УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ УГЛОВ ПОЛОЖЕНИЯ И НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для определения параметров магнитного поля в месте установки измерительных приборов в процессе девиационных работ на подвижных объектах и для определения углов наклона различных поверхностей.
Известен электронный геологический компас (патент на полезную модель RU №137609, МПК G01C 17/00, опубл. 20.02.2014), принятый за прототип, содержащий корпус в котором установлены электронный трехкомпонентный магнитометр и электронный трехкомпонентный акселерометр, выполненные с возможностью преобразования измерительных сигналов в цифровую форму, средство вычислительной обработки цифровых сигналов, жидкокристаллический графический дисплей, кнопочная клавиатура, блок электропитания, причем на корпусе установлен порт, выполненный с возможностью подключения к компьютеру.
Недостатки прототипа:
- отсутствует приемник спутниковой навигационной информации, поэтому отсутствует возможность использования навигационных данных при проведении работ с помощью устройства, что ограничивает условия применения прототипа;
- отсутствуют возможность регулировки яркости изображения, формируемого на дисплее и подсветка в кнопочной клавиатуре, что ограничивает возможность применения устройства при различных условиях освещенности, что ограничивает условия применения прототипа;
- отсутствует базовая измерительная плоскость, относительно которой осуществляется измерение углов наклона, что накладывает ограничения на возможность измерения углов наклона различных поверхностей и ограничивает условия применения прототипа.
Техническая проблема, решаемая созданием заявленной полезной модели, заключается в обеспечении контроля и регистрации магнитометрической обстановки на подвижном объекте техники.
Техническим результатом, обеспечиваемым полезной моделью, является расширение условий применения устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для определения статических углов положения и напряженности магнитного поля, содержащее корпус, в котором установлены электронный трехкомпонентный магнитометр и электронный трехкомпонентный акселерометр, выполненные с возможностью преобразования измерительных сигналов в цифровую форму, средство вычислительной обработки цифровых сигналов, жидкокристаллический графический дисплей, блок электропитания, кнопочная клавиатура, причем на корпусе установлен порт, выполненный с возможностью подключения к компьютеру, устройство содержит приемник спутниковых навигационных систем, на корпусе размещен разъем для подключения внешней антенны приемника спутниковых навигационных систем, корпус содержит базовую измерительную плоскость, изготовленную с высоким допуском плоскостности, жидкокристаллический графический дисплей выполнен с возможностью регулировки яркости изображения, кнопочная клавиатура содержит, по меньшей мере, один светодиод для регулировки яркости подсветки клавиатуры.
Существенными отличительными признаками заявляемой полезной модели являются следующие признаки:
- выполнение приемника спутниковых навигационных систем в устройстве;
- размещение разъема для подключения внешней антенны приемника спутниковых навигационных систем на корпусе устройства;
- выполнение корпуса устройства с базовой измерительной плоскостью, изготовленной с высоким допуском плоскостности;
- выполнение жидкокристаллического графического дисплея с возможностью регулировки яркости изображения;
- выполнение кнопочной клавиатуры, по меньшей мере, с одним светодиодом для регулировки яркости подсветки клавиатуры.
В отличие от прототипа указанная совокупность отличительных существенных признаков заявленного технического решения наряду с известными из уровня техниками признаками обеспечивают получение технического результата, заключающегося в расширении условий применения устройства.
Сущность полезной модели, ее реализуемость и возможность промышленного применения поясняются чертежами, представленными на Фигурах 1, 2, 3.
На Фиг. 1 - структурная схема устройства.
На Фиг. 2 - внешний вид устройства в аксонометрии (вид спереди). На Фиг. 3 - вид на устройство сзади.
Цифрами на Фигурах 1, 2, 3 обозначены следующие позиции:
1 - корпус;
2 - электронный трехкомпонентный магнитометр;
3 - электронный трехкомпонентный акселерометр;
4 - приемник спутниковых навигационных систем;
5 - микроконтроллер;
6 - жидкокристаллический графический дисплей;
7 - встроенный накопитель данных;
8 - кнопочная клавиатура;
9 - светодиод;
10- блок электропитания;
11 - контроллер управления системой электроснабжения;
12 - контроллер заряда аккумуляторной батареи;
13 - линии электропитания;
14 - разъем для подключения внешней антенны приемника спутниковых навигационных систем;
15 - разъем питания;
16 - порт передачи данных;
17 - базовая измерительная плоскость.
Устройство содержит корпус 1 (Фиг. 1, 2, 3), который выполнен в форме уплощенного параллелепипеда с габаритами не более 150×84×21 мм. Внутри корпуса 1 на монтажной плате установлены электронный трехкомпонентный магнитометр 2 (Фиг. 1), электронный трехкомпонентный акселерометр 3, приемник 4 спутниковых навигационных систем, микроконтроллер 5, жидкокристаллический графический дисплей 6 (Фиг. 1, 2), встроенный накопитель 7 (Фиг. 1) данных, кнопочная клавиатура 8 (Фиг. 1, 2) со светодиодом 9 (Фиг. 1), контроллер 11 (Фиг. 1) управления системой электроснабжения и контроллер 12 заряда аккумуляторной батареи. Функции электронного трехкомпонентного магнитометра 2 и электронного трехкомпонентного акселерометра 3 могут быть реализованы одной микросхемой, т.е. данные компоненты могут быть функционально совмещены. Кроме того на стенки корпуса 1 (Фиг. 1, 2, 3) выведены разъем 15 (Фиг. 1, 2) питания, функционально совмещенный с портом 16 (Фиг. 1) передачи данных, а также разъем 14 (Фиг. 1, 2) для подключения внешней антенны приемника 4 (Фиг. 1) спутниковых навигационных систем. Кроме того, корпус 1 (Фиг. 1, 2, 3) содержит базовую измерительную плоскость 17 (Фиг. 3), выполненную с высоким допуском плоскостности 0,02 мм. Блок 10 (Фиг. 1) электропитания выполнен стандартным образом и работает на стандартных элементах питания (например, аккумуляторных), размеры которых обеспечивают возможность размещения в полости корпуса 1 (Фиг. 1, 2, 3). Линии 13 (Фиг. 1) электропитания условно показаны штриховыми стрелками.
Работа устройства. Устройство поддерживает несколько режимов работы: «режим инклинометра», «режим магнитометра», «режим компаса», «режим определения координат», «режим сохранения данных», «режим передачи данных», а также вспомогательный режим контроля заряда аккумуляторной батареи. Выбор конкретного режима работы устройства осуществляется нажатием соответствующих кнопок клавиатуры 8. При работе в режиме инклинометра или в режиме магнитометра цифровой сигнал от электронного трехкомпонентного акселерометра 3 или электронного трехкомпонентного магнитометра 2 поступает на вход микроконтроллера 5, где осуществляется по известным алгоритмам нормирование выходных сигналов электронного трехкомпонентного акселерометра 3 и электронного трехкомпонентного магнитометра 2 с использованием хранящихся в памяти микроконтроллера 5 тарировочных коэффициентов. Далее в режиме инклинометра в микроконтроллере 5 производится расчет углов наклона устройства по нормированным значениям показаний электронного трехкомпонентного акселерометра 3. Затем вычисленные значения, а именно углы наклона в режиме инклинометра или нормированные значения составляющих магнитной индукции в режиме магнитометра, передаются для отображения на жидкокристаллический графический дисплей 6. При использовании устройства в режиме инклинометра для измерения углов наклона поверхностей устройство необходимо расположить таким образом, чтобы с измеряемой поверхностью соприкасалась базовая измерительная плоскость 17, изготовленная с высоким допуском плоскостности, расположенная на корпусе 1. В этом случае погрешность определения углов наклона будет минимальна.
Для работы устройства в режиме компаса необходимо произвести процедуру калибровки путем накопления показаний электронного трехкомпонентного акселерометра 3 и электронного трехкомпонентного магнитометра 2 в процессе вращения устройства относительно его осей в однородном магнитном поле Земли. После этого производится расчет калибровочных коэффициентов по известному и детально описанному алгоритму вычисления этих параметров. В процессе работы в режиме компаса цифровые сигналы от электронного трехкомпонентного акселерометра 3 и электронного трехкомпонентного магнитометра 2 поступают на вход микроконтроллера 5, где осуществляется по известным алгоритмам нормирование выходных сигналов электронного трехкомпонентного акселерометра 3 и электронного трехкомпонентного магнитометра 2 с использованием хранящихся в памяти микроконтроллера 5 тарировочных и калибровочных коэффициентов, а также расчет магнитного курса и углов наклона устройства. Вычисленные значения передаются для отображения на жидкокристаллический графический дисплей 6.
В режиме определения координат цифровые данные от приемника 4 спутниковых навигационных систем поступают на вход микроконтроллера 5, где производится расчет магнитного склонения и магнитного наклонения с использованием известной модели магнитного поля Земли (WMM). Вычисленные данные, а также координаты, высоту и время, полученные от приемника 4 спутниковых навигационных систем, передаются с выхода микроконтроллера 5 на жидкокристаллический графический дисплей 6 для отображения. В случае, когда работа с устройством производится в помещениях, может быть использована внешняя антенна приемника спутниковых навигационных систем, подключенная через разъем 14 для подключения внешней антенны приемника 4 спутниковых навигационных систем, который установлен на корпусе 1 устройства.
В режиме сохранения данных микроконтроллер 5 принимает цифровые сигналы от электронного трехкомпонентного магнитометра 2, электронного трехкомпонентного акселерометра 3 и приемника 4 спутниковых навигационных систем, осуществляет вычисления по описанным ранее алгоритмам углов наклона, магнитного курса, магнитного склонения и наклонения и сохраняет измеренные и вычисленные параметры во встроенном накопителе 7 данных. Запуск и остановка процесса сохранения данных осуществляется нажатием соответствующих кнопок клавиатуры.
Сохраненные данные могут быть переданы для их дальнейшего анализа и обработки на персональный компьютер в режиме передачи данных посредством порта 16 передачи данных, установленного на корпусе устройства, и используемого повсеместно жгута приема-передачи, соединяющего устройство и персональный компьютер.
В режиме контроля заряда аккумуляторной батареи данные о напряжении на аккумуляторной батарее, остаточной емкости аккумуляторной батареи и режиме зарядки в цифровом виде передаются от контроллера 11 управления системой электроснабжения и контроллера 12 заряда аккумуляторной батареи через микроконтроллер 5 на жидкокристаллический графический дисплей 6 для отображения. В случае разрядки блока 10 электропитания, он может быть заряжен посредством подключения зарядного устройства, в свою очередь подключенного к бытовой сети электроснабжения, к разъему 15 питания, установленному на корпусе 1.
Для возможности проведения работ с устройством в условиях малой освещенности пользователь может регулировать яркость изображения на жидкокристаллическом графическом дисплее 6 нажатием соответствующих клавиш на кнопочной клавиатуре 8 со светодиодом 9, соединенных с микроконтроллером 5. Также пользователь может регулировать яркость подсветки кнопочной клавиатуры 8 нажатием на ней соответствующих клавиш. При нажатии этих клавиш микроконтроллер 5 осуществляет управление светодиодом 9, входящим в состав кнопочной клавиатуры 8.
В отличие от прототипа, заявленное устройство дополнительно содержит приемник спутниковых навигационных систем, что позволяет расширить условия применения устройства, а именно, позволяет использовать устройство для определения параметров магнитного поля Земли в условиях неоднородности магнитного поля, вызванного наличием источников электромагнитного излучения (поля), когда определение данных параметров посредством магнитометров затруднено. В частности, устройство может быть использовано при проведении девиационных работ на подвижных объектах (воздушных судах, кораблях и пр.) для определения магнитного склонения и магнитного наклонения, которые могут быть определены расчетным путем при использовании известной модели магнитного поля Земли (WMM) на основании информации о местоположении, высоте и времени измерения, полученной от приемника спутниковых навигационных систем.
В отличие от прототипа, наличие в устройстве разъема для подключения внешней антенны приемника спутниковых навигационных систем, размещенного на корпусе, позволяет подключить к устройству внешнюю антенну приемника спутниковых навигационных систем и использовать устройство при выполнении работ в помещениях, что позволяет расширить условия применения заявляемого устройства.
В отличие от прототипа, корпус устройства содержит базовую измерительную плоскость, изготовленную с высоким допуском плоскостности, выполненную на одной из граней корпуса; таким образом, расширяются условия применения устройства, что достигается за счет того, что устройство может быть использовано при измерении углов наклона и параметров магнитного поля в местах установки различного оборудования, что расширяет условия применения предложенного устройства.
В отличие от прототипа, в предложенном техническом решении жидкокристаллический графический дисплей выполнен с возможностью регулировки яркости изображения, что позволяет использовать заявляемое устройство при различных режимах освещенности, расширяя, таким образом, условия применения устройства.
В отличие от прототипа, в предложенном техническом решении кнопочная клавиатура содержит, по меньшей мере, один светодиод для регулировки яркости подсветки клавиатуры, что позволяет использовать заявляемое устройство при различных режимах освещенности, позволяя расширить условия применения устройства.
Устройство может быть реализовано приборостроительным предприятием с применением электронных компонентов, выпускаемых промышленностью. В качестве электронного трехкомпонентного магнитометра могут быть использованы датчики серии Sen-XY-f и Sen-Z-f производства компании PNI Sensor. В качестве электронного трехкомпонентного акселерометра может быть использована микросхема серии ADXL313 производства компании Analog Devices. В качестве приемника спутниковых навигационных систем может быть использована микросхема серии UC530M производства компании U-BLOX. В качестве средства вычислительной обработки цифровых сигналов может быть использован микроконтроллер, по меньшей мере, 32-х битный, имеющий встроенный контроллер шины SPI, видеоконтроллер и адаптер ЖК-панели, например, микроконтроллер серии STM32F42 производства ST Microelectronics. В качестве жидкокристаллического графического дисплея может быть использован модуль TMO35KDH03 производства компании Tianma Microelectronics. В качестве встроенного накопителя данных может быть использован выполненный известным образом флеш-накопитель данных любого формата (например, SD, miniSD или microSD), позволяющего разместить его внутри корпуса устройства. В качестве контроллера управления системой электроснабжения и контроллера заряда аккумуляторной батареи могут быть использованы микросхемы серии BQ24035 производства Texas Instruments и NCY8537 производства ON Semiconductor. Базовая измерительная плоскость 17 может быть образована четырьмя установочными поверхностями, выполненными на корпусе 1 устройства, имеющими допуск плоскостности 0,02 мм. В качестве светодиода 9, используемого для регулировки яркости подсветки клавиатуры, может быть использован светодиод серии KP-2012 производства компании Kingbright.
Заявленная техническая проблема, заключающаяся в обеспечении контроля и регистрации магнитометрической обстановки на подвижном объекте техники может быть решена при осуществлении и использовании полезной модели, которая не могла быть решена при осуществлении аналогов заявленного технического решения.
В уровне техники не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Предлагаемая полезная модель технически осуществима и промышленно реализуема на приборостроительном предприятии, проведенные испытания подтверждают достижения заявленного технического результата. Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение соответствует условиям патентоспособности полезной модели, а именно оно является новым и промышленно применимым.