Система измерения перемещения объектов
SYSTEM FOR MEASURING OBJECT MOVEMENT

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике для определения перемещения объектов и может быть использовано в строительстве, металлургии, складской логистике, морской логистике, автоматизации производства и энергетике.
Уровень техники
Из уровня техники известна система измерения перемещения объекта (RU 2623829 C1, (Медведева Марина Владимировна и др.), 29.06.2017), которая состоит из преобразователя (П), установленного на объекте измерения, источников сигнала (ИС), установленных вдоль траектории движения объекта, и алгоритма обработки данных. При этом в качестве источников сигнала могут использоваться магнитные маркеры или радиочастотные маркеры, которые могут быть уникальными, т. е. содержащими в себе более одного магнита или радиочастотной метки с определенным расстоянием между друг другом. При этом система выполнена с возможностью вычислять координаты маркеров, а также сохранять в памяти разметку (координаты) каждого источника сигнала с высокой точностью, что позволяет системе определять свою абсолютную координату при перезагрузке питания. Недостатки указанной системы заключаются в отсутствии возможности учитывать дополнительную информацию, такую как нелинейности характеристики преобразователя с помощью многократного измерения положения объекта и математического усреднения, условия окружающей среды (температура, влажность и т.п.) и расстояния до источников сигнала, что снижает точность определения перемещения объекта.
Из уровня техники известна система измерения перемещения объекта (US 6351117 B1, (BALLUFF INC.), 26.02.2002), в которой микропроцессор с помощью поправочных коэффициентов учитывают нелинейности характеристики преобразователя. Недостатки указанной системы заключаются в том, что нелинейность учитывают с помощью поправочных коэффициентов, которые хранятся в энергонезависимой памяти, что усложняет систему измерения, а также в том, что указанная система измерения перемещения не учитывает условия окружающей среды (температура, влажность и т.п.) и расстояния до источников сигнала, что снижает точность определения перемещения объекта.
Задачей заявленного изобретения является разработка системы измерения перемещения объектов, которая позволяет с высокой точностью определять положение объекта.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении точности определения положения объекта за счет того, что система измерения выполнена с возможностью учитывать дополнительную информацию, такую как нелинейности характеристики преобразователя (такие как, случайные или систематические погрешности, повторяемость и гистерезис) с помощью многократного измерения положения объекта из разных точек положения преобразователя относительно источника сигнала и возможностью статистической обработки получаемых значений (в том числе, математического усреднения), условия окружающей среды (температура, влажность и т.п.) и/или расстояния до источника сигнала.
Технический результат достигается тем, что система измерения перемещения объектов состоит из преобразователя, установленного на объекте измерения, источников сигналов, установленных возле траектории движения объектов, которые направляют сигнал на движущийся объект с преобразователем, с помощью преобразователя получают выходной сигнал о положении источников сигнала, что позволяет определять положение объекта. При этом система измерения выполнена с возможностью учитывать нелинейности характеристики преобразователя (такие как, случайные или систематические погрешности, повторяемость и гистерезис) с помощью многократного измерения положения объекта из разных точек положения преобразователя относительно источника сигнала и статистической обработки получаемых значений и/или с возможностью учитывать условия окружающей среды и/или расстояния до источника сигнала.
При этом заявленная система измерения перемещения объектов выполнена с возможностью учитывать условия окружающей среды, т. е. факторы окружающей среды (температура, влажность и пр.), влияющие на характеристики взаимодействия между источником сигнала и преобразователем, и/или расстояния до источника сигнала.
При этом в заявленной системе измерения перемещения объектов в качестве источников сигнала используются магнитные маркеры, радиочастотные метки, источники света, источники тепла, источники радиации любого вида, источники кинетической энергии, источники давления, ультразвуковые волны, материал, обладающий индукционными и/или емкостными физическими свойствами.
Источники сигнала могут быть выполнены универсальными, то есть получаемые преобразователем сигналы от источников сигнала отличаются друг от друга только координатой, и/или уникальными, то есть получаемые преобразователем сигналы от источников сигнала отличаются друг от друга не только координатой, но и дополнительной уникальной (то, что отличает одну метку от другой) информацией. Под информацией в простейшем случае понимается, например, идентификационный номер радиометки, или сигнатура магнитной разметки (сигнатура - набор уникальных расстояний между двумя и более универсальными источниками сигнала, одновременно входящих в чувствительную зону преобразователя).
Например, универсальные магнитные или радиочастотные маркеры содержат один магнит или радиочастотную метку из группы радиочастотных меток с одинаковым идентификационным кодом соответственно, а уникальные магнитные или радиочастотные маркеры содержат в себе более одного магнита с определенным расстоянием между друг другом или радиочастотную метку из группы радиочастотных меток с разными идентификационными кодами.
При этом в заявленной системе измерения перемещения объектов в качестве преобразователей используются магнитострикционные преобразователи, преобразователи магнитной энергии (датчики Холла), фотоэлектрические преобразователи, индуктивные и емкостные преобразователи, радиочастотные преобразователи (радиочастотные антенны, головки чтения/записи, блоки обработки радиочастотных сигналов), преобразователи давления, ультразвуковые преобразователи, преобразователи радиационной энергии, преобразователи кинетической энергии.
Помимо определения координаты источника сигнала в зоне чувствительности, преобразователь может идентифицировать источник сигнала (прочесть), т. е. определять сигнатуру универсальных источников сигнала или получать информацию об уникальном источнике сигнала. Информация уникальных источников сигнала может иметь различную интерпретацию, в зависимости от типа источника сигнала. Например, для радиометки информацией является ее идентификационный номер. Для уникальных магнитных маркеров информацией является ее сигнатура.
Радиочастотные преобразователи позволяют определять координату источника сигнала (в том числе, относительно себя) и его номер при использовании радиочастотной метки из группы радиочастотных меток с разными идентификационными кодами / индивидуальными кодами (уникально идентифицировать источник сигнала).
Особенностью используемых в решении перечисленных выше типов преобразователей является возможность измерять координату более, чем одного источника сигнала. Это позволяет определять координаты источника сигнала, поступающего в чувствительную зону преобразователя во время движения объекта в пространстве, что позволяет системе на основании определенных координат источников сигнала строить трассу источников сигнала для определения положения объекта в пространстве. Зная исходную координату объекта (например, ноль), система позволяет автоматически определять координаты всех последующих источников сигнала в пространстве. Для этого, в исходной позиции объекта преобразователь в пределах своей чувствительной зоны измеряет координаты одного или более источника(ов) сигнала. При движении объекта система вычисляет свою координату посредством относительного смещения преобразователя и источника сигнала (при этом источник сигнала является неподвижным), в пределах чувствительной зоны преобразователя. При поступлении нового источника сигнала в чувствительную зону преобразователя, система, зная текущую координату объекта, вычисляет координату нового источника сигнала. Процесс постоянно повторяется при движении объекта и поступлении новых источников сигнала в чувствительную зону преобразователя. Таким образом, система может определять координату объекта на основе последующих источников сигнала, которые поступают в чувствительную зону преобразователя.
Обладая данными о своей координате, система вычисляет координату источников сигнала, поступающих в чувствительную зону преобразователя, и строит трассу источников сигнала для определения координаты объекта относительно данной трассы. Данное свойство системы называется адаптивностью: возможность системы строить пространственное расположение произвольно установленных источников сигнала.
Таким образом, заявленное изобретение реализует адаптивный принцип построения трассы: преобразователь определяет координаты универсальных и/или уникальных источников сигнала. При этом преобразователь вычисляет координаты одного или нескольких источников сигнала в пространстве относительно себя (локальная координата), после чего система строит пространственную трассу универсальных и/или уникальных источников сигнала. На основе построенной трассы система определяет свое положение в пространстве.
Измерение перемещения объекта/системы может осуществляться на уникальных участках трассы - участках трассы, на которых универсальные источники сигнала располагаются на различном расстоянии друг от друга (соблюдая уникальность сигнатуры) и/или на которых расположены уникальные источники сигнала на любом расстоянии друг от друга, в том числе и на одинаковом расстоянии друг от друга, и на инкрементных участках - участках, на которых расстояние между всеми универсальными источниками сигналами постоянно (нет уникального расположения универсальных источников сигнала).
Система одновременно может вычислять координаты источников сигнала и объекта, т.е. позволяет производить позиционирование или отслеживание перемещения последнего.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Пример системы измерения перемещения объектов, когда преобразователь - магнитострикционный преобразователь, а источник сигнала - постоянные магниты.
Фиг. 2 - Пример магнитных маркеров.
Фиг. 3 - Характеристика нелинейности волновода.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан пример системы измерения перемещения объектов, в которой на объект измерения устанавливают преобразователь, в качестве которого применяют магнитострикционный преобразователь линейных перемещений (1), а возле траектории перемещения объекта размещают источники сигнала, в качестве которых применяют магнитные маркеры (2, 3), которые содержат постоянные магниты. Электрический импульс, генерируемый внутри преобразователя, взаимодействует с магнитным полем магнитов, создавая магнитострикционную волну кручения в волноводе, которая распространяется со сверхзвуковой скоростью. Составная волны кручения преобразуется в электрический сигнал. Преобразователь перемещений отслеживает свое абсолютное перемещение относительно неподвижных магнитов, начиная от исходной точки.
При этом указанный пример не является ограничивающим объем притязаний, и специалисту в данной области техники понятно, что в качестве преобразователя перемещений могут применяться: преобразователи магнитной энергии (датчики Холла), фотоэлектрические преобразователи, индуктивные и емкостные преобразователи, радиочастотные преобразователи (радиочастотные антенны, головки чтения/записи, блоки обработки радиочастотных сигналов), преобразователи давления, ультразвуковые преобразователи, преобразователи радиационной энергии, преобразователи кинетической энергии., а в качестве источников сигналов могут применятся: радиочастотные маркеры, источники света, источники тепла, источники радиации любого вида, источники кинетической энергии, источники давления, ультразвуковые волны, материал, обладающий индукционными и/или емкостными физическими свойствами.
Магнитные и радиочастотные маркеры могут быть универсальными - инкрементными (2), то есть содержать один магнит или радиочастотную метку из группы радиочастотных меток без уникальности идентификационного кода и/или уникальными - интервальными (3), то есть содержит в себе более одного магнита или радиочастотной метки из группы радиочастотных меток с уникальным идентификационным кодом.
Система сохраняет в памяти разметку (координаты) каждого источника сигнала с высокой точностью, что позволяет системе определять свою абсолютную координату, даже после перезагрузке питания, за счет информации о сохраненных в памяти координат каждого источника сигнала. Система измерений перемещения объектов выполнена с возможностью вычислять координаты источников сигналов даже в случае, если источники сигналов меняют свое положение, проводить непрерывное многократное измерение координат одного и того же источника сигнала из разных точек положения объекта/преобразователя для получения большей точности измерения, и/или определять расстояние до источника сигнала.
Система измерения перемещений увеличивает точность своего положения относительно неподвижных источников сигнала за счет многократного измерения координат источника сигнала из разных точек положения преобразователя относительно источника сигнала и статистической обработки получаемых значений, а также за счет учета дополнительной информации, такой как нелинейность характеристики преобразователя (случайные или систематические погрешности, повторяемость и гистерезис), более подробно (см. ниже подробнее), факторов окружающей среды, влияющих на характеристики взаимодействия между источником сигнала и преобразователем и/или расстояния до источников сигналов.
Учет условий окружающей среды позволяет повысить точность определения используемых в системе источников сигнала (например, магнитных, радиочастотных маркеров).
Влияние нелинейности характеристики волновода предполагается существенно уменьшить за счет «усреднения» самой характеристики. Период синусоиды характеристики нелинейности составляет примерно 5 мм (технологическая величина). Как показано на фигуре 3. В то время, как длина преобразователя (т. е. волновода) существенно больше 5 мм, например, 2500мм. таким образом, при движении объекта и многократного измерения положения объекта, с помощью статистической обработки получаемых значений возможно существенно снизить влияние нелинейности характеристики волновода.
Таким образом учет дополнительной информации позволяет системе измерения перемещения объектов повысить точность определения положения объекта.