EA022224B1

EA022224B1 - Система стабилизации для датчиков на подвижных платформах

Info

Publication number: EA022224B1
Application number: EA201290645A
Authority: EA
Inventors: Бенджамин Дэвид Пользер; Горден Фокс Уэст; Питер Уайл Уолкер; Питер Энтони Херли; Роберт Лесли Скотт Хогг
Original assignee: Вале С.А.
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2015-11-30
Also published as: AU2011206865A1; AP3317A; CL2012001983A1; ECSP12012076A; US20110175604A1; US8456159B2; DOP2012000202A; JP2013517462A; DK177893B1; CA2787177C; KR20120123078A; WO2011085462A1; EA201290645A1; BR112012017560A2; MA33996B1; EP2524248B1; DK201270475A; CN102792190B; CA2787177A1; AP2012006396A0

Abstract

Стабилизированный прибор с датчиками поля собирает данные поля, в частности данные магнитного поля со сниженными помехами, вызванными движением. Прибор включает в себя каплеобразный корпус, буксирную раму в корпусе, множество виброизолирующих демпферов, пространственно разнесенных вокруг рамы, узел основания, установленный на демпферах, опорную стойку, имеющую нижний конец, прикрепленный к узлу основания, и верхний свободный конец, одиночный сферический воздушный подшипник, соединенный с верхним свободным концом стойки, инструментальную платформу с нижней полой воронкой, имеющей верхнюю внутреннюю вершину, опертую на воздушный подшипник для создания точечной опоры, основные и вторичные гироскопические стабилизаторы для поддержания поворотной и вращательной устойчивости и по меньшей мере один датчик поля, установленный на инструментальной платформе для сбора данных поля, стабилизированный относительно вызванных движением помех, включая вибрацию, поворот и вращение со стороны узла основания, со стороны рамы и со стороны корпуса.

Description

Область техники

В общем изобретение относится к области опорных устройств для датчиков, а в частности, к новому и полезному устройству стабилизации магнитометров, которое облегчает непрерывный сбор широкополосных данных векторного магнитного поля, включающих в себя данные уникальных низкочастотных магнитных измерений в полосе частот от 1 до 25 Гц, без воздействия вызванных движением помех. Изобретение является особенно полезным при разведке ресурсов полезных ископаемых с воздушных, наземных или водных транспортных средств с использованием активных или пассивных электромагнитных методик.

Предшествующий уровень техники

Проблема, решаемая изобретением, заключается в непрерывном измерении векторов изменяющихся во времени магнитных полей в диапазоне частот от 1 Гц до свыше 10 кГц датчиками, установленными в транспортируемом корпусе, буксируемом летательным аппаратом (часто называемом буксируемой гондолой, беспилотным летательным аппаратом или зондом) или установленном на наземном или водном транспортном средстве. Представляющее интерес магнитное поле создается в результате электромагнитной индукции (ЭМИ) токами на этих частотах, протекающими через землю. Они индуцируются или первичным магнитным сигналом от передатчика и антенны (системы с управляемым источником), или изменяющимися во времени геомагнитными полями естественного происхождения, создаваемыми в ионосфере земли или отражающимися от нее (системы пассивных полей или полей естественного происхождения). Эти индуцированные поля являются очень слабыми по сравнению с установившимся геомагнитным полем, которое имеет земля. На неподвижной платформе слабые, изменяющиеся во времени составляющие легко выделяются из сильного геомагнитного поля, но на подвижной платформе вращательные движения векторного датчика в установившемся поле будут приводить к изменениям выходного сигнала датчика, которые могут быть неотличимыми от изменяющихся во времени полей, создаваемых электромагнитной индукцией. Часть выходного сигнала датчика, обусловленную вращением, обычно называют вызванными движением помехами, даже если оно определенно является вращением, а не линейным ускорением датчика, которое вызывает его.

Различные устройства используют при геофизической разведке, в которых применяют электромагнитную индукцию для детектирования зон повышенной электрической удельной проводимости (проводников) в земле и описания изменяющегося во времени характера электрической удельной проводимости в земле (поляризуемости) с помощью наблюдаемых магнитных полей. Такие измерения электромагнитной индукции часто являются диагностическим критерием наличия месторождений полезных ископаемых и нефти, литологических или структурных вариаций в грунте, водоносных горизонтов и пятен загрязнения и созданных руками человека объектов, таких как ограждения, трубопроводы, средства поражения и клады. Общей характерной чертой большей части геофизических систем на основе электромагнитной индукции является необходимость измерения слабых, изменяющихся во времени магнитных полей; и многие используют набор трех датчиков, каждый из которых является чувствительным к составляющей поля в различном направлении (часто ортогональном), чтобы реконструировать полный вектор изменяющегося во времени магнитного поля.

Задача изобретения заключается в преодолении трудностей, встречающихся во всех случаях, когда магнитный датчик прикреплен к корпусу, который перемещается через статическое или низкочастотное поле, аналогичное полю земли. Хотя линейное ускорение не является проблемой, вращательное ускорение датчика создает изменяющийся во времени сигнал, который добавляется к сигналу, получаемому в случае, когда сохраняется фиксированная ориентация датчика. Хотя настоящее изобретение предназначено для размещения в корпусе, буксируемом летательным аппаратом, его можно использовать во всех ситуациях, когда данные векторного компонентного магнитного поля регистрируются с использованием любого подвижного транспортного средства, поскольку статическое фоновое поле всегда присутствует. Такие транспортные средства включают в себя космический летательный аппарат, воздушный летательный аппарат, наземные и подземные транспортные средства, водные и подводные транспортные средства или любой пассивный или активный беспилотный летательный аппарат или платформу, буксируемую таким транспортным средством или прикрепленную к нему. Изобретение также относится к датчикам магнитного поля, расположенным на фиксированных местах, когда вращательное движение может наводиться такими явлениями, как вибрация, или когда магнитное поле должно измеряться на подвижной части, такой как деталь механизма.

Имеются многочисленные технологии датчиков для непрерывного прецизионного измерения магнитных полей. Наиболее пригодными для использования в системах измерения электромагнитной индукции являются векторные датчики, которые регистрируют одну пространственную составляющую магнитного поля в точно определенном диапазоне частот, возможно (или нет), включая продолжительные установившиеся составляющие поля, аналогичного геомагнитному полю земли. Ниже термин магнитометр или датчик будет использоваться для датчика любого из этих видов несмотря на то, что этот термин иногда применяют для обозначения только инструмента, пригодного для измерения, по существу, установившегося геомагнитного поля, и что в магнитометрах для измерения изменяющихся во времени полей часто используется электромагнитная индукция в катушках и поэтому иногда он может не

- 1 022224 относиться к магнитометрам.

В изобретении, рассматриваемом в этой заявке, корпус системы датчиков обычно буксируют позади летательного аппарата или под ним вдоль линий маршрута. В существующих современных устройствах, буксируемых таким способом, датчики поддерживаются внутри их корпусов на пассивно демпфированных подвесках. Демпфирующие и восстанавливающие силы в этих подвесках играют альтернативные роли снижения помех, вызванных вращением, и поддержания приближенной ориентации датчиков относительно корпуса, а настройка этих подвесок представляет собой поиск компромисса между этими двумя ролями. На частотах намного ниже 25 Гц такие подвески не обеспечивают достаточного устранения вращения, чтобы выполнять полезные измерения электромагнитной индукции. Соответственно, попытки использовать существующие системы на низких рабочих частотах, намного ниже 25 Гц, приводили к неприемлемым уровням помех.

Как будет пояснено позднее в этом описании, в настоящем изобретении использована в известной степени обычная внешняя система виброизоляции для уменьшения линейных и вращательных ускорений, но с добавлением к ней внутренней системы для устранения вращения без демпфирующих или восстанавливающих сил, для получения новых выгодных и неожиданных преимуществ перед системой из предшествующего уровня техники.

Имеется несколько способов, которые применяют для содействия вращательной стабилизации инструментальных платформ всех видов, в том числе активные и пассивные гироскопические способы, хорошо сбалансированные универсальные шарниры с низким трением и сферические подшипники. В аэрогеофизике платформы с гироскопической стабилизацией используют при воздушных измерениях гравитации и градиентов гравитации, и для этих технологий имеются отдельные патенты. Однако эти системы направлены на исключение линейных ускорений, а не вращательных ускорений. При измерениях электромагнитной индукции имеются вращательные ускорения, которые являются более проблематичными. Внутренняя система изоляции направлена на исключение их путем сочетания трех независимых методик: недемпфированного одноточечного подвешивания, динамической балансировки и инерциальной гироскопической стабилизации.

Проблема стабилизации ориентации существует в кинопромышленности, где камеры, устанавливаемые на подвижных платформах, могут испытывать нежелательные вращения, которые делают изображения непригодными для использования. Для настоящего изобретения заимствована основная методика гироскопической стабилизации, разработанная в этой отрасли промышленности. Однако способы стабилизации, используемые в кинопромышленности, являются недостаточно точными и также проблематичными для решения задачи изобретения.

В соответствии с этим методики усовершенствованы двумя основными путями. Во-первых, стабилизация сделана более точной с тем, чтобы получать необходимый уровень помех для успешного измерения электромагнитной индукции, путем надлежащего проектирования монтажной опоры и средства, которое балансирует несущий узел. Во-вторых, дополнительные методики магнитного экранирования использованы для минимизации воздействий кинематографического оборудования стабилизации с высоким уровнем электромагнитных помех на сверхчувствительные магнитные датчики.

Кроме того, имеются хорошо известные методики изоляции линейного движения, включающие в себя поплавковую подвеску, воздушные подшипники, амортизирующую подвеску, сочетания пружин и амортизаторов и схемы для активной компенсации сигналов. Изоляция линейного движения также может повышать вращательную устойчивость благодаря снижению крутящих моментов, прилагаемых к платформе, которые являются результатом приложения этих линейных ускорений к неидеально сбалансированной инструментальной платформе. Аналогичным образом вращательная устойчивость дополнительно возрастает при улучшении балансировки платформы.

Изобретение, рассматриваемое в этой заявке, отличается от существующих устройств, по меньшей мере, тремя особенностями, которые станут очевидными в этом раскрытии позднее. Во-первых, в решении, относящемся к устранению вращения, не требуются восстанавливающиеся силы и демпфирование, используемые в существующих системах. Вместо этого датчики прикрепляются к жесткой инструментальной платформе, которой предоставляется возможность свободно плавать на одиночном сферическом воздушном подшипнике. Таким образом, узел свободно вращается в любом направлении вокруг определенного центра вращения и может поддерживаться его ориентация относительно статического фонового геомагнитного поля земли даже в случае, когда корпус платформы поворачивается под ним. При таком подходе выявляется, что несущественно поддерживать направление контрольно-измерительного оборудования относительно корпуса при условии, что подвесное устройство может оставаться в пределах механического диапазона работы. Независимые информационные системы вертикали и курса серийно выпускаются и используются в этом изобретении для сохранения ориентации датчиков относительно корпуса и относительно географической системы отсчета. Без демпфирования сил трения и восстановления, присущего существующим системам устранения движения, изобретением можно резко снижать низкочастотные помехи, вызванные вращательным дрожанием корпуса.

Вторая особенность, в которой изобретение, рассматриваемое в этой заявке, отличается от существующих устройств, заключается в том, что решается задача исключения динамического нарушения ба- 2 022224 лансировки инструментальной платформы путем введения системы динамической балансировки, которая поддерживает центр масс инструментальной платформы точно в центре вращения. Эта система представляет собой новую конструкцию, в которой используются активные элементы, вибрирующие на фиксированных частотах, для оценивания уровня помех вращения, наводимых действием каждого вибратора на каждый датчик. Эта информация используется в ней для регулирования баланса масс в контуре обратной связи с тем, чтобы получать минимальные помехи.

Третья особенность, которой изобретение отличается от существующих устройств, заключается в том, что оно позволяет иметь дополнительное сопротивление вращению путем добавления нескольких гироскопических стабилизаторов (заимствованных из кинопромышленности), при этом решаются проблемы использования таких устройств, создающих электромагнитные помехи, в непосредственной близости к чувствительным датчикам электромагнитной индукции.

Имеется технология, ориентированная на регулярные измерения электромагнитной индукции с летательного аппарата. По этой технологии создано некоторое количество промышленных систем с управляемым источником, в том числе системы Оео(еш, §рес!гет и Тетрек!, которые работают с самолета, и системы типа НеН-Сео!ет, УТЕМ (см. патент США №7157914, Моткой е! а1.), Аего1еш, ТНЕМ, §ку!еш и ЭщНет. которые буксируются под вертолетами. В той или иной степени им всем присущи проблемы, связанные с помехами, возникающими при вращении, во всех используется некоторая форма пассивного управления вращением датчиков с использованием восстанавливающих сил и демпферов того или иного вида. Гироскопическая стабилизация не используется. Ни одна из них не работает на частотах ниже 25 Г ц, поскольку наводимые движением помехи являются слишком большими.

При пассивных воздушных электромагнитных измерениях (полей естественного происхождения) имеется такая же восприимчивость к наведенным движением помехам на низких частотах, как и в системах с управляемым источником. Первоначально их выполнял Аагб с помощью системы АЕМАС (Сеорйу51С5, уо1.ХХ1У, №4 (Ое1оЬег, 1959), рр.761-789). Позднее пассивные измерения выполнялись с помощью системы 2ТЕМ, которая в соответствии с данными Сео1есй работает в диапазоне частот 30-6000 Гц. См. Ие1б 1е818 оГ Сео1есй'8 ашЬогие АЕМАС ЕМ 8у81ет, Ьо е! а1., АЕ8С СоиТегеисе, Ме1Ьоите, АикйаПа, 2006. УЪЕ-ЕМ является пассивной электромагнитной системой, используемой при многочисленных воздушных исследованиях. УЪЕ-ЕМ работает при частоте выше 10 кГц. В диапазоне очень низких частот вызванные движением помехи не являются существенными, поскольку ориентация летательного аппарата является устойчивой для этих частот.

В патенте США №6765383 (Баггшдег), 2002, описана воздушная система магнитотеллурических исследований, работающая в диапазоне от 3 до 480 Гц, с использованием буксируемой гондолы. Немногие геофизики считают, что система Ваггшдег может работать. В этой системе магнитное поле измеряется магнитометром полного поля и 3 индукционными катушками с ортогональными осями. Стандартный промышленный датчик углового перемещения с ограниченной чувствительностью используется для регистрации движения гондолы и компенсации сигнала при угловых изменениях ориентации катушки. Однако движение гондолы не отделено от движения катушек. В патенте США №7002349 (также Ватпдег), 2006, описана аналогичная система с креплением на концах крыльев самолета.

В патенте США №4629990 (Хапбее), 1986, описано использование низкочастотных (до 30 Гц) электромагнитных полей для коррекции относительных положений передатчика и приемника в воздушных системах с управляемым источником, но без возможности использования низкочастотных данных при измерении рассеяния электромагнитных волн, обусловленного токами, индуцированными в земле.

Неэлектромагнитные воздушные геофизические измерения выполняют с инерционно стабилизированных платформ. Воздушная система Апдгау измерения гравитации от §апбег СеорЬу81С8 измеряет гравитацию с платформы, инерционно стабилизированной по трем осям на основании принципа маятника Шулера. В патенте США №6883372 (уаи Ьееитеп е! а1.) подобная технология раскрыта в гравитационном градиентометре от ВНР ВШйои 1ппоуайои Р!у Ъб. из Мельбурна, Австралия. Другие воздушные гравитационные системы с гравитационными градиентометрами эксплуатируются Ве11 Сеокрасе, Агкех апб №\у К.е8о1и!юп Сеорйуккк. Гравитационный градиентометр, разработанный ΚΓΖ, описан в патентах США №№5804722 и 5668315 (Уап Капп е! а1.).

Для другого применения в патенте США №7298869 (АЬегпа!йу) описана гиростабилизированная воздушная многоспектральная система построения изображения земли.

В патенте США №6816788 (Уап 5>1ееп\уук е! а1.), 2003, описана инерционно стабилизованная магнитометрическая измерительная аппаратура, предназначенная для использования в условиях бурения ствола скважины. Согласно этому патенту магнитные и гравитационные составляющие измерения выполняются в стволе скважины. Магнитные датчики измеряют составляющие магнитного поля, ортогональные к оси скважины, а гироскопы используются для обнаружения инерциального углового движения вокруг оси буровой скважины. Назначение гироскопов заключается в обеспечении инерционной системы отсчета для измерения данных об угловом вращении. Инерционная система отсчета используется для коррекции измерений в случае вращения зонда или для обеспечения системы отсчета для управления механизмом привода вращения, который побуждает датчики поддерживать устойчивую ориентацию. В аналогичном патенте США №6651496 (Уап §!еен№ук е! а1.) описано использование гироскопов для получения

- 3 022224 информации о вращении зонда в буровой скважине, так что информация о вращении может быть использована для коррекции ориентации датчиков. В обоих этих случаях измеряется только статическое магнитное поле земли, а не магнитные поля, создаваемые изменяющимися во времени токами, протекающими в земле.

В патенте США №6369573 (Тигпег с1 а1.), переуступленном ТЬе Вгокеп НЬ1 Ргорпе1агу Сотрапу Ытйеб (ВНР) из Австралии, 2002, раскрыта буксируемая гондола, предназначенная для использования при электромагнитных поисках полезных ископаемых, в которой используется способ уменьшения вращения датчика. Задача этого патента соответствует текущей задаче изобретения, но используются способы пассивной изоляции с восстанавливающей силой (пружиной) и демпфером (текучей средой). Устройство ВНР состоит из двух сферических оболочек, одна из которых вложена в другую. Жидкость содержится между внутренней и внешней оболочками, а сфера имеет отверстия, через которые пропущены поддерживающие тросы для соединения с внутренней точкой внутри сферы. Тросы имеют один конец, соединенный с внутренней точкой внутри опорной сферы, и другой конец, соединенный с пружиной. Пружина включает в себя демпфер для демпфирования перемещения пружины. В полости между внутренней и внешней оболочками, в которой содержится жидкость, для демпфирования перемещения жидкости расположены перегородки.

В патенте США №5117695 (Непбегкоп е1 а1.), 1995, используется родственная концепция для демпфирования и описан способ ослабления вибрации путем применения узла, предназначенного для защиты одноосных приборов, таких как акселерометры, с использованием демпфирующей текучей среды.

Другие недавние патенты по электромагнитной разведке выданы Эирию и соавторам (см. патент США №7375529), которые используют многочисленные сердечники для повышения величины магнитного потока, воспринимаемого магнитометром.

.Тасккоп в патенте США №7397417 (2008) описал изобретение, которое является аппаратом пассивной геофизической разведки, в котором использован магниторезистивный датчик в диапазоне от 65 кГц до 12 кГц.

КИикей в патенте США №6244534 описал воздушную систему разведки, в которой использована обтекаемая гондола с управляемыми поверхностями для стабилизации положения в пространстве, предназначенная для размещения передатчика. Угол тангажа гондолы может регулироваться многочисленными буксировочными тросами, а приемник может находиться в той же самой гондоле или в отдельной гондоле. Опционально, гондола имеет двигатель и отдельный воздушный винт.

^ЬШоп и соавторы в опубликованной заявке №2003/0169045 на патент США описали способ выполнения воздушных электромагнитных измерений с возбуждающим импульсов путем использования жесткого контура передатчика и отдельного узла жестких компенсирующих и приемных сборок катушек. В их изобретении используется пассивное демпфирование.

Имеются многочисленные патенты, относящиеся к автономным гироскопическим стабилизаторам. Устройства, используемые в варианте осуществления, описанном в этой заявке, изготовлены в Кепуоп ЬаЪогаФпек и работают в соответствии с принципами, описанными в 1957 году в патенте США №2811042 (ТЬеобоге Кепуоп).

Краткое изложение сущности изобретения

Изобретение состоит из четырех основных механических систем, некоторого количества вспомогательных систем, включая пневматические, механические, электронные и вычислительные устройства, и некоторого количества алгоритмов для оптимизации характеристик.

Механические системы

В изобретении использованы четыре вложенные и связанные механические системы. Каждая из систем имеет различную функцию в части механической изоляции. Из них самая внутренняя представляет собой стабилизированную по вращению инструментальную платформу, которая несет датчики и систему получения данных. Самая внешняя система представляет собой корпус, который имеет приблизительно каплеобразную форму. Его функция заключается в защите внутренних систем от атмосферных элементов и в обеспечении формы для буксировки, при которой будет минимальная, наводимая турбулентностью вибрация выше 1 Гц. На корпусе могут использоваться управляющие поверхности, такие как стабилизаторы, для подстройки его летных характеристик, однако они не являются важными для работы и новизны изобретения и не включены в чертежи.

Корпус связан с буксирной рамой. Буксирная рама поддерживает две самые внутренние системы и она связана с корпусом через горизонтальную поворотную ось, что позволяет буксирной раме сохранять угол тангажа, когда происходят изменения угла атаки корпуса во время полета. Существенным конструктивным компонентом буксирной рамы является приблизительно горизонтальное круговое кольцо, которое поддерживает все внутренние системы с помощью набора виброизолирующих демпферов. Демпферы значительно снижают вибрацию, передаваемую к внутренним системам, являющуюся результатом аэродинамической турбулентности и результатом изменений натяжения буксировочного троса.

Внутренним по отношению к буксирной раме является узел основания, конструкция в форме корзинки, прикрепленная к буксирной раме через демпферы вибраций. Назначение узла основания заключается в обеспечении опоры снизу для одиночного поворотного точечного воздушного подшипника, кото- 4 022224 рый поддерживает инструментальную платформу в положении, при котором центр масс объединенных двух внутренних систем расположен приблизительно в центре кругового кольца буксирной рамы.

Самая внутренняя конструкция представляет собой инструментальную платформу, которая имеет форму перевернутой воронки. Она связана с узлом основания через одиночный сферический воздушный подшипник, расположенный на верхней части стойки, прикрепленной к узлу основания. Фактически подшипник работает без трения. С помощью высокого момента инерции платформы и ее почти идеальной балансировки во всех трех направлениях вокруг точки вращения подшипника обеспечивается очень высокий уровень развязки по вращению между узлом основания и инструментальной платформой. Она имеет около 25° углового свободного перемещения по направлениям крена и тангажа вокруг опорной стойки и имеет полную свободу по отклонению от направления движения. Она может плавать совершенно свободно, поскольку отсутствуют сила, воздух или иные механические соединения, связывающие ее с наружной стороной.

Вспомогательные системы

Пневматические устройства. Основной воздушный подшипник и несколько приводных устройств на узле основания работают от сжатого воздуха при давлении 80-100 фунт/дюйм² (551,58-689,48 кПа). Подающим устройством для этих систем является воздушная магистраль, которая не показана на всех чертежах. Воздушная магистраль начинается возле буксирного транспортного средства или ниже него и она проходит в корпус через одну из поворотных осей, которые также служат местами крепления буксировочных тросов. Воздушная магистраль пропускает воздух от буксирной рамы до узла основания, что обеспечивает достаточный резерв времени для приспособления к любым относительным движениям, наводимым демпферами вибрации.

Гироскопические стабилизаторы. Изобретение включает в себя три гироскопических стабилизатора, расположенных на инструментальной платформе. Каждый из них вместе с батарейным блоком и инвертором заключен в магнитный экран.

Система получения данных. Изобретение включает в себя 4-канальную систему получения данных, расположенную на инструментальной платформе. Система принимает аналоговые входные сигналы с трех векторных компонентных магнитометров, а также сигналы в виде числа импульсов в секунду с глобальной системы определения местоположения и передает их на беспроводный маршрутизатор, расположенный на буксирной платформе. Линия передачи данных совместно с кабелем локальной вычислительной сети проходит от буксирной платформы к буксирующему транспортному средству.

Встроенный компьютер. Изобретение включает в себя встроенный компьютер, расположенный на инструментальной платформе. Он обладает двумя функциями, управляя положением балансирующих масс и передавая по беспроводной линии данные с устройства информационной системы вертикали и курса к беспроводному маршрутизатору, расположенному на буксирной раме.

Система динамической балансировки

Изобретение включает в себя систему динамической балансировки, состоящую из:

a) трех линейных вибраторов, ориентированных ортогонально и расположенных на узле основания чуть ниже воздушного подшипника;

b) трех линейных приводов, ориентированных ортогонально относительно друг друга и расположенных на инструментальной платформе; и

c) встроенного компьютера для управления положениями балансировочных масс, получения данных с устройства информационной системы вертикали и курса, включающего в себя феррозондовый магнитометр, и связи персонального компьютера в буксирующем транспортном средстве по беспроводной линии связи с беспроводным маршрутизатором на буксирной раме.

Система балансировки работает, обеспечивая искусственную вибрацию на трех фиксированных частотах в каждом из трех направлений вибрации. Данные магнитного поля с первичных датчиков будут воспринимать действие этих вибраций, если инструментальная платформа сбалансирована неидеально. Алгоритм нелинейной оптимизации выполняется на персональном компьютере, расположенном на буксирующем транспортном средстве, а на встроенный компьютер передаются команды на выполнение оптимизации балансировки масс инструментальной платформы. Алгоритм обеспечивает поддержание небольшого отклонения от балансировки с тем, чтобы пространственное положение платформы сохранялось в соответствии с приблизительно вертикальной ориентацией, вследствие чего она будет удерживаться от достижения пределов по крену и тангажу.

Различные признаки новизны, которые характеризуют изобретение, перечислены, в частности, в формуле изобретения, прилагаемой к этому описанию и образующей часть его. Для лучшего понимания изобретения, его эксплуатационных преимуществ и конкретных задач, решаемых при использовании его, обратимся к сопровождающим чертежах и текстовому материалу на чертежах, которыми иллюстрируются предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг. 1А изображает поперечное сечение системы стабилизации согласно предпочтительному вари- 5 022224 анту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 1В изображает общий вид системы стабилизации из фиг. 1А, при этом ее корпус показан прозрачным, так что видны нижележащие конструкции;

фиг. 1С изображает общий вид буксирной рамы согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 1А;

фиг. 2А изображает общий вид сверху узла основания из варианта осуществления, показанного на фиг. 1А;

фиг. 2В изображает общий вид снизу узла основания из фиг. 2А, на котором показана нижняя часть пластины основания узла основания;

фиг. 2С схематично изображает внутреннее пространство опорной стойки из фиг. 2А и 2В с показом вибрационных пневматических трехосных приводов; источник сжатого воздуха или газа не показан;

фиг. 3А изображает общий вид инструментальной платформы из варианта осуществления на фиг. 1А;

фиг. 3В изображает общий вид, показывающий активные части инструментальной платформы, при этом конструкция платформы удалена, чтобы показать относительные положения основных датчиков поля и пакетированные инструментальные модули изобретения;

фиг. 3С изображает частичный общий вид ствольного участка инструментальной платформы, показывающий положение двух модулей вторичных гироскопических стабилизаторов согласно изобретению;

фиг. 3Ό изображает вид сбоку платформы;

фиг. 3Е изображает увеличенный детальный вид из окружности 3Е на фиг. 3Ό;

фиг. 4А изображает общий вид ствольного участка инструментальной платформы, содержащего пакетированные инструментальные модули, в том числе основной гироскопический стабилизатор;

фиг. 4В изображает общий вид пакетированных инструментальных модулей, показывающий ребра радиатора, пластины радиатора и магнитный экран из мю-металла;

фиг. 4С изображает общий вид пакетированных инструментальных модулей, при этом ребра и пластины радиатора удалены и показан открывшийся магнитный экран из мю-металла;

фиг. 5А схематично изображает систему динамической балансировки согласно изобретению; фиг. 5В и 5С изображают спектральные интенсивности вибраций стойки, создаваемые взаимно ортогональными пневматическими устройствами, и результирующие спектральные интенсивности сигналов с трех магнитометров, установленных на инструментальной платформе, соответственно;

фиг. 6А изображает вид сверху поддерживаемой полусферы сферического воздушного подшипника;

фиг. 6В изображает вид сбоку сферического воздушного подшипника и фиг. 6С изображает общий вид с пространственным разнесением деталей узла сферического воздушного подшипника.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Настоящее изобретение представляет собой новую воздушную гондолу, содержащую несколько составляющих систем. При буксировке гондолы вертолетом или другим летательным аппаратом гондола вместе с внутренними системами измеряет данные трехкомпонентного магнитного поля в широком диапазоне частот, в частности, в низкочастотном диапазоне от 1 до 25 Гц. Основное применение изобретения заключается в геофизической разведке для детектирования зон повышенной электрической удельной проводимости (проводников) в земле и для описания изменяющихся во времени свойств электрической удельной проводимости в земле (поляризации) на основании наблюдаемых магнитных полей. Эти изменяющиеся во времени магнитные поля часто позволяют диагностировать месторождения полезных ископаемых и нефти, литологические и структурные вариации в грунте, водоносные горизонты и пятна загрязнения и созданные руками человека объекты, такие как ограждения, трубопроводы, средства поражения и клады.

Настоящее изобретение представляет собой первое устройство, которое позволяет пользователю использовать значительный резонанс Шумана в окружающем геомагнитном сигнале для решения задач разведки при работе с достаточно низкими помехами на частотах ниже 10 Гц. Оно также предоставляет значительное преимущество по сравнению с другими воздушными системами при проникновении через проводящие перекрывающие породы и различении хорошо проводящих месторождений полезных ископаемых. Кроме того, считается, что конструкция должна улучшить положение с реализацией воздушной электромагнитной системы, способной к повседневному детектированию индуцированных аномалий поляризации.

Прибор по изобретению обычно буксируют вдоль линий маршрута позади летательного аппарата или под ним для выполнения воздушных низкочастотных магнитных исследований с использованием пассивных систем и/или систем электромагнитной индукции с управляемым источником. Однако, как описывается в этой заявке, в ней имеется только приемник, а в описании отсутствует передатчик или антенна. Однако описываемая приемная система может быть выполнена с возможностью работы в качестве приемника в системе с управляемым источником, буксируемой одним летательным аппаратом, можно использовать в тандемной конфигурации, в которой один летательный аппарат буксирует пере- 6 022224 датчик, а второй летательный аппарат буксирует приемник, или в конфигурации с использованием неподвижного передатчика, расположенного на грунте.

В дополнение к этому прибор по изобретению также можно устанавливать на или в различных подвижных платформах. Например, его можно использовать на или в космических летательных аппаратах, воздушных летательных аппаратах, наземных или подземных транспортных средствах, кораблях, лодках, паромах, баржах, буях или в подводных транспортных средствах.

В приборе по настоящему изобретению используют несколько различных стратегий для устранения вращения инструментальной платформы, а устройство можно применять для решения нескольких задач электромагнитного обнаружения. Однако не для всех этих задач требуется одинаковая степень точности в части устранения вращения. Так, например, может оказаться, что использование только воздушного подшипника без гироскопических устройств и без системы динамической балансировки может быть достаточным для обеспечения сбора магнитных данных благодаря передатчику, буксируемому вместе с системой, поскольку в этом случае желаемые сигналы являются достаточно большими, тогда как для сбора приемлемых данных поля естественного происхождения (без передатчика) могут потребоваться балансировка, а также работа гироскопических устройств.

Хотя устройство обеспечено для стабилизации магнитометра при уникальных низкочастотных магнитных измерениях, его можно применять для стабилизации по отношению к вращательному движению других устройств, таких как гравиметрический прибор, оптический приемный прибор (камера/телескоп), лазерный целеуказатель. Кроме того, при использовании его для стабилизации электромагнитного передатчика устройство может предотвращать модуляцию передаваемых сигналов, обусловленную изменениями пространственного положения платформы с передатчиком.

Описание физических процессов

Что касается чертежей, на которых одинаковые условные обозначения используются для обозначения одних и тех же или подобных элементов, то на фиг. 1А и 1В показан предпочтительный вариант осуществления системы 10 стабилизации для аэромагнитометров или других магнитометров на транспортных средствах или других подвижных платформах. Как показано на фиг. 1А-1С, взятая в целом гондола, или зонд 10, по изобретению предназначена для сбора данных электромагнитной индукции со сниженными помехами, вызванными движением. Прибор содержит аэродинамический, например каплеобразный, корпус 20, имеющий луковицеобразный, предпочтительно сферический передний участок, остроконечный задний конец, первую продольную горизонтальную ось 22 и вторую поперечную горизонтальную ось 24, которая находится предпочтительно выше центральной горизонтальной оси корпуса 20, так что большая часть общей массы корпуса 20 и его содержимого находится ниже оси 24, а не выше ее. Буксирная рама 30 предусмотрена на луковицеобразном конце корпуса 20. Буксирная рама 30 имеет опорное кольцо 32, две перекрещивающиеся дуги, например дугообразные стержни 34а, 34Ь, противоположные концы каждого из которых присоединены на равномерно разнесенных местах к опорному кольцу 32 и вокруг него.

Две горизонтальные оси 36а, 36Ь, лежащие на второй горизонтальной оси 24 корпуса 20, выступают из противоположных концов одного из стержней 34а, при этом оси выступают из противоположных сторон опорного кольца 32 и выходят через противоположные стороны луковицеобразного участка корпуса 20 для прикрепления аппарата к транспортному средству, например вертолету, посредством троса и двухточечного захватного устройства (не изображено). Оси 36а и 36Ь шарнирно соединены с корпусом 20, а рама 30 имеет размер и форму, обеспечивающие свободное относительное вращение рамы 30 в корпусе 20 вокруг второй горизонтальной оси 24. Таким образом, при подъеме прибора 10 воздушным транспортным средством благодаря осям 36а и 36Ь корпус 20 будет стремиться поворачиваться заостренным концом вниз, но без приложения крутящего момента к внутренним системам, которые могут сохранять свою приблизительно вертикальную ориентацию. При начале движения летательного аппарата вперед воздушный поток вокруг корпуса 20 будет стремиться поднимать заостренный конец до тех пор, пока он не станет задним концом корпуса 20. Установлено, что каплеобразный корпус 20 с луковицеобразным концом имеет наилучшую аэродинамическую форму при массивном внутреннем объеме, и из этих соображений была выбрана форма корпуса, хотя можно использовать другие аэродинамические формы.

Как лучше всего показано на фиг. 1А и 1В, имеются две пары виброизолирующих демпферов 40, каждый из которых соединен с одним из стержней 34а и 34Ь, и они пространственно разнесены вокруг буксирной рамы 30, при этом каждая пара демпферов является эффективной для демпфирования вертикальных и горизонтальных вибраций буксирной рамы 30. Узел 50 основания установлен на виброизолирующих демпферах 40 и расположен, по меньшей мере, частично, в буксирной раме 30 и целиком на луковицеобразном участке корпуса 20 для обеспечения свободного перемещения узла 50 основания в корпусе 20, когда буксирная рама 30 поворачивается вокруг второй горизонтальной оси 24 корпуса 20. Поэтому вертикальные и горизонтальные вибрации корпуса 20 и рамы 30 демпфируются демпферами 40 до того, как они достигают узла 50 основания.

Как показано на фиг. 2А и 2В, опорная стойка 54 имеет нижний конец, прикрепленный к узлу 50 основания вблизи нижней части узла 50 основания, при этом опорная стойка 54 проходит вверх в узле 50

- 7 022224 основания и в буксирную раму 30 и имеет верхний свободный конец, центрированный относительно буксирной рамы 30. Одиночный сферический воздушный подшипник 55, который позднее будет раскрыт более подробно с обращением к фиг. 6А-6С, соединен с верхним свободным концом стойки 54. Модуль, содержащий три линейных пневматических вибратора V на фиг. 2С или У1, У2 и У3 на фиг. 5А, ориентированных под прямыми углами друг к другу, то есть в соответствующих направлениях X, Υ и Ζ, размещен внутри стойки 54, показанной на фиг. 2С. Как показано на фиг. 1А и 3А, инструментальная платформа 70, имеющая нижний полый конический участок 72 с верхней внутренней вершиной, находится в контакте со сферическим воздушным подшипником 55 и опирается на него. Инструментальная платформа 70 также имеет верхний ствол 71, проходящий вверх от конического участка 72 выше вершины и в буксирную раму 30. Центральная ось 75 инструментальной платформы проходит через конический участок 72 и ствол 71. Воздушный подшипник 55 обеспечивает вращение, по существу, без трения относительно направления оси 75 инструментальной платформы, называемый поворотным вращением или креном и тангажом, а также вращение платформы вокруг ее собственной оси 75, который называется вращением или отклонением от заданного направления движения.

Как показано на фиг. 4А, основной гироскопический стабилизатор 91 установлен внутри ствола 71 инструментальной платформы 70. Основной гироскопический стабилизатор 91 расположен на центральной оси 75 для поддержания фиксированной абсолютной ориентации оси 75 независимо от изменения ориентации корпуса 20, по меньшей мере, в диапазоне поворотов инструментальной платформы 70, который составляет предпочтительно около 20°, и в диапазоне от около 10° до около 30°. Диапазон тангажа определяется углом конического участка 72 и, как будет пояснено позднее, должен быть согласован с формой и размером узла 50 основания.

Заметим, что использование гироскопических стабилизаторов является предпочтительным для получения наилучших результатов, но изобретение также может работать без них.

Как показано на фиг. 3А и 3С, по меньшей мере один, но предпочтительно два сбалансированных по весу вспомогательных гироскопических стабилизатора 78 также установлены на инструментальной платформе 70, в местах, пространственно разнесенных радиально от центральной оси 75, на противоположных сторонах инструментальной платформы 70, для поддержания фиксированной абсолютной ориентации соответствующих осей стабилизации, каждая из которых ортогональна к оси 75.

Как показано на фиг. 3А и 3В по меньшей мере один, но предпочтительно три равномерно разнесенных и наклоненных датчика 79 магнитного поля установлены на инструментальной платформе 70 для сбора данных поля, при этом они являются устойчивыми к вращению узла 50 основания, буксирной рамы 60 и корпуса 20.

Что касается еще раз фиг. 2А, 2В и 1В, то основание 50 содержит круговое или многоугольное подвесное кольцо 51, соединенное с четырьмя парами виброизолирующих демпферов 40, круговую или многоугольную пластину 53 основания, пространственно отнесенную ниже подвесного кольца 51 и имеющую множество разнесенных по окружности, радиально проходящих пазов 60, множество ребер 52 основания, присоединенных между подвесным кольцом 51 и пластиной 53 основания и пространственно разнесенных вокруг пластины основания и подвесного кольца. Каждое ребро 52 основания имеет нижний, радиально проходящий наружу дугообразный участок 52а, проходящий вблизи нижнего конца через один из пазов 60 в пластине 53 основания, и наклоненный внутрь участок 52Ь, присоединенный между дугообразным участком 56а каждого соответствующего ребра 52 основания и подвесным кольцом 51. Угол наклонных участков 52Ь ребер 52 и кривизну дугообразных участков 56а выбирают в предположении свободного поворота и вращения инструментальной платформы 70 на оси 75 в пределах допустимого диапазона перемещения узла 50 основания.

Имеется множество нижних стержнеобразных диагональных перекладин 56а, каждая из которых присоединена между нижним концом одного ребра 52 основания и промежуточным местом соседнего ребра 52 основания вокруг узла 50 основания, например, вблизи места соединения наклонного участка 52Ь с дугообразным участком 56а каждого ребра 52. Кроме того, имеется множество верхних стержнеобразных диагональных перекладин 56Ь, каждая из которых присоединена между верхним концом каждого ребра 52 основания и промежуточным местом на соседнем ребре 52 основания. Эти диагональные перекладины повышают жесткость при кручении узла 50 основания. Опорная стойка 54 имеет верхний участок над пластиной 53 основания и нижний участок под пластиной 53 основания, при этом нижний конец каждого ребра 52 основания соединен с нижним участком опорной стойки 54 под пластиной 53 основания. Пара усиливающих пластин 61 на противоположных сторонах участка каждого ребра 52 основания ниже пластины 53 основания дополнительно подкрепляет ребра 52 в этой области, и при этом для прочности, небольшого веса и немагнитных свойств подвесное кольцо 51, ребра 52, пластину 53 основания и усиливающие пластины 61, а также диагональные перекладины 56а и 56Ь предпочтительно изготавливать из слоистого композиционного материала, наполненного углеродным волокном.

Каждый из ствольного участка 71 и конического участка 72 инструментальной платформы 70 содержит отдельную деталь из слоистого композиционного материала, наполненного углеродным волокном, и, как лучше всего показано на фиг. 3А, 3В и 4А, ствольный участок 71 содержит множество пакетированных инструментальных модулей 77, включающих в себя основной гироскопический стабилиза- 8 022224 тор 91, систему 90 получения данных и модуль 98 питания, который содержит инвертор и батарею 100а. Инструментальная платформа 70 также включает в себя множество пространственно разнесенных по окружности вертикальных, укрепляющих платформу ребер 74, проходящих вдоль конического участка 72 и ствола 71, и множество горизонтальных усиливающих фланцев 73. Множество усиливающих фланцев проходит вокруг инструментальной платформы 70, и фланцы имеют пазы для приема платформенных ребер 74. Фланцы 73 функционируют как внешние платформы, и одна из них поддерживает пару сбалансированных по весу вторичных гироскопических стабилизаторов 78, установленных внутри экранов из мю-металла, расположенных на противоположных сторонах ствола 71.

Предпочтительно, чтобы прибор имел три датчика 79 поля, а каждый из них содержал магнитометр для сбора данных магнитного поля, включающих в себя низкочастотные магнитные измерения в полосе частот от 1 Гц до 25 Гц, и эти три магнитометра 79 были бы установлены в равномерно пространственно разнесенных местах вокруг поверхности конического участка 72 вблизи нижнего края конического участка 72. Каждый магнитометр 79 жестко соединен с коническим участком 72 и включает в себя компоненту вектора, имеющую продольную ось, проходящую вдоль поверхности конического участка 72 в направлении оси 75, и компоненту, которая является радиальной относительно оси 75. Однако прибор будет работать при использовании любых трех датчиков, ориентированных по существу в различных направлениях относительно друг друга.

Вернемся к фиг. 1А, где каждый из виброизолирующих демпферов 40 содержит вертикальный демпфер 42, который отделяет узел 50 основания от дугообразных стержней 34а, 34Ь рамы 30, и горизонтальный демпфер 44, который в поперечном направлении соединяет узел 50 основания с опорным кольцом 32 рамы 30. В этом варианте осуществления они показаны как механические устройства, включающие в себя сильфоны, пружину и демпфер, но возможны другие компоновки, включающие в себя использование одноэлементных демпферов, изготовленных из вязкоупругого полимера, или компоновки с амортизирующими тросами. Ребрам 52 основания узла 50 основания приданы размеры и углы, согласованные с диапазоном крена и тангажа инструментальной платформы 70 на сферическом воздушном подшипнике 55 в пределах от 10 до 30°.

Каждый из двух экранов 99 из мю-металла содержит вторичный гироскопический стабилизатор 78, инвертор 100 и батарею 101 и установлен на инструментальной платформе 70. Как показано на фиг. 3И, 3Е и 5А, платформа 70 дополнительно включает в себя приводы (А1, А2 и А3) системы 80 динамической балансировки.

Теперь обратимся к фиг. 1А и 1В, где изобретение выполнено из пяти основных компонентов, представленных выше, а именно корпуса 20, буксирной рамы (рамы) 30, виброизолирующих демпферов (демпферов) 40, узла 50 основания (основания) и вращательно стабилизированной инструментальной платформы (платформы) 70.

Как отмечалось, на фиг. 1В представлен общий вид каплеобразного корпуса 20, показанного в данном случае прозрачным с тем, чтобы отобразить расположение внутренних компонентов. В предпочтительном варианте осуществления он имеет диаметр около 3 м. Корпус 20 механически связан с рамой 30 с помощью подшипников на двух горизонтальных осях 36а и 36Ь, расположенных по каждую сторону, рамы 30 вдоль горизонтальной оси 24. Этим корпусу 20 обеспечивается свобода по тангажу независимо от рамы 30 и всех компонентов, прикрепленных к ней. Концы осей 36а, 36Ь являются точками буксировки для двухточечного захватного устройства вертолета или другого летательного аппарата. Во время взлета и посадки или во время изменений высоты, связанных со следованием рельефу местности, или изменений воздушной скорости эта связь позволяет регулировать угол атаки корпуса 20 для получения наименьшего лобового сопротивления.

На фиг. 1А показано поперечное сечение по двум горизонтальным осям 36а и 36Ь, которые выдерживают всю нагрузку, и прикреплены к раме 30, и проходят сквозь корпус 20 через подшипники вокруг соответствующих отверстий в корпусе 20. Платформа 70 и основание 50 отделены от рамы 30 множеством демпферов 40, которые содержат два вида демпферов, схематично показанных на фигурах сильфонными структурами. Демпферы 40 служат для изоляции основания 50 от вибраций и вращения корпуса 20, обусловленных изменяющейся во времени аэродинамической нагрузкой, а также изменяющимся во времени натяжением буксировочного троса. Задача заключается в создании высокой степени изоляции в диапазоне от 1-10 Гц и с этой целью допускаются вертикальные и горизонтальные перемещения, составляющие несколько дециметров. Вертикально ориентированные демпферы 42 выдерживают статическую нагрузку платформы 70 и основания 50, тогда как горизонтальные демпферы 44 должны поглощать только динамические силы, связанные с боковыми ускорениями.

На фиг. 2А и 2В показано изолированное от вибраций основание 50. Основание 50 содержит подвесное кольцо 51, соединенное со множеством виброизолирующих демпферов 40, и пластину 53 основания, которая соединена с подвесным кольцом 51 посредством множества ребер 52 основания. Основание 50 дополнительно содержит опорную стойку 54, которая имеет нижний конец, соединенный с верхней поверхностью пластины 53 основания в ее центре. Опорная стойка 54 также имеет верхний конец, противоположный концу, который соединен с пластиной 53 основания. На противоположном верхнем конце опорной стойки 54 расположен одиночный сферический воздушный подшипник 55. Опорная стойка 54

- 9 022224 предназначена для поддержания вращательно стабилизированной инструментальной платформы 70 из фиг. 3А.

Основание 50 представляет собой клеточную конструкцию из ребер 52, которые соединяют подвесное кольцо 51 со стойкой 54. Предпочтительно изготавливать его из легкого слоистого материала, наполненного углеродным волокном, подобного материалу, используемому для создания платформы 70. Компоненты конструкции основания 50, которые связывают опорную стойку 54 через пластину 53 основания, ребра 52 с подвесным кольцом 51, также изготавливают из легкого слоистого материала. Кроме того, вся конструкция может быть изготовлена из слоистого материала, наполненного углеродным волокном, для поддержания низкой массы при сохранении хорошей жесткости. Как также отмечалось, диагональные перекладины 56а и 56Ь в трубках из углеродного волокна предназначены для повышения жесткости при кручении.

Платформа 70 показана в сечении на фиг. 1А и в перспективе на фиг. 3А. Она представляет собой воронкообразную конструкцию из слоистого композиционного материала, наполненного углеродным волокном, которая посажена в перевернутом положении на сферический воздушный подшипник 55, поддерживаемый стойкой 54. Достижение высокой степени жесткости платформы 70 является важной задачей, поскольку она несет гироскопические устройства 91, 78 для стабилизации пространственного положения, а также три векторных компонентных магнитометра, которые являются первичными датчиками 79. Поддержание фиксированной относительной ориентации этих компонентов на уровне миллионных долей градуса в пределах полосы частот получения данных магнитометров 79 является существенным для успешных измерений магнитного поля.

В предпочтительном варианте осуществления платформа 70 образована в виде цельной конструкции из углеродного композиционного материала. Она является воронкообразной и изготовлена из слоистого композиционного материала, наполненного углеродом, и имеет размер в основании приблизительно 1,5 м и высоту 2 м. Две части воронки представляют собой ствольный участок (ствол) 71 и конический участок (конус) 72. Ребра 74 платформы обеспечивают дополнительную жесткость. Как лучше всего показано на фиг. 4А, основной гироскопический стабилизатор 91 установлен внутри ствола 71 и должен стабилизировать датчики 79, установленные вблизи нижнего края конуса 72. По этой причине жесткость платформы 70 должна быть достаточной, чтобы деформации были пренебрежимо малыми (<1,0Е-7 рад). Хотя жесткость сильно возрастает при уменьшении размера конструкции, большие физические размеры необходимы для физического отделения гироскопических стабилизаторов 91, 78 (которые являются источниками электромагнитных помех) от датчиков 79 магнитного поля. На фиг. 3В и 3С показаны относительные положения этих электронных компонентов.

Ствол 71 содержит набор пакетированных инструментальных модулей 77, содержащих систему 90 получения данных, за которой следует основной гироскопический стабилизатор 91, за которым следует модуль 98 питания, который содержит инвертор и батарею 100а. Эти модули расположены таким образом, что модули, которые создают наибольшие электромагнитные помехи, расположены дальше всего от датчиков 79. В дополнение к этому имеются две внешние платформы 73, ориентированные перпендикулярно к стволу 71. Они позволяют закреплять вторичные дополнительные гироскопические устройства 78, каждое из которых размещено в отдельном экране 99, которые осуществляют стабилизацию при вращении вокруг оси 75 воронки, движении, которое не ограничивается основным осевым гироскопическим стабилизатором 91.

Инструменты переносятся платформой 70, а сама платформа 70 выполняет шесть основных функций: измерение магнитных полей, измерение ориентации платформы 70, стабилизацию платформы 70 при быстрых небольших изменениях ориентации (дрожании), стабилизацию платформы 70 при систематическом дрейфе ориентации, преобразование в цифровую форму и передачу данных на компьютер вне платформы и поддержание платформы 70 по возможности сбалансированной, чтобы центр масс совпадал с центром вращения воздушного подшипника 55.

Первичные датчики

В предпочтительном варианте осуществления изобретения три магнитометра 79 служат первичными датчиками поля, которые могут измерять компоненты вектора магнитных полей. Каждый из трех магнитометрических датчиков 79 установлен на поверхности конуса вблизи его края, при этом их длинные оси чувствительности расположены в одной плоскости с центральной осью 75. Они распределены вокруг центральной оси и расположены через каждые 120° по азимуту. Кабели (не изображены) проходят от датчиков 79 к основанию ствола 71 вдоль места соединения множества вертикально стабилизированных платформенных ребер 74. Датчики 79 изготовлены поставщиком по особому заказу для этого применения и принцип действия их основан на магнитной индукции с обратной связью. Они имеют плоскую частотную характеристику между 1 Гц и 10 кГц при чувствительности 0,1 В/нТл. Они имеют уровень собственных шумов θ'¹ гТл/-/гй на 1 Гц и ⁵ фТ.п/Тш на 300 Гц, но в изобретении можно использовать любые высокочувствительные векторные компонентные магнитометры.

Хотя в предпочтительном варианте осуществления использованы магнитоиндукционные катушки с обратной связью, полезные измерения можно выполнять датчиками нескольких различных видов, таки- 10 022224 ми как индукционные катушки, феррозондовые магнитометры или любое устройство, которое измеряет пространственные компоненты магнитного поля, их производные по времени или величины, которые связаны с магнитным полем линейным фильтром.

Система получения данных

Настоящее изобретение дополнительно содержит четырехканальную 24-разрядную систему 90 получения данных. Система 90 получения данных используется для опроса первичных датчиков 79 со скоростью до 51 килосемплов в секунду и включает в себя отметчик времени глобальной системы определения местоположения и беспроводную линию связи с персональным компьютером вне платформы.

Модуль основного гироскопического стабилизатора

Теперь обратимся к фиг. 3В и фиг. 4А-4С, на которых основной гироскопический стабилизатор 91 является промышленным гироскопическим стабилизатором Кепуоп Κδ-12, используемым в кинопромышленности. Внутри он содержит роторы, составляющие пару, каждый из которых установлен на универсальном шарнире с одной степенью свободы. Он приводится в действие сигналом приведения в действие 400 Гц 220 В, поступающим через инвертор от источника постоянного тока напряжением 28 В. Основной гироскопический стабилизатор 91 является цилиндрическим и он препятствует повороту вокруг любой оси, перпендикулярной к его собственной оси, но он не препятствует повороту вокруг его собственной оси.

Несмотря на то что основной гироскопический стабилизатор 91 представляет собой серийно выпускаемый модуль, его нельзя использовать непосредственно, поскольку он создает электромагнитные помехи с чрезмерно высокими уровнями. Для разрешения этой проблемы его, как и инвертор и батарейный источник 100Ь модуля 98 питания, заключают в экран М из мю-металла. Это снижает электромагнитные помехи приблизительно в 1000 раз. Основной гироскопический стабилизатор 91 должен быть очень жестко связан с платформой 70. Он также выделяет большое количество тепла (~100 Вт), которое необходимо эффективно рассеивать из экранированного блока. Это приводит к конструкции, показанной на фиг. 4А, 4В и 4С. На фиг. 4А показано, что объем ствола 71 занят пакетированными инструментальными модулями 77, которые включают в себя основной гироскопический стабилизатор 91 и его модуль 98 питания, которые удерживаются в центре ствола 71 набором 18 болтов (не изображены), которые проходят в вставки из нержавеющей стали в стенке ствола 71. Болты расположены радиально симметричным образом, при этом три болта расположены через каждые 60° по азимуту вокруг центральной, оси и образуют жесткое соединение между основным гироскопическим стабилизатором 91, его модулем 98 питания и стволом 71, что позволяет иметь теплоотводящую вытяжную трубу в виде кольцевого зазора между внутренними компонентами и внутренней стенкой ствола 71. На фиг. 4В показан радиатор К, составленный из набора пластин с цилиндрической кривизной, которые прижаты к магнитному экрану М давлением болтов. Ребра Г проходят от этих пластин под углом 90° через кольцевой зазор, обеспечивающий отвод тепла в вытяжную трубу. На фиг. 4С пластины радиатора удалены, при этом открывается магнитный экран М из мю-металла. Кроме того, как показано на фиг. 4А, верхние и нижние наборы распределяющих усилия прокладок Р использованы для гарантии, что инструментальные модули будут крепко прикреплены к внутренней стенке ствола 71 совместным, направленным внутрь давлением болтов. Каждая прокладка имеет плоскую внешнюю поверхность для приема давления от болтов и внутреннюю цилиндрическую поверхность для равномерной передачи усилия через пластины радиатора и экран из мюметалла. Каждая нижняя распределяющая усилия прокладка соответствует двум болтам и передает усилие непосредственно к основному гироскопическому стабилизатору, тогда как каждая верхняя распределяющая усилия прокладка соответствует одному болту и передает усилие к модулю 98 питания основного гироскопического стабилизатора.

Модули вторичных гироскопических стабилизаторов

Как упоминалось выше, изобретение также содержит по меньшей мере один модуль 78 вторичного гироскопического стабилизатора. Вариант осуществления, показанный на фиг. 3С, имеет два модуля 78 вторичных гироскопических стабилизаторов, один из которых частично скрыт позади одного из вертикальных платформенных ребер 74 инструментальной платформы 70. Два модуля 78 вторичных гироскопических стабилизаторов (Кепуоп Κδ-8δ) необходимы для решения двух задач. Они необходимы для противодействия вращательному дрожанию вокруг оси платформы 70 (отклонению от заданного направления движения), то есть оси 75 воронки, и для ограничения медленного углового дрейфа платформы 70 в любом направлении вследствие небольшого нарушения баланса узла или исходной скорости вращения его. Один из вторичных гироскопических стабилизаторов 78 модифицирован вследствие того, что промышленные гироскопические стабилизаторы для кинопромышленности имеют ограниченную полосу частот. Они противодействуют быстро прикладываемым крутящим моментам вокруг одной из двух осей сопротивления, но они не противодействуют установившимся крутящим моментам, прикладываемым в течение многих секунд. Это свойство является очень желательным в случаях, когда камера должна осуществлять панорамирование в ответ на постоянно прикладываемый крутящий момент даже в то время, когда гироскопический узел противодействует вибрации, обусловленной дрожанием рук или механическими связями с движущимся транспортным средством. Магнитометры 79, используемые в этом изобретении, не очень чувствительны к любому медленному дрейфу ориентации платформы 70. Однако плат- 11 022224 форма 70 перестает быть стабилизированной, если она достигает пределов отклонения по крену и тангажу (то есть приблизительно 20°), так что медленный дрейф должен ограничиваться. Для достижения этого один из двух вторичных гироскопических стабилизаторов 78 модифицируют, чтобы универсальные шарниры внутренних двухроторных узлов были сцеплены с роторами, вращающимися в одном и том же направлении. В сущности, гироскопический стабилизатор 79 превращается в простое гироскопическое устройство в универсальном шарнире с осью, направленной вдоль оси платформы 70. Поскольку его угловой момент является фиксированным относительно платформы 70, он позволяет платформе 70 совершать медленную прецессию без сваливания в случае небольшого нарушения баланса системы.

Два вторичных гироскопических стабилизатора 78, предназначенных для обеспечения балансировки, показаны на фиг. 3С размещенными на противоположных сторонах ствола 71. Каждое гироскопическое устройство 78 установлено внутри экрана 99 из мю-металла вместе с инвертором и батареей 100Ь. Пара гироскопических устройств 78 стабилизирует платформу 70 относительно углового дрожания в направлении отклонения от заданного направления движения. Эти небольшие гироскопические устройства 78 рассеивают намного меньше тепла, чем основной гироскопический стабилизатор 91. Отвод тепла осуществляется пассивно ребрами (не изображены), прикрепленными к экранам 99 из мю-металла.

Система динамической балансировки

Для минимизации крутящих моментов, прикладываемых к платформе 70 при линейных ускорениях, платформу 70 необходимо хорошо сбалансировать по всем трем направлениям вокруг ее точки вращения. Платформа 70 включает в себя мягкую инфраструктуру, например кабели, уплотнитель и т.д. Размер и местоположение этих компонентов несколько изменяются в зависимости от их ориентации относительно д-вектора (направления вниз), температуры и истории прикладываемых внешних ускорений. Поэтому для учета этих небольших изменений в центре масс платформы 70 требуется система 80 динамической балансировки из фиг. 5А. Система 80 балансировки является управляемой системой регулируемых балансировочных грузов, которая позволяет подстраивать баланс платформы 70, когда это необходимо.

Система 80 динамической балансировки схематично показана на фиг. 5А. Система включает в себя компоненты на плавающей инструментальной платформе (в окружности) и узел основания (в прямоугольнике), к которому платформа прикреплена, а также персональный компьютер (ПК) вне платформы. Встроенный компьютер, установленный на инструментальной платформе 70, управляет тремя микробалансировочными устройствами А1-А3, показанными схематично на фиг. 5А и в компоновках на фиг. 3Ό и 3Е. Микробалансировочные устройства представляют собой линейные приводы А с цифровым управлением, также показанные схематично на фиг. 3А, которые могут точно перемещать небольшую массу в несколько десятков граммов на миллиметровые расстояния в каждом из трех главных направлений X, Υ и Ζ.

Информация, необходимая для определения требуемых изменений положений балансировочных устройств, включает в себя данные об электромагнитной индукции с первичных датчиков, а также измерения от информационной системы вертикали и курса, также расположенной на платформе. В настоящем варианте осуществления алгоритм балансировки выполняется на персональном компьютере, работающем вне платформы, который получает данные об электромагнитной индукции по беспроводной связи непосредственно от системы получения данных, тогда как данные информационной системы вертикали и курса передаются по отдельной беспроводной линии связи от встроенного компьютера. Команды выдаются в соответствии с выполнением алгоритма балансировки и по беспроводной связи поступают на встроенный компьютер на платформе, который перемещает балансировочные массы. Как вариант, задачи, решаемые в настоящее время персональным компьютером вне платформы, могут решаться встроенным компьютером с более высокими характеристиками непосредственно на платформе при наличии проводной или беспроводной линии передачи данных от первичных датчиков электромагнитной индукции.

Трехосный феррозондовый магнитометр постоянного тока, который является частью информационной системы вертикали и курса, измеряет ориентацию магнитного поля земли относительно платформы 70 и, следовательно, относительно каждого из основных датчиков 79. Эта информация обеспечивает чувствительность основных датчиков 79 в соответствии с вращением вокруг каждой из трех осей.

Точность процесса балансировки повышается при приложении по трем взаимно перпендикулярным направлениям вибрации к основанию линейными немагнитными пневматическими вибраторами У1, У2 и У3, показанными на фиг. 5А. Они расположены в опорной стойке 54 чуть ниже воздушного подшипника 55 и обозначены V на фиг. 2С. Вибраторы работают на 3 различных частотах, незначительно отстоящих от базовой частоты, например 90 Гц, при этом разброс по частоте регулируется дифференциальным давлением с общего воздушного коллектора. Нарушение баланса платформы будет проявляться в виде соответствующего узкополосного сигнала помехи на каждом из компонентов датчиков пропорционально их чувствительности к вращению. При сочетании сигналов феррозондовых магнитометров с текущими данными от основных датчиков 79 алгоритм нелинейной оптимизации, выполняемый на персональном компьютере вне платформы, будет давать возможность встроенному компьютеру на платформе 70 или другому компьютеру оптимизировать положение балансировочных устройств, то есть при- 12 022224 водов А на фиг. ЗА или, в частности, приводов А1, А2 и А3 на фиг. 3Ό, 3Е и 5А, и тем самым минимизировать помехи при измерении. Были рассмотрены несколько алгоритмов, при этом предпочтительный алгоритм будет изложен в этом описании позднее.

В частности, на фиг. 5А показана система динамической балансировки, которая балансирует способную вращаться платформу относительно трех разных осей. При неуравновешенности центр масс платформы отличается от общего центра вращения. В таком случае вибрации в основании вызывают вращение платформы, которое регистрируется как магнитные сигналы на каждом их трех ортогональных магнитометров на платформе. Пневматические вибраторы У1, У2 и У3 на основании возбуждаются на трех отдельных частотах. Три линейных электромагнитных привода А1, А2 и А3 на платформе регулируют баланс масс в контуре обратной связи.

На фиг. 5В представлен график, показывающий вибрацию, прикладываемую к стойке тремя ортогональными пневматическими вибраторами У1, У2 и У3, каждый из которых работает на особой частоте, £1, £2 и £3. Отдельные частоты определяются тремя постепенно снижающими давление клапанами, питающими различные вибраторы от общего коллектора, и на фиг. 5С показаны сигналы с трех магнитометров переменного тока на платформе, регистрирующих сигналы, обусловленные вибрацией основания, на трех различных частотах. Эти сигналы пропадают, когда платформа имеет центр масс, расположенный точно в центре вращения. Баланс масс управляется по цепи обратной связи посредством трех ортогональных электромеханических приводов А1, А2 и А3, при этом каждый управляет положением баланса масс на несущей конструкции прибора.

Двусторонняя беспроводная линия связи между встроенным компьютером и персональным компьютером вне платформы из фиг. 5А позволяет транслировать данные от информационной системы вертикали и курса и информацию о положении от приводов А к персональному компьютеру вне платформы, а также транслировать обратно управляющую информацию, относящуюся к приводам А.

Для работы необходим алгоритм динамической балансировки и хотя может использоваться любой известный алгоритм, который может балансировать систему, подобную системе настоящего изобретения, в предпочтительном осуществлении используется особый и уникальный алгоритм. Этапами уникального алгоритма, используемого в предпочтительном осуществлении, являются следующие:

a) программа принимает с высокой скоростью непрерывный поток данных с трех первичных датчиков, а также принимает с намного меньшей скоростью данные с феррозондового магнитометра, который является частью информационной системы вертикали и курса на платформе;

b) на основании медленных данных с феррозондового магнитометра алгоритм определяет ориентацию каждого из трех датчиков относительно магнитного поля земли. Вследствие вращательной стабильности платформы она будет изменяться очень медленно;

c) на основании этой информации вычисляется матрица размера 3x3, с помощью которой исходные компоненты первичных датчиков преобразуются по трем виртуальным направлениям: ими являются компонента Са в направлении магнитного поля земли, Сй - горизонтальная и перпендикулярная к магнитному полю земли и третья компонента Су, перпендикулярная к обеим;

ά) данные первичных датчиков, собираемые на протяжении временного интервала в пределах от одной секунды до десятков секунд, подвергаются преобразованию Фурье для получения комплексных спектров;

е) спектры, основанные на трех исходных компонентах, умножаются на вычисленную матрицу размера 3x3 для получения спектров в направлениях Сй и Су. Они являются наиболее чувствительными к вибрационным помехам;

£) преобразованные спектральные плотности мощности формируются в направлениях Сй и Су умножением комплексных спектров на их комплексно сопряженные значения;

д) спектральные плотности мощности в направлениях Сй и Су усредняются в пределах трех узкополосных диапазонов частот, соответствующих частотам вибрации стойки, при этом получаются шесть спектральных амплитуд, которые являются положительными действительными числами.

Кроме того, ниже следует простейший вариант алгоритма настоящего изобретения, хотя возможны более точные подходы.

й) Создается простая целевая функция, подлежащая минимизации, путем суммирования 6 спектральных плотностей мощности;

ί) эта целевая функция используется в качестве входных данных для алгоритма стандартной нелинейной трехмерной симплексной оптимизации, такого как реализующего симплексный способ спуска. Результатом каждого применения является рекомендуемый следующий набор мест для устройств балансировки масс;

_() новые положения запрашиваются бортовым встроенным компьютером по беспроводной линии и задается время для достижения новых положений. Весь алгоритм повторяется.

Алгоритм, изложенный выше, имеет единственный критерий баланса платформы. Однако его можно легко модифицировать, чтобы обеспечить небольшое систематическое отклонение, необходимое для поддержания платформы приблизительно без крена и дифферента и также в пределах рабочего углового

- 13 022224 диапазона. Этого можно достигать добавлением к целевой функции от (д) члена, состоящего из весового коэффициента, умноженного на угловое отклонение от вертикали оси платформы, получаемое из данных информационной системы вертикали и курса. Величину весового коэффициента можно определять путем эксперимента или анализа, исходя из сохранения подстройки платформы при поддержании помех, наводимых при систематическом отклонении вследствие нарушения баланса, ниже допустимого уровня.

Воздушный подшипник

В предпочтительном варианте осуществления системы 10 стабилизации согласно настоящему изобретению используется сферический воздушный подшипник 55, который обеспечивает для допуска по высокоточной механической обработке единственную точку общего вращения вокруг любой оси, которое к тому же выполняется при очень малом трении. При наличии ускорений и тепловых изменений намного труднее получать и поддерживать сравнимую степень баланса, используя более традиционное решение в виде трех подшипников универсального шарнира, поддерживаемых вложенными вилками.

Однако функцию воздушного подшипника 55 может выполнять подшипник любого типа, который обеспечивает требуемые угол тангажа и отклонение от заданного направления движения инструментальной платформы 70 и в то же самое время не портит, не нарушает, не загрязняет и не влияет отрицательно любым образом на сбор данных поля, в частности электромагнитных данных.

Обратимся к фиг. 6А-6С, где сферический воздушный подшипник 55 содержит источник сжатого воздуха или газа (фиг. 6С), который соединен с и подает воздух к опорной вогнутой секции подшипника, так что верхняя поддерживаемая полусферическая секция подшипника плавает на воздушной или газовой подушке. Источником или средством для обеспечения сжатого воздуха 57 к воздушному подшипнику может быть, например, воздушный или газовый компрессор, имеющий достаточные давление и расход, чтобы он мог обеспечивать объем воздуха или газа, который будет поддерживать вес платформы 70, когда она полностью загружена инструментами и оборудованием.

Воздушный подшипник 55 специально разработан для настоящего изобретения. Он обеспечивает вращение в пределах 25° по крену и тангажу и бесконечное вращение по отклонению от заданного направления движения вокруг высокоточной единственной точки вращения. Воздушный подшипник 55 представляет собой металлический предмет, расположенный относительно близко к датчикам. Поэтому вихревые токи, наводимые в подшипнике, могут включаться в принимаемый сигнал. Для минимизации этой возможности подшипник 55 изготовлен из нержавеющей стали с относительно низкой удельной проводимостью (марки 303). Кроме того, как показано на фиг. 6А и 6С, глубокие канавки С, расположенные крест-накрест, были образованы фрезерованием на обратной стороне опорной вогнутой секции и поддерживаемой полусферы. Испытания показали, что постоянная времени основной моды вихревых токов составляет около 1 мс. В качестве варианта подшипник можно изготавливать из механически обрабатываемой керамики, такой как МАСОК, которая является более дорогой, но при этом будут полностью исключаться вихревые токи.

Основание

Как лучше всего показано на фиг. 1А, 2А и 2В, узел 50 основания переносит нагрузку платформы 70 от воздушного подшипника 55 и его стойки 54 к подвесному кольцу 51, которое расположено в плоскости, проходящей через центр масс объединенной системы из платформы 70 и основания 50. Необходимо, чтобы конструкция была довольно крупной и при этом очень жесткой, легкой и легко транспортируемой к месту исследований. Для получения требуемой жесткости разборной конструкции основание 53 стойки и подвесное кольцо 51 соединены легкими ребрами 52 из слоистого композиционного материала, наполненного углеродными волокнами, и упрочнены тонкими диагональными перекладинами 56а, 56Ь. Ребра 52 соединяют подвесное кольцо 51 с пластиной 53 основания и имеют форму, согласованную с 20градусным диапазоном крена и тангажа платформы 70 относительно оси стойки. Ребра 52 проходят сквозь пазы 60 в пластине основания, при этом каждый паз находится между парой ребер 52, а ребра постоянно прикреплены к нижней стороне пластины. Таким образом может быть образовано жесткое соединение, при этом основание 50 может быть разобрано для транспортировки на отдельные ребра 52, перекладины 56а, 56Ь, пластину 53 основания, подвесное кольцо 51 и стойку 54.

Демпферная система

Демпферная система, показанная на фиг. 1А, содержит множество виброизолирующих демпферов 40, которые совместно изолируют основание 50 от линейных ускорений корпуса 20. Для получения высокой степени изоляции на частотах около 1 Гц требуется сглаживание большого смещения. В конструкции, представленной в этой заявке, имеются восемь демпферов 40 двух видов. Первый набор, то есть вертикальные демпферы 42, необходим для восприятия статической нагрузки основания 50, а также для приспособления к динамической нагрузке. Демпферы второго набора, то есть горизонтальные демпферы 44, ориентированы горизонтально и необходимы для приспособления к первичной поперечной динамической нагрузке. Принимаемые во внимание устройства включают в себя амортизаторы, пневматические подушки, пружины, распорки на воздушных подшипниках и изготовленные по индивидуальному заказу блоки из поглощающей энергию резины, такой как §огЬо1Ъапе. Каждый из них имеет достоинства и недостатки. Некоторые лучше всего работают при натяжении, тогда как другие лучше всего работают при сжатии. Демпферы обоих видов могут быть реализованы в пределах ограничений предложенной геомет- 14 022224 рии путем модификации компоновки и свойств опорных кронштейнов.

Рама

Буксирная рама 30 показана на фиг. 1С, 1В и 1А. Назначение рамы 30 заключается в обеспечении общей крепежной конструкции для множества виброизолирующих демпферов 40, буксировочного троса вертолета и корпуса 20. Ее следует конструировать с использованием полых композиционных профилей. Вследствие большого размера ее следует проектировать с учетом сборки на площадке из шести отдельных деталей. Рама 30 также должна быть местом расположения беспроводных приемников для системы 90 получения данных и системы 80 динамической балансировки.

Корпус

Корпус, который лучше всего показан на фиг. 1В, представляет собой каплеобразную оболочку из композиционного материала с размерами 2,8 м х 4,3 м, составленную из четырех идентичных секторов, каждый из которых имеет полную длину 4,3 м. Секции имеют промежуточный размер около 2 м и могут легко транспортироваться в объеме фургона стандартной ширины. При использовании общепризнанных способов создания пустотных конструкций секции оболочки можно конструировать из углеродных композиционных материалов. Секции могут быть соединены друг с другом болтами с помощью выступающих наружу фланцев, встроенных в каждую секцию. Оцениваемая общая масса оболочки должна быть меньше чем 50 кг.

Двухточечная подвеска корпуса 20 ограничивает вращение оболочки вокруг продольной оси. Во время подъема вертолетом до значительного движения вперед с обтеканием воздушным потоком угловое положение или угол тангажа гондолы не ограничиваются. Местоположение центра гравитации корпуса 20 и скошенный вниз поток от несущих винтов вертолета по всей вероятности будут приводить к ориентации с опущенной хвостовой частью. После того как вертолет получает горизонтальную скорость перемещения, аэродинамические силы берут вверх и путевая устойчивость в части тангажа и отклонения от заданного направления движения могут управляться при помощи формы корпуса 20 и дополнительного оперения. Для согласования с этим диапазоном движения тангажа корпус 20 спроектирован с возможностью независимого вращения помещенной в него инструментальной платформы 70 и исключения опасности превышения диапазона вращения, обеспечиваемого гироскопической стабилизацией. Внутренний узел, то есть основание 50 и инструментальная платформа 70, будет поддерживаться в вертикальном положении посредством небольшой донной массы.

Назначение корпуса 20 заключается в обеспечении защиты элементов и получении аэродинамической формы, которая минимизирует турбулентность, которая может создавать вибрацию и лобовое сопротивление. Форма корпуса 20 минимизирует турбулентный поток и обеспечивает уровень путевой устойчивости относительно кажущегося направления ветра, которое обычно совпадает с направлением полета. Для повышения вращательной чувствительности к изменениям кажущегося направления ветра могут быть добавлены горизонтальный и вертикальный стабилизаторы. Турбулентность во время полета может неожиданно изменять кажущееся направление ветра и слишком большая поверхность стабилизатора будет повышать чувствительность к таким возмущениям. Удлиненная форма корпуса 20 обеспечивает основной уровень реакции по направлению, а гибкость выбора различных лопастей стабилизатора облегчает точную регулировку характеристик полета.

Корпус 20 проектируется как жесткая легкая оболочка, адекватная встречающимся аэродинамическим силам, но не поддерживающая всю массу корпуса 20 и внутренних компонентов. Поэтому в него включены три точки опоры/размещения оборудования. Опорная система прикрепляется к осям на каждой стороне рамы 30, выступающим на 3 фута (0,9144 м) через корпус, которые поддерживают вес системы во время сборки и размещения. В предположении, что хвостовая часть корпуса 20 будет опускаться вниз, когда вертолет зависает во время посадки, небольшой киль предусмотрен вдоль нижнего шва от хвоста до шасси для минимизации контакта корпуса с грунтом и возможности прокола. Хотя нет необходимости в том, чтобы корпус 20 имел какую-либо внутреннюю структуру, он может содержать четыре ребра, то есть одно верхнее ребро, одно нижнее ребро или киль, одно ребро правого борта и одно ребро левого борта. Это облегчит сборку и обеспечит точки крепления лопастей стабилизатора. В принципе, сначала собирают конструкцию шасси и четыре ребра. Инструментальную платформу 70, поддерживаемую рамой 30, присоединяют с помощью осей. На конечном этапе добавляют секции оболочки корпуса 20.

Особенности

Нижеследующие особенности считаются уникальными или, по меньшей мере, необычными при аэрогеофизической разведке.

1. В процессе работы в мобильном, пригодном к полетам корпусе 20 система непрерывно регистрирует данные магнитного поля в полосе частот от 1 до 25 Гц при соответственно низких, наведенных движением помехах, что может быть полезным для задач разведки.

2. Платформа 70 вращательно стабилизирована в высокой степени путем использования системы изоляции вращения, которая не имеет демпферов или восстанавливающих сил, так что датчики 79 сохраняют ориентацию относительно статического магнитного поля земли. Поэтому платформа 70 установлена на воздушный подшипник 55 с низким трением на основании 50. Этим минимизируется крутящий

- 15 022224 момент, прикладываемый к платформе 70, создаваемый вращением корпуса 20.

3. Используются система динамической балансировки, содержащая активную вибрацию, бортовой компьютер и набор дистанционно регулируемых масс, которые гарантируют, что центр масс остается расположенным точно в центре вращения воздушного подшипника. Этим минимизируется крутящий момент, прикладываемый к платформе 70, который в противном случае будет возникать вследствие изменений линейного ускорения корпуса 20.

4. Алгоритм динамической балансировки, благодаря которому сохраняется приблизительно вертикальная ориентация инструментальной платформы 70.

5. Основание 50 установлено на демпферах 40 ускорения и вибрации, которые обеспечивают значительное демпфирование до 1 Гц для минимизации любого крутящего момента, прикладываемого к платформе 70 вследствие линейных ускорений корпуса 20.

6. Три гироскопических устройства 78 и 91 в сочетании использованы для повышения продольной, поперечной и путевой устойчивости.

7. Платформа 70 представляет собой очень жесткую конструкцию с использованием слоистого материала, наполненного углеродным волокном, так что ориентация, поддерживаемая гироскопическими устройствами 91, 78, точно передается к датчикам 79.

8. Гироскопические устройства 91, 78 и связанные с ними электрические компоненты магнитно экранированы для минимизации наведения помех на датчики 79.

9. Основное гироскопическое устройство 91 окружено теплоотводом, в котором используется пассивная конвекция для удаления избыточной теплоты.

10. Данные, полученные датчиками 79, передаются по беспроводному каналу связи с поворотной платформы 70 к системе регистрации и обработки данных, прикрепленной к раме 30.

В соответствии с положениями закона в этой заявке показаны и описаны конкретные варианты осуществления изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в варианте изобретения, охватываемого формулой изобретения, могут быть сделаны изменения и что иногда определенные признаки изобретения могут успешно использоваться без соответствующего использования других признаков.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система (10) стабилизации датчика магнитного поля на подвижной платформе для сбора данных магнитного поля с пониженными помехами, вызванными движением датчика, содержащая каплеобразный корпус (20), имеющий луковицеобразный передний участок, заостренный задний конец, первую продольную горизонтальную ось (22) и вторую поперечную горизонтальную ось (24);

буксирную раму (30) в луковицеобразном конце корпуса, при этом буксирная рама имеет опорное кольцо (32), два перекрещивающихся дугообразных стержня (34а, 34Ь), при этом противоположные концы каждого соединены с опорным кольцом в разнесенных местах и вокруг него, и две горизонтальные оси (36а, 36Ь), лежащие на второй горизонтальной оси (24) корпуса (20) и выступающие из противоположных концов одного из стержней (34а), при этом оси выступают из противоположных сторон опорного кольца и выходят через противоположные стороны луковицеобразного участка корпуса для прикрепления прибора к транспортному средству для транспортировки прибора, причем оси шарнирно соединены с корпусом, а рама имеет размер, рассчитанный на свободный поворот рамы в корпусе и относительно него вокруг второй горизонтальной оси (24);

множество виброизолирующих демпферов (40), соединенных с и разнесенных по окружности буксирной рамы (30) и расположенных внутри пространства, определенного буксирной рамой (30), при этом демпферы являются эффективными при демпфировании вертикальных и горизонтальных вибраций буксирной рамы;

узел (50) основания, установленный на множестве виброизолирующих демпферов (40) и расположенный, по меньшей мере частично, в буксирной раме (30) и полностью на луковицеобразном участке корпуса (20) для свободного перемещения узла основания в корпусе, когда буксирная рама поворачивается вокруг второй горизонтальной оси (24) корпуса (20), при этом вертикальные и горизонтальные вибрации корпуса и рамы демпфируются демпферами до того, как они достигают узла (50) основания;

опорную стойку (54), имеющую нижний конец, прикрепленный к узлу (50) основания вблизи нижней части узла основания, при этом опорная стойка проходит вверх в узле основания и в буксирную раму (30) и имеет верхний свободный конец, расположенный внутри пространства, определенного буксирной рамой (30);

одиночный сферический воздушный подшипник (55), соединенный с верхним свободным концом стойки;

структурно жесткую инструментальную платформу (70), имеющую нижний полый конический участок (72) с верхней внутренней вершиной, соприкасающейся со сферическим воздушным подшипником (55) и опертой на него для вращательной и поворотной поддержки инструментальной платформы на опорной стойке, при этом инструментальная платформа имеет верхний ствол (71), проходящий вверх от

- 16 022224 конического участка, выше вершины и в буксирную раму (30), инструментальная платформа (70) имеет центральную ось (75), проходящую через конический участок и ствол;

систему (80) динамической балансировки для динамической балансировки платформы на воздушном подшипнике и по меньшей мере один датчик (79) поля, установленный на инструментальной платформе (70) для сбора данных поля, при этом он сбалансирован относительно вызванных движением помех, в том числе вибрации, поворота и вращения со стороны узла основания, со стороны буксирной рамы и со стороны корпуса.
2. Система по п.1, включающая в себя основной гироскопический стабилизатор (91), установленный в стволе (71) и расположенный на центральной оси для снижения вращательного дрожания при крене и тангаже инструментальной платформы на опорной стойке и по меньшей мере один вторичный гироскопический стабилизатор (78), установленный на инструментальной платформе в месте, находящемся на расстоянии в радиальном направлении от центральной оси (75), для снижения вращательного дрожания при отклонении от заданного направления движения.
3. Система по п.1, в которой узел (50) основания содержит подвесное кольцо (51), соединенное с виброизолирующими демпферами (40), пластину (53) основания, отнесенную вниз от подвесного кольца и имеющую множество разнесенных по окружности радиально проходящих пазов (60), множество ребер (52) основания, присоединенных между подвесным кольцом и пластиной основания и разнесенных вокруг пластины основания и подвесного кольца, при этом каждое ребро (52) основания имеет нижний радиально проходящий наружу дугообразный участок (52а), проходящий через один из пазов (60) в пластине (53) основания, и наклоненный внутрь участок (52Ь), присоединенный между дугообразным участком ребра основания и подвесным кольцом, множество нижних диагональных перекладин (56а), каждая из которых присоединена между нижним концом каждого ребра основания и промежуточным местом соседнего ребра основания, и множество верхних диагональных перекладин (56Ь), каждая из которых присоединена между верхним концом каждого ребра основания и промежуточным местом на соседнем ребре основания, при этом диагональные перекладины повышают жесткость при кручении узла (50) основания, опорная стойка (54) имеет верхний участок над пластиной (53) основания и нижний участок под пластиной основания, нижний конец каждого ребра (52) основания соединен с нижним участком опорной стойки (54).
4. Система по п.1, в которой узел (50) основания содержит подвесное кольцо (51), соединенное с виброизолирующими демпферами (40), пластину (53) основания, пространственно отнесенную ниже подвесного кольца и имеющую множество разнесенных по окружности радиально проходящих пазов (60), множество ребер (52) основания, присоединенных между подвесным кольцом и пластиной основания и пространственно разнесенных вокруг пластины основания и подвесного кольца, при этом каждое ребро (52) основания имеет нижний радиально проходящий наружу дугообразный участок (52а), проходящий через один из пазов (60) в пластине (53) основания, и наклоненный внутрь участок (52Ь), присоединенный между дугообразным участком ребра основания и подвесным кольцом, множество нижних диагональных перекладин (56а), каждая из которых присоединена между нижним концом каждого ребра основания и промежуточным местом соседнего ребра основания, и множество верхних диагональных перекладин (56Ь), каждая из которых присоединена между верхним концом каждого ребра основания и промежуточным местом на соседнем ребре основания, при этом диагональные перекладины повышают жесткость при кручении узла (50) основания, опорную стойку (54), имеющую верхний участок над пластиной (53) основания и нижний участок под пластиной основания, при этом нижний конец каждого ребра (52) основания соединен с нижним участком опорной стойки (54), и пару усиливающих пластин (61) на противоположных сторонах каждого ребра основания на месте под пластиной (53) основания, при этом подвесное кольцо, ребра и пластина основания изготовлены из слоистого композиционного материала, наполненного углеродным волокном.
5. Система по п.1, включающая в себя основной гироскопический стабилизатор (91), установленный в стволе (71) и расположенный на центральной оси, для снижения вращательного дрожания при крене и тангаже инструментальной платформы на опорной стойке, и по меньшей мере один вторичный гироскопический стабилизатор (78), установленный на инструментальной платформе на месте, находящемся на расстоянии в радиальном направлении от центральной оси (75), для снижения вращательного дрожания при отклонении от направления движения, при этом каждый из ствольного участка (71) и конического участка (72) инструментальной платформы (70) представляет собой цельную деталь из слоистого композиционного материала, наполненного углеродом, ствольный участок (71) содержит множество пакетированных инструментальных модулей (77), включающих в себя основной гироскопический стабилизатор (91), систему (90) получения данных и модуль (98) питания, содержащий инвертор и батарею (100а), инструментальная платформа (70) включает в себя множество разнесенных по окружности вертикальных укрепляющих платформу ребер (74), проходящих вдоль конического участка (72) и ствола (71), и множество горизонтальных усиливающих фланцев (73), проходящих вокруг платформы и мимо ребер платформы, при этом прибор включает в себя пару сбалансированных по весу вторичных гироскопических стабилизаторов (78), установленных по противоположным сторонам ствола и на одном из го- 17 022224 ризонтальных усиливающих фланцев (73).
6. Система по п.1, в которой датчик (79) поля содержит индукционную катушку с обратной связью для сбора данных магнитного поля, включающих в себя низкочастотные магнитные измерения в полосе частот от 1 до 25 Гц.
7. Система по п.1, в которой датчик (79) поля содержит индукционные катушки с обратной связью для сбора данных магнитного поля, включающих в себя низкочастотные магнитные измерения в полосе частот от 1 до 25 Гц, при этом прибор включает в себя три указанных датчика, установленных на равномерно расположенных местах вокруг конического участка, причем каждый содержит векторный компонентный датчик (79), расположенный вблизи нижнего края конуса, и каждый имеет продольную ось, параллельную поверхности конуса и лежащую в одной плоскости с осью конуса.
8. Система по п.1, в которой каждый из виброизолирующих демпферов (40) содержит набор вертикальных демпферов (42), которые подвешены к узлу основания из дугообразных стержней (34а, 34Ь) рамы, и горизонтальных демпферов (44), которые в поперечном направлении соединяют конический участок узла (50) основания с опорным кольцом (32) рамы (30).
9. Система по п.1, в которой ребра (52) основания узла (50) основания наклонены для согласования с диапазоном от 10 до 30° крена и тангажа инструментальной платформы (70) на сферическом воздушном подшипнике (55).
10. Система по п.1, включающая в себя основной гироскопический стабилизатор (91), установленный в стволе (71) и расположенный на центральной оси, для снижения вращательного дрожания при крене и тангаже инструментальной платформы на опорной стойке и по меньшей мере один вторичный гироскопический стабилизатор (78), установленный на инструментальной платформе на месте, находящемся на расстоянии в радиальном направлении от центральной оси (75), для снижения вращательного дрожания при отклонении от направления движения, при этом гироскопические стабилизаторы вместе с инвертором и батареей (100Ь) установлены на инструментальной платформе (70) внутри металла (99) с высокой магнитной проницаемостью.
11. Система по п.1, дополнительно содержащая систему (80) динамической балансировки, содержащую персональный компьютер, отделенный от прибора, набор линейных приводов (А) массовой балансировки, установленных на инструментальной платформе (70) и ориентированных под углом 90° друг к другу, а также встроенный компьютер, установленный на инструментальной платформе (70), который принимает команды от персонального компьютера для управления набором приводов (А) массовой балансировки.
12. Система по п.1, дополнительно содержащая систему (80) динамической балансировки, содержащую встроенный компьютер, установленный на платформе (70); персональный компьютер, отделенный от системы и выполненный с возможностью осуществления алгоритма динамической балансировки; набор трех взаимно перпендикулярных линейных пневматических вибраторов (V), размещенных в опорной стойке (54) ниже воздушного подшипника (55); при этом каждый из трех взаимно перпендикулярных линейных пневматических вибраторов (V) вибрирует на особой частоте, позволяя с помощью алгоритма динамической балансировки подготавливать информацию относительно того, каким образом более точно определять необходимое перераспределение масс, система динамической балансировки дополнительно содержит средство беспроводной передачи информации, создаваемой с помощью алгоритма динамической балансировки, выполняемого на персональном компьютере, к встроенному компьютеру.
13. Система (10) стабилизации датчика для обеспечения возможности непрерывного сбора данных магнитного поля, включающих в себя низкочастотные магнитные измерения в полосе частот от 1 до 25 Гц, без воздействия помех, вызванных движением датчика, при этом система (10) содержит каплеобразный корпус (20);

буксирную раму (30), содержащую опорное кольцо (32), два возвышающихся выпуклых перекрещивающихся стержня (34а, 34Ь), соединенных с указанным опорным кольцом (32), и две горизонтальные оси (36а, 36Ь), выступающие от одного из двух перекрещивающихся стержней (34а, 34Ь) и расположенные на противоположных сторонах опорного кольца (32), при этом каждая из двух горизонтальных осей (34а, 34Ь) шарнирно соединена с указанным корпусом (20) с помощью подшипников для возвратнопоступательного движения и каждая из двух горизонтальных осей (34а, 34Ь) проходит сквозь корпус (20) через подшипники для возвратно-поступательного движения, причем горизонтальные оси (36а, 36Ь) образуют буксирные точки, которые облегчают прикрепление к транспортному средству;

узел (50) основания, соединенный с рамой, но по вибрации изолированный от корпуса (20) и от рамы (30), при этом узел основания содержит опорную стойку (54), имеющую нижний конец, выполненный за одно целое с круговой пластиной (53) основания, которая имеет нижнюю сторону (62), опорная стойка (54) имеет противоположный верхний конец с одиночным сферическим воздушным подшипником (55), содержащим центр вращения, причем узел (50) основания дополнительно содержит подвесное кольцо (51), множество вертикальных ребер (52), соединенных с круговой пластиной (53) основания, указанные ребра (52) радиально наклонены и проходят через пазы (60) в круговой пластине (53) основания, вертикальные ребра (52) заключены между парами ребер (61), постоянно прикрепленных к нижней

- 18 022224 стороне (62) пластины (53) основания, узел (50) основания также содержит диагональные перекладины (56) из углеродного волокна для повышения жесткости при кручении и соединения соседних элементов множества вертикальных ребер (52) друг с другом;

полую воронкообразную, вращательно стабилизированную инструментальную платформу (70), содержащую цельную деталь из слоистого композиционного материала, наполненного углеродным волокном, при этом платформа имеет продольную ось (75), центр масс и внешнюю поверхность, платформа (70) опирается в перевернутом положении на одиночный сферический воздушный подшипник (55) и на опорную стойку (54), платформа (70) содержит ствольный участок (71) и конический участок (72), при этом конический участок имеет нижний край, ствольный участок содержит набор пакетированных инструментальных модулей (77), содержащих систему (90) получения данных, за которой следует главный гироскопический стабилизатор (91), за которым следует модуль (98) питания, содержащий инвертор и батарею (100а);

три векторных компонентных магнитометра (79), каждый из которых имеет продольную ось, при этом магнитометры установлены на внешней поверхности конического участка (72) вблизи нижнего края, инструментальная платформа (70) содержит продольные ребра (74), жестко прикрепленные к внешней поверхности ствольного участка (71) и конического участка (72) для дополнительной жесткости платформы (70);

два вторичных противоположных гироскопических стабилизатора (78) для противодействия вращательному дрожанию и поворотному движению вокруг оси (75) платформы (70), установленные на платформах (76) и расположенные радиально наружу от оси (75) платформы, по каждую сторону ствольной части (71), при этом два вторичных гироскопических стабилизатора (78) установлены вместе с инвертором и батареей (100Ь) внутри экрана (99) из мю-металла, систему (80) динамической балансировки для гарантии того, что центр масс платформы (70) будет расположен в центре вращения воздушного подшипника, при этом система (80) динамической балансировки содержит набор линейных взаимно перпендикулярных приводов (А), расположенных на инструментальной платформе (70), каждый из которых имеет небольшую массу, расположенную на небольшой линейной каретке; набор линейных пневматических взаимно перпендикулярных вибраторов (V), расположенных на узле основания ниже воздушного подшипника, каждый из которых вибрирует на особой частоте; персональный компьютер, отделенный от системы и выполненный с возможностью осуществлять алгоритм динамической балансировки; встроенный компьютер, установленный на платформе (70), для управления набором приводов (А); и средство беспроводной передачи информации от персонального компьютера к встроенному компьютеру; причем встроенный компьютер на платформе принимает по беспроводному каналу команды позиционирования в результате выполнения алгоритма динамической балансировки на персональном компьютере;

систему (40) виброизолирующих демпферов для изоляции узла (50) основания и платформы (70) от вибраций и поворотов корпуса (20), при этом система (40) демпферов содержит вертикально ориентированные демпферы (42) для подвешивания основания на скрещенных стержнях (34а, 34Ь) рамы и горизонтальные демпферы (44) для соединения в поперечном направлении узла (50) основания с опорным кольцом (32) рамы (30);

при этом радиальные ребра (52) узла (50) основания наклонены для согласования с выбранной величиной диапазона крена и тангажа инструментальной платформы (70).
14. Система сбора данных магнитного поля со стабилизированным датчиком магнитного поля на подвижной платформе с пониженными помехами, вызванными движением датчика, содержащая:

корпус (20);

буксирную раму (30), расположенную в корпусе (20);

узел (50) основания, установленный на демпферах (40), соединенных с буксирной рамой (30); опорную стойку (54), имеющую нижний конец, прикрепленный к узлу (50) основания, и верхний свободный конец;

одиночный сферический воздушный подшипник (55), соединенный с верхним свободным концом стойки (54);

инструментальную платформу (70) с нижней полой воронкой, имеющей верхнюю внутреннюю вершину, поддерживаемую на воздушном подшипнике (55) в качестве одной точечной опоры и имеющую центральную ось (75);

систему (80) динамической балансировки для динамической балансировки платформы на воздушном подшипнике; и по меньшей мере один датчик (79) поля, установленный на инструментальной платформе (70), для сбора данных поля, при этом он стабилизирован относительно помех, вызванных движением датчика, в том числе при вибрации, повороте и вращении со стороны узла (50) основания, со стороны буксирной рамы (30) и со стороны корпуса (20).
15. Система по п.14, дополнительно содержащая множество гироскопических стабилизаторов (91, 78), соединенных с инструментальной платформой (70), для поддержания поворотной и вращательной устойчивости.

- 19 022224
16. Система по п.14, в которой сферический воздушный подшипник (55) содержит вогнутую поддерживающую секцию и поддерживаемую полусферическую секцию, при этом вогнутая поддерживающая секция и поддерживаемая полусферическая секция содержат расположенные крест-накрест, образованные фрезерованием канавки (О) для минимизации вихревых токов, наводимых сферическим воздушным подшипником.
17. Система по п.14, в которой инструментальная платформа (70) содержит верхний ствольный участок (71), имеющий внешнюю поверхность, и нижний конический участок (72), также имеющий внешнюю поверхность, а также нижний край.
18. Система по п.14, в которой сферический воздушный подшипник (55) содержит источник (57) сжатого воздуха или газа, соединенный с вогнутой поддерживающей секцией, для подачи воздуха в вогнутую поддерживающую секцию, чтобы поддерживаемая полусфера плавала на воздушной подушке.
19. Система по п.15, в которой множество гироскопических стабилизаторов (91, 78) содержит один главный гироскопический стабилизатор (91), помещенный в ствольный участок (71) инструментальной платформы (70), и два вспомогательных гироскопических стабилизатора (78), установленных на внешней поверхности ствольного участка (71) инструментальной платформы и равномерно расположенных вокруг нее.
20. Система по п.19, в которой гироскопические стабилизаторы установлены внутри оболочки (99) из металла с высокой магнитной проницаемостью.
21. Система по п.20, содержащая три датчика поля, каждый из которых имеет продольную ось, и они установлены на внешней поверхности конического участка (72) инструментальной платформы (70) и равномерно расположены на ней, причем три датчика (79) поля расположены вблизи нижнего края конического участка (72) и так, что их продольные оси лежат в одной плоскости с центральной осью (75) инструментальной платформы (70).