Волномерный буй с инерциальным измерительным модулем на основе микромеханических датчиков



Волномерный буй с инерциальным измерительным модулем на основе микромеханических датчиков
Волномерный буй с инерциальным измерительным модулем на основе микромеханических датчиков

 


Владельцы патента RU 2631965:

Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения спектральных и статистических характеристик трехмерного морского волнения. Волномерный буй содержит корпус, обеспечивающий необходимую плавучесть, герметичный отсек, в нижней части которого размещен блок аккумуляторных батарей. Блок аккумуляторных батарей соединен с инерциальным измерительным модулем, процессорным модулем и антенной, размещенной на крышке герметичного отсека. Инерциальный измерительный модуль соединен с процессорным модулем, который в свою очередь соединен с антенной. В инерциальном измерительном модуле размещены три микромеханических кремниевых вибрационных гироскопа, три микромеханических кремниевых акселерометра и трехкомпонентный магнитометр. Оси чувствительности датчиков направлены ортогонально. Достигаемый технический результат - повышение надежности волномерного буя, повышение его автономности, расширение диапазона измеряемых длин волн, уменьшение массогабаритных характеристик буя, повышения его вибро- и ударостойкости. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения спектральных и статистических характеристик трехмерного морского волнения.

Известен волномерный буй для измерения спектральных и статистических характеристик трехмерного морского волнения [Directional Waverider MkIII [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.datawell.nl/Products/Completesvstems/DirectionalWaveriderMKIII.aspx, свободный. - Загл. с экрана]. В корпусе буя размещены блок датчиков, блок электроники и аккумуляторные батареи. Блок датчиков включает в себя стабилизирующую платформу с установленным на ней вертикальным акселерометром, датчики углов качки, два горизонтальных акселерометра и трехкомпонентный магнитный компас. Блок датчиков соединен с блоком электроники для передачи информации о трех значениях ускорения от трех акселерометров, углах крена и дифферента от датчиков углов качки и трех значениях магнитного поля от трехкомпонентного магнитометра. Блок электроники включает в себя микропроцессорную плату, предназначенную для управления процессом измерений, обработки и записи результатов измерений, и питающую плату, соединенную с аккумуляторными батареями и обеспечивающую электроэнергией другие компоненты буя. Передача данных потребителю происходит по каналам спутниковой, мобильной или УКВ-радиосвязи с помощью соответствующих антенн, соединенных с блоком электроники.

Известно устройство, представляющее собой волномерный буй для измерения спектральных и статистических характеристик морского волнения [Triaxys directional wave buoy [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://axystechnologies.com/products/triaxys-directional-wave-buoy/, свободный. - Загл. с экрана.]. В корпусе буя размещены блок датчиков, процессор, система электропитания и система связи. Блок датчиков включает в себя три акселерометра, три пьезоэлектрических вибрационных гироскопа и феррозондовый магнитометр. Блок датчиков вырабатывает информацию о параметрах движения волномерного буя по поверхности волны: три составляющие линейных ускорений, три составляющие угловых скоростей, а также информацию о трех компонентах магнитного поля Земли. Блок датчиков соединен с процессором, который выполняет обработку данных от датчиков, производит расчет статистических характеристик волнения и определяет направление распространения волн. Процессор соединен с системой связи, осуществляющей передачу рассчитанных параметров волнения потребителю. Система электропитания оборудования может состоять из аккумуляторных батарей или солнечных панелей.

Данное устройство принято за прототип предлагаемого изобретения.

Указанное устройство-прототип позволяет производить измерение спектральных и статистических характеристик трехмерного морского волнения, в том числе и определять направление распространения волн. Однако применение подобных волномерных буев существенно ограничено, поскольку пьезоэлектрические гироскопы имеют низкую метрологическую надежность (температурную стабильность характеристик) и вибро- и ударостойкость, блок датчиков подобных устройств имеет большее энергопотребление, чем у микромеханических датчиков, в связи с чем увеличиваются габариты буя и сокращается диапазон измеряемых длин волн. Отметим, что высокочастотная область диапазона измерений зависит от массогабаритных характеристик буя. Кроме того, подобные устройства являются дорогостоящими из-за высокой стоимости гироскопов, входящих в их состав.

Задачей предлагаемого изобретения является совершенствование конструкции волномерного буя для измерений спектральных и статистических характеристик морского волнения за счет применения инерциального измерительного модуля на основе микромеханических датчиков - кремниевых вибрационных гироскопов и акселерометров.

Технический результат: повышение надежности волномерного буя за счет исключения механических элементов из конструкции блока датчиков; повышение автономности устройства за счет снижения энергопотребления датчиков, входящих в его состав; расширение диапазона измеряемых длин волн и достижение возможности измерения коротких волн за счет уменьшения количества аккумуляторных батарей и, соответственно, массогабаритных характеристик буя; достижение возможности установки волномерного буя на воду с воздушных носителей за счет повышения вибро- и ударостойкости.

Технический результат достигается тем, что в предложенном волномерном буе блок датчиков, включающий пьезоэлектрические вибрационные гироскопы и механические акселерометры, заменен инерциальным измерительным модулем на основе микромеханических датчиков - кремниевых вибрационных гироскопов и кремниевых акселерометров.

На фиг. 1 показан общий вид волномерного буя с инерциальным измерительным модулем на основе микромеханических датчиков, где приняты следующие обозначения:

1 - корпус;

2 - герметичный отсек;

3 - блок аккумуляторных батарей;

4 - инерциальный измерительный модуль;

5 - процессорный модуль;

6 - антенна;

7 - микромеханический кремниевый вибрационный гироскоп (далее - гироскоп);

8 - микромеханический кремниевый акселерометр (далее - акселерометр);

9 - трехкомпонентный магнитометр (далее - магнитометр).

Волномерный буй содержит корпус 1, обеспечивающий необходимую плавучесть, герметичный отсек 2, в нижней части которого размещен блок аккумуляторных батарей 3. Блок аккумуляторных батарей 3 соединен с инерциальным измерительным модулем 4, процессорным модулем 5 и антенной 6, размещенной на крышке герметичного отсека 2. Инерциальный измерительный модуль 4 соединен с процессорным модулем 5, который в свою очередь соединен с антенной 6. В инерциальном измерительном модуле 4 размещены три микромеханических кремниевых вибрационных гироскопа 7, три микромеханических кремниевых акселерометра 8 и трехкомпонентный магнитометр 9. Оси чувствительности датчиков направлены ортогонально.

Волномерный буй работает следующим образом. При движении корпуса 1 по взволнованной поверхности, гироскопы 7, акселерометры 8 и магнитометр 9, размещенные в инерциальном измерительном модуле 4, выполняют измерения трех составляющих угловой скорости буя, трех составляющих линейного ускорения буя и трех составляющих магнитного поля Земли соответственно. Информация от датчиков инерциального измерительного модуля 4 поступает в процессорный модуль 5, выполняющий постобработку информации на борту волномерного буя для расчета спектральных и статистических характеристик морского волнения. Процессорный модуль 5 с помощью антенны 6 передает конечному потребителю рассчитанные характеристики морского волнения. Питание всех элементов волномерного буя осуществляется с помощью блока аккумуляторных батарей 3. Режимы функционирования прибора предусматривают сбор информации от датчиков инерциального измерительного модуля 4, ее обработку на борту, получение спектральных и статистических характеристик морского волнения и направления распространения волн и передачу информации по радиоканалу. Наличие априорной информации о волнении, такой как его стационарность, центрированность, распределение высот волн по закону Рэлея, и дрейфов датчиков инерциального измерительного модуля 4, позволяет производить расчет характеристик морского волнения на уровне точности не хуже прототипа.

Работа волномерного буя проверена с помощью компьютерного моделирования, лабораторных и сравнительных натурных испытаний опытного образца. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что указанные существенные признаки позволяют повысить надежность волномерного буя минимум на порядок за счет исключения механических элементов из конструкции блока датчиков буя; увеличить его автономность при том же количестве аккумуляторных батарей не менее чем на 2 месяца за счет снижения энергопотребления датчиков, входящих в состав буя. За счет снижения более чем в два раза массы буя может быть расширен диапазон измеряемых длин волн и достигнута возможность измерения коротких волн. Поскольку микромеханические датчики являются стойкими к воздействию ударов и вибрации, то появляется возможность установки на воду подобных буев с воздушных носителей. Таким образом, заявленный технический результат считается достигнутым.

Волномерный буй с инерциальным измерительным модулем на основе микромеханических датчиков, содержащий корпус, обеспечивающий необходимую плавучесть, герметичный отсек, в нижней части которого размещен блок аккумуляторных батарей, процессорный модуль и антенну, размещенную на крышке герметичного отсека, отличающийся тем, что он дополнительно содержит инерциальный измерительный модуль, в котором размещены три микромеханических кремниевых вибрационных гироскопа, три микромеханических кремниевых акселерометра и трехкомпонентный магнитометр, при этом оси датчиков направлены ортогонально, соединенный с процессорным модулем и блоком аккумуляторных батарей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области воздушного мониторинга с применением беспилотных летательных аппаратов и может быть использовано для обнаружения чрезвычайной ситуации (ЧС) природного и техногенного характера и ликвидации ее последствий.
Изобретение относится к средствам для проведения гидрологических исследований на больших глубинах. Сущность: система включает обрывной океанографический зонд, состоящий из утяжеленной носовой части и хвостовой части.

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн. Сущность: устройство состоит из цельнометаллического корпуса (3), внутри которого установлены модуль (1) управления с опционным блоком GPS, источник (2) питания, цифровой трехкомпонентный акселерометр (15), трехкомпонентный магнитометр (17).

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения прозрачности атмосферы. Сущность: осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности.

Изобретение относится к методам исследования физических свойств веществ и, в частности, снежного покрова. Сущность: способ определения пространственно-временной неоднородности снежного покрова в условиях его естественного залегания включает предварительное выполнение шурфа до подстилающей поверхности, определение стратиграфии снежной толщи, введение в толщу покрова в непосредственной близости от стенки шурфа лавинного щупа, регистрацию сигнала акустической эмиссии, возникающего при его перемещении, соотнесение каждому слою снежной толщи характерной формы и модулирующей частоты сигнала акустической эмиссии, последующее введение лавинного щупа в заданной точке снежного покрова и определение стратиграфии в этой точке путем сравнения зарегистрированного в ней сигнала акустической эмиссии с сигналом, полученным для контрольного шурфа.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения прозрачности атмосферы. Сущность: осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может быть использовано для измерения прозрачности неоднородной атмосферы лидарными системами при определении аэрозольного загрязнения воздуха.

Изобретение относится к экологическим системам сбора и обработки информации и может быть использовано для прогнозирования распространения загрязнения атмосферного воздуха на территории горнопромышленной агломерации.

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа определения общего балла облачности. Для определения общего балла облачности получают цветное полутоновое изображение всего небосвода в видимой области спектра и для всех точек изображения проводят сравнение значений цветовых компонент.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам определения характеристик слабо рассеивающей атмосферы. Согласно способу осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим по неколлинеарным направлениям.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для создания тепловой карты. Предложен способ и система для создания тепловой карты, представляющей множество объектов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров поверхностного волнения жидкостей. Данное устройство может быть применено для исследования волновых процессов на поверхности жидкости, как в натурных, так и в лабораторных условиях, например для определения микро возмущений (порядка десятков микрон) водной поверхности при наличии низкочастотных волн значительной амплитуды (порядка пяти-десяти сантиметров).

Изобретение относится к способам составления приливных карт. Сущность: определяют высоту прилива по гармонической составляющей волны, ограниченной по контуру акватории, задаваемой амплитудой, углом положения и периодом.

Способ измерения векторного поля скорости протяженной поверхности относится к радиолокации поверхности Земли с космических аппаратов и может быть использован для одновременного формирования яркостных и векторно-скоростных портретов речных и океанских течений с необходимым пространственным разрешением и привязкой к координатам местности.

Изобретение относится к неконтактным океанографическим измерениям и может быть использовано для определения статистических характеристик морского волнения с борта движущегося судна.

Изобретение может быть использовано для определения океанографических характеристик и выявления их пространственного распределения. Сущность: система включает подспутниковые (судовые) и спутниковые средства измерений океанографических характеристик.

Изобретение относится к неконтактным океанографическим измерениям и может быть использовано для определения статистических характеристик морского волнения с борта движущегося судна.

Изобретение может быть использовано для определения океанографических характеристик и выявления их пространственного распределения. Сущность: система включает подспутниковые (судовые) и спутниковые средства измерений океанографических характеристик.

Изобретение относится к области гидрологии и может быть использовано при мониторинге, моделировании, количественной оценке водных ресурсов. Сущность: реку и ее притоки на цифровой топографической карте разбивают на квадраты размером δ.

Изобретение относится к области океанографических измерений и предназначено преимущественно для определения характеристик коротких морских ветровых волн. Технический результат изобретения - повышение точности измерений за счет устранения фактора воздействия водного потока на струнные волнографические датчики, что обеспечивает их неподвижность даже в условиях штормового моря, а также за счет уменьшения длины погруженной в воду части штанги, несущей волнографические датчики, и одновременно с этим - обеспечения требуемого заглубления датчиков. Сущность: устройство содержит установленный над водной поверхностью выстрел с вертикальной штангой, пересекающей границу раздела воздух-вода.

Изобретение относится к устройствам для измерения геофизических и гидрофизических параметров в придонных зонах морей и океанов. Сущность: подводная обсерватория, сочлененная с диспетчерской станцией (9), включает поверхностный буй-веху (8), подповерхностный буй (3) и нижнюю плавучесть (4), соединенные посредством ходового троса (2).
Наверх