Навигационный прибор

 

Навигационный прибор предназначен для определения топографических координат и ориентирования на местности человека, передвигающегося пешком. Навигационный прибор содержит датчик угловой ориентации, вычислительное устройство, блок индикации, пульт управления, выход которого соединен с первым входом вычислительного устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой ориентации датчик длины шага, выход которого соединен с третьим входом вычислительного устройства, выход которого соединен с входами блока индикации и пульта управления, формирователь сигнала считывания и датчик вертикального ускорения, выход которого соединен с объединенными входами датчика длины шага и формирователь сигнала считывания, выход которого соединен с четвертым входом вычислительного устройства. Расширена область применения путем повышения точности его работы 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в приборах для определения топографических координат и для ориентирования на местности человека, передвигающегося пешком.

Известно переносное индивидуальное навигационное устройство для слепых [1] , содержащее вычислительное устройство, шагомер, пульт управления. Кроме этого, устройство содержит запоминающее устройство данных о маршруте движения, запоминающее устройство программ, переключатель режимов и микрофон. Недостатком известного устройства является ограниченная область применения, заключающаяся в возможности использования устройства только на заранее известном маршруте движения - для ориентирования людей с ограниченной степенью зрения и слепых.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является система автоматической ориентации для путешественников и слепых [2] - прототип.

Устройство-прототип содержит датчик угловой ориентации, датчик шага, соединенные с соответствующими входами вычислительного устройства, блок индикации и пульт управления, выход которого соединен с входом вычислительного устройства, один из выходов которого соединены одновременно с входами блока индикации и пульта управления. Выходы блока индикации соединены с входами акустического датчика и вибрационного датчика соответственно.

Кроме того, устройство содержит дополнительное запоминающее устройство, подсоединенное к соответствующему входу вычислительного устройства, а также электронные часы, внешний датчик шага с соединительным устройством для подключения к соответствующему входу вычислительного устройства.

Известное устройство обеспечивает достаточно высокую точность определения координат человека при возвращении в начальный пункт маршрута движения. При этом весь маршрут фактически разбивается на отдельные отрезки, длиной не более нескольких сот метров. Координаты всех конкретных точек маршрута движения измеряются и запоминаются устройством при движении человека из начального пункта. При возвращении в начальный пункт человек движется от одной контрольной точки до другой, причем в каждой точке проводится коррекция ошибок, полученных на предыдущем отрезке.

Однако в большинстве практических случаев протяженность маршрута движения может составлять многие километры и даже десятки километров при отсутствии видимых ориентиров с известными координатами. Например, при движении в лесном массиве, ночью при проведении топогеодезических съемок на местности и т.п.

В этих случаях при использовании известного устройства ошибки измерения могут достигать недопустимой величины.

Можно выделить три основные причины погрешностей измерения: 1. Погрешности, связанные с подсчетом количества шагов и ошибками измерения азимутальных углов в статическом состоянии.

2. Рассогласование оси направления движения человека с направлением, измеряемым датчиком угловой ориентации.

3. Погрешности измерения азимутальных углов и длины шага человека, связанные с динамикой ходьбы.

Первый вид ошибок сводится к минимуму выбором типа датчика угловой ориентации и датчика шага. Так при использовании в качестве датчика угловой ориентации электронного жидкостного компаса, чувствительным элементом которого является круглый магнит, размещаемый на керновой опоре в герметичной капсуле с демпфирующей жидкостью, в статистическом состоянии может быть достигнута круговая среднеквадратическая погрешность измерения углов 0,5^o. Использование в качестве датчика шага пьезорезонансного акселерометра (или подобного) обеспечивает надежную фиксацию момента шага человека при движении в различных условиях.

Второй вид ошибок сводится к минимуму надежной фиксацией навигационного прибора на корпусе человека (как правило на груди) и предварительной коррекцией на контрольном участке перед выходом на маршрут движения.

Наиболее сложными и трудноустранимыми являются погрешности третьего типа, связанные с изменением длины шага человека и ошибками измерения азимутальных углов, вызываемых динамическим воздействием при ходьбе на механическую систему датчика угловой ориентации.

При ходьбе человека возникают квазипериодические ускорения и угловые колебания в трех плоскостях, которые воздействуют на подвижные части датчика угловой ориентации. Максимальное воздействие возникает в моменты перехода фазы шага из одноопорной в двухопорную. Ускорение в этом случае достигает максимального значения, имеет сложный характер, что приводит к неконтролируемой закрутке катушки (магнита на керновой опоре, магнитной стрелки и т.п. ) электронного компаса. Все это вызывает большие ошибки измерения азимутальных углов в сравнении с измерениями в статическом состоянии. Подбором вязкости демпфирующей жидкости магнитного компаса можно в несколько раз уменьшить ошибки измерения, связанные с динамическим воздействием при ходьбе, но и в этом случае среднеквадратические ошибки составляют 3...4^o. На точность работы навигационного прибора непосредственное влияние оказывает изменение в процессе ходьбы длины шага человека. В конечном итоге динамические угловые и путевые ошибки приводят к погрешностям измерения координат, которые достигают 4...5% и более от пройденного пути. Все это ограничивает область применения известного устройства.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в расширении области применения устройства путем повышения точности его работы.

Решение задачи достигается тем, что в навигационный прибор, содержащий датчик угловой ориентации, вычислительное устройство, блок индикации, пульт управления, выход которого соединен с первым входом вычислительного устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой ориентации, блок измерения длины шага, выход которого соединен с третьим входом вычислительного устройства, выход которого соединен с входами блока индикации и пульта управления, введены формирователь сигнала считывания и датчик вертикального ускорения, выход которого соединен с входом блока измерения длины шага и входом формирователя сигнала считывания, выход которого соединен с входом вычислительного устройства.

Введение в известное устройство формирователя сигнала считывания, датчика вертикального ускорения и новых связей обеспечивает повышенную точность работы устройства путем уменьшения погрешностей измерения азимутальных углов направления движения и длины шага при ходьбе.

На фиг. 1 представлена структурная схема навигационного прибора; на фиг. 2 - временные диаграммы работы формирователя сигнала считывания.

Предлагаемый навигационный прибор содержит датчик угловой ориентации I, вычислительное устройство 2, выход которого соединен с входами блока индикации 3 и пульта управления 4, выход которого соединен с первым входом вычислительного устройства 2, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой ориентации I и блок измерения длины шага 5, выход которого соединен с третьим входом вычислительного устройства 2.

Кроме этого, навигационный прибор содержит формирователь сигнала считывания 6, выход которого соединен с входом вычислительного устройства 2, и датчик вертикального ускорения 7, выход которого соединен с входом блока измерения длины шага 5 и входом формирователя сигнала считывания 6.

Формирователь сигнала считывания 6 содержит первый и второй компараторы 8 и 9, первые входы которых объединены и являются входом формирователя 6, на второй вход первого компаратора 8 подается опорное напряжение, второй вход второго компаратора 9 соединен с общей шиной, выход первого компаратора 8 через формирователь длительности импульса 10 подключен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ 11, выход второго компаратора через элемент НЕ 12 подключен к второму входу элемента ИЛИ-НЕ 11, выход которого является выходом формирователя длительности импульса 6.

Работа устройства в общем случае основана на измерении на каждом шаге человека азимутального угла направления движения и измерении длины шага с обработкой по заданным алгоритмам измеренной информации для определения прямоугольных координат человека, а также ориентирования на местности по направлению и определения дальностей и дирекционных (азимутальных) углов до контрольных пунктов с известными координатами.

Навигационный прибор с помощью индивидуального снаряжения закрепляется на груди оператора (человека) таким образом, чтобы приборная ось, совпадающая с измерительной осью датчика угловой ориентации, была в направлении движения.

В начальной точке маршрута оператор с пульта управления 4 вводит в вычислительное устройство 2 исходные данные - координаты начальной точки, координаты пункта назначения (контрольных пунктов), коэффициенты шага и т.п. , контролируя вводимые значения с помощью блока индикации 3.

Во время движения по маршруту датчик вертикального ускорения 7 непрерывно вырабатывает сигнал, пропорциональный вертикальному ускорению туловища человека. Этот сигнал поступает на вход блока измерения длины шага 5 и на вход формирователя сигнала считывания 6. Блок вырабатывает код, пропорциональный длине шага, а формирователь 6 на каждом шаге в заданный момент времени вырабатывает прямоугольный импульс, по переднему фронту которого вычислительное устройство 2 считывает с блока измерения длины шага 5 код шага, а с датчика угловой ориентации I - значение азимутального угла направления движения.

Расчет прямоугольных координат проводится вычислительным устройством 2 в соответствии с уравнениями: , где x, y - координаты оператора; x₀, y₀ - координаты начальной точки маршрута движения, вводятся с пульта 4 оператором; L_i - измеренное значение длины шага оператора; A_Mi - значение азимутального угла направления движения, измеряемое на каждом шаге; A_м - значение поправки направления, равное алгебраической разности магнитного склонения и сближения меридианов, вводится с пульта 4.

Кроме основного назначения - определение координат оператора - навигационный прибор может быть использован для ориентирования по направлению, измерения пройденного пути, определения в любой точке маршрута дальностей и дирекционных углов до контрольных пунктов с известными координатами и т.п.

Одной из основных причин, снижающих точность работы навигационного прибора, являются ошибки измерения азимутальных углов, связанные с динамикой ходьбы человека. На фиг. 2а, б, в, г, д приведены временные диаграммы фазы шага человека и возникающих при этом линейных ускорений туловища в поперечной, продольной и вертикальной плоскостях. Цикл ходьбы включает два одиночных шага или один двойной шаг. Для двойного шага можно выделить фазу одноопорного и двухопорного движения (фиг. 2а,б). Максимальные ускорения и, соответственно, силы, действующие на подвижные механические элементы датчика угловой ориентации I, возникают в момент перехода из одноопорной фазы шага в двухопорную, постепенно снижаясь в течение 0,3...0,4 с (фиг. 2в, г, д). В моменты времени t₀, t₁, t₂ (фиг. 2, д), предшествующие началу двухопорной фазы, ускорения минимальны, чувствительный элемент датчика угловой ориентации I (магнит на керновой опоре) находится в относительном покое. Именно указанные моменты времени являются оптимальными для считывания информации с датчика угловой ориентации. Немаловажным фактором является и то, что в эти моменты времени рассогласование по углу измерительной оси прибора, расположенного на груди оператора, и направления движения минимальны. В другие моменты времени отклонения туловища от направления движения могут достигать до 10,0. И хотя угловые ошибки, вызванные указанными отклонениями, усредняются на нескольких шагах, они все же вносят ошибки при расчете координат в соответствии с уравнениями (1).

Формирователь 6 обеспечивает в оптимальный момент фазы шага считывание значения азимутального угла. Работает формирователь 6 следующим образом.

С датчика вертикального ускорения 7 непрерывно поступает при ходьбе сигнал (фиг. 2, д) на вход формирователя 6 и, соответственно, на первые входы первого и второго компараторов 8 и 9. На второй вход первого компаратора 8 поступает опорное напряжение, соответствующее 0,25...0,30 g (g - ускорение силы тяжести). При превышении вертикальным ускорением значения 0,25...0,30 g первый компаратор 8 вырабатывает сигнал, который запускает формирователь длительности импульса 10, с выхода которого на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 11 поступает на каждом шаге одиночный прямоугольный импульс длительностью 0,35 с (фиг. 2,е). Второй компаратор 9 обеспечивает выработку прямоугольных импульсов при изменении знака сигнала вертикального ускорения (фиг.2). Эти импульсы через элемент НЕ 12 поступают на второй вход элемента ИЛИ-НЕ 11, который обеспечивает формирование на каждом шаге человека одиночных импульсов, передний фронт которых совпадает с моментами времени t₀, t₁, t₂.., предшествующими началу двухопорной фазы шага (фиг. 2д, ж). Именно в эти моменты времени, оптимальные для считывания кода угла, вычислительное устройство 2 проводит опрос датчика угловой ориентации I, а также блока измерения длины шага 5.

Блок измерения длины шага 5 обеспечивает повышенную точность работы навигационного прибора за счет учета изменений длины шага человека, связанных с колебаниями темпа движения, усталостью человека, изменением типа грунта и нагрузки на человека. В качестве блока измерения длины шага 5 может быть использовано известное устройство, реализующее соотношение: S = a/L²
где
S - амплитуда вертикального перемещения туловища человека;
L - длина шага;
a - величина, постоянная для каждого человека.

Значение S определяют путем двукратного интегрирования сигнала вертикального ускорения туловища человека, а значение постоянной a - по результатам калибровки на мерном участке.

Использование предлагаемого устройства позволяет расширить область применения навигационного прибора за счет повышения точности его работы.

Формула изобретения

1. Навигационный прибор, содержащий датчик угловой ориентации, вычислительное устройство, блок индикации, пульт управления, выход которого соединен с первым входом вычислительного устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой ориентации, блок измерения длины шага, выход которого соединен с третьим входом вычислительного устройства, выход которого соединен с входами блока индикации и пульта управления, отличающийся тем, что введены формирователь сигнала считывания и датчик вертикального ускорения, выход которого соединен с входом блока измерения длины шага и входом формирователя сигнала считывания, выход которого соединен с входом вычислительного устройства.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что формирователь сигнала считывания содержит первый и второй компараторы, формирователь длительности импульса, элемент ИЛИ-НЕ и элемент НЕ, выход первого компаратора через формирователь длительности импульса подключен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ, а выход второго компаратора через элемент НЕ подключен к второму входу элемента ИЛИ-НЕ, выход которого является выходом формирователя сигнала считывания, первые входы первого и второго компараторов объединены и являются входом формирователя сигнала считывания, на второй вход первого компаратора подается опорное напряжение, а второй вход второго компаратора соединен с общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2