Устройство для определения положения объекта в пространстве

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в системах ориентации для определения линейных и угловых координат объекта, свободно перемещаемого в пространстве с шестью степенями свободы. Технический результат - повышение быстродействия. Для этого устройство содержит цифровые трехосевые акселерометр и магнитометр, выходы которых подключены непосредственно к вычислительному блоку. Вычислительный блок содержит: (1) блок разделения измеренного вектора магнитной индукции на вектор индукции магнитного поля Земли и вектор индукции магнитного поля катушки индуктивности; (2) блок вычисления угловых координат; (3) блок коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности; (4) блок вычисления линейных координат. При этом выход магнитометра подключен ко входу блока (1), первый выход которого подключен к первому входу блока (2), а второй выход подключен к первому входу блока (3), выход которого подключен ко входу блока вычисления линейных координат, выход акселерометра подключен ко второму входу блока (4), выход которого подключен ко второму входу блока коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения линейных и угловых координат объекта, свободно перемещаемого в пространстве с шестью степенями свободы. Изобретение может найти применение в человеко-машинных интерфейсах, в качестве устройства жестикуляционного ввода, в частности в робототехнике для интуитивного ручного управления роботами-манипуляторами (робот-хирург, робот-сапер), в технологиях дополненной и виртуальной реальности. Кроме того, устройство позволяет осуществлять контроль положения различных механизмов и элементов технологического оборудования, находящихся в средах с высокой степенью загрязнения.

Известно устройство по способу определения местоположения на плоскости объекта, обладающего магнитным моментом по авт.св. СССР №1372261, G01R 33/02, с помощью которого измеряют в трех точках вертикальную к плоскости составляющую индукции магнитного поля измерителями, расположенными на осях лежащей в плоскости декартовой системы координат с дополнительным измерением вертикальной к плоскости составляющей индукции магнитного поля Земли. Для получения более точных координат сигнал с измеренной составляющей индукции магнитного поля Земли вычитают из сигналов, измеренных в трех точках.

К недостаткам известного устройства можно отнести возможность определения положения объекта только в декартовой системе координат на плоскости и только при условии его нахождения в одной плоскости с измерителями. Определение углового положения объекта при этом не осуществляется. Кроме того, устройство содержит распределенную на плоскости систему из четырех измерителей, что усложняет его конструкцию, ведет к увеличению его размеров и массы.

Известен способ определения координат источника магнитного поля по патенту РФ №2452652, G01R 33/02, решающий задачу определения координат объекта в пространстве путем перемещения носителя датчика относительно объекта и измерения модуля вектора магнитной индукции объекта. К недостаткам известного способа можно отнести необходимость производить носителем четыре измерения в разных точках пространства с известными координатами. Следовательно, требуется некоторыми известными способами перемещать носитель и определять его координаты в каждой точке измерения. При этом обязательным условием является неподвижность объекта в процессе измерений и перемещений носителя. Таким образом, известный способ имеет крайне низкое быстродействие и крайне высокую сложность реализации. Кроме того, известный способ не позволяет определять угловое положение объекта.

В качестве прототипа заявляемому устройству выбрано техническое решение по патенту РФ №2171476, G01R 33/02 (варианты). Устройство для определения положения объекта по первому варианту включает одну катушку индуктивности, взаимодействующую с генератором переменных напряжений, три трехкомпонентных (трехосевых) магниточувствительных датчика (магнитометра) и систему преобразователей и усилителей для передачи сигналов с магниточувствительных датчиков на вычислительный блок.

Устройство по второму варианту включает две катушки индуктивности, расположенные взаимно перпендикулярно на объекте и взаимодействующие с генераторами переменных напряжений, три трехкомпонентных магниточувствительных датчика и систему преобразователей и усилителей для передачи сигналов с магниточувствительных датчиков на вычислительный блок.

К недостаткам прототипа по первому варианту можно отнести невозможность определения одной из трех угловых координат объекта.

К недостаткам прототипа по второму варианту можно отнести необходимость применения дополнительной, перпендикулярной к первой, катушки индуктивности для задачи определения трех линейных и трех угловых координат объекта. Это дополнительно усложняет конструкцию, увеличивает энергопотребление, размеры и массу позиционируемой части устройства.

Общим недостатком устройства (по двум вариантам) является размещение катушек индуктивности на объекте, что ведет к значительному увеличению энергопотребления, размеров и массы позиционируемой части устройства. Кроме того, устройство требует наличия трех трехкомпонентных магниточувствительных датчиков, расположенных в вершинах треугольника, что ведет к усложнению конструкции и увеличению размеров стационарной части устройства.

Задача заявителя - создание простого по конструкции, удобного в эксплуатации устройства для определения линейных и угловых координат объекта, совершающего произвольные перемещения в определенной ограниченной области трехмерного пространства.

Технический результат заключается в быстром получении компактным экономичным устройством точных координат произвольно перемещающегося объекта.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения положения объекта в пространстве, содержащем катушку индуктивности, трехосевой магнитометр, взаимодействующий с вычислительным блоком, согласно предлагаемому изобретению катушка индуктивности расположена неподвижно и взаимодействует со стабилизатором тока, который управляется сигналом с вычислительного блока. Также устройство содержит расположенные на объекте цифровые трехосевые акселерометр и магнитометр, выходы которых подключены непосредственно к вычислительному блоку. Вычислительный блок содержит: 1. блок разделения измеренного вектора магнитной индукции на вектор индукции магнитного поля Земли и вектор индукции магнитного поля катушки индуктивности; 2. блок вычисления угловых координат; 3. блок коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности; 4. блок вычисления линейных координат. При этом выход магнитометра подключен ко входу блока разделения измеренного вектора магнитной индукции, первый выход которого подключен к первому входу блока вычисления угловых координат, а второй выход подключен к первому входу блока коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности, выход которого подключен ко входу блока вычисления линейных координат, выход акселерометра подключен ко второму входу блока вычисления угловых координат, выход которого подключен ко второму входу блока коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности.

Использование цифровых трехосевых магнитометра и акселерометра позволяет напрямую, минуя усилительно-преобразовательные блоки, передавать данные об измеренной индукции магнитного поля в данной точке пространства на вычислительный блок, реализующий алгоритм определения ориентации и положения объекта.

Благодаря технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы), размеры датчиков составляют около 4×4×2 мм и менее. Платформа с цифровыми трехосевыми магнитометром и акселерометром является позиционируемой частью устройства и помещается на объект. Размеры платформы могут составлять около 20×20×5 мм и менее.

Используя единственный трехосевой магнитометр и единственный трехосевой акселерометр, совмещенные на одной платформе, вычислительный блок реализует алгоритм определения координат объекта исходя из информации о величине вектора искусственного магнитного поля в данной точке пространства совместно с алгоритмом определения ориентации объекта.

Использование миниатюрной платформы с двумя датчиками и единственной катушки индуктивности позволяет значительно снизить сложность, размеры и энергопотребление устройства, увеличить простоту его установки и настройки. Кроме того, размещение платформы с датчиками на объекте вместо катушки индуктивности позволяет многократно снизить размеры и энергопотребление позиционируемой части устройства.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для определения положения объекта в пространстве.

Предлагаемое устройство состоит из катушки индуктивности 1, катушка индуктивности 1 взаимодействует со стабилизатором тока 2.

Цифровые трехосевые магнитометр 3 и акселерометр 4 расположены на платформе 5 так, что их собственные оси координат сонаправлены. Платформа 5 жестко закреплена на объекте. Магнитометр 3 и акселерометр 4 взаимодействуют с вычислительным блоком 6, который содержит: блок разделения измеренного вектора магнитной индукции 7 на вектор индукции магнитного поля Земли и вектор индукции магнитного поля катушки индуктивности 1; блок вычисления угловых координат 8; блок коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности 9 и блок вычисления линейных координат 10. При этом выход магнитометра 3 подключен ко входу блока разделения измеренного вектора магнитной индукции 7, первый выход которого подключен к первому входу блока вычисления угловых координат 8, а второй выход блока 7 подключен к первому входу блока коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности 9, выход которого подключен ко входу блока вычисления линейных координат 10, а выход акселерометра 4 подключен ко второму входу блока вычисления угловых координат 8, выход которого подключен ко второму входу блока коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности 9.

Катушка индуктивности 1 имеет цилиндрическую форму, диаметр превышает или сопоставим с длиной, сердечник отсутствует, обмотка выполнена изолированным проводом, витки обмотки выполнены вплотную; диаметр катушки, количество витков обмотки и сечение провода определяются исходя из решаемой задачи, для обеспечения необходимого радиуса позиционирования, энергопотребления и габаритов катушки, при этом необходимо контролировать индуктивность и электрическое сопротивление катушки для обеспечения возможности переключения полярности ее тока за заданный интервал времени (тестовая катушка имеет диаметр основания 150 мм, 255 мотков провода с диаметром 0,31 мм, выполненных в 5 слоев, сопротивление 28 Ом, индуктивность 16 мГн, и рассчитана на ток 0,7 А).

Магнитометр 3 и акселерометр 4 выполнены по технологии МЭМС и могут быть представлены как раздельными, так и комбинированным датчиком (например, комбинированный датчик LSM303DLHC компании STMicroelectronics).

Платформа 5 представляет собой печатную плату, на которой расположены магнитометр 3 и акселерометр 4.

Вычислительным блоком 6 служит персональный или одноплатный компьютер, при этом внутренние блоки 7, 8, 9, 10 вычислительного блока 6 представляют собой подпрограммы.

Устройство работает следующим образом.

Управляемый стабилизатор тока 2 катушки 1 подает на катушку постоянный ток определенной величины. Полярность тока задается сигналом, формируемым вычислительным блоком 6. Ток, проходящий через катушку 1, создает магнитное поле. Искусственное магнитное поле катушки 1 складывается с магнитным полем Земли и магнитометр 3 производит измерение вектора магнитной индукции результирующего поля. Одновременно с этим акселерометр 4 производит измерение вектора ускорения свободного падения.

Показания датчиков 3 и 4 в цифровом виде передаются на вычислительный блок 6. Вычислительный блок 6 после получения показаний датчиков 3 и 4 подает сигнал смены полярности на управляемый стабилизатор тока 2. Стабилизатор 2 меняет полярность тока на противоположную (например, был ток 1А, а становится -1А), и процесс повторяется.

Для определения линейных и угловых координат объекта по вектору магнитной индукции, измеренному магнитометром 3, и вектору ускорения свободного падения, измеренному акселерометром 4, вычислительный блок выполняет следующие операции.

На первом шаге блок 7 производит разделение измеренного вектора магнитной индукции на вектор индукции магнитного поля Земли и вектор индукции магнитного поля катушки индуктивности 1. Разделение производится путем сложения и вычитания двух последовательных измерений магнитометра 3, полученных при противоположных полярностях тока катушки 1 и, соответственно, при противоположных направлениях вектора индукции магнитного поля катушки 1:

где - текущее измерение;

- вектор индукции магнитного поля Земли;

- вектор индукции магнитного поля катушки 1 (меняет направление на противоположное при переключении полярности тока стабилизатором 2);

- предыдущее измерение.

На следующем шаге по направлению найденного вектора индукции магнитного поля Земли и вектора ускорения свободного падения, измеренного акселерометром 4, производится вычисление угловых координат объекта в блоке 8 известным способом [1].

На третьем шаге полученная информация об угловых координатах объекта используется в блоке 9 для коррекции направления найденного вектора индукции магнитного поля катушки 1. В общем случае, объект имеет произвольную ориентацию, неизвестную заранее, и магнитометр 3 производит измерение вектора индукции магнитного поля катушки 1 в своей системе координат, следовательно, необходимо перевести этот вектор из системы координат датчика в систему координат, связанную с неподвижной катушкой 1. Для этой цели и производится коррекция направления вектора индукции магнитного поля катушки 1 путем его обратного поворота на углы, равные угловым координатам объекта. Поворот вектора осуществляется, например, с помощью матриц поворота [2].

На последнем шаге блок 10 по скорректированному вектору индукции магнитного поля катушки 1 производит определение линейных координат объекта относительно катушки 1. Переход от вектора индукции магнитного поля катушки 1 к координатам объекта осуществляется, например, с помощью таблично заданной функции. Таблица представляет собой массив точек пространства, выбранных с определенным шагом, где каждой точке сопоставлен вектор магнитной индукции, создаваемый катушкой индуктивности 1 в данной точке пространства. Расчет векторов производится с помощью закона Био-Савара-Лапласа [3, с.205], с использованием современного программного обеспечения, например математического пакета MATLAB. Для определения линейных координат объекта необходимо найти в таблице вектор, ближайший вектору индукции магнитного поля катушки 1, полученному на предыдущем шаге. Координаты, сопоставленные этому вектору, являются искомыми координатами объекта.

Источники информации

1. Implementing a Tilt-Compensated eCompass using Accelerometer and Magnetometer Sensors / Talat Ozyagcilar // Freescale Semiconductor Application Note. - Document Number AN4248, Revision 3, January 2012.

2. Матрица поворота [Электронный ресурс] // Википедия. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Матрица_поворота.

3. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Трофимова Т.И. - 11-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 560 с.

4. Авт. св. СССР №1372261, G01R 33/02.

5. Патент РФ №2452652, G01R 33/02.

6. Патент РФ №2171476, G01R 33/02.

Устройство для определения положения объекта в пространстве, содержащее катушку индуктивности, трехосевой магнитометр, взаимодействующий с вычислительным блоком, отличающееся тем, что катушка индуктивности расположена неподвижно и взаимодействует со стабилизатором тока, который взаимосвязан с вычислительным блоком, при этом устройство содержит расположенные на объекте цифровые трехосевые акселерометр и магнитометр, выходы которых подключены непосредственно к вычислительному блоку, содержащему блок разделения измеренного вектора магнитной индукции на вектор индукции магнитного поля Земли и вектор индукции магнитного поля катушки индуктивности, а также блок вычисления угловых координат, блок коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности и блок вычисления линейных координат, при этом выход магнитометра подключен ко входу блока разделения измеренного вектора магнитной индукции, первый выход которого подключен к первому входу блока вычисления угловых координат, а второй выход подключен к первому входу блока коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности, выход которого подключен ко входу блока вычисления линейных координат, а выход акселерометра подключен ко второму входу блока вычисления угловых координат, выход которого подключен ко второму входу блока коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области управления летательными аппаратами (ЛА), в частности, стабилизированными вращением. Способ использует информацию о векторе магнитного поля Земли (МПЗ), измеренном датчиком МПЗ в связанной с ЛА вращающейся по крену системе координат.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в устройствах мобильной связи. Технический результат - расширение функциональных возможностей.

Изобретение относится к способам навигации, более конкретно - к способам навигации по геомагнитному полю. .

Изобретение относится к области навигации и может быть использовано в зонах отсутствия или неустойчивого приема сигналов спутниковых радионавигационных систем: под водой, под землей, в горных массивах, в зданиях, в тоннелях, в метро, при облачной погоде и т.д.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в навигационных приборах для определения координат подвижных объектов. .

Изобретение относится к магнитным измерениям на подвижных объектах, в частности к приборам, предназначенным для измерения компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли, а также магнитному курсоуказанию и навигации на транспортных средствах.

Изобретение относится к устройствам для определения элементов воздушной навигации, в частности моделируемой угловой скорости артиллерийских снарядов. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в магнитной навигации для определения угловых положений автоматических подводных, надводных и летательных аппаратов, в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины.

Изобретение относится к способам подводной навигации и может быть использовано для определения местоположения подводных объектов. .

Изобретение относится к магнитному курсоуказанию и навигации и может быть использовано на летательных аппаратах для определения коэффициентов девиации, описывающих изменения напряженности магнитного поля земли (МПЗ), вносимые летательным аппаратом (ЛА) непосредственно в полете, и компенсации этих изменений при вычислении магнитного курса ψм. Способ основан на нахождении коэффициентов Пуассона, измерении компонент магнитного поля объекта и обработке результатов измерений. В качестве измеряемых компонент магнитного поля используют проекции продольной, поперечной и нормальной составляющих вектора результирующего магнитного поля на строительные оси ЛА при выполнении маневра ЛА в полете. Измерения и обработку результатов измерений производят многократно, используя метод итерации, причем обработку результатов измерений осуществляют путем определения модулей результирующих МПЗ, формирования функций чувствительности и автоматического определения на их основе приращений магнитной девиации магнитометрических датчиков. Устройство для осуществления способа содержит трехкомпонентный магнитометрический датчик 1, вычислитель 2 магнитного курса, блок 3 оценки модуля МПЗ, блок 4 формирования функций чувствительности и блок 5 определения вектора приращений коэффициентов магнитной девиации. Технический результат - упрощение определения и компенсации коэффициентов девиации, сокращение сроков подготовки ЛА к вылету, автоматическое определение коэффициентов и их компенсации при каждом вылете. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в магнитной навигации, в частности, для определения углов пространственной ориентации летательных аппаратов (ЛА). Устройство для определения углового положения подвижного объекта содержит два трехкомпонентных магнитометра, трехкомпонентный блок датчиков угловых скоростей, трехкомпонентный акселерометр, вычислительное устройство и устройство фильтрации Калмана, размещенные на подвижном объекте и включенные между собой соответствующим образом. Определение углов пространственной ориентации осуществляется посредством блока фильтрации Калмана рекуррентным способом. Коррекция магнитного курса осуществляется по сигналам трехкомпонентного акселерометра. Техническим результатом использования изобретения является повышение точности и обеспечение автономного определения углов пространственной ориентации ЛА в условиях маневрирования в полете, а также малое время готовности, скрытность работы и отсутствие накопления ошибок во времени. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано на летательных аппаратах (ЛА) для определения коэффициентов девиации, описывающих изменения напряженности магнитного поля земли (МПЗ), вносимые летательным аппаратом непосредственно в полете для компенсации этих изменений при вычислении магнитного курса. Для определения и компенсации девиации дополнительно используют измерения спутниковой навигационной системы (СНС) по скорости в восточном и северном направлениях, определяют путевой угол ЛА и осуществляют довыставку курса бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) по путевому углу в процессе руления и взлета до момента отрыва колес от взлетно-посадочной полосы (ВПП). После набора высоты Н≥1000 м выполняют фигуру пилотажа «восьмерка» в горизонтальной плоскости с постоянными абсолютными значениями углов крена, при этом в процессе выполнения фигуры определяют разности магнитного курса и истинного курса от БИНС, определяют и запоминают средние значения разностей определенных на первой и второй ветках фигуры «восьмерка» на одних и тех же магнитных курсах. Далее осредняют запомненные значения разностей в пределах одного градуса для всего рабочего диапазона, соответствующего 360 градусам. Полученные средние значения, являющиеся девиацией магнитного компаса, используют для коррекции магнитного курса. Устройство для осуществления способа содержит трехкомпонентный магнитометрический датчик 1, блок 2 определения магнитного курса, сумматор 3, БИНС 4, вычитающее устройство 5, блок 6 коррекции, СНС 7, блок 8 определения путевого угла, логический блок 9 коммутации и пульт 10 управления. Технический результат - обеспечение возможности определения и компенсации всех составляющих коэффициентов девиации магнитометрических датчиков в полете при каждом вылете, используя специальные маневры после взлета и СНС, и сокращение тем самым трудозатрат и сроков подготовки ЛА к вылету. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания средств измерения координат и угловых величин объекта. Устройство для определения положения объекта в пространстве содержит катушку индуктивности, размещенную неподвижно в горизонтальной плоскости, источник питания катушки индуктивности, вычислительный блок, а также платформу с датчиками, размещенную на подвижном объекте, включающую трехкомпонентный магнитометр, трехкомпонентный акселерометр и трехкомпонентный гироскоп, причем источник питания катушки индуктивности включает в себя стабилизатор тока катушки, управляемый тактовым генератором, а вычислительный блок выполнен с возможностью фазовой автоподстройки частоты, обеспечивающей тактирование магнитометра и синхронизацию фазы измерений магнитометра с фазой импульсов магнитного поля, генерируемых катушкой индуктивности. Технический результат – повышение точности измерения. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении магнитного курса подвижного объекта в системах автономной навигации объектов с использованием трех магнитометров, трех акселерометров и трех датчиков угловой скорости без применения глобальных навигационных систем. Технический результат – повышение точности. Для этого по данным акселерометров определяют режим движения объекта: равномерный или с ускорением. При равномерном движении, используя данные акселерометров и матрицу направляющих косинусов, аналитически вычисляют углы тангажа и крена, а по ним и сигналам магнитометров - магнитный курс. При движении с ускорением поступают также, но пошагово корректируют матрицу направляющих косинусов. 1 ил.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для оценки влияния геомагнитной активности на метрологические характеристики инклинометрического и навигационного оборудования в процессах его калибровки, поверки и эксплуатации. Технический результат - минимизация влияния геомагнитной активности на метрологические характеристики инклинометрического и навигационного оборудования в процессах его калибровки, поверки и эксплуатации. Способ оценки влияния геомагнитной активности на метрологические характеристики инклинометрического и навигационного оборудования включает измерение и расчет параметров геомагнитного поля. При этом рассчитывают контрольные индексы геомагнитной активности, характеризующие составляющую дополнительной погрешности инклинометрического и навигационного оборудования, проявляющуюся в периоды ненулевой геомагнитной активности, полученные результаты сравнивают с установленными нормами и по их разности судят о степени отклонения метрологических характеристик инклинометрического и навигационного оборудования. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в системах ориентации для определения линейных и угловых координат объекта, свободно перемещаемого в пространстве с шестью степенями свободы. Технический результат - повышение быстродействия. Для этого устройство содержит цифровые трехосевые акселерометр и магнитометр, выходы которых подключены непосредственно к вычислительному блоку. Вычислительный блок содержит: блок разделения измеренного вектора магнитной индукции на вектор индукции магнитного поля Земли и вектор индукции магнитного поля катушки индуктивности; блок вычисления угловых координат; блок коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности; блок вычисления линейных координат. При этом выход магнитометра подключен ко входу блока, первый выход которого подключен к первому входу блока, а второй выход подключен к первому входу блока, выход которого подключен ко входу блока вычисления линейных координат, выход акселерометра подключен ко второму входу блока, выход которого подключен ко второму входу блока коррекции направления вектора индукции магнитного поля катушки индуктивности. 1 ил.

Наверх