Малогабаритное устройство измерения углов наклона и азимутов

Полезная модель относится к области оптико-электронных устройств и радиотехники, а именно, к устройствам и системам пространственной ориентации и навигации. Целью изобретения является точное определение углов наклона от плоскости горизонта и азимутов измеряемых направлений. Поэтому устройство представляет собой совмещенные датчики горизонта и направления, электронный компас. Известны наземный гравиметрический датчик истинных азимутов и углов отклонения его системы координат относительно вектора силы тяжести [4]. Цель - определение углов, достигается тем, что при использовании предлагаемого устройства, угол наклона объекта измеряется от плоскости горизонта датчиком, выполненным в виде шарообразного жидкостного уровня, а азимуты измеряются с помощью магнитной стрелки, свободно плавающей внутри уровня на поверхности жидкости. На концах стрелки установлены малогабаритные источники света. Снаружи шарообразного уровня размещены матрицы или линейки фотоприемников. Устройство представляет собой совмещенные датчики горизонта и направления, электронный компас. Уровень жидкости соответствует плоскости горизонта. При наклонах объекта, источники света расположенные на поверхности уровня освещают фотоприемники, соответствующие углу наклона объекта. Магнитная стрелка расположена на поверхности уровня и всегда направлена по направлению «север-юг». При повороте объекта относительно данного направления поворачивается и корпус устройства с размещенными на нем фотоприемниками. При этом магнитная стрелка с излучателями, оставаясь в заданном направлении «север-юг», перемещается относительно фотоприемников, которые фиксируют ее отклонение соответствующими фотоприемниками линеек матриц. Использование фотоприемников позволяет автоматизировать процесс съема и обработки информации, так как снимать информацию и обрабатывать ее можно в электронном виде. При этом точность измерений будет повышена и за счет того, что источники света освещают диаметрально расположенные элементарные приемники матриц излучения, при этом усреднение данных по каналам повышает точность работы устройства. Для измерения углов наклона в вертикальной плоскости используются излучатели с одной длиной волны, а для измерения углов крена (тангажа) - с другой. Полученная информация об углах наклона и азимутах может быть использована, например, в приборах разведки, в малогабаритной навигационной аппаратуре и др.

Полезная модель относится к области оптико-электронных устройств и радиотехники, а именно, к устройствам и системам пространственной ориентации и навигации.

Целью изобретения является точное определение углов наклона от плоскости горизонта и азимутов измеряемых направлений. Поэтому устройство представляет собой совмещенные датчики горизонта и направления, электронный компас.

Известны наземный гравиметрический датчик истинных азимутов и углов отклонения его системы координат относительно вектора силы тяжести [4].

Предлагаемое устройство представляет собой совмещенные электронный компас, датчики наклона и горизонта (крена) (фиг.1). При этом измерение азимутов осуществляется с помощью магнитной стрелки, а измерение углов наклона и крена объекта производится от плоскости жидкостного уровня, соответствующего плоскости горизонта.

Устройство базируется на шарообразном уровне 1, наполовину заполненном жидкостью, поверхность которой 2 соответствует плоскости горизонта. В жидкости свободно плавает поплавок 3 с достаточным водоизмещением (представляющий пробку, кусок дерева, полость и др.), на котором закреплены магнитная стрелка 4 и малогабаритные источники света 5 с длиной волны ₁ и малогабаритные источники света 6 с длиной волны ₂. Источники 5 и 6 расположены под углом 90° друг к другу. Снаружи шарообразного уровня расположены матрицы или линейки фотоприемников (фоторезисторов) 7. Отсчетными плоскостями в устройстве являются плоскость магнитного меридиана - направление «север-юг» (ось X) и плоскость уровня, совпадающая с плоскостью горизонта (оси Х и Z). Объект, на котором размещено устройство, связан с подвижной системой координат X', Y' и Z'. Объект может перемещаться относительно данных отсчетных плоскостей по углам ±, ± и ±.

В начальный момент оси отсчетной и подвижной - связанной с объектом, систем совпадают и источники, расположенные на поплавке (на стрелке), освещают фотоприемники N _{A, 0} и N_{A, N}, N_{Верт, 0} и N_{Верт, N}, N_{Крен, 0} и N_{Крен, N}.

Электронный компас (фиг.2) представляет собой магнитную стрелку с закрепленными на обоих концах источниками излучения с длинной волны ₁. Магнитная стрелка расположена на поверхности уровня 2 и всегда направлена по направлению «север-юг» (по оси X). В начальный момент оси систем совпадают и источники, расположенные на стрелке, освещают фотоприемники N _{A, 0} и N_{A, N}. При изменении направления движения (при повороте) объекта относительно начального направления на угол , магнитная стрелка сохранит свое положение в пространстве. Однако смещение корпуса устройства с фотоприемниками приведет к тому, что излучателями с длинной волны ₁ будут освещать

не фотоприемники N_{A, 0} и N_{A, N}, а фотоприемники N_{A, 0±i} и N _{A, N±i}. Пространственное положение приемников соответствует величине угла .

Измерение углов наклона и крена объекта производится от плоскости жидкостного уровня, соответствующего плоскости горизонта. При наклонах объекта, источники света, расположенные на поверхности уровня, освещают фотоприемники, соответствующие вертикальному углу или углу крена (тангажа) объекта. Для того чтобы сигналы с датчиков угла наклона и углов крена не «путались» можно использовать источники света с разными ₁ и ₂ (фиг.3 и фиг.4).

В начальный момент излучатели с длиной волны ₁ датчика вертикальных углов наклона объекта освещают фотоприемники N_{Верт, 0} и N_{Верт, N} (фиг.3). При наклоне объекта в вертикальной плоскости относительно начального направления на угол , поверхность уровня, соответствующая плоскости горизонта, сохранит свое положение в пространстве. Сохранят свое пространственное положение и излучатели ₁, размещенные на поплавке (на магнитной стрелке). При этом смещение корпуса устройства с фотоприемниками приведет к тому, что излучателями с длинной волны ₁ будут освещать не фотоприемники N_{Верт, 0} и N_{Верт, N} , а фотоприемники N_{Верт, 0±j} и N _{Верт, N±j}. Такое пространственное положение приемников соответствует величине вертикального угла .

Излучатели с длиной волны ₂ датчика углов крена (тангажа) объекта освещают фотоприемники N_{Крен, 0} и N _{Крен, N} (фиг.4). При наклоне объекта относительно горизонтального положения на угол , поверхность уровня, соответствующая плоскости горизонта, сохранит свое положение в пространстве. Сохранят свое пространственное положение и излучатели ₂, размещенные на поплавке. При этом смещение корпуса устройства с фотоприемниками приведет к тому, что излучателями с длинной волны ₁ будут освещать не фотоприемники N_{Крен, 0} и N_{Крен, N} , а фотоприемники N_{Крен, 0±k} и N _{Крен, N±k}. Такое пространственное положение приемников соответствует величине угла крена (тангажа) .

Использование фотоприемников позволяет автоматизировать процесс съема и обработки информации, так как снимать информацию и обрабатывать ее можно в электронном виде. При этом точность измерений будет повышена и за счет того, что источники света освещают диаметрально расположенные элементарные приемники матриц излучения, при этом усреднение данных по каналам повышает точность работы устройства.

Предлагаемое устройство может быть реализовано на серийно выпускаемых радиокомпонентах.

В качестве малогабаритные источники света с длинной волны ₁ и малогабаритные источники света 6 с длиной волны ₂.:

- светодиоды;

- малогабаритные ОКГ.

Питание источников света может быть выполнено по автономной схеме от аккумуляторов. Аккумуляторы могут быть размещены в теле, свободно плавающем в уровне.

В качестве фотоприемного устройства (ФПУ) может быть выбрана матрица (линейка) ПЗС. Матрицы ПЗС состоят из большого количества светочувствительных элементов (сотни тысяч пикселей), преобразующих световое излучение в электрические сигналы. Последние с помощью специальных устройств записываются или могут сразу же передаваться в память ПЭВМ.

Так как поле наблюдения ФПУ разбивается на пиксели. То из законов геометрической оптики и физических характеристик пикселей следует, что каждый из них соответствует определенному квадрату пространства и наоборот. Положение каждого светочувствительного элемента в матрице строго определено. Все они имеют индивидуальные номера, состоящие из двух частей. Первая показывает принадлежность пикселя определенной горизонтальной линии, вторая - вертикальной. Следовательно, каждый кадр имеет своеобразную координатную сетку, не меняющуюся при переходе от кадра к кадру при условии закрепления устройства. Это обстоятельство позволяет точно определять координаты при «перемещении» его от одного пикселя к другому.

Чем больше количество пикселей, тем выше качество изображения. Существует несколько форматов записи, отличающихся количеством пикселей в растре. Основными из них являются форматы VHS, S-VHS и Betacam. Первому соответствует 380000 пикселей, второму - 480000, третьему - 564480. Соотношение сторон кадра для первых двух 4:3, для третьего - 16:9.

Фотоприемное устройство может быть выбрано в виде линейки ПЗС, например, 1200ЦЛ2.

Полученная информация с устройства измерения углов наклона и азимутов может быть использована, например, в приборах разведки, в малогабаритной навигационной аппаратуре и др. При этом устройство измерения углов наклона и азимутов можно реализовать в одном устройстве, согласно следующей схемы (фиг.5). На фиг.5 обозначено: 8 - совмещенное устройство измерения углов наклона и азимутов, состоящее из датчиков горизонта, направления и электронного компаса; 9 - АЦП; 10 - контроллер; 11 - КПК; 12 - приемо-передатчик КПК (Wi-Fi канал).

Для определения направления, угла к линии горизонта и направления по сторонам света используется устройство 8, который представляет собой шаровой уровень, совмещенный с электронным компасом, что позволяет определять помимо угла горизонта еще и угол относительно горизонта (угол наклона), а так же направление по сторонам света (электронный компас).

При наклонах объекта, сигналы с узконаправленных светодиодов разной частоты поступают на линейки фотоприемников. Эти сигналы дают ряд параметров: угла горизонта, угол относительно горизонта (угол наклона), а так же направление по сторонам света. Сигналы с совмещенного устройства измерения углов наклона и азимутов 8 преобразуется в аналого-цифровом преобразователе АЦП 9. Затем сигнал поступает в контроллер 10, далее в КПК 11, где выводится непосредственно на малогабаритный дисплей КПК. В КПК учитываются

сигналы с других датчиков. Информация выводится на экран КПК, например в виде карты-схемы местности или схемы движения объекта со своими координатами. КПК целесообразно использовать с разъемом CF т.к. большинство современных малогабаритных GPS-навигаторов используют данный разъем для подключения. Обмен информацией для взаимодействия с другими устройствами может осуществляться и через автоматический приемопередатчик 12 (например, канал Wi-Fi в КПК). В «коммуникатора» может быть использована, например, модель E-Ten Glofish X500+ или трансформер Nokia N93.

Элементы устройства могут быть реализованы на серийно выпускаемых радиокомпонентах. В качестве вычислителя может быть использован восьмиразрядный микропроцессорный комплект серии М1821 ВМ85А. структурная схема. В качестве ОЗУ и ПЗУ могут быть использованы микросхемы 537РУ9А и 536РТА7, а в качестве регистров режима, индикации, клавиатуры и угла -микросхемы 564ИР6. В качестве схемы управления могут быть использованы микросхемы 564ЛС2 и 564ЛП10, а в качестве индикаторов - индикатор цифровой ЭЛС339А.

Малогабаритное устройство измерения углов наклона и азимутов, состоящее из корпуса шарообразного уровня, наполовину заполненного жидкостью, на поверхности которой свободно плавает поплавок (представляющего пробку, кусок дерева, полость и др.), отличающееся тем, что на поплавке закреплены магнитная стрелка и малогабаритные источники света, расположенные под углом 90° друг к другу, с длиной волны ₁ и ₂, освещающие, расположенные на корпусе уровня фотоприемники, преобразующие световое излучение в электрические сигналы, которые передаются в память ПЭВМ, при этом перемещение объекта по соответствующим углам оценивается пространственным положением освещенных фотоприемников относительно исходных, соответственно для магнитного азимута - относительно направления «север-юг», а для вертикальных углов и углов крена - относительно плоскости горизонта, точность измерений может быть повышена и за счет того, что источники света освещают диаметрально расположенные элементарные приемники матриц излучения, при этом усреднение данных по каналам повышает точность работы устройства.