его осуществления» по патенту RU 2210060, G01C 18/38, опубл. 10.08.2003 г. - [2] основывается на способе однозначного измерения составляющих уравнения Пуассона, описывающих напряженность магнитного поля однородно намагниченного ферромагнитного объекта в точке размещения чувствительного элемента индукционного компаса в зависимости от распределения токов в обмотках размагничивающего устройства.

Известные способы и устройства используют магнитное поле для определения угловых координат объекта. На подвижных объектах для определения угла курса используется магнитное поле Земли, а для определения углов крена и тангажа - гравитационная вертикаль.

Основным недостатком использования гравитационной вертикали при определении углового положения объекта является то, что чувствительные элементы, предназначенные для определения гравитационной вертикали (акселерометры, маятники), чувствительны и к линейным ускорениям объекта, что приводит к большим ошибкам. Поэтому в системах определения углового положения подвижных объектов совместно с акселерометрами используются гироскопы.

Использование в качестве опорного вектора только естественного магнитного поля Земли не позволяет определить все три угловые координаты. Это объясняется тем, что в масштабах измерительного устройства магнитное поле Земли является равномерным.

Известна следящая система, реализующая способ определения положения и ориентации подвижного объекта и позволяющая определить три угловые координаты объекта с помощью магнитного поля (Патент RU 2241958, опубл. 10.12.2004 г.) - [3]. Сущность изобретения состоит в том, что в области перемещения объекта создают неоднородное несимметричное постоянное магнитное поле. Рассчитывают градиенты этого поля. По меньшей мере, шесть дифференциальных однокомпонентных датчиков размещены в упомянутой области с обеспечением жесткой связи с объектом и исключением взаимного дублирования. Координаты датчиков определены в системе координат объекта. В процессе перемещения объекта дифференциальные датчики измеряют текущие значения градиентов магнитного поля. Вычислительное устройство решает систему, по меньшей мере, шести алгебраических уравнений, включающую упомянутые координаты датчиков, посредством приравнивания измеренных значений градиентов к рассчитанным градиентам магнитного поля. Упомянутую систему уравнений решают с получением трех линейных и трех угловых координат объекта.

Недостатком такой следящей системы является то, что ее невозможно использовать для автономного определения угловых координат объекта без использования источника искусственного магнитного поля, не связанного с объектом.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в получении возможности определения всех трех угловых координат объекта без использования дополнительных внешних по отношению к объекту источников магнитного поля, что дает возможность построить автономную систему измерения углового положения объекта.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения углового положения объекта, представляющем собой измерительный блок, содержащий основание, на котором закреплен комплект магнитометров для измерения проекций напряженности магнитного поля Земли и вычислительное устройство, новым является то, что оно дополнительно снабжено изотропной ферромагнитной сферой, закрепленной на основании блока для искусственного искажения магнитного поля Земли, обеспечивая неколлинеарность векторов искусственно искаженного магнитного поля Земли в области расположения магнитометров, а вычислительное устройство выполнено с возможностью определения малых отклонений углового положения объекта , , путем решения системы уравнений

AX=B,

где Hx₁₀, Hy₁₀, Hz ₁₀ и Hx₂₀, Hy₂₀, Hz₂₀ - величины проекций напряженности магнитного поля в исходном положении измерительного блока в двух точках расположения магнитометров, Hx₁ (, , ), Hy₁ (, , ), Hz₁ (, , ) и Hx₂ (, , ), Hy₂ (, , ), Hz₂ (, , ) - текущие измерения проекций магнитного поля, A - матрица градиентов магнитного поля в точках расположения магнитометров, , , - малые отклонения углового положения объекта.

Для обеспечения возможности измерения произвольных по величине углов поворота объекта измерительный блок установлен в трехосном кардановом подвесе, снабженном датчиками углового положения и приводами по каждой оси, с помощью которых по сигналам с вычислительного устройства блок удерживается в неизменном положении относительно магнитного поля Земли, что дает возможность определения углового положения объекта в пространстве по сигналам датчиков угла поворота на осях подвеса.

Сущность полезной модели поясняется на фиг.1 - фиг.4, где:

фиг.1 - вид искаженного магнитного поля вблизи ферромагнитной сферы;

фиг.2 - устройство для определения углового положения объекта в пространстве (измерительный блок);

фиг.3 - установка измерительного блока в трехосном кардановом подвесе;

фиг.4 - структурная схема устройства.

Здесь: 1 - измерительный блок, 2 - основание, 3 - магнитометры, 4 - вычислительное устройство, 5 - ферромагнитная сфера, 6 - внешняя рама карданового подвеса, 7 - внутренняя рама карданового подвеса, 8 - приводы, 9 - датчики угла поворота.

Устройство реализует способ, сущность которого состоит в том, что в качестве опорных векторов используется естественное магнитное поле Земли, искусственно искаженное таким образом, чтобы в местах расположения магнитометров образовалось неравномерное магнитное поле, в котором можно получить неколлинеарные опорные векторы.

Искажение естественного магнитного поля Земли осуществляется введением вблизи расположения магнитометров ферромагнитного тела. Поскольку искажающее тело установлено в конструкцию измерительного устройства и оно будет перемещаться вместе с ним при повороте связанной системы координат относительно земной подвижной системы координат, то форма этого тела должна быть такова, чтобы при его перемещении новая структура магнитного поля не зависела от поворотов. Таким свойством обладает сфера (сплошная или полая), выполненная из изотропного ферромагнитного материала с минимальной, желательно нулевой, коэрцитивной силой и остаточной индукцией. Искаженное поле вблизи ферромагнитной сферы осесимметрично и его вид показан на фиг.1. Эта структура поля сохраняется при любых эволюциях объекта, а перемещаются в этом поле магнитометры, измеряющие проекции напряженности магнитного поля.

Зная структуру искусственно искаженного магнитного поля Земли и координаты размещения магнитометров, по результатам измерения проекций напряженности магнитного поля вычисляют три угловые координаты положения объекта в пространстве.

Устройство представлено на фиг.2. Оно представляет собой измерительный блок 1, состоящий из основания 2, на котором размещена изотропная ферромагнитная сфера 5, магнитометры 3, выходы которых подключены ко входам вычислительного устройства, представляющее собой электронный блок 4.

Устройство работает следующим образом. Магнитометры 3 фиксируют проекции напряженности магнитного поля Земли, искусственно искаженного изотропной ферромагнитной сферой 5, минимум в двух точках. Сигналы, сформированные магнитометрами 3, поступают в электронный блок 4, где формируются сигналы, пропорциональные трем угловым координатам устройства.

Рассмотрим использование двух трехосных магнитометров, ориентированных по связанным осям летательного аппарата для определения его углового положения.

Принимаем, что в исходном положении связанная система координат совпадает с земной подвижной системой координат, в которой x ₀ ось направлена по магнитному меридиану. Пересчет величин проекций векторов напряженности магнитного поля Земли из земной (Hx₁₀, Hy₁₀, Hz₁₀) и (Hx ₂₀, Hy₂₀, Hz₂₀) в связанную для двух магнитометров (Hx₁, Hy₁, Hz₁ ) и (Hx₂, Hy₂, Hz₂) систему координат при последовательном повороте на углы курса , тангажа и крена производится с помощью матрицы поворота

Предположим, что известно угловое положение летательного аппарата (ЛА) и результаты измерений компонент магнитного поля в связанной системе координат Hx₁₀, Hy₁₀ , Hz₁₀ и Hx₂₀, Hy₂₀, Hz ₂₀ в некоторый момент времени.

Расчетным или экспериментальным путем определяем зависимость результатов измерения от перемещения летательного аппарата по углам курса , тангажа и крена

Рассмотрим малые отклонения ЛА от исходного положения , , .

Полученные зависимости (2) разложим в ряд Тейлора относительно исходного положения Hx₁₀, Hy₁₀, Hz₁₀ и Hx₂₀, Hy₂₀ , Hz₂₀ и сохраним только величины первого порядка малости. В этом случае результаты текущих измерений можно представить в виде

Эти соотношения можно рассматривать как систему линейных уравнений относительно малых углов , ,

где

Благодаря неколинеарности векторов искусственно искаженного магнитного поля в точках расположения магнитометров матрица A (5) имеет ранг, равный трем, что позволяет однозначно найти отклонения , , .

Если измерительный блок установлен в связанной системе координат, то текущее положение объекта определяется интегрированием измеренных малых отклонений , , , что может приводить к накоплению ошибок измерения.

Для повышения точности измерения углового положения объекта измерительный блок устанавлен в трехосный кардановый подвес (Фиг.3). На осях карданового подвеса, состоящего из внешней 6 и внутренней 7 рамок, установлены приводы 8, перемещающие измерительный блок по трем осям относительно корпуса объекта. Приводы 8 управляются сигналами с вычислительного устройства 4, входы которого подключены к выходам магнитометров 3 измерительного блока 1. Если при работе системы положение измерительного блока 1 в пространстве , , отклонится от исходного, для которого были зафиксированы показания магнитометров 3 Hx₁₀, Hz₂₀, то по новым измерениям магнитометров 3 Hx₁Hz₂ вычислительное устройство 4 путем решения системы уравнений (4, 5) сформирует сигналы U, U, U для приводов 8, которые развернут измерительный блок 1 на углы oc, oc, oc соответственно, реализующие отрицательную обратную связь по углам , , . В результате воздействия обратных связей измерительный блок 1 будет удерживаться в неизменном положении в пространстве с точностью до малых отклонений , , , что позволит определить угловое положение объекта в пространстве с помощью датчиков 9, установленных на осях карданового подвеса (фиг.4).

Таким образом, заявленная полезная модель не содержит акселерометров и поэтому нечувствительна к линейным ускорениям движения объекта.

1. Устройство для определения углового положения объекта, представляющее собой измерительный блок, содержащее основание, на котором закреплены комплект магнитометров для измерения проекций напряженности магнитного поля Земли и вычислительное устройство, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено изотропной ферромагнитной сферой, закрепленной на основании блока для искусственного искажения магнитного поля Земли, обеспечивая неколлинеарность векторов искусственно искаженного магнитного поля Земли в области расположения магнитометров, а вычислительное устройство выполнено с возможностью определения малых отклонений углового положения объекта , , путем решения системы уравнений

AX=B,

где Hx₁₀, Hy₁₀, Hz₁₀ и Hx₂₀, Hy₂₀, Hz₂₀ - величины проекций напряженности магнитного поля в исходном положении измерительного блока в двух точках расположения магнитометров, Hx₁ (, , ), Hy₁(, , ), Hz₁(, , ) и Hx₂(, , ), Hy₂(, , ), Hz₂(, , ) - текущие измерения проекций магнитного поля, A - матрица градиентов магнитного поля в точках расположения магнитометров, , , - малые отклонения углового положения объекта.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для обеспечения возможности измерения произвольных по величине углов поворота объекта измерительный блок установлен в трехосном кардановом подвесе, снабженном датчиками углового положения и приводами по каждой оси, с помощью которых по сигналам с вычислительного устройства блок удерживается в неизменном положении относительно магнитного поля Земли, что дает возможность определения углового положения объекта в пространстве по сигналам датчиков угла поворота на осях подвеса.