УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ

Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в навигационных приборах для непрерывного определения координат местоположения наземных подвижных объектов (ПО) в труднодоступных районах с пересеченным рельефом местности, в периоды замедления и ускорения движения объекта, пробуксовок и в условиях воздействия угловых скоростей, а так же в зонах различных радиотехнических помех и в зонах ненадежного приема спутниковых радионавигационных систем.
Известно устройство, описанное в патенте RU2334198, G01C 21/16, 2007 г., «Способ инерциальной навигации и устройство для его осуществления».
Устройство содержит линейные акселерометры, работающие в режиме автоколебаний, по показаниям которых, пропорциональных периоду автоколебаний и измеряемому ускорению, определяются составляющие вектора скорости и радиус-вектора по направлению осей чувствительности акселерометров за определенный период времени; значения показаний перемножают, а результаты для конкретного участка траектории суммируют. Полученные значения, пропорциональные составляющим вектора скорости объекта, повторно интегрируют.
Однако наличие отклонений в процессе обработки показаний в исходных данных и в измерениях ведет к суммированию погрешности интегрирования. При этом возникает систематическая ошибка, которая постоянно увеличивается па каждом шаге вычисления, что приводит к ухудшению процесса получения и обработки информации. Использование одиночных образцов акселерометров по каждой из измерительных осей приводит к значительному усложнению процесса калибровки устройства и снижению точности измерения в условиях воздействия вышеуказанных дестабилизирующих факторов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в патенте RU 2202102, 7G01C 21/08, 10.04.2003 «Способ определения местоположения подвижных объектов и устройство для его реализации», принятое за прототип.
Укрупненная функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где приняты следующие обозначения:
1 - трехкомпонентный магнитоуправляемый датчик перемещения;
8 - блок расчета величины перемещения ПО (навигационный блок);
13 - первый блок расчета приращения величины перемещения;
14 - сумматор;
15 - блок расчета корректирующих коэффициентов;
16 - блок коррекции;
17 - второй блок расчета приращения величины перемещения;
18 - блок умножителя.
Устройство-прототип содержит магнитоуправляемый датчик перемещения 1 (в данном случае трехкомпонентный), блок умножителя 18, первый блок расчета приращения величины перемещения 13, сумматор 14, блок расчета корректирующих коэффициентов 15, блок коррекции 16, второй блок расчета приращений величины перемещения 17, блок расчета величины перемещения ПО (навигационный блок) 8.
При этом, датчик перемещения 1 выполнен на трех логических магнитоуправляемых микросхемах Dl, D2 и D3, расположенных в цилиндрическом корпусе и установленных в пазах под углом 120 градусов относительно друг друга. Выходы датчика перемещения 1 соединены соответственно с входами 1, 2, 3 блока умножителя 18, выход которого подключен к входу первого блока расчета приращения величины перемещения 13, выход которого соединен с входом сумматора 14 и с входом второго блока расчета приращения величины перемещения 17, выход которого подключен к входу блока расчета корректирующих коэффициентов 15, выход которого соединен с входом 4 блока умножителя 18; выход сумматора 14 подключен к входу блока коррекции 16, выходы которого соотвественно подключены к входам 1, 2, 3 блока расчета величины перемещения ПО (навигационного блока) 8.
Упрощенная схема трехкомпонентного датчика перемещения представлена на фиг.2, где Dl, D2, D3 - магнитоуправляемые микросхемы, расположенные под углом 120° по отношению друг к другу по окружности; N1, N2 и S1, S2 - цилиндрические магниты, концы которых имеют соответствующую полярность и расположены под углом 90° между собой.
Считывание сигналов с микросхем производится через 4 С после начала движения. При указанном направлении вращения вала (указано стрелкой), магниты группы N1, N2 включают магнитоуправляемые микросхемы D1, D2, D3, магниты группы S1, S2 соответственно отключают схемы Dl, D2, D3.
Диаграмма напряжения, формируемая микросхемами при равномерном прямолинейном движении, представлена на фиг.3.
В начальном положении магнитов, указанном на фиг.2, магнит N1 включает микросхему D1, в результате чего формируется передний фронт импульса (Фиг.3. положение единицы), микросхема D2 остается в положении "1" (после включения магнитом N2), микросхема D3 остается в положении "0" (после отключения магнитом S2). При вращении магнитов на угол 30° (в направлении, указанном стрелкой) микросхема D1 остается во включенном состоянии (положение "1"), микросхема D2 отключается магнитом S1 (положение "0"), микросхема D3 отключена магнитом S2 (положение "0"). При вращении магнитов на угол 60° микросхема D1 остается во включенном состоянии (положение "1"), микросхема D2 отключается магнитом S1 (положение "0"), микросхема D3 включается магнитом N2 (положение "1"). При вращении магнитов на 90° микросхема D1 отключается магнитом S2 (положение "О"), микросхема D2 отключена магнитом S1 (положение "0"), микросхема D3 остается включенной магнитом N2 (положение "1"). При вращении магнитов на 120° микросхема D1 остается отключенной магнитом S2 (положение "0") микросхема D2 включается магнитом N1 (положение "1"), микросхема D3 остается включенной магнитом N2 (положение "1"). При вращении магнитов на 150° микросхема D1 остается отключенной магнитом S2 (положение "0"), микросхема D2 остается включенной магнитом N1 (положение "1"), микросхема D3 отключается магнитом S1 (положение "0"). При вращении магнитов на 180° магниты N1, N2 и S1, S2 меняются местами, а сигналы микросхем переходят в первоначальное положение, т.е. на выходе микросхемы D1 положение "1, D1 на выходе микросхемы D2 - "1", D3 -"0". При вращении магнитов N1, N2 и S1, S2 от 180° до 360° вышеописанный цикл последовательности импульсов с выходов микросхем D1, D2, D3 повторяется, как показано на фиг.3. Угловая последовательность импульсного кода с микросхем D1, D2, D3 при повороте магнитов на 360° с начала отсчета представлена на фиг.3. Прямоугольные импульсы напряжения, генерируемые трехфазным датчиком перемещения, как показано на фиг.3, различаются последовательностью передних и задних фронтов импульсов, следующих друг за другом через 30° оборота вала спидометра. Длительность импульса зависит от величины угловой скорости вращения вала и, соответственно, от скорости движения объекта, т.е. длительность импульсов уменьшается при ускоренном движении, как показано на фиг.4, а при торможении увеличивается, как показано на фиг.5. При движении «вперед» кодограмма 1 расчетных импульсов представлена на фиг.6. При движении «назад» формирование расчетных импульсов приводится в кодограмме 2 на фиг.7.
Сигналы с D1, D2, D3 (фиг.2) поступают соответственно на входы 1, 2, 3 блока умножителя 18, где формируется значение величины перемещения, а с его выхода сигнал поступает на первый блок расчета приращения величины перемещения 13, с выхода блока 13 сигнал расчета одновременно поступает на вход сумматора 14 и вход второго блока расчета приращения величины перемещения 17, где производится коррекция величины пройденного расстояния с учетом коэффициентов связи колесной оси и вала привода спидометра, с выхода блока 17 сигнал коррекции поступает на вход блока расчета корректирующих коэффициентов 15, где уточняются совокупные значения коэффициентов коррекции, с выхода блока 15 сигнал коррекции поступает на вход блока умножителя 18, с выхода сумматора 14 сигнал поступает на последующий блок коррекции 16, с выхода которого измерительный сигнал поступает на блок расчета величины перемещения ПО 18 (навигационный блок).
Недостатком устройства-прототипа является сложность использования и малая достоверность поступающей с него информации при воздействии импульсных электромагнитных полей от системы зажигания и управления двигателем наземного объекта, приводящих к сбоям последовательности информационных импульсов с магнитоуправляемых микросхем определения перемещения Dl, D2, D3. Применение трех микросхем определения перемещения определяет три компоненты ненадежности, уменьшение которых позволит повысить общую надежность системы.
В процессе движения ПО при воздействии разнонаправленной угловой скорости в горизонтальной и вертикальной плоскости, пробуксовках и различных маневрах возникают значительные погрешности при определении величины перемещения наземных объектов, вследствие недостоверности показаний датчиков перемещения и нарушения работы вычислительного алгоритма. В зависимости от величины и знака скорости при изменении направления движения ошибка определения величины перемещения ПО значительно возрастает, как показано на фиг.4, фиг.5.
Таким образом, максимальная точность измерения перемещения подвижных объектов достигается после прохождения произвольного маршрута протяженностью 10 км с работающей спутниковой радионавигационной системой. Определение поправочных коэффициентов направления движения и коэффициентов величины перемещения производится в процессе движения объекта по заданному маршруту. При длительном движении с той же протяженностью в автономном режиме в отсутствие сигналов СРНС происходит накопление ошибок измерения перемещения до 500-1000 метров и более, вследствие стиля вождения, проскальзывания, пробуксовок, различных маневров и т.д., зависящих от состояния дорожного покрытия, рельефа местности, температуры, влажности и т.д.
В заявляемой полезной модели решается задача создания устройства измерения величины перемещения подвижного наземного объекта для навигационных приборов, в котором осуществляется коррекция измерительной информации с учетом анализа изменения направления движения ПО, с использованием поправочных коэффициентов, определяемых по анализу поведения объекта и зависящих от условий окружающей среды, рельефа местности и совершаемым маневрам.
Достигаемый при использовании полезной модели технический результат - повышение точности и достоверности измерения величины перемещения подвижного объекта в экстремальных условиях, при воздействии импульсных электромагнитных полей, при разгоне и торможении, пробуксовке, проскальзывании и при воздействии дестабилизирующих факторов в виде угловой скорости в горизонтальном и вертикальном направлении, провоцирующих боковое скольжение с пробуксовкой.
Для решения поставленной задачи в известное устройство, содержащее датчик оборотов вала двигателя ПО и блок расчета величины перемещения ПО, выход которого является выходом устройства, согласно полезной модели, введены последовательно соединенные блок цифровой фильтрации и формирования входных импульсных сигналов, вход которого соединен с выходом датчика оборотов вала двигателя ПО, блок регистрации передних фронтов входных импульсных сигналов, блок расчета длительности периода предыдущего оборота вала двигателя ПО, блок делителя импульсных сигналов, блок компаратора и блок формирования временных интервалов перемещения ПО; последовательно соединенные блок акселерометров и блок анализа и расчета угла направления движения, выход которого соединен со вторым входом блока формирования временных интервалов перемещения ПО, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока расчета величины перемещения ПО; последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и блок счетчика и оценки временных интервалов импульсных сигналов, выход которого соединен со вторым входом блока компаратора, второй вход - с выходом блока регистрации передних фронтов входных импульсных сигналов, а третий вход - с выходом компаратора; при этом второй выход блока акселерометров соединен со вторым входом блока анализа и расчета угла направления движения, третий вход которого соединен с выходом блока расчета длительности периода предыдущего оборота вала двигателя ПО, второй вход которого соединен с выходом блока генератора тактовых импульсов.
Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг.3, где приняты следующие обозначения:
1 - датчик оборота вала двигателя ПО;
2 - блок цифровой фильтрации и формирования входных импульсных сигналов;
3 - блок регистрации передних фронтов входных импульсных сигналов;
4 - блок расчета длительности периода предыдущего оборота вала двигателя ПО;
5 - блок генератора тактовых импульсов;
6 - блок акселерометров;
7 - блок анализа и расчета угла направления движения;
8 - блок расчета величины перемещения ПО (навигационный блок);
9 - блок делителя импульсных сигналов;
10 - блок компаратора;
11 - блок формирования временных интервалов перемещения ПО;
12 - блок счетчика и оценки временных интервалов импульсных сигналов.
Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные датчик оборотов вала двигателя ПО 1, блок цифровой фильтрации и формирования входных импульсных сигналов 2, блок регистрации передних фронтов входных импульсных сигналов 3, блок расчета длительности периода предыдущего оборота вала двигателя ПО 4, блок делителя импульсных сигналов 9, блок компаратора 10 и блок формирования временных интервалов перемещения ПО 11; последовательно соединенные блок акселерометров 6 и блок анализа и расчета угла направления движения 7, выход которого соединен со вторым входом блока формирования временных интервалов перемещения ПО 11, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока расчета величины перемещения ПО 8, выход которого является выходом устройства. Выход блока генератора тактовых импульсов 5 соединен со вторым входом блока расчета длительности периода предыдущего оборота вала двигателя ПО 4 и с первым входом блока счетчика и оценки временных интервалов импульсных сигналов 12, выход которого соединен со вторым входом блока компаратора 10, второй вход - с выходом блока регистрации передних фронтов входных импульсных сигналов 3, а третий вход - с выходом компаратора 10. Кроме того, выход блока расчета длительности периода предыдущего оборота вала двигателя ПО 4 соединен с третьим входом блока анализа и расчета угла направления движения 7, второй вход которого соединен со вторым выходом блока акселерометров 6.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В качестве датчика 1 оборота вала двигателя ПО может быть использован сельсин датчик, датчик Холла, или при наличии трехфазного датчика можно использовать одну фазу. В процессе движения ПО сигнал с выхода датчика 1 (в виде синусоиды или другой формы сигнала) поступает на вход блока 2, где производится фильтрация и формирование входных импульсных сигналов с отсечкой шумов преобразования, компенсацией внешних воздействующих факторов и «дребезга» контактных переключений. С выхода бока 2 измерительная последовательность импульсных сигналов поступает на вход блока 3, где производится регистрация и отсчет передних фронтов входных импульсных сигналов и определяется длительность их периода. С выхода блока 3 измерительный сигнал поступает на первый вход блока 4, где производится расчет длительности периода предыдущего оборота вала двигателя. На второй вход блока 4 подается сигнал с выхода блока 5, который осуществляет частотно-импульсное заполнение измеряемого периода сигнала в блоке 4. Блок 5 введен для повышения точности определения величины перемещения ПО при воздействии на него разнонаправленных угловых скоростей в процессе различных маневров, связанных с изменением величины и направления ускорений.
Поскольку реализация заявляемого устройства в частном случае производится на базе 16-разрядного микроконтроллера, то из расчета минимальной скорости движения ПО, например, равной одному обороту колеса за 1 секунду, минимальный период тактовой частоты, генерируемой в блоке 5, составляет Т5≈16 мкс. При максимальной скорости движения ПО, например, равной 120 км/ч, величина Т5=33 мс. Таким образом, с выхода блока 4 на вход блока 9 и третий вход блока 7 поступает числовое значение измеряемого периода. С выхода блока 5 частотный импульсный сигнал подается на первый вход блока 12, на второй вход которого подается сигнал с выхода блока 3. С выхода блока 12 на второй вход блока 10 поступает числовое значение импульсных сигналов тактовой частоты блока 5, заполняющих периоды входных импульсных сигналов, поступающих с выхода блока 3 на второй вход блока 12. На первый вход блока 10 поступает последовательность импульсных сигналов, формируемая в блоке 9, которая затем с выхода блока 10 поступает на третий вход блока 12. С выхода блока 4 импульсный сигнал подается на вход блока 9 и третий вход блока 7, на первый вход которого подается сигнал Ау ускорения ПО с первого выхода блока 6, т.е. с выхода первого акселерометра, измерительная ось которого направлена вдоль продольной оси ПО; одновременно на второй вход блока 7 поступает сигнал Ах ускорения ПО со второго выхода блока 6, т.е. с выхода второго акселерометра, измерительная ось которого направлена ортогонально измерительной оси первого акселерометра или перпендикулярно продольной оси ПО. В блоке 9 производится деление периода импульсных сигналов, поступающих с выхода блока 4, на пропорциональные части, обусловленные формированием кодограмм передвижения ПО, например, на 6° или 60° поворота вала двигателя ПО. С выхода блока 9 измерительный сигнал подается на первый вход блока 10, на второй вход которого подается сигнал с выхода блока 12. В блоке 10 производится формирование управляющих импульсных сигналов с частотой, соответствующей частоте деления, установленной в блоке 9. При этом формируемая последовательность управляющих импульсных сигналов инициирует генерацию трех последовательностей импульсных сигналов в блоке 11, передние фронты которых сдвинуты по отношению друг к другу на время, равное сумме длительности четырех импульсных сигналов блока 9 или 240° поворота вала двигателя ПО.
С выхода блока 10 измерительный сигнал подается на первый вход блока 11 и на третий вход блока 12, где производится расчет и оценка временных интервалов управляющих импульсных сигналов. С выхода блока 7, где производится коррекция величины перемещения и угла изменения направления движения, управляющий сигнал поступает на второй вход блока 11, с первого, второго и третьего выходов которого сигналы временных измерительных интервалов перемещения ПО поступают соответственно на первый, второй и третий входы блока 8.
В блоке 7 производится расчет коэффициентов коррекции величины перемещения и угла направления движения. Обработка импульсных сигналов, поступающих с блока 4 на третий вход блока 7, с учетом показаний акселерометров блока 6 также позволяет проводить обработку сигналов от различных типов датчиков с компенсацией ошибок, связанных с пробуксовкой колес и с искажениями показания азимута направления в начале движения и на поворотах. При этом производится преобразование значений ускорений Ax, Ay, поступающих с выходов 2, 1 блока 6 с коррекцией измеренных значений линейных ускорений с учетом изменения значений величины перемещения, пройденного ПО за определенный интервал временного наблюдения, т.е. при наличии ускорений, возникающих при перемещении ПО, которые определяются по изменению его скорости, производится анализ значений фиксированных ускорений Ах, Ау и по результату анализа вычисляются корректирующие значения, которые компенсируют показания ускорений, связанные с маневрами ПО при совершении разгонов, торможении и поворотов.
Компенсированные значения ускорений определяются в блоке 7 в соответствии с (формулой 1) на основании сигналов, одновременно поступающих с выхода блока 6 на входы 1, 2 блока 7:
i
i-1
где V-V - изменение скорости за промежуток времени, в котором проводится измерение ускорения;
Δt - временной интервал измерения скорости движения ПО;
Aу′ - измеренные значения действующего ускорения после фильтрации и коррекции.
Оценка направления движения ПО в блоке 7 производится в соответствии с выражением:
где Ax - значение линейного ускорения в проекции на ось Х приборной системы координат ортогонально продольной оси ПО, формируемое на втором выходе блока 6;
Aу - значение линейного ускорения в проекции на ось Y приборной системы координат вдоль продольной оси ПО, формируемое на первом выходе блока 6.
Коррекция значения ускорения в блоке 7 производится в соответствии с выражением (3):
где Ax, A′у - величины ускорений по ортогональным осям;
Ках, Кау, Dax, Day - коэффициенты, учитывающие величины погрешности, вносимые разориентацией ортогональных измерительных осей акселерометров в плоскости приборной системы координат, а так же учитывающие величины смещения нуля в горизонтальной плоскости.
При этом снижаются погрешности измерения направления движения ПО, обусловленные технологическими и параметрическими погрешностями компонентов блока 6.
С выходов 1, 2, 3 блока 11 измерительные сигналы поступают на соответствующие входы блока 8, в котором формируется значение величины перемещения с учетом вышеуказанных коэффициентов и коэффициентов коррекции, в котором совокупно учтены передаточные коэффициенты связи колесной оси и вала привода спидометра, состояние ходовой части и длина окружности колеса.
В процессе движения ПО при перемещении «вперед» или «назад» с первого выхода блока 6 на первый вход блока 7 поступает сигнал, по которому в соответствии с его знаком производится анализ направления движения, и с выхода блока 7 на второй вход блока 11 поступает сигнал, по которому в блоке 11 производится формирование временных интервалов перемещения ПО в соответствии с информацией, поступающей с выхода блока 10 на первый вход блока 11. При вышеуказанном режиме движения ПО сигнал со второго выхода блока 6, поступающий на второй вход блока 7, пренебрежимо мал и не оказывает воздействия на его работу.
Последовательности измерительных импульсов, формируемые на выходах 1, 2, 3 блока 11, представлены на фиг.8 - для равномерного движения, на фиг.9 - для ускоренного и на фиг.10 - для замедленного движения ПО.
На фиг.11 и 12 представлены кодограммы состояний сигналов на выходах 1, 2, 3 блока 11 для случая движения «вперед» и «назад» соответственно.
В процессе пробуксовки, проскальзывания и поворотов при различных режимах движения (равномерном, ускоренном - при наборе скорости, торможении) сигналы, поступающие с первого и второго выходов блока 6 соответственно на первый и второй входы блока 7, недостаточны по времени и амплитуде воздействия для запуска функционирования блока 7, что приводит к отсутствию или значительному снижению величины сигнала на его выходе и втором входе блока 11 и, соответственно, прекращению формирования временных интервалов перемещения ПО на первом, втором и третьем выходах блока 11. В этом случае соответствующие последовательности измерительных импульсов на выходах 1, 2, 3 блока 11 будут иметь вид, представленный на фиг.13, 14, 15.
При этом снижаются погрешности измерений направления движения ПО, обусловленные технологическими и параметрическими погрешностями акселерометров блока 6.
Заявляемое устройство предназначено для использования в составе подвижных наземных объектов, оснащенных как электронными, так и механическими типами спидометров, при этом производится коррекция измерительной информации с учетом анализа изменения направления движения ПО, с использованием поправочных коэффициентов, определяемых по анализу поведения объекта и зависящих от условий окружающей среды, рельефа местности и совершаемым маневрам.
Техническая реализация блока 6 возможна с применением акселерометров фирмы STMicroelectronics (LIS3L06AL) или фирмы Analog Devices (ADXL325) с разрешением 0,5 mG, диапазон измерений ±2G, чувствительность 0,6V/G.
Блок 8 может быть выполнен аналогично блоку, описанному в прототипе.
Блоки 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 11, 12 могут быть реализованы в виде программно-аппаратных узлов, входящих в 16-битный микроконтроллер PIC33FJ128GP708 фирмы Microchip, подсистема которого содержит контроллер, аналого-цифровой преобразователь, специализированные порты ввода-вывода, встроенную оперативную память, имеющий высокую производительность 40 млн. операций в секунду.
Таким образом, введение новых блоков и связей в заявляемом устройстве позволяет определять пройденный путь наземного ПО с точностью не более 1% от величины пройденного пути.