Способ и следящая система для определения положения и ориентации подвижного объекта

 

Изобретение относится к способу функционирования и конструктивному выполнению следящих систем для определения положения и ориентации подвижного объекта с использованием магнитного поля и может быть применено в авиационной технике, а также в средствах мультимедийной компьютерной технологии. Технический результат - увеличение точности и надежности определения положения и ориентации подвижного объекта в замкнутом объеме, ограниченном электропроводящими и магнитными материалами. Способ включает создание в рабочей зоне магнитного поля, постоянного и несимметричного относительно выбранных осей координат в пределах рабочей зоны, получение эталонных значений его компонент путем предварительного магнитного картографирования рабочей зоны, регистрацию подвижным приемником текущих компонент магнитного поля, определение величины магнитного поля Земли и вычисление координат объекта. При этом осуществляют одновременную регистрацию текущих компонент магнитного поля посредством по меньшей мере шести однокомпонентных датчиков, образующих подвижный приемник и размещенных на объекте. Предложены варианты, ориентированные на специфику различных объектов. 4 с. и 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Область техники Изобретение относится к способу функционирования и конструктивному выполнению следящих систем для определения положения и ориентации подвижного объекта с использованием магнитного поля и может быть применено в авиационной технике, а также в средствах мультимедийной компьютерной технологии.

Уровень техники Известны способы определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне путем определения направления линии визирования на выбранный объект, угла крена и линейных координат подвижного объекта. Подобные способы находят широкое применение в авиации и коммерческих виртуальных системах (C. Beal, B. Sweetman "Helmet-mounted displays", International defense review. 9/94, pp. 69-75, а также C. Beal "Second sight-helicopter helmet-mjunted displays", International defense review, 12/94, pp. 61-64).

Для реализации известных способов используются следящие системы, позволяющие определить положение и ориентацию объекта, при этом к авиационным системам предъявляются более жесткие требования.

Авиационная следящая система должна отвечать следующим требованиям: - обладать высокой точностью вычисления линейных и угловых координат; - должна быть совместима по помехозащищенности с имеющимся бортовым оборудованием; - должна обеспечивать безопасность пилота в кабине самолета, включая режим катапультирования; - иметь время запаздывания вычисляемых координат, не превышающее 5-10 мс по отношению к реально происходящим событиям; - должна обеспечивать получение полного углового обзора.

В мультимедийных системах ни одно из предъявленных требований не выполняется реально.

Способы определения положения и ориентации подвижного объекта и следящие системы можно разделить на следующие типы: механические, акустические, оптические и магнитные.

Наиболее близкими к заявляемому решению являются способы и системы, основанные на создании в кабине магнитного поля с заданными свойствами, измерении компонент этого поля подвижным приемным измерительным устройством, жестко связанным с объектом, например, шлемом пилота, и последующим определением его положения путем сравнения полученных результатов с эталонными значениями (Alexander A. Cameron, Simon Trythall and Antony M. Barton "Helmet Trackers - The future" SPIE, Vol. 2465, No 0-8194-1818-8/95, 3. Type of helmet tracker. 3.1 Magnetic, pp. 281-294).

Для этого используются следящие системы, генерирующие переменное синусоидальное магнитное поле частотой 10-12 КГц, или системы импульсного или "квазипостоянного" поля, генерирующие последовательность прямоугольных импульсов магнитного поля чередующейся ориентации длительностью в несколько миллисекунд, для каждого из которых измеряется величина статического поля.

В обоих случаях положение и ориентация подвижного приемника, а следовательно и объекта, определяются путем сравнения поля, регистрируемого приемником, с эталонным полем передатчика. При этом обе системы чувствительны к искажению принимаемого сигнала металлическими электропроводящими элементами пилотской кабины. Вихревые токи, наводимые в элементах кабины импульсным магнитным полем, создают вторичные магнитные поля, искажающие первоначальный сигнал.

В качестве прототипа выбран способ определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров, заключающийся в создании в рабочей зоне квазипостоянного магнитного поля, получении эталонных значений его компонент путем предварительного магнитного картографирования рабочей зоны, регистрации подвижным датчиком, связанным с объектом текущих компонент магнитного поля, определении магнитного поля Земли и вычислении координат объекта (Alexander A. Cameron, Simon Trythall, Antony M. Barton "Helmet Trackers - The future" SPIE Vol. 2465, No 0-8194-1818-8/95, 5. DC Electromagnetic helmet tracker system, pp. 281-294).

Следящая система, реализующая известный способ, выбранная в качестве прототипа предлагаемого изобретения, включает неподвижный излучатель с блоком управления, подвижный приемник, закрепленный на объекте и снабженный каналом передачи данных, а также бортовой компьютер. Излучатель имеет три ортогональные обмотки, возбуждаемые поочередно, в результате чего излучается последовательность прямоугольных импульсов магнитного поля чередующейся ориентации (Alexander A. Cameron, Simon Trythall, Antony M. Barton "Helmet Trackers - The future" SPIE Vol. 2465, No 0-8194-1818-8/95, 5. DC Electromagnetic helmet tracker system, pp. 287-294).

Подвижный приемник в известной следящей системе для каждой ориентации магнитного поля измеряет три компоненты в подвижной системе координат, в результате чего за три цикла работы излучателя измеряется девять сигналов. В течение четвертого цикла, завершающего процесс измерений, излучатель выключен и приемник измеряет компоненты поля Земли и остаточной намагниченности ферромагнитных элементов кабины в подвижной системе координат. Считается, что за время полного периода измерений (10 мс) положение объекта не изменяется. Для калибровки ошибок, вносимых вихревыми токами, применяют магнитное картографирование кабины (как средство повышения точности определения положения объекта при наличии вихревых токов), результаты которой используются для коррекции измерений в дальнейшем. Итого по 12-ти измеренным значениям магнитного поля, после их сравнения с эталонными значениями, производится вычисление текущих линейных и угловых координат приемника и соответственно объекта.

Недостатки известных способа и системы заключаются в следующем.

В момент переключения обмоток излучателя магнитного поля возникают вихревые токи в электропроводящих элементах кабины, которые создают вторичные магнитные поля, искажающие первоначальный сигнал от излучателя. Дополнительные искажения сигнала возникают также при изменении интерьера кабины пилота или расположения кресла пилота. Влияние положения кресла (как электропроводящей среды) наиболее существенно, т.к. его перемещение производится гораздо чаще, чем изменение интерьера кабины.

Однократная процедура магнитного картографирования рабочей зоны для известного технического решения обеспечивает определение ориентации в течение только одного полета, что явно недостаточно. Кроме того, имеет место низкая защищенность от импульсных помех в связи с ограниченным временем измерения (2,5 мс).

Импульсный режим работы также ограничивает быстродействие системы, т.к. невозможно поднять частоту изменения магнитного поля из-за возникающих вихревых токов.

Сущность изобретения Задачей изобретения является увеличение точности и надежности определения положения и ориентации подвижного объекта в замкнутом объеме, ограниченном электропроводящими и магнитными материалами.

Определить положение и ориентацию подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров предлагается способами, описанными ниже.

Согласно первому предлагаемому способу определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров, включающему создание в рабочей зоне магнитного поля, получение эталонных значений его компонент путем предварительного магнитного картографирования рабочей зоны, регистрацию подвижным приемником текущих значений компонент магнитного поля, определение магнитного поля Земли и вычисление координат объекта, согласно изобретению в рабочей зоне создают постоянное магнитное поле, несимметричное относительно выбранных осей координат в пределах рабочей зоны, регистрацию текущих компонент магнитного поля осуществляют подвижным приемником, содержащим по меньшей мере шесть однокомпонентных подвижных датчиков, размещенных на объекте, величину создаваемого магнитного поля динамически регулируют в зависимости от перемещений объекта, достигая поддержания усредненного по всем датчикам значения магнитного поля заданного уровня, магнитное поле Земли измеряют постоянно и учитывают его при определении координат объекта путем включения дополнительного алгебраического уравнения в систему уравнений для подвижных датчиков, решаемую относительно трех линейных и трех угловых координат объекта, кроме того, направление создаваемого в рабочей зоне магнитного поля периодически переключают на обратное, вычисляют полуразность измеренных значений до и после переключения для каждого датчика и направления, по которым вычисляют координаты объекта, а полусуммы измеренных значений до и после переключения для каждого датчика и направления используют для контроля правильности магнитного картографирования рабочей зоны и определения магнитного поля Земли.

По второму способу определения положения и ориентации объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров, включающему создание в рабочей зоне магнитного поля, получение эталонных значений его компонент путем предварительного магнитного картографирования рабочей зоны, регистрацию подвижным приемником текущих компонент магнитного поля, определение величины магнитного поля Земли и вычисление координат объекта, согласно изобретению в пределах рабочей зоны создают постоянное магнитное поле, несимметричное относительно выбранных осей координат, осуществляют одновременную регистрацию текущих компонент магнитного поля подвижным приемником, содержащим по меньшей мере шесть однокомпонентных подвижных датчиков, размещенных на объекте, величину создаваемого магнитного поля динамически регулируют в зависимости от перемещений объекта, достигая поддержания усредненного по всем датчикам значения магнитного поля заданного уровня, а магнитное поле Земли определяют постоянно и учитывают его при определении координат объекта путем включения дополнительного алгебраического уравнения в систему уравнений для подвижных датчиков, решаемую относительно полученных ими трех линейных и трех угловых координат объекта.

По третьему способу определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров, включающему создание в рабочей зоне магнитного поля, регистрацию подвижным датчиком текущих компонент и вычисление координат объекта, согласно изобретению указанное магнитное поле создают постоянным и несимметричным в пределах рабочей зоны относительно выбранных осей координат, осуществляют одновременную регистрацию текущих компонент магнитного поля подвижным приемником, содержащим по меньшей мере шесть однокомпонентных подвижных датчиков, размещенных на объекте, величину создаваемого магнитного поля динамически регулируют в зависимости от перемещений объекта, достигая поддержания усредненного по всем датчикам значения магнитного поля заданного уровня, при этом направление создаваемого магнитного поля периодически переключают на обратное, вычисляют полуразность измеренных значений величины магнитного поля до и после переключения для каждого датчика и направления, по которым вычисляют координаты объекта.

В следящей системе для определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров, включающей неподвижный излучатель магнитного поля с блоком управления, соединенный с компьютером и размещенный на объекте подвижный приемник с датчиком, также соединенный посредством канала передачи данных с компьютером, согласно изобретению излучатель формирует постоянное магнитное поле и выполнен в виде совокупности линейных проводников, удаленных друг от друга или экранированных друг от друга по меньшей мере одним ферромагнитным экраном и размещенных на последнем с условием формирования в рабочей зоне несимметричного магнитного поля, подвижный приемник содержит по меньшей мере шесть однокомпонентных датчиков, размещенных с исключением дублирования и разнесенных в пределах рабочей зоны на расстояния, соизмеримые с размерами объекта, причем датчики объединены по меньшей мере в две группы, линейные и угловые координаты датчиков определены и зафиксированы в локальной системе координат, устройство управления соединено с излучателем и компьютером и динамически регулирует величину тока, протекающего через обмотки излучателя в зависимости от перемещений объекта, при этом система дополнительно содержит соединенный с компьютером посредством отдельного канала трехкомпонентный датчик магнитного поля Земли, координаты которого определены и зафиксированы в глобальной системе координат.

Размеры излучателя, формирующего постоянное магнитное поле в рабочей зоне, могут быть определены из эмпирического выражения D_эф/S = kΔB/(21),
где D_эф - эффективный диаметр ферромагнитного экрана, мм;
S - расстояние от экрана до самой дальней точки рабочей зоны, мм;
ΔВ - абсолютная чувствительность применяемых датчиков, мГс;
I - величина полного тока в обмотках излучателя, кА;
k = 1кА/мГс - размерный коэффициент.

В предлагаемых технических решениях переход от импульсного квазипостоянного магнитного поля к практически стационарному, постоянному во времени, позволяет устранить основную причину возникновения погрешности измерений в известном техническом решении, а именно, вихревые токи, величина вторичного поля которых может превышать поле остаточной намагниченности электропроводных элементов, находящихся в рабочей зоне, при одинаковой величине рабочего поля, генерируемого излучателем. При этом обеспечивается по меньшей мере десятикратное снижение данной погрешности, а также предотвращается возникновение импульсных помех и снижается влияние изменений интерьера рабочей зоны.

Одновременная регистрация всех компонент магнитного поля подвижным приемником позволяет повысить помехозащищенность системы за счет увеличения времени измерения для каждого датчика, а также повысить скорость вычислений за счет одновременного прихода всех 12-ти измеряемых величин.

В случае создания в рабочей зоне симметричного магнитного поля всегда возможно существование как минимум двух разных положений подвижного приемника с одинаковыми показателями датчиков, что приводит к возникновению неоднозначности при вычислении координат объекта. Предлагаемое техническое решение позволяет за счет создания в пределах рабочей зоны несимметричного магнитного поля исключить возникновение таких ситуаций и тем самым повысить точность и надежность вычислений.

В связи с тем, что при перемещении объекта из ближнего положения от излучателя к дальнему, измеренные значения магнитного поля могут меняться более чем на порядок, что ведет к недопустимому уменьшению относительной точности измерений в дальней точке при постоянном динамическом диапазоне датчиков, выполняется динамическое регулирование величины среднего магнитного поля (усредненного по всем датчикам) на подвижном приемнике (объекте) путем автоматического регулирования величины тока, проходящего через обмотки излучателя, таким образом, что при перемещении подвижного приемника в пределах ограниченной рабочей зоны данная усредненная величина магнитного поля поддерживается в заданных пределах. При приближении объекта к излучателю ток автоматически понижается, при удалении соответственно увеличивается.

Постоянное измерение магнитного поля Земли по сравнению с периодическими измерениями, выполняемыми в прототипе, также обеспечивает повышение точности и скорости вычисления координат объекта.

Периодическое переключение направления, создаваемого в рабочей зоне магнитного поля с частотой, которая не приводит к возникновению заметных вихревых токов (не превышающей нескольких раз в секунду), позволяет контролировать правильность вычисляемых координат объекта, магнитного картографирования рабочей зоны и определения магнитного поля Земли. Причем в случае отказа датчика поля Земли или части датчиков, при нарушении интерьера рабочей зоны работоспособность системы сохраняется при некотором снижении быстродействия.

Предлагаемое конструктивное выполнение излучателя в следящей системе для определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров позволяет обеспечить создание действительно стационарного магнитного поля. Известно, что величина магнитного поля вне соленоида падает обратно пропорционально кубу расстояния, что делает классический соленоид непригодным в качестве источника внешнего магнитного поля. Данное обстоятельство объясняется тем, что в дальней зоне поле рассеяния определяется суперпозицией встречно направленных полей прямого и обратного проводников в каждом витке соленоида, которые близки друг к другу, особенно если расстояние до магнита превышает его характерный размер. Наиболее эффективным источником внешнего магнитного поля является одиночный проводник с током, для которого поле падает обратно пропорционально только первой степени расстояния. Наличие близко расположенного обратного провода резко уменьшает поле в дальней зоне.

Для усиления внешнего магнитного поля в рабочей зоне в предлагаемом изобретении излучатель выполнен в виде совокупности линейных проводников, удаленных друг от друга или экранированных друг от друга по меньшей мере одним ферромагнитным плоским экраном, плоскость которого перпендикулярна плоскости проводников. Для повышения величины внешнего магнитного поля излучателя его размеры могут быть выбраны на основе вышеуказанного эмпирического соотношения.

Проводники с током размещены на ферромагнитном экране с возможностью формирования внешнего магнитного поля, несимметричного в пределах рабочей зоны, относительно выбранных осей координат, что предотвращает получение одинаковых показаний датчиков при различных положениях подвижного объекта. Для вычисления трех линейных координат и трех угловых координат (угол места, угол цели и угол крена) подвижного объекта с учетом неизвестного магнитного поля Земли при произвольном движении относительно глобальной системы координат необходимо иметь по меньшей мере семь независимых уравнений.

Для получения необходимых данных подвижный приемник содержит размещенные на объекте по меньшей мере шесть однокомпонентных датчиков, а следящая система дополнительно содержит трехкомпонентный датчик магнитного поля Земли. При этом однокомпонентные датчики размещены с исключением дублирования и разнесены в пределах рабочей зоны на расстояния, соизмеримые с размерами подвижного объекта. Для удобства монтажа датчики разделены по меньшей мере на две группы.

Предлагаемая следящая система может быть использована для определения положения и ориентации подвижного объекта в рабочей зоне любым из вышеизложенных способов.

Перечень чертежей
Далее изобретение будет подробно пояснено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
на фиг.1 - структурная схема следящей системы для определения положения и ориентации объекта;
на фиг.2 - излучатель магнитного поля, вид в плане и разрез;
на фиг.3 - подвижный приемник.

Следящая система включает излучатель магнитного поля 1 с устройством управления 2, соединенным с бортовым компьютером 3, размещенный на объекте подвижный приемник 4, содержащий по меньшей мере шесть однокомпонентных датчиков 5 с устройством 6 передачи информации в компьютер 3, удаленный от излучателя 1 трехкомпонентный датчик 7 магнитного поля Земли с отдельным каналом связи.

Излучатель 1 выполнен в виде совокупности линейных проводников 8, объединенных в обмотках 9 и 10, размещенных на поверхности экрана 11 под углом друг к другу для создания в пределах рабочей зоны несимметричного магнитного поля. Для снижения температуры излучателя на поверхности ферромагнитного экрана 11 между обмотками 9 и 10 размещены пластины радиатора 12.

Подвижный приемник 4 жестко устанавливается на защитном шлеме пилота и содержит по меньшей мере шесть однокомпонентных датчиков 5, из конструктивных соображений сгруппированных и размещенных с исключением дублирования результатов измерений.

Устройство 6 передачи данных от подвижного приемника 4 в бортовой компьютер 3 может быть расположено в нагрудном кармане пилота, непосредственно на шлеме или на кресле пилота.

Пример 1
Предлагаемый способ по п.1 осуществляют следующим образом.

Предварительное магнитное картографирование рабочей зоны (в кабине самолета) выполняют, например, в заводских условиях после изготовления самолета или непосредственно перед полетом. Для этого используют рамку с генераторами Холла и необходимой измерительной аппаратурой и устройство для перемещения рамки (не показаны). Результаты магнитного картографирования вносятся в память бортового компьютера 3. Регистрацию текущих компонент магнитного поля Земли выполняют непосредственно во время полета, причем делают это постоянно на протяжении всего полета, одновременно с измерением текущих компонент магнитного поля в рабочей зоне.

Излучатель 1 постоянного магнитного поля устанавливают непосредственно вблизи объекта, и в пределах рабочей зоны создают постоянное несимметричное относительно ее осей магнитное поле, регистрацию текущих компонент которого и определение магнитного поля Земли выполняют в полете. Величина создаваемого в пределах рабочей зоны магнитного поля может составлять от 1 Гс до 15 Гс и поддерживается на уровне ~ 5 Гс регулированием тока в обмотках излучателя 1 при перемещении шлема пилота.

Регистрацию текущих компонент магнитного поля осуществляют одновременно посредством подвижных датчиков 5, размещенных на объекте. На основе полученных данных, путем решения системы уравнений для измеренных подвижными датчиками 5 трех линейных и трех угловых координат объекта и дополнительно включенного в систему уравнения для величины магнитного поля Земли определяют положение и ориентацию подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров.

При этом для выяснения соответствия значений магнитного поля в рабочей зоне и результатов картографирования, записанных в памяти бортового компьютера 3, после включения системы производят переключение направления создаваемого магнитного поля. Полуразность значений компонент магнитного поля измеренных до и после переключения направления магнитного поля для каждого датчика 5 и каждого направления используют для определения правильности вычисления координат объекта, а полусумму измеренных значений компонент магнитного поля до и после переключения его направления для каждого датчика 5 и каждого направления используют для определения правильности картографирования и определения магнитного поля Земли. При совпадении результатов система переходит в режим работы с постоянным направлением магнитного поля. При несовпадении результатов измерений система предупреждает пилота о нарушении карты поля в рабочей зоне и предлагает ряд процедур для уточнения характера нарушения, например, движения головой, причем в процессе движения осуществляется оценочное картографирование непосредственно подвижными датчиками 5. При сильных нарушениях система требует повтора картографирования или предлагает провести визуальный контроль рабочей зоны, а также кабины пилота или пилотского снаряжения.

При устранении причин нарушения исходного распределения магнитного поля в рабочей зоне система переходит в штатный режим работы с постоянным направлением поля. После этого переключение направления поля осуществляется периодически (например, 1 раз в 2-3 с) для осуществления самоконтроля. По требованию пилота режим самоконтроля может быть выключен. При потере решения упомянутой системы уравнений следящая система автоматически проводит самоконтроль. Скорость движения головы пилота регламентирована (не более 8-10^o в секунду), поэтому среднее поле изменяется медленно, характерные частоты не превышают долей 1 Гц. Для повышения относительной точности измерения в заданной точке рабочей зоны величину создаваемого магнитного поля динамически регулируют в зависимости от перемещений объекта путем поддержания усредненного по всем датчикам 5 значения магнитного поля заданного уровня. Управление производится от бортового компьютера 3, где в реальном времени вычисляется среднее значение поля по всем датчикам 5 и вырабатывается сигнал на повышение или понижение тока в излучателе 1.

Предлагаемый способ определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров по п.1 наиболее целесообразно использовать, например, в вертолетах, где требуется полный круговой обзор и широкий диапазон линейных и угловых перемещений объекта (подвижного приемника).

При меньших рабочей зоне и расстоянии от источника создаваемого магнитного поля до подвижного приемника, а также при ограниченных углах поворота подвижного объекта, например, при определении положения объекта в высокоскоростных истребителях предпочтительно использование способа по п.2. В этом случае периодического переключения направления создаваемого магнитного поля не производят.

В случае невозможности проведения предварительного магнитного картографирования рабочей зоны или при резких изменениях условий эксплуатации, таких как разгерметизация, резкое снижение температуры и давления, внезапное изменение интерьера кабины, целесообразно применять способ определения положения и ориентации объекта по п.3. При этом направление создаваемого магнитного поля периодически меняют на обратное, вычисляют полуразность измеренных значений до и после переключения для каждого датчика и направления, по которым вычисляют координаты объекта.

Следящая система для определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров по п.1 содержит неподвижный излучатель 1 постоянного магнитного поля с устройством управления 2, соединенным с бортовым компьютером 3, и размещенный на объекте (условно не показан) подвижный приемник 4, также соединенный посредством канала передачи данных 6 с компьютером 3.

На фиг. 3 представлен пример реализации подвижного приемника 4, содержащего девять однокомпонентных датчиков 5 на базе генераторов Холла, которые конструктивно удобно объединить в три трехкомпонентных датчика и разместить по углам треугольной опорной печатной платы 13, жестко закрепленной на защитном шлеме пилота. Свободное пространство платы 13 занято электроникой, необходимой для возбуждения датчиков 5, усиления и формирования выходных сигналов. В данной конструкции ни один из датчиков 5 не дублируется, расстояние между центрами трехкомпонентных датчиков составляет ~150 мм, что достаточно для получения требуемой разрешающей способности в определении координат подвижного приемника 4 при заданных габаритах рабочей зоны перемещения шлема, которая может составлять около 300•300•300 мм. Возможны другие конструктивные решения, например размещение датчиков на скобе, имеющей форму короны, охватывающей защитный шлем.

Излучатель 1 может быть изготовлен в виде совокупности линейных проводников 8, объединенных в прямоугольные обмотки 9 и 10. Проводники 8 могут быть выполнены из медной проволоки диаметром 1,5-2 мм. Ферромагнитный экран 11, выполненный, например, из ферромагнитной стали марки Ст10, относительная магнитная проницаемость которой составляет >1000. Толщина экрана 11 может составлять 2-3 мм, а его размеры могут быть выбраны из условия соразмерности с подголовником пилотского кресла. Оптимальные размеры ферромагнитного экрана 11 определяются эмпирическим выражением
К_эф/S=kAB/(21),
где К_эф - эффективный диаметр ферромагнитного экрана, мм;
S - расстояние от экрана до самой дальней точки рабочей зоны, мм;
АВ - абсолютная чувствительность применяемых датчиков, мГс;
I - величина полного тока в обмотках излучателя, кА;
k - размерный коэффициент равный 1 кА/мГс.

Между обмотками 8 и 9 могут быть смонтированы пластины радиатора 11.

Предлагаемое конструктивное выполнение излучателя 1 позволяет разместить его в подголовнике кресла пилота и тем самым жестко связать с конструкцией кресла. При этом обеспечивается минимальное изменение карты магнитного поля в рабочей зоне при перемещении кресла, т.к. излучатель 1 перемещается одновременно с ним.

Система работает следующим образом.

После включения питания блок управления 2 поднимает поле излучателя 1 до величины, при которой среднее поле на подвижном приемнике составляет заданную величину, например 5 Гс. После этого система определяет линейные и угловые координаты подвижного приемника 4. Каждый раз для определения координат система использует 9 значений, полученных с подвижного приемника 4, и три значения с зафиксированного датчика 7 поля Земли, который отражает изменение магнитного поля в рабочей зоне при маневрах летательного аппарата. Весь цикл измерений двенадцати величин и вычисления координат не должен превышать по длительности 5 мс, что соответствует современным требованиям к системам целеуказания. Если система уравнений решается удовлетворительно, то система остается в режиме постоянного направления поля. В случае невозможности найти решение система организует переключение направления поля, производя измерения до и после переключения и производя процедуру самоконтроля, как указано выше.

Такая ситуация может возникнуть во время прогрева аппаратуры, при нарушении карты поля. Сигнал на переключение направления поля вырабатывается бортовым компьютером 3 на программном уровне и поступает в блок 2 управления излучателем 1. При перемещении шлема в пределах рабочей зоны система регулирует ток излучателя 1 для поддержания поля на подвижном приемнике 4 в заданных пределах. Данная процедура также осуществляется на программном уровне и реализуется через блок управления излучателем. При внезапном нарушении интерьера кабины во время полета система переходит в режим постоянного переключения направления поля излучателя 1, что позволяет работать без картографирования кабины за счет уменьшения быстродействия системы. Координаты подвижного приемника 4 пересчитываются бортовым компьютером 3 в направление линии визирования на цель, визуально выбранную пилотом, и вводятся в реальном времени в бортовое вооружение летательного аппарата как целеуказание.

Автором разработан, изготовлен и испытан полномасштабный макет системы для определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров.

Формула изобретения

1. Способ определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров, включающий создание в рабочей зоне магнитного поля, получение эталонных значений его компонент путем предварительного магнитного картографирования рабочей зоны, регистрацию текущих компонент магнитного поля, определение величины магнитного поля Земли и вычисление координат объекта, отличающийся тем, что указанное магнитное поле в рабочей зоне создают постоянным и несимметричным относительно выбранных осей координат в пределах рабочей зоны, регистрацию текущих компонент магнитного поля осуществляют одновременно посредством по меньшей мере шести однокомпонентных подвижных датчиков, размещенных на объекте, при этом величину создаваемого магнитного поля динамически регулируют в зависимости от перемещений объекта, достигая поддержания усредненного по всем датчикам значения магнитного поля на заданном уровне, магнитное поле Земли определяют постоянно и учитывают его при определении координат объекта путем включения дополнительного алгебраического уравнения в систему уравнений для подвижных датчиков, решаемую относительно трех линейных и трех угловых координат объекта, кроме того, направление создаваемого в рабочей зоне магнитного поля периодически переключают на обратное, вычисляют полуразности измеренных значений до и после переключения для каждого датчика и направления, по которым вычисляют координаты объекта, а полусуммы измеренных значений до и после переключения для каждого датчика и направления используют для контроля правильности картографирования и определения магнитного поля Земли.

2. Способ определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров, включающий создание в рабочей зоне магнитного поля, получение эталонных значений его компонент путем предварительного магнитного картографирования рабочей зоны, регистрацию подвижным приемником текущих компонент магнитного поля, определение величины магнитного поля Земли и вычисление координат объекта, отличающийся тем, что указанное магнитное поле в рабочей зоне создают постоянным и несимметричным относительно выбранных осей координат в пределах рабочей зоны, осуществляют одновременную регистрацию текущих компонент магнитного поля посредством подвижного приемника, включающего по меньшей мере шесть однокомпонентных подвижных датчиков, размещенных на объекте, при этом величину создаваемого магнитного поля динамически регулируют в зависимости от перемещений объекта, достигая поддержания усредненного по всем датчикам значения магнитного поля на заданном уровне, магнитное поле Земли определяют постоянно и учитывают его при определении координат объекта путем включения дополнительного алгебраического уравнения в систему уравнений для подвижных датчиков, решаемую относительно трех линейных и трех угловых координат объекта.

3. Способ определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров, включающий создание в рабочей зоне магнитного поля, регистрацию подвижным приемником текущих компонент магнитного поля и вычисление координат объекта, отличающийся тем, что указанное магнитное поле в рабочей зоне создают постоянным и несимметричным относительно выбранных осей координат в пределах рабочей зоны, осуществляют одновременную регистрацию текущих компонент магнитного поля посредством подвижного приемника, включающего по меньшей мере шесть однокомпонентных подвижных датчиков, размещенных на объекте, величину создаваемого магнитного поля динамически регулируют в зависимости от перемещений объекта, достигая поддержания усредненного по всем датчикам значения магнитного поля на заданном уровне, при этом направление создаваемого в рабочей зоне магнитного поля периодически переключают на обратное, вычисляют полуразности измеренных значений до и после переключения для каждого датчика и направления, по которым вычисляют координаты объекта.

4. Следящая система для определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров, включающая неподвижный излучатель магнитного поля с блоком управления, соединенным с компьютером, и подвижный приемник, также соединенный посредством канала передачи данных с компьютером, отличающаяся тем, что излучатель формирует постоянное магнитное поле и выполнен в виде размещенных с возможностью формирования в рабочей зоне несимметричного магнитного поля линейных проводников, удаленных друг от друга, или линейных проводников, объединенных в обмотки, размещенные на ферромагнитном экране, подвижный приемник содержит по меньшей мере шесть однокомпонентных датчиков, размещенных на приемнике с исключением дублирования, разнесенных в трехмерном пространстве на расстояния, сопоставимые с размерами объекта, но не превышающие размеров рабочей зоны, конструктивно объединенных в группы по три датчика, линейные и угловые координаты датчиков определены и зафиксированы в локальной системе координат, а блок управления неподвижным излучателем магнитного поля, соединенный с компьютером, динамически регулирует величину тока, протекающего через линейные проводники излучателя, в зависимости от перемещений объекта, при этом система дополнительно содержит соединенный с компьютером посредством отдельного канала трехкомпонентный датчик магнитного поля Земли, координаты которого определены и зафиксированы в глобальной системе координат.

5. Следящая система для определения положения и ориентации подвижного объекта по п. 4, отличающаяся тем, что размеры неподвижного излучателя магнитного поля определяют из эмпирического выражения
К_эф/S= k АВ/ (2I),
где К_эф - эффективный диаметр ферромагнитного экрана, мм;
S - расстояние от экрана до самой дальней точки рабочей зоны;
АВ - абсолютная чувствительность применяемых датчиков, мГс;
I - полный ток в линейных проводниках излучателя, кА;
k - размерный коэффициент, k= 1 кА/мГс.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.03.2006        БИ: 09/2006

---