УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА В ПРОСТРАНСТВЕ

Полезная модель относится к микроэлектронике, а именно к устройствам для определения угловых и линейных ускорений в пространстве и азимута, и может быть использована для определения местоположения объекта в пространстве.
Цель полезной модели - повышение точности и увеличение функциональности.
За прототип принята инерционная указка для электронных дисплеев содержащая акселерометр, первый интегратор, второй интегратор, аналогово-цифровой преобразователь (далее - АЦП), передатчик. Заявка США US 20040104891 A1 "Internal pointer for electronic displays", опубликована на сайте http://www.patents.com/Intertial-pointer-electronic-displays/US20040104891/en-US/
Прототип работает следующим образом: основным элементом является датчик линейных ускорений, который в каждый момент времени выдает аналоговый сигнал - величину пропорциональную линейному ускорения в системе координат X, Y, Z. Далее этот сигнал дважды интегрируется, результат первого интегрирования - скорость, второго - перемещение, затем преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП. Другой вариант работы прототипа - преобразование аналогового сигнала в цифровой сразу же после датчика ускорений, а интегрирование в сигнальном процессоре программно. Далее полученный результат передается на компьютер посредством проводного или беспроводного интерфейсов.
Недостатками устройства прототипа являются низкая точность определения координат из-за применения только одного линейного датчика ускорений, поскольку для вычисления точных координат требуются дополнительно два угла - крен и тангаж, а так же отсутствие привязки полученных данных к магнитному полю земли, что со временем значительно увеличивает ошибку.
Цель полезной модели - повышение точности и увеличение функциональности.
Данная цель достигается применением гироскопа измеряющего изменения углов ориентации по трем осям, линейного акселерометра, измеряющего линейные ускорения по координатным осям, а так же использование магнитного датчика для определения направления азимута.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении точности до 0,1° определения положения объекта в пространстве по углу азимута и тангажа.
Раскрытие и осуществление полезной модели
Задачи, на решение которых направлена полезная модель заключается в следующем.
Существующие системы электронного сопровождения позволяют определить местоположения пользователя в пространстве, но при этом не позволяют определить объект (здание, сооружение) о котором пользователь хотел бы знать. Заявляемое устройство позволяет пользователям получать информацию об объектах путем указания на них, при этом зная местоположение, например по штатному навигатору или карте, определяют направление и угол тангажа и точное (до 0,1°) месторасположение объекта в пространстве, на который указал пользователь, например для проведения экскурсий при помощи различных электронных гидов или путеводителей.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для определения местоположения объекта в пространстве.
Устройство состоит из гироскопа 1, трехосевого акселерометра 2, магнитного датчика 3, микроконтроллера 4, приемопередатчика 5.
На фиг.2 - положение трехосевого акселерометра. Обозначения: трехосевой акселерометр - 2, g - ускорение свободного падения, θ - угол крена, φ - тангаж, Xh и Yh - проекции координат на горизонтальную плоскость.
Устройство работает следующим образом.
Режим непрерывной передачи - из гироскопа 1, акселерометра 2 и магнитного датчика 3 непрерывно поступают данные в микроконтроллер (далее МК) 4. В МК происходит первичная цифровая фильтрация результатов, обработка и подготовка пакета данных к пересылке. Затем пакет данных поступает из МК в приемопередатчик 5, который в свою очередь передает данные на персональный компьютер или карманный компьютер (на схеме не обозначены).
Режим однократной передачи - по нажатию кнопки на электронном гиде, из гироскопа 1, акселерометра 2 и магнитного датчика 3 в течении 10 мс будут передаваться данные в МК, в МК происходит первичная цифровая фильтрация результатов, обработка и подготовка пакета данных к пересылке. Затем пакет данных поступает из МК в приемо-передатчик 5, который в свою очередь передает данные на персональный компьютер или карманный компьютер (на схеме не обозначены).
θ
φ
γ
X
Y
Z
Пакет данных содержит - a, a, a - угловые ускорения, а, a, а - линейные ускорения, φ, θ, Az - угол крена, тангажа и азимут, соответственно.
Для определения координат в случае когда акселерометр лежит на плоскости требуются только ускорения по соответствующим осям, то есть  и . В противном случае необходимо учитывать углы тангажа и крена (углы отклонения от плоскости) для точного определения координат, то есть
h
X=Хcos(φ)+Ysin(θ)sin(φ)-Zcos(θ)sin(φ)
h
Y=Ycos(θ)+Zsin(θ)
где θ - угол крена, φ - тангаж.
Не учет данных поправок может привести к ошибке в определении линейных ускорений, а соответственно и координат.
Использование гироскопа, акселерометра и магнитного датчика позволяет с точностью до 0,1° определить положение объекта в пространстве по углу азимута и тангажа.