Устройство измерения пути для индивидуальной навигационной аппаратуры бойца

Изобретение относится к устройствам определения расстояния, дальности пути пройденного движущемся объектом, и определения координат на местности.

Датчики пути являются важным элементом навигационной аппаратуры. От правильности и точности определения координат зависит эффективность боевых действий (правильность определения координат целей и их последующего уничтожения).

В настоящее время широко применяются доплеровские, одометрические с электромеханическим преобразованием частоты и другие датчики. Большая масса и энергоемкость этих датчиков не позволяет использовать их в малогабаритной навигационно-курсовой системе, переносимой бойцом, проводящим разведку местности [1...5].

Целью изобретения является применение многоканального устройства измерения пути на основе акселерометрических датчиков и герконов (магнитных контакторов) с малой массой и низкой энергоемкостью.

Основным чувствительным элементом инерциальной навигационной системы является акселерометр, измеряющий ускорение.

Известно большое количество различных конструкций для измерения линейных и узловых ускорений, но в каждом из них имеется некоторая масса, и измерение ускорения сводится либо к измерению перемещения этой массы под действием ускорения либо к измерению сил, действующих на эту массу.

На фиг.1 приведена принципиальная схема простейшего акселерометра, предназначенного для измерения линейных ускорений.

Он представляет собой массу 1, связанную с корпусом прибора пружинами 2. Масса 1 может перемещаться относительно корпуса прибора по направляющим 3 вдоль оси измерения или оси чувствительности X. Корпус прибора жестко укреплен на объекте, если объект находится в покое или движется со скоростью в направлении оси чувствительности, то масса 1 не перемещается, поскольку отсутствуют силы, растягивающие пружины. При движении объекта по направлению оси Х с ускорением а масса 1 в силу своей инерционности будет отставать от движения объекта, т.к. согласно второму закону Ньютона на нее будет действовать инерционная сила F

где m - масса чувствительного элемента

Эта сила вызывает перемещение массы в сторону, противоположную действию ускорения. Движение массы будет продолжаться до тех пор, пока сила противодействия пружин F_пр (2) не уравновесит инерциальную систему, следовательно, имеет место уравнение

Поскольку противодействующая сила пружины зависит от жесткости пружины С и величины ее растяжения ΔХ, то

Так как масса и жесткость пружины в приборе постоянны, то перемещение массы является мерой действующего ускорения. Если с инерционной массой 1 связан линейный потенциометрический датчик, то на выходе этого датчика можно получить напряжение, равное произведению некоторой постоянной на ускорение

Поскольку ускорение является второй производной от пройденного пути, то, выполняя обратную операцию двойного интегрирования ускорения а, можно вычислить этот пройденный объектом путь S

В качестве примера практической реализации решения выражения (4) на фиг.2 приведена структурная схема инерциального датчика пути (ИДП).

Акселерометр жестко связан с корпусом объекта и ориентирован на нем так, что его ось чувствительности параллельна продольной оси объекта.

С выхода акселерометра сигнал, пропорциональный ускорению (3), поступает на первый интегратор, с выхода которого снимается сигнал, пропорциональный скорости движения объекта. Этот сигнал подается на второй интегратор, с выхода которого снимается пройденный объектом путь, который подается в счетно-решающий прибор аппаратуры навигации и топопривязки.

С целью повышения надежности снятия отсчетов в устройстве измерения пути предлагается использовать два дополнительных канала, измерительным устройством в данных каналах является инерциальная масса акселерометра 1 (фиг.1), в виде постоянного магнита и геркона.

Функциональная схема первого дополнительного канала измерения пути может быть выполнена в виде, представленном на фиг.3. Схема изготовливается с применением интегральных микросхем.

Для получения импульсов, пропорциональных частоте шагов бойца, применяется датчик с магнитным управлением при помощи герконов. Контакты герконов и размыкают цепь с частотой, зависящей от частоты шага бойца. С выхода геркона импульсы поступают на цепь формирования сигнала. Входным блоком цепи является фильтр низких частот (ФНЧ), подфильтровывающий высокочастотные помехи, накладывающиеся на измерительный сигнал. От ФНЧ импульсы поступают к триггеру Шмитта, а затем к моностабильмому мультивибратору. Триггер Шмитта работает в режиме порогового реле с гистерезисом и переходит из одного устойчивого состояния в другое, когда входное напряжение превышает некоторую величину. Моностабильный мультивибратор вырабатывает четырехугольные импульсы постоянной ширины, частота которых увеличивается при увеличении скорости объекта. Делитель частоты изменяет входную частоту в определенном отношении. Выходное напряжение с пониженной частотой после усиления используется для управления шаговым двигателем. Угол поворота двигателя на один шаг соответствует определенному пути, пройденному объектом независимо от направления движения и скорости.

Во втором дополнительном канале датчика пути перемещение инерциальной массы акселерометра - постоянного магнита 1 (фиг.1) - от «нулевого» положения при движении фиксируется срабатыванием одного из герконов, который запускает (останавливает) измеритель времени шага. Время шага преобразуется в расстояние в микро-ЭВМ.

Датчик пути включает (фиг.4):

1 - акселерометрический датчик горизонтальных (вертикальных) перемещений, в котором роль грузика выполняет магнит;

2 - магнитные контакторы-герконы (типа КЭМ-2, КЭМ-2);

3 - измеритель времени (кварцевый генератор);

4 - устройство обработки информации;

5 - обувь разведчика.

Использование акселерометров 1 (фиг.4) для измерения вертикальных ускорений позволяет измерять вертикальную составляющую движения h (фиг.5).

Проходимый объектом путь S_H вычисляется исходя из показаний акселерометрических датчиков вертикальных и горизонтальных перемещений.

Исходя из (фиг.5) определяется поправка в расстоянии на перепад высот Δ (рельеф местности). Учет поправки на рельеф местности позволяет повысить точность движения по заданному маршруту.

Известно, что при движении в закрытой местности, бедной ориентирами (пустыня, лес), правая нога совершает большой шаг, поэтому человек движется по большому кругу. Использование датчиков пути, размещенных на левой и правой обуви, включенных в мостиковую электронную схему, позволяет измерить разность ширины шага правой и левой ноги бойцом в каждой точке. То есть можно учесть отклонения от прямолинейного (заданного) движения по маршруту.

Усреднение данных по каналам измерения пути повышает точность работы устройства.

Используемая литература:

1. Пархоменко А.В. и др. Основы топогеодезической подготовки РВ и А СВ. Учебник. - Пенза: АИИ. 2003. - 263 с.

2. Руководство к практическим работам по разделу «Гирокомпас и топопривязчик» / А.В.Пархоменко и др. Учебное пособие. Часть 3. - Пенза: ПВА-ИУ. 1991. - 129 с.

3. Спутниковые радионавигационные системы / А.В.Пархоменко, Ю.В.Анфалов, В.А.Пушкин, М.М.Веселов, Н.Н.Подорогин. Учебное пособие. - Пенза: ПАИИ, 1999. - 85 с.

4. Пархоменко А.В. и др. Теоретические основы построения и устройство навигационных приборов и звукометрических комплексов. Навигационная аппаратура. Учебное пособие. - Пенза: АИИ. 2006. - 342 с.

5. Пархоменко А.В. и др. Теоретические основы построения и устройство звукометрических комплексов. Учебное пособие. - Пенза: ПАНИ. 2004. - 394 с.

6. Фортуна В.Н. и др. Теоретические основы построения и устройство навигационных приборов и звукометрических комплексов. Часть 1. Теоретические основы построения и устройство навигационных приборов. Учебник. - Тула: АИИ. 1991. - 361 с.

7. Кушманов И.В. Электронные приборы. Учебное пособие для вузов. - М.: "Связь", 1973. - 360 с.

8. Инерциальная навигация. Анализ и проектирование. Под редакцией К.Ф.О' Донела. Перевод с английского. Издательство Наука. М., 1969. - 592 с.

Устройство измерения пути для индивидуальной навигационной аппаратуры бойца, состоящее из многоканальных датчиков пути, выполненных на основе акселерометрических датчиков, измерителя времени (кварцевый генератор), устройства обработки информации и выдачи данных о времени движения ноги (о пройденном пути), отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения пройденного расстояния и координат как на равнинной, так и на пересеченной местности, акселерометрические датчики, измерительным телом которых является постоянный магнит, а отсчетной системой - герконы (магнитные контакторы типа КЭМ-1, КЭМ-2), расположены на правой и левой обуви бойца и регистрируют перемещение бойца в двух плоскостях (в горизонтальной и вертикальной), при этом герконы датчиков на правой и левой обуви бойца включены в мостиковую схему для сравнения пути, измеренного каждым датчиком, что позволяет учесть отклонение движения бойца от прямолинейного маршрута за счет разности ширины шага правой и левой ног, а также учесть отклонение от горизонтального движения за счет разности отсчетов при измерении вертикальной составляющей движения ног.