УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОРИЕНТИРОВАНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
DEVICE FOR ORIENTING MOBILE OBJECTS

Изобретение относится к навигационной технике и может быть использовано для прецизионного определения направления Восток-Запад при измерении азимута подвижных объектов.
Известно устройство ориентирования [RU 2183820 С1, МПК7 G01C 17/00, G01C 17/18, опубл. 20.06.2002], содержащее симметричное твердое тело без точки подвеса, помещенное в замкнутый сосуд с жидкостью, над поверхностью которой находится полость с воздухом. Твердое тело совершает возвратно-поступательное перемещение вдоль вертикали места за счет управления величиной давления в воздушной полости, расположенной над жидкостью, и вследствие этого возникают периодические качания твердого тела в направлении Восток-Запад за счет наличия периодической силы Кориолиса.
Известно устройство ориентирования [RU 2234062 С1, МПК7 G01C 17/18, опубл. 10.08.2004], выбранное в качестве прототипа, содержащее симметричное твердое тело без точки подвеса, помещенное в замкнутый объем с жидкостью, над поверхностью которой находится полость с воздухом с управляемым переменным давлением. За счет управляемого переменного давления в воздушной полости в замкнутом сосуде это тело имеет возможность из-за наличия сил Кориолиса периодического характера совершать периодические качания в плоскости, проходящей через вертикаль места и совпадающие с направлением Восток-Запад. Симметричное твердое тело выполнено из несмачиваемого материала со вставленной внутрь и жестко закрепленной в его нижней части полой трубкой, малого по отношению к симметричному твердому телу сечения, с возможностью перемещения жидкости по трубке, исключая ее попадание внутрь самого симметричного твердого тела. На границе сред воздух-жидкость замкнутого сосуда расположено кольцо из несмачиваемого материала, жестко закрепленное на стенке сосуда и охватывающее с зазором симметричное твердое тело.
Это устройство характеризуется наличием сравнительно большой погрешности определения направления Восток-Запад из-за опрокидывающего момента, приводящего к постоянному крену симметричного твердого тела и совершению им возвратно-поступательных перемещений не строго вдоль линии Восток-Запад. Кроме того, нестабильно определение направления Восток-Запад по причине сложности удержания симметричного твердого тела в центре объема, так как под действием гидродинамических сил, возникающих при возвратно-поступательных перемещениях вдоль вертикали места, оно начинает случайным образом свободно дрейфовать, касаться стенки объема и удерживаться вблизи нее.
Предлагаемое устройство позволяет повысить точность определения направления Восток-Запад и улучшить его массо-габаритные характеристики.
Устройство для ориентирования подвижных объектов, также как в прототипе, содержит замкнутый неметаллический корпус, в котором размещено симметричное твердое тело без точки подвеса, помещенное в объем, заполненный воздухом, охватывающий с зазором симметричное твердое тело с возможностью одновременно совершать возвратно-поступательные перемещения вдоль вертикали места и в направлении Восток-Запад, блок управления, электромагнит.
Согласно изобретению на дне неметаллического корпуса закреплен открытый сверху металлический цилиндр, внутри которого горизонтально размещено симметричное твердое тело в виде пермаллоевого диска, в центре которого закреплено выпуклое полусферическое зеркало, над которым расположен полупроводниковый лазер, направление излучения которого перпендикулярно дну цилиндра. Между полупроводниковым лазером и выпуклым полусферическим зеркалом установлено плоское зеркало, расположенное под углом относительно дна цилиндра, так что отверстие в центре плоского зеркала расположено над центральной частью полусферического зеркала и под выходным отверстием лазера. Фотоприемник закреплен сбоку от плоского зеркала. На наружную поверхность цилиндра намотана изолированная обмотка электромагнита. Блок управления содержит микроконтроллер, соединенный с жидкокристаллическим индикатором и генератором переменного напряжения, которые подключены к источнику питания. Фотоприемник подключен к микроконтроллеру, а обмотка электромагнита связана с генератором переменного напряжения.
Предложенное устройство позволяет повысить точность определения направления Восток-Запад и существенно уменьшить массогабаритные характеристики в сравнении с прототипом за счет того, что:
1. Пермаллоевый диск совершает вынужденное возвратно-поступательное движение под действием сил Кориолиса с минимальным противодействием магнитных сил его движению периодического характера и опрокидывающий момент, приводящий к постоянному крену пермаллоевого диска, в предлагаемом устройстве отсутствует. Вследствие этого происходит принудительное прецизионное относительное движение пермаллоевого диска строго вдоль вертикали места, а главное, осуществляется прецизионное переносное движение в направлении Восток-Запад с высокой стабильностью и точностью. При оптическом измерении с использованием лазера и фотоприемника существенно повышается точность определения направления Восток-Запад.
2. Используемые пермаллоевый диск, лазер, фотоприемник и другие элементы устройства отличаются меньшими массо-габаритными характеристиками по сравнению с гидромеханическими элементами прототипа.
На фиг. 1 показана кинематическая схема устройства.
На фиг. 2 представлена структурная схема блока управления.
На фиг. 3 приведена кинематическая схема устройства в динамике переносного движения пермаллоевого диска в направлении Восток-Запад.
Устройство для ориентирования подвижных объектов (фиг. 1) содержит замкнутый неметаллический корпус 1, на дне которого посредством кронштейна 2 жестко закреплен открытый сверху металлический цилиндр 3, внутри которого горизонтально размещен пермаллоевый диск 4 с возможностью перемещения его по вертикали и горизонтали. На пермаллоевом диске 4, в его центре, закреплено выпуклое полусферическое зеркало 5, над которым посредством кронштейна 6 жестко закреплен полупроводниковый лазер 7, направление излучения которого перпендикулярно дну цилиндра 3. Между полупроводниковым лазером 7 и выпуклым полусферическим зеркалом 5 посредством кронштейна с шарниром 8 закреплено плоское зеркало 9, расположенное под углом сорок пять градусов относительно дна цилиндра 3, так что отверстие, выполненное в центре зеркала 9, расположено над центральной частью полусферического зеркала 5 и под выходным отверстием полупроводникового лазера 7.
Кронштейн с шарниром 8 соединен механической связью с устройством юстировки 10 (УЮ) в виде редуктора.
Фотоприемник 11 посредством кронштейна 12 жестко закреплен внутри корпуса 1 сбоку от плоского зеркала 9. Фотоприемник 11 подключен к входу блока управления 13 (БУ).
На наружную боковую поверхность цилиндра 3 намотана изолированная обмотка электромагнита 14, подключенная к выходу блока управления 13 (БУ), расположенного снаружи корпуса 1.
Блок управления 13 (БУ) содержит микроконтроллер 15 (МК), первый цифровой выход которого подключен к жидко-кристаллическому индикатору 16 (ЖКИ), второй цифровой выход микроконтроллера 15 (МК) соединен с входом управления генератора переменного напряжения 17 (ГПН), сигнальный выход которого подключен к обмотке электромагнита 14 (фиг. 2). Вход микроконтроллера 15 (МК) подключен к выходу фотоприемника 11.
Микроконтроллер 15 (МК), жидко-кристаллический индикатор 16 (ЖКИ) и генератор переменного напряжения 17 (ГПН) подключены к источнику питания.
В макетном экземпляре устройства для ориентирования подвижных объектов пермаллоевый диск 4 был выполнен из пермаллоя марки 79 НМ с диаметром диска 2 см, толщиной 2 мм. Использовали полусферическое зеркало 5 из стекла с алюминиевым напылением, диаметром 5,5 мм, толщиной 0,5 мм, радиусом кривизны 7,5 мм. Плоское зеркало 9 диаметром 3 см и толщиной 2 мм было изготовлено из стекла с алюминиевым напылением. Диаметр центрального отверстия в плоском зеркале 9 равен 4 мм.
Металлический цилиндр 3 из пермаллоя марки 79 НМ был выполнен с внутренним диаметром 2,5 см и внешним диаметром 3 см. Высота цилиндра - 5 см. Обмотка электромагнита 14 выполнена из провода ПЭЛШО диаметра 0,12 мм. Число витков - 100. Генератор переменного напряжения 17 (ГПН) выполнен на интегральной микросхеме XR 2206, представляющей собой функциональный генератор, формирующий сигнал синусоидальной формы. Частота генератора 5 Гц.
В устройстве использовался полупроводниковый лазер 7 типа HLDP-635-А501, генерирующий излучение диаметра 2 мм с длиной волны 635 нм. В качестве фотоприемника 11 использовалась фотодиодная матрица APTINA МТ9М413. Были использованы микроконтроллер 15 (МК) типа STM32F407 и жидкокристаллический индикатор 16 (ЖКИ) типа REG010016AYPP5N00000.
Устройство работает следующим образом.
Устройство устанавливают на поверхность подвижного объекта ориентирования.
По команде со второго выхода микроконтроллера 15 (МК) генератор переменного напряжения 17 (ГПН) формирует на своем выходе синусоидальное напряжение, которое поступает на изолированную обмотку электромагнита 14, создавая магнитное поле внутри металлического цилиндра 3, Пермаллоевый диск 4 с прикрепленным в его центре полусферическим зеркалом 5, выполняющий функцию чувствительного элемента, совершает принудительно относительные возвратно-поступательные движения вдоль вертикали места с частотой генератора переменного напряжения 17 (ГПН). Одновременно под действием силы Кориолиса пермаллоевый диск 4 с прикрепленным в его центре полусферическим зеркалом 5 совершает периодические колебания в направлении Восток-Запад, то есть вдоль горизонтальной оси -X, +Х (фиг. 3). Амплитуда этих колебаний измеряется при помощи фотоприемника 11. Полупроводниковый лазер 7 генерирует на полусферическое зеркало 5 излучение 18 диаметра d. Лазерное излучение 18 проходит через центральное отверстие плоского зеркала 9. Отраженное излучение 19 от нижней плоскости зеркала 9 проецирует на фотоприемник 11 круг диаметра D. Электрическое напряжение, пропорциональное этому диаметру, поступает на вход блока управления 13 (БУ), то есть на вход микроконтроллера 15 (МК), в котором преобразуется в угловые единицы. Цифровой код угловых единиц с первого выхода микроконтроллера 15 (МК) поступает на жидкокристаллический индикатор 16 (ЖКИ) и отображается в виде линии.
Для настройки устройства ориентирования подвижных объектов перед его функционированием, после подачи электропитания чувствительный элемент 4 начинает совершать периодическое относительное движение вдоль вертикали места, и одновременно совершает периодическое движение вдоль истинного направления Восток-Запад. Для точной настройки устройства по направлению Восток-Запад используют устройство юстировки 10 (УЮ) механического типа, посредством которого выставляют плоское зеркало 9 в положение, при котором на жидкокристаллическом индикаторе 16 (ЖКИ) прочерчивается базовая линия.
При повороте объекта по углу азимута за счет поворота плоского зеркала 9 излучение 18 от полупроводникового лазера 7, проходя через отверстие плоского зеркала 9, попадает на боковую поверхность полусферического зеркала 5 и изменяет угол наклона отраженного излучения 19 (фиг. 3, ΔХ≠0). На фотоприемнике 11 круг диаметра D перемещается на расстояние ΔY, которое микроконтроллером 15 (МК) формируется в линию, смещенную относительно базовой.
Точность определения направления Восток-Запад зависит от постоянства и стабильности амплитуды колебаний пермаллоевого диска 4 вдоль вертикали места и погрешности угловых измерений микроконтроллером 15 (МК). Высокая точность устройства обеспечивается при сравнительно простой его конструкции с использованием современных малогабаритных магнитных и оптоэлектронных компонентов.
Таким образом, устройство обеспечивает более высокую точность определения направления Восток-Запад по сравнению с прототипом при сравнительно существенно меньших массо-габаритных характеристиках.