BR112012017560B1 - sistema de estabilização para sensores em plataformas móveis - Google Patents

Abstract

sistema de estabilização para sensores em plataformas móveis descreve-se um aparelho sensor do campo estabilizado coleta dados de campo, em particular os dados de campo magnético, com ruído de movimentoreduzido. o aparelho inclui: invólucro moldado em gota, armação de reboque no invólucro, uma pluralidade de amortecedores de isolamento de vibração espaçada em torno da armação, um conjunto de base montados para os amortecedores, um pedestal de suporte tendo uma extremidade de fundo fixada ao conjunto de base e uma extremidade livre superior, um rolamento de ar esférico conectado a extremidade livre superior do pedestal, uma plataforma de instrumento com um funil oco inferior tendo um vértice interno superior apoiado sobre o rolamento de ar para um ponto de suporte e estabilidade rotacional, e pelo menos um sensor de campo montado para a plataforma de instrumento para coletar os dados de campo ao ser estabilizado contra o ruído de movimento incluindo vibração, articulação e rotação do conjunto de base, da armação de reboque e do invólucro.

Description

SISTEMA DE ESTABILIZAÇÃO PARA SENSORES EM PLATAFORMAS MÓVEIS [001] A invenção se refere em geral ao campo de suportes de sensor, e, em particular, a um novo e útil dispositivo de estabilização de magnetômetro que facilita a coleta contínua de dados do campo magnético do vetor de banda larga incluindo medições únicas de baixa frequência magnética na largura de banda de 1 Hz a 25 Hz, sem ser afetada pelo ruído de movimento. A invenção é particularmente útil para prospecção de recurso mineral usando técnicas eletromagnéticas passivas ou ativas a partir de veículos transportados por ar, terra ou água.

Descrição do estado da técnica [002] O problema solucionado pela invenção é a medição do vetor contínuo de campos magnéticos variantes no tempo na faixa de frequência de 1 Hz a acima de 10 kHz por sensores montados em um invólucro transportável rebocado por uma aeronave (frequentemente chamada de caça, avião teleguiado, ou sonda) ou montada em um veículo terrestre ou aquático. O campo magnético de interesse é criado como um resultado de indução eletromagnética (EMI) através de correntes nestas frequências fluindo através da Terra. Elas são induzidas ambas através de um sinal magnético Primário a partir de um transmissor e antena (sistemas de fonte controlada) ou através de campos geomagnéticos variantes em tempo naturais produzidos ou refletidos a partir da ionosfera da Terra (sistemas de campo natural ou passivo). Estes campos induzidos são extremamente fracos em comparação ao campo geomagnético estável possuído pela Terra. Em uma plataforma fixa, os componentes fracos variantes em tempo são facilmente distinguidos do campo geomagnético forte, mas em uma plataforma móvel, movimentos rotacionais de um sensor de vetor em um campo estável criarão variações na saída do sensor que podem ser indistinguíveis dos campos variantes em tempo produzidos pela indução eletromagnética. A parte da saída do sensor devido a

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 10/122 / 41 rotações é genericamente chamada de ruído de movimento embora seja estritamente a rotação e não a aceleração linear do sensor que o causa.

[003] Uma variedade de dispositivos tem sido empregada na exploração geofísica que explora EMI para detectar zonas de condutividade elétrica aumentada (Condutores) na Terra e para caracterizar a natureza variante em tempo da condutividade elétrica na Terra (Polarizabilidade) através dos campos magnéticos observados. Tais medições EMI são frequentemente diagnósticos de depósitos de petróleo e mineral, variações estruturais e litológicas no solo, aquíferos e plumas de contaminação, e objetos feitos pelo homem tal como cercas, encanamentos, material militar e tesouro. Um atributo comum da maioria dos sistemas geofísicos EMI é uma necessidade de medir campos magnéticos fracos variantes em tempo; e muitos empregam um conjunto de três sensores, cada um sensível ao componente do campo em uma direção diferente (frequentemente ortogonal) para reconstruir o vetor do campo magnético variante em tempo completo.

[004] O problema ao qual a invenção é projetada para solucionar ocorre em todos os casos onde um sensor magnético é fixado a um invólucro que se move através de um campo de baixa frequência ou estático como o da Terra. Enquanto as acelerações lineares não são um problema, a aceleração rotacional do sensor cria um sinal variante em tempo que é adicionalmente o que seria obtido se o sensor fosse mantido em uma orientação fixa. Enquanto a presente invenção é destinada a ser implantada em um invólucro rebocado a partir de uma aeronave, poderia ser útil em todas as situações quando os dados do campo magnético do componente vetor são adquiridos a partir de qualquer veículo móvel desde que um campo de fundo estático esteja sempre presente. Tais veículos incluem espaçonaves, aeronaves, veículos terrestres e subterrâneos, veículos marinhos e submarinos, ou qualquer avião teleguiado ou plataforma rebocada ativa ou passiva ou ligada a tal veículo. A invenção também se aplica a sensores de campo magnético em uma localização fixa

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 11/122 / 41 onde o movimento rotacional pode ser introduzido de outra forma através de tais efeitos como vibração, ou onde o campo magnético é para ser medido em uma parte móvel, tal como em uma peça de maquinário.

[005] Muitas tecnologias de sensor estão disponíveis para medição contínua sensível de campos magnéticos. Estas mais adequadas para uso nos sistemas de medição EMI são sensores de vetor que registram um componente espacial do campo magnético sobre uma faixa especificada de frequências, possivelmente (ou não) incluindo componentes de campo estável de longo prazo como o campo geomagnético da Terra. No que segue, usamos o termo magnetômetro ou sensor para qualquer um destes tipos de sensores, apesar do fato de que este termo é algumas vezes aplicado para significar somente instrumentos adequados para medir o campo geomagnético essencialmente estável, e aqueles magnetômetros para detectar campos variantes em tempo frequentemente utilizam indução eletromagnética em bobinas e podem, portanto, algumas vezes não serem referidos como magnetômetros.

[006] Na invenção contemplada aqui, o invólucro do sistema sensor é tipicamente rebocado atrás ou embaixo de uma aeronave ao longo de linhas transversais. Nos dispositivos do estado da técnica existentes rebocados desta maneira, os sensores são carregados dentro dos seus invólucros em suspensões passivamente amortecidas. As forças de recuperação e amortecimento nestas suspensões têm os papéis concorrentes de reduzir o ruído rotacional enquanto mantém aproximadamente a orientação dos sensores em relação ao invólucro e a regulagem destas suspensões representa um compromisso entre dois papéis. Em frequências muita abaixo de 25 Hz, tais suspensões não fornecem isolamento rotacional suficiente para permitir medições EMI. Desta forma, as tentativas de usar sistemas existentes para frequências de operação inferiores bem abaixo de 25 Hz têm resultado em níveis inaceitáveis de ruído.

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 12/122 / 41 [007] Como será explicada nesta descrição, a presente invenção usa um sistema de isolamento de vibração externo bastante convencional para reduzir as acelerações rotacional e linear, mas adiciona a este um sistema interno para isolamento rotacional com essencialmente nenhuma força de amortecimento ou recuperação para produzir novas vantagens inesperadas sobre a técnica anterior.

[008] Existe um número de métodos que tem sido aplicado para assistir nas plataformas de instrumento de estabilização rotacionalmente de todos os tipos, incluindo métodos giroscópicos passivos e ativos, baixo atrito, suspensões por cardam altamente balanceadas e rolamentos esféricos. Em aero geofísica, plataformas estabilizadas por giroscópio têm sido usadas na medição da gravidade do ar e gradientes de gravidade, e existem patentes separadas para estas tecnologias. No entanto estes sistemas focam em eliminar as acelerações lineares ao invés das acelerações rotacionais. Para medições EMI, são as acelerações rotacionais que são mais problemáticas. O sistema de isolamento interno foca em eliminar estas combinando três técnicas independentes; suspensão de ponto único não amortecido, balanceamento dinâmico e estabilização giroscópica inercial.

[009] O problema da estabilização de orientação é compartilhado pela indústria cinematográfica onde câmeras montadas em plataformas móveis podem ser objeto de rotações indesejadas que produzirem imagens inutilizáveis. A presente invenção empresta a técnica básica da estabilização giroscópica desenvolvida por esta indústria. No entanto, os métodos de estabilização usados na indústria cinematográfica não são suficientemente precisos e também são problemáticos para nosso propósito.

[0010] Desta forma, as técnicas são refinadas em duas maneiras principais. Primeiramente, a estabilização é feita mais precisa de forma a alcançar o nível de ruído necessário para a medição EMI útil através do design da montagem e os meios através dos quais o conjunto a desempenha é

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 13/122 / 41 balanceado. Em segundo, as técnicas de proteção magnética adicionais são empregadas para minimizar os efeitos do equipamento de estabilização cinemática ruidoso eletromagneticamente nos sensores magnéticos ultrassensíveis.

[0011] Adicionalmente, existem tecnologias de isolamento de movimento linear bem conhecidas, incluindo flutuação, rolamentos de ar, suspensão bungee, combinações de molas e absorvedores de choque e esquemas para compensação de sinal ativo. O isolamento do movimento linear também pode melhorar a estabilidade rotacional reduzindo os torques sobre a plataforma que resultam da aplicação daquelas acelerações lineares para uma plataforma de instrumentação imperfeitamente balanceada. Da mesma forma, a estabilidade rotacional é mais aumentada através de melhoras no balanceamento da plataforma.

[0012] A invenção contemplada aqui é diferente dos dispositivos existentes em pelo menos três maneiras que se tornarão aparentes posteriormente nesta revelação. Primeiro, na sua solução de isolamento rotacional, ela dispensa com forças de recuperação e amortecimento usadas nos sistemas existentes ao invés disso, os sensores são presos a uma plataforma de instrumento rígida que é permitida a flutuar livremente em um único rolamento de ar esférico. Assim, o conjunto está livre para girar em qualquer direção em torno de um centro preciso de rotação e pode manter sua orientação em relação ao campo geomagnético de fundo estático da terra mesmo enquanto o invólucro da plataforma gira abaixo deste. Esta abordagem reconhece que não é importante manter a direção do pacote de instrumentação em relação ao invólucro contanto que a provisão seja feita de forma que a suspensão possa ser mantida dentro da sua faixa mecânica de operação. Sistemas independentes AHRS (registro de orientação e atitude) estão comercialmente disponíveis e são usados nesta invenção para manter o rastreamento da orientação dos sensores em relação ao invólucro e em relação

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 14/122 / 41 ao quadro de referência geográfica. Sem as forças de recuperação e atrito de amortecimento inerentes nos sistemas de isolamento de movimento existentes, a invenção é capaz de melhorar drasticamente o ruído de baixa frequência causado pela instabilidade rotacional do invólucro.

[0013] Uma segunda maneira na qual a invenção contemplada aqui se difere dos dispositivos existentes é que lida com o problema do desequilíbrio dinâmico da plataforma de instrumentação incorporando um sistema de balanceamento dinâmico que mantém o centro de massa da plataforma de instrumentação precisamente no seu centro de rotação. Este sistema é um projeto novo que usa membros ativos vibrando em frequências fixas para avaliar o nível de ruído rotacional induzido através da ação de cada vibrador em cada sensor. O sistema usa esta informação para ajustar as massas de balanceamento em uma curva de feedback de forma a alcançar um ruído mínimo.

[0014] Uma terceira maneira na qual a invenção se difere dos dispositivos existentes é que permite a resistência adicional à rotação a ser incorporada através da adição de diversos estabilizadores giroscópicos (emprestados da indústria cinematográfica) enquanto lidam com os problemas de usar tais dispositivos ruidosos eletromagneticamente em grande proximidade aos sensores EMI sensíveis.

[0015] Existe uma indústria para medição de rotina de indução eletromagnética da aeronave. Esta indústria tem fornecido um número de sistema de fonte controlada comercial incluindo os sistemas Geotem, Spectrem e Tempest que operam a partir da aeronave de asa fixa e HeliGeotem, VTEM (vide Patente norte-americana US 7,157,914 de Morrison et al.), Aerotem, THEM, Skytem e os sistemas do tipo Dighem que são rebocados abaixo de helicópteros. Todos estes sofrem de problemas de ruído rotacional em um grau ou outro, todos empregam alguma forma de controle de rotação do sensor passivo usando forças de recuperação e amortecedores

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 15/122 / 41 de uma forma ou outra. Nenhum destes usa estabilização giroscópica. Nenhum deles opera em frequências abaixo de 25 Hz porque o ruído induzido por movimento é muito alto.

[0016] As medições eletromagnéticas aéreas passivas (campo natural) sofrem da mesma suscetibilidade a ruído induzido de movimento como sistemas de fonte controlada em frequências mais baixas. As medições foram feitas primeiro por Ward com o sistema AFMAG (Geophysics, Vol. XXIV, No. 4 (Outubro, 1959), pp. 761-789). Mais recentemente, as medições passivas têm sido feitas com o sistema ZT EM que de acordo com a Geotech operam na banda de frequência de 30 - 6000 Hz. Vide Field of Geotech's Airborne AFMAG EM System de Lo, et al., Conferência AESC, Melbourne, Austrália, 2006. O VLF-EM é um sistema EMI passivo comum a muitas pesquisas aéreas. O VLF-EM opera acima de 10 kHz. Na banda VLF, o ruído de movimento não é importante porque a orientação da aeronave é estável nestas frequências.

[0017] A patente norte-americana US 6,765,383 de Barringer (2002) descreve um sistema de pesquisa magneto telúrica operando na faixa de 3 a 480 Hz usando um caça rebocado. Poucos geofisicistas acreditam que o sistema de Barringer poderia funcionar. Neste sistema, o campo magnético é medido com um magnetômetro de campo total e 3 bobinas de indução do eixo ortogonal. Um sensor de movimento angular comercial padrão de sensibilidade limitada é usado para registrar o movimento do caça e compensar o sinal para mudanças angulares na orientação da bobina. No entanto, o movimento do caça não era separado do movimento das bobinas. A patente norte-americana US 7,002,349 (2006) também de Barringer descreve um sistema de ponta de asa similar.

[0018] A patente norte-americana US 4,629,990 de Zandee (1986) descreve o uso de campos EM de baixa frequência (abaixo de 30 Hz) para corrigir as localizações relativas de um transmissor e receptor nos sistemas

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 16/122 / 41 aéreos de fonte controlada, mas desconsidera a possibilidade de usar os dados de baixa frequência para medir a dispersão eletromagnética devido a correntes induzidas na Terra.

[0019] As medições geofísicas aéreas não eletromagnéticas são feitas a partir de plataformas estabilizadas inercialmente. O sistema de gravidade aérea Airgrav do geofísico Sander mede a gravidade de uma plataforma estabilizada inercialmente ajustada por 3 eixos de Schuler. A patente norteamericana US 6,883,372 de van Leeuwen et al. revela a tecnologia similar em um gradiômetro de gravidade da BHP Billiton Innovation Pty Ltd. de Melbourne, Austrália. Outros sistemas de gravidade aérea/gradiômetro de gravidade são operados pela Bell Geospace, Arkex e New Resolution Geophysics. Um gradiômetro de gravidade desenvolvido pela RTZ é descrito nas patentes norte-americanas US 5,804,722 e US 5,668,315 de Van Kann et al.

[0020] Em uma aplicação diferente, a patente norte-americana 7,298,869 de Abernathy descreve um sistema de imagem terrestre multiespectral estabilizado por giroscópio.

[0021] A patente norte-americana US 6,816,788 de Van Steenwyk et al. (2003) descreve um aparelho de medição magnetômetro estabilizado inercialmente para uso em um ambiente rotativo de sonda de perfuração. Nesta patente, as medições do componente de gravidade e magnético são feitas em uma sonda de perfuração. Os sensores magnéticos medem os componentes do campo magnético ortogonais ao eixo do orifício, e um giroscópio é usado para detectar o movimento angular inercial em torno do eixo da sonda de perfuração. O propósito dos giroscópios é fornecer uma referência inercial para medir os dados de rotação angular. Esta referência angular é usada para corrigir medições para a rotação da sonda, ou para fornecer uma referência para controlar um mecanismo de condução rotativo que faz com que os sensores mantenham uma orientação estável. Uma patente

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 17/122 / 41 similar, patente norte-americana US 6,651,496 de Van Steenwyk et al. descreve o uso de giroscópios para obter informações de rotação para uma sonda em uma sonda de perfuração de forma que a informação de rotação possa ser usada para corrigir a orientação dos sensores. Em ambos estes casos, somente o campo magnético estático da terra foi medido, e não os campos magnéticos causados por correntes variantes em tempo fluindo na Terra.

[0022] A patente norte-americana US 6,369,573 de Tumer et al., atribuída ao The Broken Hill Proprietary Company Limited of Australia (BHP - 2002), revela um caça rebocado para uso na prospecção mineral eletromagnética que usa um método para reduzir a rotação do sensor. O objetivo desta patente é similar ao atual esforço, mas a abordagem usa os métodos de isolamento passivos com uma força de recuperação (molas) e um amortecedor (fluido). Este dispositivo BHP consiste de duas conchas esféricas aninhadas. O líquido é contido entre as conchas interna e externa e uma esfera tem aberturas através das quais apoiam cordas que se projetam para se travar a um ponto interno dentro da esfera. As cordas têm uma extremidade conectada a um ponto interno dentro da esfera de suporte e outra extremidade conectada a uma mola. A mola inclui um amortecedor para amortecer o movimento da mola. Defletores são arranjados na cavidade entre as conchas interna e externa nas quais o líquido está contido para amortecer o movimento do líquido.

[0023] A patente norte-americana US 5,117,695 de Henderson et al. (1995) usa um conceito relacionado para amortecimento e descreve um método para uma atenuação da vibração empregando um conjunto projetado para a proteção de instrumentos de eixo único tal como acelerômetros usando um fluido de amortecimento.

[0024] Outras patentes de Dupius et al.de prospecção eletromagnética recentes têm sido concedidas (vide Patente norte-americana US 7,375,529)

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 18/122 / 41 que usa múltiplos núcleos para aumentar a quantidade de fluxo magnético reunido através de um magnetômetro.

[0025] Jackson descreve uma invenção na patente norte-americana US 7,397,417 (2008) que é um aparelho de prospecção geofísica passivo que usa um sensor resistente a magneto na faixa de 65kHz-12kHz.

[0026] A patente norte-americana US 6,244,534 de Klinkert descreve um sistema de prospecção aérea que usa um caça aerodinâmico com superfícies de controle de atitude manipulado para abrigar um transmissor. A inclinação do caça pode ser controlada através de múltiplas cordas de reboque, e o receptor pode estar ou no mesmo caça ou em um caça separado. O caça tem opcionalmente um motor e hélice separada.

[0027] O pedido de patente norte-americano US 2003/0169045 publicado de Whitton et al., descreve um método para medir pontualmente as medições de EM aérea usando uma curva de transmissão rígida e uma montagem de triturador rígido separado e bobina receptora. Esta invenção emprega amortecimento passivo.

[0028] Existem muitas patentes de estabilizadores giroscópicos autônomos. Os dispositivos usados na realização descrita aqui são fabricados por Kenyon Laboratories e trabalham sobre os princípios descritos na Patente norte-americana de 1957, US 2,811,042 de Theodore Kenyon.

[0029] O documento US2735063 descreve um magnetômetro de campo para medir o vetor do campo magnético da Terra a partir de uma aeronave.

[0030] O documento US3115326 descreve um sistema de montagem de instrumentos para isolamento de um instrumento de vibração e tem referência particular para uso com instrumentos portáteis tal como dispositivos de detecção aéreos.

[0031] O documento US2009/0278540 descreve um sistema de bobina receptora de suspensão dupla e um aparelho para conduzir

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 19/122 / 41 levantamentos eletromagnéticos incluindo tanto medições terrestres como aéreas.

Breve descrição da invenção [0032] A invenção é composta de quatro sistemas mecânicos principais, um número de sistemas auxiliares envolvendo dispositivos pneumáticos, mecânicos, eletrônicos e de computação e um número de algoritmos para otimizar o desempenho.

Sistemas Mecânicos:

[0033] A invenção usa quatro sistemas mecânicos acoplados e aninhados. Cada um dos sistemas tem uma função diferente em relação ao isolamento mecânico. A mais interna destas é a plataforma de instrumentação estabilizada por rotação que carrega os sensores e o sistema de aquisição de dados. O sistema mais externo é um invólucro que é aproximadamente em forma de gota. Sua função é proteger os sistemas internos dos elementos atmosféricos e para fornecer um formato de reboque apresentará um mínimo de vibração induzida por turbulência acima de 1 Hz. O invólucro provavelmente utilizará superfícies de controle tais como afetas para ajustar suas características de voo, no entanto, estas não são centrais à função e novidade da invenção e foram omitidas dos desenhos.

[0034] O invólucro é acoplado à armação de reboque. A armação de reboque carrega os dois sistemas internos e é acoplada ao invólucro através de um eixo rotativo horizontal que permite que a armação de reboque mantenha seu ângulo de inclinação enquanto ocorrem mudanças no ângulo de ataque do invólucro durante o voo. O componente estrutural essencial da armação de reboque é um anel circular aproximadamente horizontal que carrega todos os sistemas internos através de um conjunto de amortecedores de isolamento da vibração. Os amortecedores reduzem significativamente a vibração transmitida para os sistemas internos da turbulência aerodinâmica e de variações na tensão no cabo de reboque.

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 20/122 / 41 [0035] Interno a armação do reboque está o conjunto de base, uma estrutura em formato de cesta ligada à armação de reboque através dos amortecedores de vibração. O propósito do conjunto de base é fornecer um suporte de baixo para o rolamento de ar do ponto de articulação único que suporta a plataforma de instrumentação em uma posição em que o centro de massa de dois sistemas internos combinados estará localizado ao centro do anel circular da armação de reboque.

[0036] A estrutura mais interna é a plataforma de instrumentação que tem a forma de um funil invertido. Esta estrutura é acoplada ao conjunto de base através de um único rolamento de ar esférico localizado no topo de um pedestal ligado ao conjunto de base. O rolamento é praticamente sem atrito. Auxiliado pelo ponto alto de inércia da plataforma e seu equilíbrio quase perfeito em todas as três direções em torno do ponto de rotação do rolamento fornece um nível extremamente alto de desacoplamento rotacional entre o conjunto de base e a plataforma de instrumentação. Esta tem cerca de 25 graus de viagem livre angular nas direções de rotação e inclinação em torno da coluna de suporte e tem completa liberdade na guinada. A plataforma pode flutuar totalmente livre, considerando que não existem conexões de força, ar ou mecânica ligando-a ao lado externo.

Sistemas Auxiliares:

[0037] Pneumático - O rolamento de ar principal bem como um número de dispositivos de acionamento no conjunto de base opera sobre ar comprimido em 551,58-689,48 kPa (80-100 libras por polegada quadrada) de pressão. A alimentação para estes sistemas é uma linha de ar que não é mostrada em nenhum dos desenhos. A linha de ar se origina no ou abaixo do veículo de reboque e entra no invólucro através de um dos eixos rotativos que também servem como pontos coletores para os cabos de reboque. A linha de ar será conduzida a partir da armação de reboque para a montagem de base permitindo folga suficiente para acomodar quaisquer movimentos relativos

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 21/122 / 41 induzidos pelos amortecedores de vibração.

[0038] Estabilizadores Giroscópicos - A invenção inclui três estabilizadores giroscópicos localizados sobre a plataforma de instrumentação. Cada um destes é embalado com o seu próprio pacote de bateria e inversor dentro de um protetor magnético.

[0039] Sistema de Aquisição de dados - A invenção inclui um sistema de aquisição de dados de 4 canais localizado na plataforma de instrumentação. O sistema aceita entradas análogas dos magnetômetros de componente vetor bem como um sinal PPS (pulso-por-segundo) de um GPS e transmite estes para um roteador sem fio localizado sobre a plataforma de reboque. O link de dados estará ao longo de cabo LAN a partir da plataforma de reboque para o veículo de reboque.

[0040] Computador Incorporado - A invenção inclui um computador incorporado localizado sobre a plataforma de instrumentação. Este computador tem o papel duplo de controlar a posição das massas de equilíbrio e transmitir dados a partir do dispositivo AHRS sem fio para o roteador sem fio localizado sobre a armação de reboque.

Sistema de Balanceamento Dinâmico:

[0041] A invenção inclui um sistema de balanceamento dinâmico compreendido de:

a) três vibradores lineares orientados ortogonalmente e localizados sobre o conjunto de base logo abaixo do rolamento de ar;

b) três acionadores lineares orientados ortogonalmente um para o outro e localizados na plataforma de instrumentação; e

c) um computador incorporado para controlar as posições das massas de equilíbrio, adquirindo dados a partir do dispositivo AHRS incorporando um magnetômetro de fluxo e se comunicando com um PC no veículo de reboque através de um link sem fio com o roteador sem fio na armação de reboque.

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 22/122 / 41 [0042] O sistema de balanceamento funciona fornecendo uma vibração artificial em três frequências fixas em cada uma das três direções de vibração. Os dados magnéticos dos sensores primários detectarão a ação destas vibrações se a plataforma de instrumentação não estiver perfeitamente balanceada. Um algoritmo de otimização não linear irá operar no PC com base no veículo de reboque e enviará comandos para o computador incorporado para otimizar o equilíbrio da massa da plataforma de instrumentação. O algoritmo prevê a manutenção de um ligeiro desvio no equilíbrio de forma a manter o propósito da plataforma em uma orientação aproximadamente vertical, desta forma, impedindo-a de alcançar seus limites de rotação e inclinação.

[0043] Os diversos aspectos da novidade que caracteriza a invenção são apontados com particularidades nas reivindicações anexas e formando uma parte desta revelação. Para um melhor entendimento da invenção, suas vantagens de operação e objetivos específicos relacionados aos seus usos, é feita referência aos desenhos acompanhantes e matéria descritiva na qual realizações preferidas da invenção são ilustradas.

Descrição resumida dos desenhos [0044] Nos desenhos:

A Fig. 1A é uma vista em corte de um sistema de estabilização de acordo com uma realização preferida da presente invenção;

A Fig. 1B é uma vista perspectiva do sistema de estabilização da Fig. 1A, com seu invólucro transparente de forma que as estruturas subjacentes sejam visíveis;

A Fig. 1C é uma vista perspectiva de uma armação de reboque de acordo com a realização preferida da invenção ilustrada na Fig. 1A;

A Fig. 2A é uma vista perspectiva do topo de um conjunto de base da realização mostrada na Fig. 1A;

A Fig. 2B é uma vista perspectiva do fundo do conjunto de

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 23/122 / 41 base da Fig. 2A que mostra o fundo de uma placa de base do conjunto de base;

A Fig. 2C é uma vista esquemática do interior do pedestal de suporte nas Figs. 2A e 2B mostrando os acionadores de três eixos pneumáticos vibratórios. A fonte de ar comprimido ou gás não é mostrada;

A Fig. 3A é uma vista perspectiva da plataforma de instrumento na realização da Fig. 1A;

A Fig. 3B é uma vista perspectiva mostrando as partes ativas da plataforma de instrumento com a estrutura da plataforma removida para mostrar as posições relativas dos sensores de campo principais e módulo de instrumento empilhado da invenção;

A Fig. 3C é uma vista perspectiva parcial de uma parte de haste da plataforma de instrumento que mostra a posição de dois módulos estabilizadores giroscópicos secundários da invenção;

A Fig. 3D é uma elevação lateral da plataforma;

A Fig. 3E é um detalhe aumentado tirado no círculo 3E da Fig. 3D;

A Fig. 4A é uma vista perspectiva da parte de haste da plataforma de instrumento contendo módulos de instrumento empilhados incluindo o estabilizador giroscópico principal;

A Fig. 4B é uma vista perspectiva dos módulos de instrumento empilhados mostrando as aletas de radiador, placas de radiador e a proteção magnética de mumetal;

A Fig. 4C é uma vista perspectiva dos módulos de instrumento empilhados com as aletas de radiador e placas removidas e mostrando a proteção mu magnética exposta;

A Fig. 5A é uma ilustração esquemática do sistema de balanceamento dinâmico da invenção;

As Figs. 5B e 5C mostram respectivamente as intensidades

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 24/122 / 41 espectrais das vibrações do pedestal imposto pelo pneumático mutuamente ortogonal e as intensidades espectrais resultantes dos sinais a partir dos três magnetômetros montados sobre a plataforma de instrumento;

A Fig. 6A é uma vista do topo do hemisfério carregado do rolamento de ar esférico;

A Fig. 6B é uma vista lateral em corte do rolamento de ar esférico; e

A Fig. 6C é uma vista explodida perspectiva do conjunto de rolamento de ar esférico.

Descrição detalhada

Principal utilidade da invenção:

[0045] A presente invenção é um novo caça aéreo contendo diversos sistemas componentes. Junto com seus sistemas internos e enquanto está sendo rebocado de um helicóptero ou outra aeronave, o caça mede os dados do campo magnético de três componentes ao longo de uma ampla faixa de frequências, especialmente incluindo a banda de baixa frequência de 1 Hz a 25 Hz. A principal aplicação da invenção é na exploração geofísica para detectar zonas de condutividade elétrica aumentada (Condutores) na Terra e para caracterizar a natureza de tempo variante da condutividade elétrica na terra (Polarização) através dos campos magnéticos observados. Estes campos magnéticos de tempo variante são frequentemente diagnósticos de depósitos de petróleo e mineral, variações estruturais e litológicas no solo, aquíferos e plumas de contaminação, e objetos feitos pelo homem tais como cercas, encanamentos, material militar e tesouro.

[0046] A presente invenção é o primeiro dispositivo que permitirá um usuário a aproveitar a ressonância Schumann significante no sinal geomagnético do ambiente para propósitos de exploração operando com ruído suficientemente baixo nas frequências abaixo de 10 Hz. A presente invenção também irá oferecer uma vantagem significante sobre outros sistemas aéreos

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 25/122 / 41 nas áreas de penetração de sobrecarga condutiva e a discriminação de depósitos minerais altamente condutivos. O design também é considerado um ponto de apoio em direção à realização de um sistema EM aéreo capaz de detecção de rotina das anomalias de polarização induzidas.

[0047] O aparelho da invenção é tipicamente rebocado ao longo de linhas transversais atrás ou abaixo de uma aeronave para levantamento magnético de baixa frequência aérea usando sistemas EM de fonte controlada e/ou passiva. No entanto, conforme descrito acima, é somente um receptor e não inclui uma descrição do transmissor ou antena. No entanto, o sistema receptor descrito pode ser adaptado para funcionar como o receptor em um sistema rebocado de fonte controlada a partir de uma única aeronave, pode ser usado em uma configuração de aeronave tandem na qual uma aeronave reboca o transmissor e uma segunda aeronave reboca o receptor, ou em uma configuração usando um transmissor fixo localizado no solo.

[0048] Adicionalmente, o aparelho da invenção também pode ser montado sobre ou em várias plataformas móveis. Por exemplo, pode ser usado sobre ou dentro de uma espaçonave, aeronave, veículos terrestres ou subterrâneos, navios, barcos, botes, barcaças, bolas ou em veículos submersíveis.

[0049] O aparelho da presente invenção incorpora um número de estratégias diferentes para isolamento rotacional da plataforma de instrumento e o dispositivo pode ser usado para um número de tarefas de detecção eletromagnética. No entanto, nem todas estas tarefas necessitam do mesmo grau de precisão em termos de isolamento rotacional. Então, por exemplo, pode acontecer que o uso do rolamento de ar sozinho, sem nenhum giroscópio e sem sistema de balanceamento dinâmico pode ser suficiente para permitir que dados magnéticos sejam coletados a partir de um transmissor rebocado junto com o sistema porque neste caso os sinais procurados são suficientemente grandes, onde coletar os dados de campo natural viável (sem

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 26/122 / 41 transmissor) pode necessitar do balanceamento assim como que os giroscópios estejam funcionando.

[0050] Enquanto o dispositivo fornece a estabilização de um magnetômetro para medições magnéticas de baixa frequência únicas, é aplicável para estabilizar outros dispositivos tais como gravimétrico, receptores óticos (câmera/telescópio), ponto de laser contra o movimento rotacional. Adicionalmente, se usado para estabilizar um transmissor eletromagnético, o dispositivo irá prevenir o sinal transmitido de ser modulado pelas variações de atitude da plataforma de transmissão.

Descrição física:

[0051] Em referência aos desenhos, nos quais as referências numéricas similares são usadas para se referir aos mesmos elementos ou similares, a Fig. 1A e a Fig. 1B mostram uma realização preferida do sistema de estabilização 10 para magnetômetros veiculares aéreos ou outros e outras plataformas móveis. Conforme ilustrado na Fig. 1A a 1C, todo o caça ou sonda 10 da invenção é para coletar dados de indução eletromagnética (EMI) com ruído de movimento reduzido. O aparelho compreende uma aerodinâmica, por exemplo, invólucro em forma de gota 20 tendo uma parte frontal bulbosa, preferencialmente esférica, uma extremidade posterior pontiaguda, um primeiro eixo horizontal de frente para trás 22 e um segundo eixo horizontal lado-a-lado 24 que está preferencialmente acima do eixo horizontal central do invólucro 20 de forma que a maior parte do peso total do invólucro 20 e seus conteúdos estejam abaixo do eixo 24 do que estão acima deste. Uma armação de reboque 30 é fornecida na extremidade bulbosa do invólucro 20. A armação de reboque 30 tem um anel de base 32, duas barras arqueadas cruzadas, por exemplo, barras circulares 34a, 34b cada uma com extremidades opostas conectadas em localizações igualmente espaçadas no anel de base 32 e em torno dele.

[0052] Dois eixos horizontais 36a, 36b arranjados no segundo eixo

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 27/122 / 41 horizontal 24 do invólucro 20, se destacam das extremidades opostas de uma das barras 34a, os eixos se destacando dos lados opostos do anel de base 32 e para fora através dos lados opostos da parte bulbosa do invólucro 20 para ligar o aparelho a um veículo, por exemplo, um helicóptero, por meio de um cabo e um coletor de dois pontos (não mostrado). Os eixos 36a e 36b são articuladamente conectados ao invólucro 20 e a armação 30 tem um tamanho e formato para permitir a rotação relativa livre da armação 30 no invólucro 20 em torno do segundo eixo horizontal 24. Desta maneira, quando o aparelho 10 é levantado por um veículo aéreo, através dos seus eixos 36a e 36b, o invólucro 20 tenderá a dobrar com sua extremidade pontiaguda para baixo, mas não aplicará torque aos sistemas internos que podem manter sua orientação aproximadamente para cima. Conforme o veículo começa a se mover para frente, o fluxo de ar em torno do invólucro 20 tenderá a levantar a extremidade pontiaguda até que se torne a extremidade traseira do invólucro

20. Um invólucro moldado em gota 20 com a extremidade bulbosa para frente tem sido encontrado para ter o formato mais aerodinâmico para o volume interno mais volumoso e foi selecionado para o formato do invólucro por esta razão apesar de outros formatos aerodinâmicos poderem ser usados.

[0053] Conforme melhor mostrado nas Figs. 1A e 1B, dois pares de amortecedores de isolamento de vibração 40 são cada um conectado a uma das barras 34a e 34b, e são espaçados em torno da armação de reboque 30, cada par de amortecedor sendo eficaz para amortecer vibrações verticais e horizontais da armação de reboque 30. Um conjunto de base 50 é montado nos amortecedores de isolamento de vibração 40 e é posicionado pelo menos parcialmente na armação de reboque 30 e inteiramente na parte bulbosa do invólucro 20, para movimentação livre do conjunto de base 50 no invólucro 20 quando a armação de reboque 30 se articula em torno do segundo eixo horizontal 24 do invólucro 20. As vibrações verticais e horizontais do invólucro 20 e a armação 30 são desta forma, amortecidas pelos

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 28/122 / 41 amortecedores 40 antes de alcançar o conjunto de base 50.

[0054] Conforme mostrado nas Figs. 2A e 2B, um pedestal de suporte 54 tem uma extremidade de fundo fixada ao conjunto de base 50 próximo a um fundo do conjunto de base 50, o pedestal de suporte 54 se estendendo para cima no conjunto de base 50 e dentro da armação de reboque 30 e tendo uma extremidade livre superior centrada na armação de reboque 30. Um único rolamento de ar esférico 55 que mais tarde será revelado em maiores detalhes com referência as Figs. 6A a 6C é conectado a extremidade livre superior do pedestal 54. Um módulo compreendendo três vibradores pneumáticos lineares V na Fig. 2C ou V1, V2 e V3 na Fig. 5A, orientada nos ângulos direitos, isto é, nas respectivas direções X, Y e Z, um para o outro está contido dentro do pedestal 54 conforme mostrado na Fig. 2C. Conforme mostrado nas Figs. 1A e 3A, uma plataforma de instrumento 70 tendo uma parte de cone oco inferior 72 com um vértice interno superior é encaixada e suportada no rolamento de ar esférico 55. A plataforma de instrumento 70 também tem uma haste superior 71 se estendendo para cima da parte de cone 72, acima do vértice e para dentro da armação de reboque 30. O eixo central da plataforma de instrumento 75 se estende ao longo da parte de cone 72 e a haste 71. O rolamento de ar 55 fornece a rotação praticamente sem atrito da direção do eixo da plataforma de instrumentação 75, referida como rotação principal ou rotação e inclinação bem como a rotação da plataforma em torno do seu próprio eixo 75 que é referida como rotação ou guinada.

[0055] Um estabilizador giroscópico principal 91 é montado dentro da haste 71 da plataforma de instrumento 70 conforme mostrado na Fig. 4A. O estabilizador giroscópico principal 91 é posicionado no eixo central 75 para manter uma orientação absoluta fixa do eixo 75 independente da mudança de orientação do invólucro 20, pelo menos dentro da faixa de articulação da plataforma de instrumento 70 que é preferencialmente em torno de 20 graus, e na faixa de cerca de 10 a 30 graus. Esta faixa de inclinação é ditada pelo

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 29/122 / 41 ângulo da parte de cone 71, e deve ser acomodada pelo formato e tamanho do conjunto de base 50 conforme será explicado posteriormente.

[0056] É percebido que o uso de estabilizadores giroscópicos é preferido para os melhores resultados, mas que a invenção também pode operar sem eles.

[0057] Conforme mostrado nas Figs. 3A e 3C, pelo menos um, mas preferencialmente dois estabilizadores giroscópicos secundários balanceados por peso 78 também são montados para a plataforma de instrumento 70, em localizações espaçadas radialmente a partir do eixo central 75 em lados opostos da plataforma de instrumento 70, para manter uma orientação absoluta fixa dos respectivos eixos de estabilização cada um sendo ortogonal ao eixo 75.

[0058] Conforme mostrado nas Figs. 3A e 3B, pelo menos um, mas preferencialmente três sensores de campo magnético igualmente espaçados e inclinados 79 são montados para a plataforma de instrumento 70 para coletar dados do campo ao ser estabilizado contra a rotação do conjunto de base 50, da armação de reboque 60 e do invólucro 20.

[0059] Mais uma vez em referência as Figs. 2A, 2B e 1B, a base 50 compreende um anel de suspensão poligonal ou circular 51 conectado aos quatro pares de amortecedores de isolamento de vibração 40, , uma placa de base poligonal ou circular 53 espaçada abaixo do anel de suspensão 51 e tendo uma pluralidade de fendas se estendendo radialmente espaçadas em circunferência 60, uma pluralidade de frisos de base 52 conectada entre o anel de suspensão 51 e a placa de base 53 e espaçada em torno da placa de base e anel de suspensão. Cada friso de base 52 tem uma parte inferior arqueada se estendendo para fora radialmente 52a se estendendo próxima a sua extremidade de fundo através de uma das fendas 60 na placa de base 53, e uma parte inclinada para dentro 52b conectada entre a parte arqueada 56a de cada respectivo friso de base 52 e o anel de suspensão 51. O ângulo das partes

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 30/122 / 41 inclinadas 52b dos frisos 52, e a curvatura das partes arqueadas 56a são cada um selecionado para permitir que a plataforma de instrumento 70 se dobre e gire em torno do seu eixo 75 livremente dentro da sua faixa permitida de movimento no conjunto de base 50.

[0060] Uma pluralidade de braçadeiras diagonais do tipo haste inferior 56a é conectada entre uma extremidade inferior de um friso de base 52, e uma localização intermediária de um friso Q de base adjacente 52 em torno do conjunto de base 50, por exemplo, próximo à junção da parte inclinada 52b para a parte arqueada 56a de cada friso 52. Uma pluralidade de braçadeiras diagonais do tipo haste superior 56b também é conectada entre uma extremidade superior em cada friso de base 52 e a localização intermediária sobre o friso de base adjacente 52. Estas braçadeiras diagonais aumentam a rigidez torcional do conjunto de base 50. O pedestal de suporte 54 tem uma parte superior acima da placa de base 53 e uma parte inferior abaixo da placa de base 53, a extremidade inferior de cada friso de base 52 sendo conectada a parte inferior do pedestal de suporte 54 abaixo da placa de base 53. Um par de placas de reforço 61 nos lados opostos da parte de cada friso de base 52 abaixo da placa de base 53, fortalece mais os frisos 52 nesta área e o anel de suspensão 51, os frisos 52, e a placa de base 53 e as placas de reforço 61, bem como as braçadeiras diagonais 56a e 56b, são cada um feito preferencialmente de composto de fibra de carbono centrado envolto para propriedades retas, de peso leve e não magnéticas.

[0061] A parte de haste 71 e a parte de cone 72 da plataforma de instrumento 70 cada uma compreende uma única peça de material envolto de composto de carbono centrado e, conforme melhor mostrado nas Figs. 3A, 3B e 4A, a parte de haste 71 contém uma pluralidade de módulos de instrumento empilhados 77 incluindo o estabilizador giroscópico principal 91, um sistema de aquisição de dados 90 e um módulo de força 98 que compreende um inversor e uma bateria 100a. A plataforma de instrumento 70 também inclui

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 31/122 / 41 uma pluralidade de frisos de plataforma fortalecidos verticais espaçados circunferencialmente 74 se estendendo junto com a parte de cone 72 e a haste 71, e uma pluralidade de flanges de reforço horizontais 73. A pluralidade de flanges de reforço se estende em torno da plataforma de instrumento 70 e tem fendas para receber os frisos de plataforma 74. Os flanges 73 funcionam como plataformas de popa e um deles carrega um par de estabilizadores giroscópicos secundários balanceados por peso 78 montado dentro de proteções de mumetal localizadas nos lados opostos da haste 71.

[0062] O aparelho preferencialmente tem três sensores de campo 79 em que cada um compreende um magnetômetro para coletar dados do campo magnético incluindo medições magnéticas de baixa frequência em uma largura de banda de 1 Hz a 25 Hz, estes três magnetômetros 79 sendo montados em localizações igualmente espaçadas em torno da superfície da parte de cone 72 adjacente a um aríete inferior da parte de cone 72. Cada magnetômetro 79 é rigidamente montado para a parte de cone 72 e inclui um componente de vetor tendo um eixo longitudinal se estendendo ao longo da superfície da parte de cone 72 na direção do eixo 75 e um componente que é radial ao eixo 75. No entanto, o aparelho funcionará ao usar qualquer um dos três sensores orientados em direções substancialmente diferentes uma da outra.

[0063] Retornando a Fig. 1A, os amortecedores de isolamento de vibração 40 cada compreende um amortecedor vertical 42 que suspende o conjunto de base 50 das barras arqueadas 34a, 34b da armação 30, e um amortecedor horizontal 44 que conecta lateralmente o conjunto de base 50 ao anel de base 32 da armação 30. Nesta realização, foram mostrados como dispositivos mecânicos incorporando um fole, mola e um amortecedor, mas outros arranjos são possíveis incluindo o uso de amortecedores de elemento único feitos de um polímero de visco elástico ou um arranjo de cordas de bungee. Os frisos de base 52 do conjunto de base 50 são dimensionados e

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 32/122 / 41 angulados para acomodar uma faixa de 10 a 30 graus de rotação e inclinação da plataforma de instrumento 70 no rolamento de ar esférico 55.

[0064] Duas proteções de mumetal 99 cada uma contendo um estabilizador giroscópico secundário 78, um inversor 100 e uma bateria 101 são montados na plataforma de instrumento 70. A plataforma 70 incorpora ainda os acionadores (A1, A2 e A3) de um sistema de balanceamento dinâmico 80 conforme mostrado nas Figs. 3D, 3E e 5A.

[0065] Em referência, agora, às Figs. 1A e 1B, a invenção é feita de cinco componentes principais introduzidos acima, a saber, o invólucro 20, a armação de reboque (armação) 30, os amortecedores de isolamento de vibração (amortecedores) 40, o conjunto de base (base) 50 e a plataforma de instrumento estabilizada rotacionalmente (plataforma) 70.

[0066] Conforme percebido, a Fig. 1B é uma vista perspectiva do invólucro moldado em gota 20 mostrado aqui como transparente de forma a ilustrar a disposição dos componentes internos. Deve ter cerca de 3m em diâmetro na sua forma preferida. O invólucro 20 é acoplado mecanicamente a armação 30 através de rolamentos em dois eixos horizontais 36a e 36b localizados em ambos os lados da armação 30 ao longo dos eixos horizontais 24. Isto permite ao invólucro 20 liberdade para se inclinar independentemente da armação 30 e todos os componentes ligados a ele. As extremidades dos eixos 36a, 36b são os pontos de reboque para um coletor de dois pontos de um helicóptero ou outra aeronave. Durante a decolagem e o pouso, ou durante mudanças na elevação associada com o terreno seguinte, ou mudanças na velocidade do ar, este acoplamento permitirá que o invólucro 20 ajuste seu ângulo de ataque ao de menor reboque.

[0067] A seção em corte da Fig. 1A mostra os dois eixos horizontais 36a e 36b que carregam toda a carga e são ligados à armação 30 e penetram o invólucro 20 através dos rolamentos em torno das aberturas correspondentes no invólucro 20. A plataforma 70 e a base 50 são suspensas a partir da

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 33/122 / 41 armação 30 pela pluralidade de amortecedores 40 que compreendem dois tipos de amortecedores mostrados esquematicamente como estruturas do tipo fole nas figuras. Os amortecedores 40 servem para isolar a base 50 das vibrações e rotações do invólucro 20 devido ao carregamento aerodinâmico de tempo variante bem como da tensão de tempo variante no cabo de reboque. O objetivo é fornecer um alto grau de isolamento na faixa de 1 Hz a 10 Hz e para este propósito diversos decímetros de deslocamento vertical e horizontal tem sido permitidos. Os amortecedores orientados verticalmente 42 tem que carregar a carga estática da plataforma 70 e a base 50, enquanto os amortecedores horizontais 44 precisam somente absorver as forças dinâmicas associadas com as acelerações laterais.

[0068] Na Fig. 2A e 2B, a base isolada de vibração 50 é ilustrada. A base 50 compreende o anel de suspensão 51 conectado à pluralidade de amortecedores de isolamento de vibração 40 e a placa de base 53 que é conectada ao anel de suspensão 51 pela pluralidade de frisos de base 52. A base 50 compreende ainda o pedestal de suporte 54 que tem uma extremidade de fundo que é conectada a superfície de topo e no centro da placa de base 53. O pedestal de suporte 54 também tem uma extremidade de topo oposta a extremidade que é conectada à placa de base 53. Posicionado na extremidade de topo oposta do pedestal de suporte 54 está o rolamento de ar esférico único 55. O pedestal de suporte 54 é para apoiar a plataforma de instrumentação estabilizada rotacionalmente 70 da Fig. 3A.

[0069] A base 50 é uma estrutura do tipo gaiola dos frisos 52 que conecta o anel de suspensão 51 ao pedestal 54. É vantajosamente construído partir de uma construção de núcleo envolto de fibra de carbono leve como aquela usada para construir a plataforma 70. Os componentes da base da estrutura 50 que ligam o pedestal de suporte 54 através da placa de base 53, os frisos 52 ao anel de suspensão 51 também são feitos da construção de núcleo envolto de fibra de carbono leve. Além disso, toda a estrutura pode ser

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 34/122 / 41 feita a partir do envoltório de núcleo de fibra de carbono para manter seu peso baixo enquanto mantem uma boa rigidez. As braçadeiras diagonais 56a e 56b na tubulação de fibra de carbono são projetadas para aumentar a rigidez torcional conforme também percebido.

[0070] A plataforma 70 é vista em seção na Fig. 1A e em perspectiva na Fig. 3A. É uma estrutura de envoltório de núcleo de composto de carbono em formato de funil que se assenta de uma maneira invertida no rolamento de ar esférico 55 apoiado pelo pedestal 54. Alcançar um alto grau de rigidez na plataforma 70 era um objetivo crítico porque esta carrega os giroscópios 91, 78 para estabilização de atitude bem como os três magnetômetros de componente de vetor que são sensores primários 79. A manutenção de uma orientação relativa fixa destes componentes ao nível de milionésimos de um grau sobre a aquisição da largura de banda dos magnetômetros 79 é essencial para o sucesso das medições de campo magnético.

[0071] Em uma concretização preferida, a plataforma 70 é construída de uma única peça de estrutura de composto de carbono. É fabricada de envoltório de núcleo de composto de carbono e em formato de funil medindo aproximadamente 1,5 m ao longo da base e 2 m de altura. As duas partes do funil são a parte de haste (haste) 71 e a parte de cone (cone) 72. Os frisos de plataforma 74 fornecem rigidez adicional. O estabilizador giroscópico principal 91 é montado dentro da haste 71 conforme melhor mostrado na Fig. 4a e deve estabilizar os sensores 79 montados próximos ao aríete inferior do cone 72. Por esta razão a plataforma 70 precisa ser suficientemente rígida para que suas deformações sejam negligenciáveis (< 1,0e-7 Radianos). Enquanto a rigidez seria grandemente aumentada reduzindo o tamanho da estrutura, as dimensões físicas largas são necessárias para separar fisicamente os estabilizadores giroscópicos 91, 78 (que são fontes de ruído eletromagnético) dos sensores de campo magnético 79. As Figs. 3B e 3C mostram as posições relativas destes componentes eletrônicos.

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 35/122 / 41 [0072] A haste 71 contém uma série de módulos de instrumento empilhados 77 compreendendo o sistema de aquisição de dados 90, seguido pelo estabilizador giroscópico principal 91, seguido pelo seu módulo de força 98 que contém um inversor e uma bateria 100a. Estes módulos são posicionados de forma que aqueles que criam a maior parte do ruído eletromagnético estejam localizados mais longe dos sensores 79. Adicionalmente, existem duas plataformas de popa 73 orientadas perpendicular à haste 71. Estas permitem que os giroscópios adicionais secundários 78 cada contido em uma proteção separada 99 que estabiliza as rotações em torno do eixo do funil 75, um movimento que não é reprimido pelo estabilizador giroscópico axial principal 91.

[0073] Os instrumentos carregados pela plataforma 70 bem como a própria plataforma 70 tem seis papéis principais; detectar os campos magnéticos, detectar a orientação da plataforma 70, estabilizar a plataforma 70 contra as pequenas mudanças rápidas na orientação (instabilidade), estabilizar a plataforma 70 contra a deriva de orientação sistemática, digitalizar e transmitir dados para um computador fora da plataforma, e manter a plataforma 70 o mais balanceada possível de forma que o centro de massa seja coincidente com o centro de rotação do rolamento de ar 55.

Sensores primários:

[0074] Na concretização preferida da invenção, três magnetômetros 79 servem como sensores de campo primários que podem detectar componentes de vetor dos campos magnéticos. Os três sensores de magnetômetro 79 são cada um montado na superfície do cone próximo ao seu aríete com seus eixos longos sensíveis coplanares ao eixo central 75. Eles são distribuídos em torno do eixo central a cada 120 graus em azimute. Os cabos (não mostrados) correm a partir dos sensores 79 para a base da haste 71 junto com a junção da pluralidade de frisos da plataforma estabilizados verticalmente 74. Os sensores 79 são projetados sob medida por um

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 36/122 / 41 fornecedor para esta aplicação e são baseados em um princípio de indução magnética de feedback. Os sensores têm uma banda de passagem plana entre 1 Hz e 10 kHz com uma sensibilidade de 0,1 V/nT. Eles têm um nível de ruído de 0,1 pT/raiz quadrada (Hz) e de 5 pés/raiz quadrada (HZ) em 300 Hz, mas a invenção pode utilizar qualquer magnetômetro de componente vetor de alta sensibilidade.

[0075] Enquanto a realização preferida usa bobinas de indução magnética de feedback, medições uteis podem ser feitas com diversos tipos diferentes de sensores tais como bobinas de indução, magnetômetros de fluxo ou qualquer dispositivo que mede os componentes do campo magnético espacial, seus tempos derivados, ou quantidades que são relacionadas ao campo magnético através de um filtro linear.

Sistema de aquisição de dados:

[0076] A presente invenção compreende, ainda, um sistema de aquisição de dados de quatro canais de 24 bits (DAQ) 90. O DAQ 90 é usado para amostrar os sensores primários 79 acima de 51 kS/s e incluem marcação de tempo de GPS e um link sem fio para um PC fora da plataforma.

Módulo estabilizador giroscópico principal:

[0077] Em referência, agora, à Fig. 3B e as Figs. 4A a 4C, o estabilizador giroscópico principal (PGS) 91 é um estabilizador giroscópico Kenyon KS-12 comercial conforme usado na indústria cinematográfica. É compreendido de rotores gêmeos cada um montado em uma suspensão por cardam de grau único de liberdade. É conduzido através de um sinal de condução de 400 Hz 220V derivado através de um inversor de uma fonte de 28V DC. O PGS 91 é cilíndrico e resiste a rotação em torno de qualquer eixo perpendicular ao seu próprio eixo, mas não fornece resistência à rotações em torno do seu próprio eixo.

[0078] Apesar de ser um módulo comercialmente disponível, o PGS 91 não pode ser usado de uma maneira simples já que produz níveis

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 37/122 / 41 extremamente altos de ruído eletromagnético. Para solucionar este problema ele é embalado junto com seu inversor e fonte de bateria 100b do módulo de força 98 todos dentro de uma proteção de mumetal M. Isto reduz seu ruído eletromagnético através de um fator de cerca de 1000. O PGS 91 tem que ser muito rigidamente acoplado à plataforma 70. Também produz uma quantidade significante de calor (-100 W) que tem de ser dissipada eficientemente da unidade protegida. Isto leva ao design ilustrado na Fig. 4A, 4B e 4C. A Fig. 4A mostra que o volume da haste 71 é tomado pelos módulos de instrumento empilhados 77 que incluem o PGS 91 e seu módulo de força 98 que são mantidos no centro da haste 71 por uma série de 18 parafusos (não mostrados) que são rosqueados em inserções de aço inoxidável na parede da haste 71. Os parafusos são arranjados em um padrão simétrico radialmente com três parafusos localizados a cada 60 graus em azimute em torno do eixo central e formam um acoplamento rígido entre o PGS 91, seu módulo de força 98 e a haste 71 enquanto permite uma chaminé de dissipação de calor na forma de uma lacuna anular entre os componentes internos e a parede interna da haste 71. A Fig. 4B mostra um radiador R composto de uma série de placas com curvatura cilíndrica que são presas à proteção magnética M através da pressão dos parafusos. As aletas F se estendem para fora destas placas em 90 graus ao longo de uma lacuna anular fornecendo a dissipação de calor dentro da chaminé. Na Fig. 4C as placas de radiador são removidas expondo a proteção magnética de mumetal M. Além disso, conforme mostrado na Fig. 4A, configurações superiores e inferiores de almofadas de distribuição de força P são usadas para assegurar que os módulos de instrumento estejam severamente presos a parede interna da haste 71 através da pressão interna coletiva dos parafusos. Cada almofada tem uma face externa plana para aceitar a pressão dos parafusos e uma superfície cilíndrica interna para transferir a força igualmente através de placas de radiador e a proteção magnética de mumetal. Cada almofada de distribuição de força inferior

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 38/122 / 41 acomoda dois parafusos e transfere força diretamente para o PGS enquanto cada almofada de distribuição de força superior acomoda um parafUso e transmite a força para o módulo de força PGS 98.

Módulos do estabilizador giroscópico secundário:

[0079] Conforme mencionado acima a invenção também compreende pelo menos um módulo de estabilizador giroscópico secundário 78. A realização mostrada na Fig. 3C tem dois módulos de estabilizador giroscópico secundário 78, um dos quais é parcialmente escondido atrás de um dos frisos da plataforma vertical 74 das plataformas de instrumento 70. Os dois módulos de estabilizador giroscópico secundário 78 (Kenyon KS-8s) são necessários para dois propósitos. Eles são necessários para resistir a instabilidade rotacional em torno do eixo da plataforma 70 (guinada), isto é, o eixo de funil 75, e para limitar a deriva angular lenta da plataforma 70 em qualquer direção devido a pequenos desequilíbrios ou a taxas de rotação inicial do conjunto. Um dos estabilizadores giroscópicos secundários 78 é modificado devido ao fato de que os estabilizadores giroscópicos comerciais para a indústria cinematográfica são de banda limitada. Eles resistem aos torques aplicados rapidamente em torno de ambos dos seus dois eixos de resistência, mas não resistem a torques estáveis aplicados ao longo de muitos segundos. Este comportamento é muito desejável nos casos em que uma câmera deve ser permitida a se deslocar em resposta a um torque aplicado estavelmente mesmo enquanto conjunto de giroscópio resiste a vibração devido a ligações mecânicas ou aperto de mão ao movimento do veículo. Os magnetômetros 79 são usados nesta invenção não são muito sensíveis a qualquer deriva lenta da orientação da plataforma 70. No entanto, a plataforma 70 irá parar de ser estabilizada se alcançar os limites da sua viagem de rotação e inclinação (isto é, aproximadamente 20 graus), assim a deriva lenta deve ser contida. Para alcançar isto, um dos dois estabilizadores giroscópicos secundários 78 é modificado de forma que as suspensões por cardam dos seus conjuntos de

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 39/122 / 41 rotores gêmeos internos sejam travados com os rotores girando na mesma direção. Este efeito transforma o estabilizador giroscópico 79 em um giroscópio sem suspensão simples com seu eixo apontando ao longo do eixo da plataforma 70. Devido a seu momentum angular ser fixado em relação à plataforma 70 permitirá que a plataforma 70 desenvolva uma precessão lenta ao invés de cair sobre no caso de um leve desequilíbrio do sistema.

[0080] Os dois estabilizadores giroscópicos secundários 78 são mostrados na Fig. 3C empregados em lados opostos da haste 71 para os propósitos de equilíbrio. Cada giroscópio 78 é montado dentro de uma proteção de mumetal 99 junto com seu inversor e bateria 100b. O par de giroscópios 78 estabiliza a plataforma 70 contra instabilidade angular na direção da guinada. Estes giroscópios menores 78 dissipam muito menos calor que o estabilizador de giroscópio primário 91. A dissipação de calor é alcançada passivamente através de aletas (não mostradas) ligadas as proteções de mumetal 99.

Sistema de balanceamento dinâmico:

[0081] Para minimizar os torques aplicados a plataforma 70 através da aceleração linear, a plataforma 70 precisa estar bem balanceada em todas as três direções em torno do seu ponto de rotação. O sistema da plataforma 70 inclui uma infraestrutura flexível tal como cabos, selantes, etc. Estes componentes mudam levemente em dimensão e localização com sua orientação relativa ao vetor g (direção para baixo), a temperatura e o histórico de acelerações externas aplicadas. Um sistema de balanceamento dinâmico 80 da Fig. 5A é, portanto, necessária para considerar todas estas pequenas mudanças no centro da massa da plataforma 70. O sistema de balanceamento 80 é um sistema controlado de pesos de equilíbrio ajustáveis que permite a compensação do equilíbrio da plataforma 70, quando necessário.

[0082] Um esquema do sistema de balanceamento dinâmico 80 é mostrado na Fig. 5A. O sistema incorpora componentes na plataforma de

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 40/122 / 41 instrumentação de flutuação (círculo) e o conjunto de base (retângulo) ao qual a plataforma é ligada, bem como um PC fora da plataforma. Um computador incorporado montado na plataforma de instrumento 70 controla três microbalanceadores A1-A3 mostrados esquematicamente na Fig. 5A e conforme disposto nas Figs. 3D e 3E. Os micro-balanceadores são acionadores lineares digitalmente controlados A, também mostrados esquematicamente na Fig. 3A, que podem mover precisamente uma pequena massa de dezenas de gramas ao longo de distâncias milimétricas, em cada uma das três direções principais X, Y e Z.

[0083] A informação necessária para determinar as mudanças necessárias nas posições dos balanceadores inclui os dados EMI dos sensores primários bem como as medições de um Sistema de Referência de Orientação e Atitude (AHRS) também localizado sobre a plataforma. Na presente realização o algoritmo de balanceamento é executado em um PC executando fora da plataforma que calcula os dados EMI sem fio diretamente a partir do sistema DAQ, enquanto os dados AHRS são comunicados através de um link sem fio separado do computador incorporado. Os comandos são emitidos através do algoritmo de balanceamento e sinalizados sem fio para o computador incorporado na plataforma que reposiciona as massas de equilíbrio. Alternativamente, as tarefas sendo atualmente cumpridas pelo PC fora da plataforma, poderiam ser realizadas através de um computador incorporado de desempenho mais alto executando diretamente na plataforma com ambos um link de dados com fio ou sem fio a partir dos sensores EMI primários.

[0084] Um magnetômetro DC de portal de fluxo de 3 eixos que é parte do sistema AHRS mede a orientação do campo magnético da Terra em relação à plataforma 70 e consequentemente em relação a cada um dos sensores principais 79. Esta informação fornece a sensibilidade dos sensores principais 79 para rotações em torno de cada um dos três eixos.

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 41/122 / 41 [0085] A precisão do processo de balanceamento é aumentada aplicando vibração à base operando três vibradores pneumáticos não magnéticos lineares mutuamente perpendiculares V1, V2 e V3 mostrados na Fig. 5A. Estes estão localizados dentro do pedestal de suporte 54 logo abaixo do rolamento de ar 55 conforme mostrado em V na Fig. 2C. Os vibradores são operados em 3 frequências separadas estreitamente em torno de uma frequência de base, por exemplo, 90 Hz com a dispersão de frequência controlada através de pressão diferencial de um tubo de distribuição pneumático comum. O desequilíbrio da plataforma irá se manifestar como um sinal de ruído de banda estreita correspondente em cada um dos componentes de sensor em proporção a sua sensibilidade rotacional. Combinar os sinais de fluxo com o fluxo de dados dos sensores principais 79, um algoritmo de otimização não linear executando em um PC fora da plataforma permitirá que o computador incorporado na plataforma 70 ou outro computador a otimizar a posição dos balanceadores, isto, acionadores A na Fig. 3A ou particularmente, acionadores A1, A2 e A3 na Fig. 3d, 3E e 5A, e assim minimizar o ruído de medição. Um número de algoritmos foi considerado com um algoritmo preferido sendo definido posteriormente nesta descrição.

[0086] Em particular, a Fig. 5A mostra o sistema de balanceamento dinâmico que equilibra a plataforma rotativa em torno de três eixos diferentes. Quando fora de equilíbrio, o centro da massa da plataforma é diferente do seu centro comum de rotação. As vibrações na base então provocam rotações da plataforma que registra como sinais magnéticos em cada um dos três magnetômetros ortogonais sobre a plataforma. Os vibradores pneumáticos V1, V2 e V3 na base são conduzidos em três frequências distintas. Os três acionadores eletromecânicos lineares A1, A2 e A3 na plataforma ajustam as massas de equilíbrio em uma curva de feedback.

[0087] A Fig. 5B é um gráfico mostrando a vibração imposta sobre o pedestal através dos três vibradores pneumáticos ortogonais V1, V2 e V3,

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 42/122 / 41 cada um executando em uma frequência diferente fl, f2 e f3. As frequências distintas são determinadas através de três válvulas de redução de pressão cada uma alimentado um vibrador diferente a partir de um tubo de distribuição comum e a Fig. 5C ilustra sinais de três magnetômetros AC sobre os sinais de registro da plataforma devido à vibração da base em três frequências diferentes. Estes sinais desaparecem quando a plataforma tem seu centro de massa localizado exatamente no centro de rotação. O equilíbrio de massa é controlado no feedback através de três acionadores eletromecânicos ortogonais A1, A2 e A3 cada um controlando a posição de uma massa de equilíbrio em um transportador no aparelho.

[0088] Um link sem fio de duas vias entre o computador incorporado e o PC fora da plataforma da Fig. 5A permite que os dados do AHRS e as informações de posição dos acionadores A sejam retransmitidos para o PC fora da plataforma enquanto a informação de controle em relação aos acionadores A seja retransmitido de volta.

[0089] O algoritmo é necessário para o balanceamento dinâmico para funcionar e apesar de qualquer algoritmo conhecido que possa balancear uni sistema como aquele da presente invenção pode ser usado, a realização preferida usa um algoritmo específico e único. As etapas do algoritmo único empregadas pela realização preferida são conforme segue:

a) O programa recebe um fluxo contínuo de dados dos três sensores primários em uma alta taxa bem como dados do magnetômetro de fluxo que é parte do sistema AHRS na plataforma em uma taxa muito mais lenta.

b) A partir dos dados de fluxo, o algoritmo determina a orientação de cada 5 um dos três sensores em relação ao campo magnético da terra. Por causa da estabilidade rotacional da plataforma, isto será mudado muito lentamente.

c) A partir desta informação, uma matriz 3 x 3 é computada o

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 43/122 / 41 que transformará os componentes de sensor primário brutos em três direções virtuais; estas sendo Ca na direção do campo magnético da terra, Ch horizontal e perpendicular ao campo magnético da terra e o terceiro componente Cv perpendicular a ambos.

d) Os dados de sensor primário coletados sobre um intervalo de tempo variando de um segundo a dezenas de segundos são transformados de Fourier para obter seu espectro complexo.

e) O espectro dos três componentes brutos é multiplicado pela matriz 3 x 3 computada para obter o espectro nas direções Ch e Cv. Estes são os mais sensíveis ao ruído vibracional.

f) As densidades espectrais de força transformada (PSDs) são formadas nas direções Ch e Cv multiplicando o espectro complexo pelos seus conjugados complexos.

g) Os PSDs Ch e Cv são calculados ao longo de três bandas de frequência estreita correspondente a frequências da vibração do pedestal produzindo seis amplitudes espectrais que são números reais positivos.

[0090] Além disso, a variante mais simples do algoritmo da presente invenção 5 segue, apesar de abordagens mais refinadas serem possíveis.

h) Uma única função objetiva a ser minimizada é criada considerando a soma de 6 PSDs.

i) Esta função objetiva é usada como a entrada para um algoritmo de otimização simples tridimensional não linear padrão tal como o método simplex de descida. O resultado de cada aplicação destes é o próximo conjunto sugerido de localizações para os balanceadores de massa.

j) As novas posições são solicitadas do computador incorporada a bordo através de transmissão sem fio e o tempo é dado a eles para alcançar suas novas posições. Todo o algoritmo é iterado.

[0091] O algoritmo definido acima tem como seu único critério o equilíbrio da plataforma. No entanto pode ser facilmente modificado para

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 44/122 / 41 fornecer um pequeno desvio necessário para manter a plataforma aproximadamente em pé e bem dentro da sua faixa angular de operação. Isto pode ser alcançado adicionando a função objetiva de (g) um termo consistindo de um coeficiente de ponderação vezes o desvio angular da vertical do eixo da plataforma conforme obtido a partir dos dados AHRS. A magnitude do coeficiente de ponderação pode ser determinada por experimentação ou análise para manter a compensação da plataforma enquanto mantém o ruído induzido através do desvio de desequilíbrio abaixo de um nível aceitável.

O Rolamento de Ar:

[0092] Uma concretização preferida do sistema de estabilização 10 de acordo com a presente invenção emprega um rolamento de ar esférico 55 que fornece, para a tolerância da usinagem de precisão, um único ponto de rotação comum em torno de qualquer eixo que também é de atrito muito baixo. Em face das acelerações e mudanças térmicas, seria muito mais difícil alcançar e manter um grau comparável de equilíbrio usando a solução mais tradicional dos três rolamentos de suspensão por cardam apoiados por engates aninhados. [0093] No entanto, o papel do rolamento de ar 55 pode ser preenchido por qualquer tipo de rolamento que permitirá o requisito de inclinação e guinada da plataforma de instrumento 670 e ao mesmo tempo não irá interferir, corromper, contaminar ou afetar negativamente de qualquer maneira a coleta de dados de campo, em particular, dados eletromagnéticos.

[0094] Em referência as Figs. 6A a 6C, o rolamento de ar esférico 55 compreende uma fonte de ar comprimido ou gás na Fig. 6C que é conectada e fornece ar para a seção côncava de suporte do rolamento de forma que uma seção do hemisfério apoiado de topo do rolamento flutue em uma almofada de ar ou gás. A fonte ou meios de fornecimento de ar comprimido 57 para o rolamento de ar pode ser alcançada, por exemplo, através de um compressor de gás ou ar tendo pressão suficiente e taxa de fluxo de forma que possa

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 45/122 / 41 fornecer o volume de ar ou gás que irá suportar o peso da plataforma 70 quando estiver completamente carregada com seus instrumentos e equipamentos.

[0095] O rolamento de ar 55 é projetado sob medida para a presente invenção. Ele fornece mais de 25 graus de rotação na rotação e inclinação, e rotação infinita na guinada em torno de um único ponto altamente preciso de rotação. O rolamento de ar 55 é um objeto de metal localizado relativamente próximo aos sensores. Desta forma, as correntes-parasita induzidas no rolamento podem ser consideradas no sinal recebido. Para minimizar esta possibilidade, o rolamento 55 foi fabricado de um aço inoxidável de condutividade relativamente baixa (#303). Adicionalmente, conforme ilustrado pelas Figs. 6A e 6C, um padrão cruzado de encaixes profundos G foi fresado na parte de trás de ambos o rolamento côncavo de suporte e o hemisfério suportado. Testes têm mostrado a constante de tempo do modo principal de corrente parasita a ser cerca de 1 milissegundo. Alternativamente, o rolamento poderia ser fabricado de uma cerâmica maquinável tal como MACOR que poderia ser mais cara, mas eliminaria completamente as correntes parasitas.

Base:

[0096] Como melhor ilustrado pelas Figs. 1A, 2A e 2B, o conjunto de base 50 carrega a carga da plataforma 70 a partir do rolamento de ar 55 e seu pedestal 54 para o anel de suspensão 51 que assenta em um plano correndo ao longo do centro de massa do sistema plataforma 70 base 50 combinados. A estrutura é necessariamente bastante larga e deve ser altamente rígida, leve e fácil de transportar para o local de pesquisa. Para alcançar a rigidez necessária em uma estrutura desmontável, a base de pedestal 53 e o anel de suspensão 51 são conectados através de frisos leves 52 do envoltório de núcleo de composto de fibra de carbono e reforçado através de braçadeiras diagonais finas 56a, 56b. Os frisos 52 conectam o anel de suspensão 51 a placa de base

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 46/122 / 41 e são moldados de forma a acomodar uma faixa de rotação e inclinação de 20 graus da plataforma 70 em relação ao eixo do pedestal. Os frisos 52 se estendem através de fendas 60 no nível da placa de base onde eles são cada um envolvido entre pares de frisos 52 permanentemente ligados ao seu lado inferior. Desta maneira uma conexão rígida pode ser feita enquanto permite que a base 50 seja desmontada para transporte em frisos 52, braçadeiras 56a, 56b, placa de base 53, anel de suspensão 51 e pedestal 54 individuais.

Sistema de amortecimento:

[0097] O sistema de amortecimento mostrado na Fig. 1A compreende uma pluralidade de amortecedores de isolamento de vibração 40 que isolam coletivamente a base 50 das acelerações lineares do invólucro 20. Alcançar um alto grau de isolamento em frequências tão baixas quanto 1 Hz necessita da acomodação de um grande deslocamento. No design apresentado aqui, existem oito amortecedores 40 de dois tipos. O primeiro conjunto, isto é, os amortecedores verticais 42 são necessários para acomodar a carga estática da base 50 bem como acomodar o carregamento dinâmico. O segundo conjunto de amortecedores é orientado horizontalmente, isto é, o amortecedor horizontal 44, e são necessários para acomodar principalmente carregamento dinâmico lateral. Um número de dispositivos tem sido considerado incluindo bungees, air bags, molas, colunas de rolamento de ar e blocos moldados customizados de borracha absorvente de energia tal como Sorbothane. Cada um destes tem vantagens e desvantagens. Alguns trabalham melhor na tensão enquanto outros trabalham melhor na compressão. Ambos os tipos de amortecedores podem ser alcançados dentro dos limites da geometria proposta modificando a disposição e a natureza dos suportes.

Armação:

[0098] A armação de reboque 30 é ilustrada nas Figs. 1C, 1B e 1A. O papel da armação 30 é fornecer uma estrutura de ligação comum para a pluralidade de amortecedores de isolamento de vibração 40, o cabo de

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 47/122 / 41 reboque do helicóptero e o invólucro 20. Deve ser construído usando canais de composto oco. Devido ao seu tamanho largo, precisa ser projetado para ser montado no local a partir de seis peças individuais. A armação 30 também será o local dos receptores sem fio para a aquisição de dados 90 e os sistemas de balanceamento dinâmico 80.

Invólucro:

[0099] O invólucro que é melhor mostrado na Fig. 1 B, é uma concha de composto moldada em gota de dimensões 2,8m x 4,3m a ser construída de quatro quadrantes idênticos cada um de comprimento total de 4,3m. As seções terão uma dimensão intermediária de cerca de 2m e podem ser facilmente transportadas em um caminhão baú de largura padrão. O uso de métodos de construção de núcleo oco bem estabelecidos, as seções da concha podem ser construídas de composto de carbono. As seções podem ser parafusadas juntas através de flanges projetados externamente integrais a cada seção. O peso total da concha é estimado a ser menos de 50 kg.

[00100] A suspensão de dois pontos do invólucro 20 restringirá a rotação da concha em torno do seu eixo longitudinal. Quando levantada por um helicóptero, antes do movimento para frente significante com o fluxo de ar, a atitude ou inclinação do caça é livre. A localização do centro de gravidade do invólucro 20 e a orientação para baixo dos rotores do helicóptero provavelmente levarão a uma orientação para baixo da calda. Uma vez que a velocidade de avanço tiver sido alcançada pelo helicóptero, as forças aerodinâmicas assumem e a estabilidade direcional em termos de inclinação e guinada podem ser controladas através do formato do invólucro 20 e afetas suplementares. Para acomodar este faixa de movimento de inclinação o invólucro 20 foi projetado para girar independentemente da plataforma de instrumento incluída 70 e evitar o risco de exceder a faixa de rotação permitida para a estabilização giroscópica. O conjunto interno, isto é, a base 50 e a plataforma de instrumento 70 serão mantidos em uma posição

Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 48/122 / 41 reta por meio da ponderação de fundo leve.

[00101] O propósito do invólucro 20 é fornecer proteção a partir dos elementos e um formato aerodinâmico que minimiza a turbulência que poderia criar vibração e resistência. O formato do invólucro 20 irá minimizar o fluxo turbulento e fornecerá um grau de estabilidade direcional em relação à direção aparente do vento que é geralmente alinhada com a direção de voo. Estabilizadores horizontal e vertical podem ser adicionados para aumentar a capacidade de resposta rotacional a mudanças na direção do vento aparente. A turbulência durante o voo pode repentinamente modificar a direção aparente do vento e a superfície do estabilizador aumentará muito a sensibilidade a tais alterações. O formato alongado do invólucro 20 fornecerá um nível básico de resposta direcional e a flexibilidade de selecionar diferentes aletas do estabilizador facilitará sintonia fina das características de voo.

[00102] O invólucro 20 é projetado para ser um a pele leve rígida, adequada para cumprir as forças aerodinâmicas, mas não para suportar todo o peso do invólucro 20 e componentes internos. Portanto, um conjunto de engrenagem de pouso/suporte de três pontos será incluído dentro deste. O sistema de suporte se ligará aos eixos em ambos os lados da armação 30 e termina com 3 pés se destacando ao longo do invólucro 20 que carregará o peso dos sistemas durante a montagem e pouso. Antecipando que o invólucro 20 ficará com a cauda para baixo quando o helicóptero estiver pairando durante o poso, uma pequena quilha será fornecida junto com a linha de junção inferior da cauda para a engrenagem de pouso para minimizar o contato do invólucro com o chão e a possibilidade de perfuração. Apesar de o invólucro 20 não precisar ter qualquer estrutura interna, pode compreender quatro frisos, isto é, um friso de topo, um friso ou quilha de fundo, um friso de estibordo e um friso de porta. Isto tornaria a montagem mais fácil e forneceria pontos de montagem para as aletas do estabilizador. Na teoria a estrutura de engrenagem de pouso e quatro frisos seriam montados primeiro.

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A plataforma de instrumento 70, levantada pela armação 30, seria conectada através dos eixos. A etapa final seria a adição das seções de pele do invólucro 20.

Claims (15)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Aparelho sensor de campo estabilizado (10) para coletar os dados de campo com ruído de movimento reduzido, compreendendo:

   um invólucro (20);

   uma armação de reboque (30) no invólucro (20);

   um conjunto de base (50) montado com amortecedores (40) à armação de reboque (30);

   um pedestal de suporte (54) se estendendo para cima, tendo uma extremidade de fundo fixada ao conjunto de base (50) próxima a um fundo do conjunto de base (50) e uma extremidade livre superior;

   um único rolamento de ar esférico (55) conectado à extremidade livre do pedestal (54);

   caracterizado pelo fato de que compreende uma plataforma de instrumento (70) tendo um eixo central (75) se estendendo através de uma parte superior de haste (71) e uma parte inferior de cone (72), a parte de cone tendo um vértice interno superior engatado a e apoiado sobre o rolamento de ar (55) para um ponto de suporte rotativo;

   um sistema de balanceamento dinâmico (80) para balancear dinamicamente a plataforma sobre o rolamento de ar (55); e, pelo menos um sensor de campo (79) montado à plataforma de instrumento (70) para coletar os dados de campo sendo estabilizado contra o ruído de movimento incluindo vibração, articulação e rotação do conjunto de base (50), da armação de reboque (30) e do invólucro (20).
2. 2. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dos amortecedores de isolamento de vibração (40) compreende um conjunto de amortecedores verticais (42) que suspendem o conjunto de base das barras arqueadas (34a, 34b) da armação, e amortecedores horizontais (44) que conectam lateralmente a parte do cone ao conjunto de base (50) ao anel de base (32) da armação

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   2 / 10 (30).
3. 3. Aparelho sensor do campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o rolamento de ar esférico (55) compreende uma seção de suporte côncava e uma seção de hemisfério apoiada, em que ambas a seção de suporte côncava e a seção de hemisfério apoiada compreendem uma seção cruzada de encaixes fresados (G) para minimizar as correntes parasitas induzidas pelo rolamento de ar esférico.
4. 4. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a plataforma de instrumento (70) compreende uma parte de haste superior (71) tendo uma superfície externa e uma parte de cone inferior (72) tendo também uma superfície externa bem como um aríete inferior.
5. 5. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o rolamento de ar esférico (55) compreende uma fonte de ar comprimido ou gás (57) conectada a seção de suporte côncava para fornecer ar para a seção de suporte côncava de forma que o hemisfério suportado flutue sobre uma almofada de ar.
6. 6. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os frisos de base (52) do conjunto de base (50) são angulados para acomodar uma faixa de 10 a 30 graus de inclinação e oscilação da plataforma de instrumento (70) no rolamento de ar esférico (55).
7. 7. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor de campo (79) compreende uma bobina de indução de feedback para coletar dados de campo magnético incluindo medições magnéticas de frequência em uma largura de banda de 1 Hz a 25 Hz.
8. 8. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende três sensores de

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   3 / 10 campo cada um dos quais tendo um eixo longitudinal e sendo montado e igualmente espaçado da superfície externa da parte de cone (72) da plataforma de instrumento (70), em que os três sensores de campo (79) estão posicionados adjacentes ao aríete inferior da parte de cone (72) e de forma que seus eixos longitudinais são coplanares com o eixo central (75) da plataforma de instrumento (70).
9. 9. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende:

   o invólucro (20) é moldado em formato de gota tendo uma parte frontal bulbosa, uma extremidade traseira pontiaguda, um primeiro eixo horizontal de frente para trás (22) e um segundo eixo horizontal lado-a-lado (24);

   a armação de reboque (30) é localizada na extremidade bulbosa do invólucro (20), a armação de reboque (30) tendo um anel de base (32), duas barras arqueadas cruzadas (34a, 34b) cada uma com extremidades opostas conectadas às localizações espaçadas em tomo do anel de base (32), e dois eixos horizontais (36a, 36b) apoiados sobre o segundo eixo horizontal (24) do invólucro (20) e se destacando das extremidades opostas de uma das barras (34a), os eixos se destacando a partir de lados opostos do dito anel de base (32) e para fora dos lados opostos da parte bulbosa do invólucro (20) para ligar o aparelho a um veículo para carregar o aparelho, os eixos sendo articuladamente conectados ao invólucro (20) e a armação (30) sendo dimensionada para a rotação livre da armação (30) para dentro e em relação ao invólucro (20) em tomo do segundo eixo horizontal (24);

   os amortecedores (40) compreendendo uma pluralidade de amortecedores de isolamento de vibração (40) conectada e espaçada em torno da armação de reboque (30), os amortecedores (40) sendo eficazes em amortecer vibrações verticais e horizontais da armação de reboque (30);

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   4 / 10 o conjunto de base (50) montado para a pluralidade de amortecedores de isolamento de vibração (40) e posicionado pelo menos parcialmente na armação de reboque (30) e completamente na parte bulbosa do invólucro (20) para movimentação livre do conjunto de base (50) no invólucro (20) quando a armação de reboque (30) girar em torno do segundo eixo horizontal (24) do invólucro (20), vibrações verticais e horizontais do invólucro (20) e a armação (30) sendo amortecida pelos amortecedores (40) antes de alcançar o conjunto de base (50);

   o pedestal de suporte (54) tendo a extremidade de fundo fixada ao conjunto de base (50) próximo do fundo do conjunto de base (50), o pedestal de suporte (54) se estendendo para cima no conjunto de base (50) e dentro da armação de reboque (30) e tendo uma extremidade superior livre espaçada para dentro da armação de reboque (30);

   o único rolamento de ar esférico (55) sendo conectado à extremidade superior livre do pedestal (54);

   a plataforma de instrumento (70) sendo uma plataforma de instrumento estruturalmente rígida (70) tendo uma parte de cone oca inferior (72) com um vértice interno superior encaixado e suportado no rolamento de ar esférico (55) para um suporte rotatório e articulado da plataforma de instrumento (70) no pedestal de suporte (54), a plataforma de instrumento (70) tendo uma haste superior (71) se estendendo para cima da parte de cone, acima do vértice e dentro da armação de reboque (30) a plataforma de instrumento (70) tendo um eixo central (75) se estendendo através da parte de cone e da haste;

   o sistema de balanceamento (80) para balancear dinamicamente a plataforma no rolamento de ar; e, em que o sensor de campo (79) é montado na plataforma de instrumento (70) para coletar dados de campo ao ser balanceado contra ruído de movimento incluindo vibração, articulação e rotação a partir do conjunto

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   5 / 10 de base (50), a partir da armação de reboque (30) e a partir do invólucro (20).
10. 10. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que inclui um estabilizador giroscópico principal (91) montado na haste (71) e posicionado no eixo central para reduzir a instabilidade rotacional na inclinação e oscilação da plataforma de instrumento (70) no pedestal de suporte (54) e pelo menos um estabilizador giroscópico secundário (78) montado na plataforma de instrumento (70) em uma localização espaçada radialmente do eixo central (75) para reduzir a instabilidade rotacional na guinada.
11. 11. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o conjunto de base (50) compreende um anel de suspensão (51) conectado aos amortecedores de isolamento de vibração (40), uma placa de base (53) espaçada abaixo do anel de suspensão e tendo uma pluralidade de fendas se estendendo radialmente espaçadas em circunferência (60), uma pluralidade de frisos de base (52) conectada entre o anel de suspensão e a placa de base e espaçada em torno da placa de base e do anel de suspensão, cada friso de base (52) tendo uma parte inferior arqueada se estendendo para fora radialmente (52a) se estendendo através de uma das fendas (60) na placa de base (53) e uma parte inclinada para dentro (52b) conectada entre a parte arqueada do friso de base e o anel de suspensão, uma pluralidade de braçadeiras diagonais inferiores (56a) cada conectada entre uma extremidade inferior de cada friso de base e uma localização intermediária de um friso de base adjacente, e uma pluralidade de braçadeiras diagonais superiores (56b) cada conectada entre uma extremidade superior em cada friso de base e a localização intermediária no friso de base adjacente, as braçadeiras diagonais aumentando a rigidez torcional do conjunto de base (50), o pedestal de suporte (54) tendo uma parte superior acima da placa de base (53) e uma parte inferior abaixo da placa de base, uma extremidade inferior de cada friso de base sendo conectada a parte inferior do

    Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 55/122

    6 / 10 pedestal de suporte (54).
12. 12. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o conjunto de base (50) compreende um anel de suspensão (51) conectado aos amortecedores de isolamento de vibração (40), uma placa de base (53) espaçada abaixo do anel de suspensão e tendo uma pluralidade de fendas se estendendo radialmente espaçada em circunferência (60), a pluralidade de frisos de base (52) conectada entre o anel de suspensão e a placa de base tendo uma parte inferior arqueado se estendendo para fora radialmente (52a) se estendendo através de uma das fendas (60) na placa de base (53) e uma parte inclinada para dentro (52b) conectada entre a parte arqueada do friso de base e o anel de suspensão, uma pluralidade de braçadeiras diagonais inferiores (56b) cada conectada entre uma extremidade inferior em cada friso de base e a localização intermediária no friso de base adjacente, as braçadeiras adicionais aumentando a rigidez torcional do conjunto de base (50), o pedestal de suporte (54) tendo uma parte superior acima da placa de base (53) e uma parte inferior abaixo da placa de base, uma extremidade inferior de cada friso de base (52) estando conectada a parte inferior do pedestal de suporte (54), e um par de placas de reforço (61) nos lados opostos de cada friso de base em uma localização abaixo da placa de base (53), o anel de suspensão, os frisos e a placa de base sendo feita de envoltório com centro de composto de fibra de carbono.
13. 13. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que inclui um estabilizador giroscópico principal (91) montado na haste (71) e posicionado no eixo central para reduzir a instabilidade rotacional na inclinação e oscilação da plataforma do instrumento do pedestal de suporte e pelo menos um estabilizador giroscópico secundário (78) montado para a plataforma do instrumento em uma localização espaçada radialmente a partir do eixo central

    Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 56/122

    7 / 10 (75) para reduzir a instabilidade rotacional na guinada, a parte de haste (71) e a parte de cone (72) da plataforma de instrumento (70) cada uma compreendendo uma única peça do envoltório de centro de material de composto de fibra de carbono, a parte de haste (71) contendo uma pluralidade de módulos de instrumento empilhados (77) incluindo o estabilizador giroscópico principal (91), um sistema de aquisição de dados (90) e um módulo de força (98) compreendendo um inversor e bateria (100a), a plataforma de instrumento (70) incluindo uma pluralidade de frisos de plataforma de enrijecimento vertical espaçada em circunferência (74) se estendendo ao longo da parte de come (72) e da haste (71), e uma pluralidade de flanges de reforço horizontais (73) consumida em torno da plataforma e decorrida dos frisos da plataforma, o aparelho incluindo um par de estabilizadores giroscópicos secundários balanceados por peso (78) montado nos lados opostos da haste e em um dos flanges de reforço horizontais (73).
14. 14. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um sistema de balanceamento dinâmico (80) compreendendo um PC separado do aparelho, um conjunto de acionadores de balanceamento de massa linear (A) montado na plataforma de instrumento (70) e orientado em 90 graus um ao outro, bem como um computador incorporado montado sobre a plataforma de instrumento (70) que recebe instruções do PC para controlar o conjunto de acionadores de balanceamento de massa (A).
15. 15. Aparelho sensor de campo estabilizado (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que facilita a coleta contínua de dados do campo magnético incluindo medições magnéticas de baixa frequência na largura de banda de 1 Hz a 25 Hz não sendo afetadas pelo ruído de movimento, o aparelho (10) compreendendo:

    o invólucro (20) sendo moldado em forma de gota (20);

    a armação de reboque (30) compreendendo um anel de base

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    8 / 10 (32), duas barras convexas cruzadas (34a, 34b) conectadas ao dito anel de base (32), e dois eixos horizontais (36a, 36b) se destacando para fora a partir de uma das duas barras cruzadas (34a, 34b) e posicionados em lados opostos do anel de base (32), cada um dos ditos dois eixos horizontais (36a, 36b) sendo conectados articuladamente ao dito invólucro (20) através de rolamentos recíprocos (32a, 32b) e cada um dos ditos dois eixos horizontais (36a, 36b) entrando no invólucro (20) através dos ditos rolamentos recíprocos (32a, 32b), os eixos horizontais (36a, 36b) formando pontos de reboque que facilitam a ligação a um veículo;

    o conjunto de base (50) sendo conectado à armação (30) mas vibracionalmente isolado do invólucro (20) e da armação (30), o conjunto de base (50) compreendendo um pedestal de suporte (54) tendo uma extremidade de fundo integral com uma placa de base circular (53) que tem uma parte inferior (62), o pedestal de suporte (54) tendo uma extremidade de topo oposta com um único rolamento de ar esférico (55) compreendendo um centro de rotação, o conjunto de base (50) compreendendo ainda um anel de suspensão (51), uma pluralidade de frisos verticais (52) conectados a placa de base circular (53), os ditos frisos (52) sendo envolvidos entre pares de frisos (61) permanentemente ligados a dita parte inferior (62) da dita placa de base (53), o dito conjunto de base (50) compreendendo também braçadeiras de fibra de carbono diagonais (56) para aumentar a rigidez torcional e que conectam os membros adjacentes da dita pluralidade de frisos verticais (52) um ao outro;

    a plataforma de instrumento sendo uma plataforma de instrumento estabilizada rotacionalmente moldada em funil oco (70) compreendendo uma única peça de material envolto de centro de composto de carbono, a dita plataforma tendo um eixo longitudinal (75), um centro de massa e uma superfície externa, a dita plataforma (70) sendo suportada de uma maneira invertida no dito rolamento de ar esférico (55) e sobre o pedestal

    Petição 870190119232, de 18/11/2019, pág. 58/122

    9 / 10 de suporte (54), a plataforma (70) compreendendo uma parte de haste (71) e uma parte de cone (72), a dita parte de cone tendo um aríete inferior, a parte de haste contendo uma série de módulos de instrumento empilhados (77) compreendendo um sistema de aquisição de dados (90), seguida por um estabilizador giroscópico principal (91), seguido por um módulo de força (98) compreendendo um inversor e uma bateria (100a);

    três magnetômetros de componente vetor (79) cada um tendo um eixo longitudinal, os magnetômetros (79) sendo montados na dita superfície externa da dita parte de cone (72) adjacente ao aríete inferior, a plataforma de instrumento (70) compreendendo frisos longitudinais (74) fixamente ligados à superfície externa da dita parte de haste (71) e à parte de cone (72) para rigidez adicional da dita plataforma (70);

    dois estabilizadores giroscópicos opostos secundários (78) para resistir a instabilidade rotacional e movimento rotacional em torno do eixo (75) da plataforma (70), montados sobre as plataformas (76) e posicionados radialmente para fora do eixo (75) da plataforma, em ambos os lados da dita parte de haste (71), os ditos estabilizadores giroscópicos secundários (78) sendo montados dentro de uma proteção de mu-metal (99) junto com um inversor e bateria (100b);

    um sistema de balanceamento dinâmico (80) para assegurar que o centro de massa das plataformas (70) estejam localizados no centro de rotação do rolamento de ar, o sistema de balanceamento dinâmico (80) compreendendo um conjunto de acionadores mutuamente perpendiculares lineares (A) cada um tendo uma pequena massa localizada em um pequeno transporte linear; um conjunto de vibradores mutuamente perpendiculares pneumáticos lineares (V) cada um vibrando em uma frequência diferente; um PC separado do dispositivo; um algoritmo de balanceamento dinâmico executando no PC; um computador incorporado montado na plataforma (70) para controlar os acionadores estabelecidos (A); e um meio de transmitir

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    10 / 10 informações sem fio a partir do PC para o computador incorporado; em que o computador incorporado na plataforma recebe instruções de posição sem fio a partir do algoritmo de balanceamento dinâmico executando no PC;

    um sistema de amortecedor de isolamento de vibração (40) para isolar o conjunto de base (50) e a plataforma (70) das vibrações e rotações do invólucro (20), o dito sistema amortecedor (40) compreendendo amortecedores orientados verticalmente (42) para suspender a dita base das ditas barras cruzadas (34a, 34b) da armação, e amortecedores horizontais (44), para conectar lateralmente o dito conjunto de base (50) ao dito anel de base (32) da armação (30);

    os ditos frisos radiais (52) do dito conjunto de base (50) sendo angulados para acomodar uma quantidade selecionada da faixa de inclinação e oscilação da dita plataforma de instrumento (70).