ES2250404T3 - Brujula electronica. - Google Patents

Abstract

Brújula electrónica que comprende unos medios de control electrónicos (20, 21, 22), por lo menos un sensor con núcleo saturable (2), presentando dicho sensor un núcleo (3) que soporta y está rodeado por un devanado eléctrico de excitación (3¿) formando una bobina de material ferromagnético amorfo, comprendiendo el sensor con núcleo (2) un primer interespacio, dispuesto entre el devanado de excitación eléctrico (3¿) y un primer par de devanados (4, 5), presentando dicho primer par de devanados (4, 5), rodeados y soportados por unos primeros medios rígidos (6), espiras mutuamente ortogonales, estando el núcleo (3) hecho de un anillo de aluminio, llenando dichos primeros medios rígidos (6) el primer interespacio, y comprendiendo el sensor con núcleo (2) un segundo interespacio ocupado por unos segundos medios rígidos (7) y que está dispuesto entre dicho primer par de devanados (4, 5) y un segundo par de devanados (8, 9), estando el segundo par de devanados (8, 9) rodeado y soportado por dichossegundos medios rígidos (7), presentando espiras mutuamente ortogonales de los devanados mutuamente ortogonales (8, 9).

Description

Brújula electrónica.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una brújula electrónica de inducción terrestre, habiéndose diseñado la brújula principalmente, aunque no exclusivamente, como un equipo para barcos o cualquier tipo de vehículos.

Técnica anterior

Las brújulas electrónicas de tipo analógico son bien conocidas y obtenibles en el comercio desde hace mucho tiempo. Comprenden por lo menos un sensor con núcleo saturable (sensor de inducción magnética) y reluctancia variable, cuyas señales de salida están correlacionadas en todo momento con el ángulo comprendido entre el norte geográfico y el eje longitudinal del vehículo (ángulo de rumbo); generalmente, las señales de salida del sensor son respectivamente proporcionales a las funciones del seno y del coseno del ángulo de rumbo detectado. Una brújula electrónica de este tipo se ha dado a conocer en la solicitud de patente europea EP-A-87890.

Dichas brújulas hacen generalmente errores por razones conocidas o previsibles, como, por ejemplo, la desviación magnética debida a varios elementos. Ante todo, el campo magnético terrestre no es homogéneo, sino que presenta una intensidad máxima en las zonas ecuatoriales y una intensidad mínima en las zonas polares, presentando asimismo distorsiones locales. Además, el norte magnético no coincide con el norte geográfico. Dichos errores pueden eliminarse calibrando apropiadamente cada brújula. Sobretodo en viajes largos, dicha falta de homogeneidad en el campo magnético terrestre implica tener que repetir frecuentemente el procedimiento de calibración, que suele ser generalmente largo y costoso.

Otra fuente de errores pueden ser los medios de soporte que conectan la brújula con el barco y que mantienen dicha brújula, y en particular su sensor, en una posición horizontal o en cualquier otra posición constante predeterminada, compensando de este modo las escoras del barco, o el deslizamiento del vehículo, debidos al movimiento de las olas y/o maniobras del barco, por ejemplo, un cambio de rumbo. Si el ángulo de escora es mayor que el ángulo máximo que puede compensarse mediante los medios de soporte, la brújula, y, en particular, su sensor, siguen la escora del barco, abandonando por tanto la posición predeterminada mencionada anteriormente.

Por consiguiente, la intensidad del campo magnético terrestre detectada por el sensor es inferior o distinta de la real y la brújula "señala" un ángulo de rumbo distinto del real. Este tipo de error puede ser especialmente importante en la navegación en alta mar, cuando un piloto automático, interdependiente de la brújula, controla la navegación, pudiendo éste considerar el error de la brújula como un error en el rumbo y, por tanto, corregirlo llevando el barco por el mal camino.

Para evitar este tipo de errores, se cuelgan generalmente las brújulas de un soporte como una junta cardán.

El documento US-A-3895869 expone un sensor de proa con devanados de compensación que comprende un núcleo rodeado de un devanado de excitación y dos pares de devanados de sentido. El núcleo está encapsulado en una carcasa cúbica que está rodeada por dos devanados de compensación ortogonales.

El documento US-A-5339246 expone un aparato para compensar el rumbo magnético indicado por la brújula magnética de un vehículo de tal forma que el rumbo magnético corresponde al rumbo verdadero indicado por las señales procedentes del "sistema de posicionamiento global" que se reciben en el vehículo. El aparato incluye un ordenador para calcular factores de compensación a partir de posiciones sucesivas que ocupa el vehículo mientras se desplaza.

El documento US-A-4157619 expone un inclinómetro que responde a la inclinación y al flujo magnético terrestre proporcionando una señal de salida que representa la orientación direccional del dispositivo con respecto al campo ambiente. Presenta una estructura interna que comprende un núcleo anular rodeado por bobinas de entrada y bobinas de salida. La estructura interna está rodeada de bobinas de inclinación.

El documento GB-A-2044460 expone un sensor magnetométrico de saturación para medir simultáneamente, en el mismo punto en el espacio, los tres componentes mutuamente ortogonales de un campo magnético, comprendiendo el sensor un núcleo anular de material magnetizable con un devanado de excitación arrollado toroidalmente alrededor del núcleo. Un primer devanado secundario está arrollado circunferencialmente alrededor del núcleo. Un segundo devanado secundario está arrollado toroidalmente sobre una parte del núcleo, y un tercer devanado secundario está arrollado toroidalmente sobre otra parte del núcleo, preferentemente a 90º con respecto al segundo devanado secundario. El núcleo se encuentra en un cubo con devanados arrollados sobre la parte externa del cubo.

Para que la brújula pueda funcionar siempre con la misma exactitud, debe presentar una alta sensibilidad angular y una buena dinámica funcional, representando la sensibilidad angular el ángulo más pequeño que puede detectar la brújula y representando la dinámica funcional la capacidad para mantener la misma sensibilidad en condiciones variables del campo magnético.

Sumario de la invención

El objetivo de la presente invención consiste en una brújula electrónica de inducción terrestre que no adolece de los errores mencionados anteriormente, ni de las limitaciones de las brújulas conocidas, y que presenta una alta sensibilidad angular y una buena dinámica funcional.

Un objetivo adicional de la presente invención consiste en proporcionar una brújula electrónica capaz de funcionar también en condiciones ambiente extremas.

Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar una brújula que puede utilizarse bajo condiciones dinámicas excepcionales.

Dichos objetivos pueden alcanzarse con una brújula electrónica según la reivindicación 1. Gracias al uso de dichos devanados eléctricos de compensación, puede obtenerse una muy alta linealidad en la respuesta dinámica del sensor.

Según otra característica ventajosa de la presente invención, la brújula se conecta con el vehículo mediante balancines que permiten que la brújula forme ángulos de inclinación de hasta \pm 75º con respecto al vehículo. Al no estar los balancines amortiguados, las oscilaciones del sensor, que se deben a los movimientos del vehículo, producen modulaciones indeseadas en las señales de salida X e Y. Dichas modulaciones se evitan mediante una disposición particular del eje del sensor con respecto al eje de oscilación de los balancines, concretamente, una intermodulación no lineal de las señales X e Y. Esto permite determinar exactamente el ángulo de rumbo sin tener que utilizar un sistema complejo de amortiguación viscosa para el equipo móvil. Además de simplificar la estructura de los balancines, esta solución presenta la ventaja de que facilita una respuesta más rápida de la brújula frente a los cambios de rumbo rápidos del vehículo. De hecho, la brújula sigue los cambios de rumbo del vehículo con un retardo máximo de un segundo.

Lista de las figuras

La presente invención se describe seguidamente con más detalle haciendo referencia a una forma de realización no restrictiva que ilustran las figuras adjuntas, en las que

la Figura 1 representa una vista en perspectiva con una sección transversal parcial de una brújula según la presente invención;

la Figura 2 ilustra esquemáticamente el diagrama en bloques del sistema de control electrónico de la brújula de la figura 1;

la Figura 3 ilustra esquemáticamente el diagrama de bloques correspondiente a un elemento del sistema de control electrónico de la brújula de la figura 1; y

la Figura 4 ilustra el diagrama de bloques correspondiente al software de control de la brújula de la figura 1.

En las figuras adjuntas se identifican los elementos correspondientes mediante los mismos números de referencia.

Descripción detallada de la invención

La figura 1 ilustra una brújula 1 según la presente invención que comprende:

un sensor 2 con núcleo saturable, presentando el sensor un núcleo toroidal 3 de aluminio sobre el que se ha provisto un primer devanado de excitación 3' que forma una bobina de material ferromagnético amorfo. Un par de devanados eléctricos 4, 5 mutuamente ortogonales rodean dicha bobina. Dichos devanados 4, 5 rodean el elemento de soporte 6 hecho de un material no magnético y en el que se encuentra inmerso el núcleo toroidal 3, y pueden emitir dos señales que son proporcionales a los componentes horizontales del campo magnético terrestre.

El elemento de soporte 6 está hecho ventajosamente de plástico reforzado con fibra de vidrio epoxi, garantizando este material unas buenas características mecánicas gracias a su bajo coeficiente de expansión térmica, siendo éste de aproximadamente 7 ppm/ºC.

Se ha previsto un segundo elemento de soporte 7 hecho de un material no magnético y que rodea completamente el primer elemento de soporte, encontrándose sobre éste un segundo par de devanados eléctricos 8, 9 que presentan espiras mutuamente ortogonales.

El sensor está ubicado en un armazón rígido 10, que lo soporta y conecta con los medios de suspensión, que consisten ventajosamente en balancines 11 que, a su vez, están rígidamente sujetados al armazón del barco o vehículo. Los balancines permiten que el sensor 2 tome una posición inclinada con respecto al vehículo de hasta \pm 75º. Comprenden cuatro cojinetes de bolas 12, 13 hechos de una aleación no magnética, por ejemplo, de cobre-berilio, pudiéndose apreciar dos de ellos en la figura 1, dos ejes de soporte centrales 14, 15 hechos de un material no magnético, preferentemente una aleación de cobre-estaño, y dos elementos de soporte 16, 17 hechos de un material no magnético, por ejemplo, aluminio, en los que se han insertado los cojinetes 12, 13 mencionados anteriormente.

Para que el sensor 2 pueda compensar las escoras del barco, los dos ejes mencionados anteriormente se disponen en planos superpuestos a fin de formar un péndulo compuesto que presenta dos frecuencias de oscilación distintas. De esta forma, el ángulo de inclinación compensado del barco o vehículo es mayor que el permitido por los medios de suspensión conocidos.

Los ejes del sensor 2 están girados en 45º con respecto al eje oscilante de suspensión de tal forma que impiden una modulación en la determinación del ángulo de rumbo por medio de una intermodulación no lineal.

El sensor puede utilizarse también sin balancines. En este caso, las oscilaciones del barco o vehículo pueden compensarse mediante un clinómetro biaxil.

El sensor funciona de la forma siguiente. Una corriente pulsatoria pasa por el devanado de excitación 3', saturando periódicamente dicha corriente el núcleo; presentando preferentemente, aunque no necesariamente, dicha corriente pulsatoria una frecuencia de 9,6 kHz, siendo la duración de los impulsos de 5 microsegundos y la intensidad de los impulsos de 100 A/m. Por cada devanado 8, 9 circula una señal que presenta una amplitud proporcional y que es de sentido opuesto en relación a la señal emitida por el devanado correspondiente del primer par 4, 5, compensándose por tanto dinámicamente el efecto sobre el núcleo toroidal de la amplitud y/o de la falta local de homogeneidad del campo magnético terrestre. Al excitarse de la forma descrita los devanados, el sensor 2 emite dos señales (X, Y) relacionadas con el ángulo de rumbo detectado.

A continuación describimos el circuito de control electrónico de la brújula con referencia particular a las figuras 2, 3, 4.

La parte del circuito que es necesaria para controlar las señales comprende tres circuitos electrónicos que se han representado en la figura 2 mediante el bloque 20 y se ilustran con más detalle en la figura 3. El sensor 2 está conectado con el sistema de control de señales 20 que emite señales X, Y que, a su vez, se aplican a un convertidor analógico/digital 21 que presenta dos canales. Dicho convertidor está conectado con la unidad lógica 22 que incluye una memoria que se comunica con la unidad lógica 22. Al responder a las señales emitidas por el convertidor 21, la unidad lógica 22 se dirige a una célula de memoria que contiene unos parámetros de corrección que se utilizan seguidamente para detectar el ángulo de rumbo real.

Generalmente, aunque no necesariamente, el sensor 2 proporciona el ángulo de rumbo en forma paramétrica, p. ej., las señales X e Y son respectivamente proporcionales a las funciones de seno y coseno del ángulo de rumbo, pudiéndose por tanto obtener dicho ángulo de una forma conocida por medio de un circuito ya conocido, que proporciona el ángulo de rumbo en forma analógica.

Sin apartarse del alcance de la presente invención, puede prescindirse de la memoria, en cuyo caso la unidad lógica 22 determina el ángulo de rumbo real como una respuesta a las señales emitidas por el convertidor 21.

El ángulo de rumbo real es enviado desde la unidad lógica 22 a unos medios de visualización ya conocidos y/o a un piloto automático.

La figura 3 ilustra más detalladamente el circuito que forma el sistema de control de señales 20.

El devanado de excitación 3', que rodea el núcleo toroidal, está conectado con un oscilador paramétrico 23 que está conectado a su vez con un oscilador 24 y un intercorrelacionador vectorial 25.

El devanado 5 del primer par de devanados se compone de un devanado de detección y un devanado de realimentación. El devanado de detección está conectado con un inductor sintético 26 y un preamplificador 27 que suministra señales X al intercorrelacionador 25.

El otro devanado 4 se compone de un devanado de detección y un devanado de realimentación.

El devanado de detección está conectado con un inductor sintético 28 y un preamplificador 29 que transmite señales Y al intercorrelacionador 25.

Se optimiza de esta forma la relación señal/ruido de las señales emitidas por los devanados 4, 5.

Las señales de realimentación X e Y producidas por el intercorrelacionador 25 se transmiten a integradores respectivos 31, 33 y a amplificadores de transconductancia 30, 32 desde donde se envían a los respectivos devanados de realimentación. Por estos devanados circula una corriente que genera, en el volumen ocupado por el núcleo toroidal, un campo magnético que presenta la misma intensidad que el campo medido pero que es de sentido opuesto al mismo, por lo que el núcleo se mantiene constantemente en un campo nulo, a parte de las variaciones del campo externo debidas a los cambios de rumbo del vehículo y de las variaciones del campo local. El objetivo es obtener la máxima linealidad en el funcionamiento de la brújula. Los amplificadores de transconductancia 30, 32 transmiten también señales X, Y a los respectivos filtros Bessel de segundo orden 34, 35 que emiten señales X, Y que se suministran al convertidor analógico/digital 21 de dos canales.

La brújula puede comprender también ventajosamente una unidad satélite de autolocalización, por ejemplo, de tipo GPS, de la cual adquiere datos adicionales que se utilizan, junto con los parámetros de corrección obtenidos de la memoria, para fijar el ángulo de rumbo real. Se puede suprimir también esta unidad satélite de autolocalización sin apartarse del alcance de la presente invención.

Los equipos auxiliares, como la unidad satélite de autolocalización, los medios de indicación visual, el piloto automático, etc., que se utilizan generalmente en los barcos y en algunos tipos de vehículos, "establecen comunicaciones" por medio de un protocolo conocido como "NMEA". A fin de que la brújula sea compatible con dichos equipos, las señales del convertidor 21 se transforman mediante un transcodificador (no ilustrado) en señales compatibles con el protocolo "NMEA".

Todo el sistema electrónico de la brújula está controlado por un software cuyo diagrama de bloques se ha ilustrado en la figura 4 y se describe esquemáticamente a continuación.

El bloque 40 represente la etapa de inicialización de la unidad lógica 22 y el bloque 41 representa la etapa de inicialización del convertidor analógico/digital 21. A continuación, se activa el temporizador (bloque 42) y el tiempo se pone a cero (bloque 43). En la etapa siguiente, representada por el bloque 44, el sensor lee las señales X, Y. Si el valor Y es igual a cero (bloque 45), se pone a 0,000001 (bloque 47), mientras que si los valores X e Y superan el de 2500 (bloque 46), son tratados por un filtro de Wiener (bloque 48). El bloque 49 calcula la dirección a partir de los valores X e Y recibidos y, a continuación, el bloque 50 realiza la conversión de radianes a grados. Estos valores finales de la dirección se formatean a fin de adaptarlos al protocolo NMEA (bloque 51) y, finalmente, se formatean para adaptarlos al indicador utilizado (bloque 52).

Si la unidad satélite de autolocalización está incluida, la unidad lógica 22 adquiere datos adicionales de dicha unidad.

Por tanto, la unidad lógica 22 determina el ángulo de rumbo real y lo envía a los medios de indicación visual y/o al piloto automático, si éstos están incluidos, antes de volver a la etapa 42 para adquirir de nuevo las señales emitidas por el sensor 2 y repetir el mismo ciclo.

Si se suprime la memoria, entonces se suprimen también las etapas correspondientes de llamada y adquisición y, si se suprime la unidad satélite de autolocalización, se suprime también la etapa de adquisición correspondiente. Si se suprimen tanto la unidad de memoria como la unidad satélite de autolocalización, se suprime también la etapa de procesamiento correspondiente.

Como se mencionó anteriormente, la brújula según la presente invención presenta todas las ventajas necesarias y, durante las pruebas experimentales, sus características de funcionamiento eran mejores que las de las otras brújulas conocidas, incluso cuando se utilizó en condiciones ambiente muy adversas. Las pruebas realizadas proporcionaron los siguientes resultados.

Precisión en la medida: \pm 6'' de arco

Resolución: \pm 1''

Margen de temperaturas de trabajo: \pm 50ºC

Margen angular de trabajo: \pm 75º

Linealidad: 0,3%

Banda pasante: 1 Hz

Tiempo de integración en la medida: 2 segundos

Aceleración máxima admisible: 3 g

Adsorción: 120 mA a 12 V (CC)

Peso del sensor: aprox. 0,7 kg.

La brújula así obtenida presentaba las siguientes características: mucha ligereza, gran compactabilidad, mucha precisión y costos reducidos.

En otra forma de realización según la presente invención, que no se ha ilustrado, la brújula puede comprender también dos o más sensores.

Claims (16)

1. Brújula electrónica que comprende unos medios de control electrónicos (20, 21, 22), por lo menos un sensor con núcleo saturable (2), presentando dicho sensor un núcleo (3) que soporta y está rodeado por un devanado eléctrico de excitación (3') formando una bobina de material ferromagnético amorfo, comprendiendo el sensor con núcleo (2) un primer interespacio, dispuesto entre el devanado de excitación eléctrico (3') y un primer par de devanados (4, 5), presentando dicho primer par de devanados (4, 5), rodeados y soportados por unos primeros medios rígidos (6), espiras mutuamente ortogonales, estando el núcleo (3) hecho de un anillo de aluminio, llenando dichos primeros medios rígidos (6) el primer interespacio, y comprendiendo el sensor con núcleo (2) un segundo interespacio ocupado por unos segundos medios rígidos (7) y que está dispuesto entre dicho primer par de devanados (4, 5) y un segundo par de devanados (8, 9), estando el segundo par de devanados (8, 9) rodeado y soportado por dichos segundos medios rígidos (7), presentando espiras mutuamente ortogonales de los devanados mutuamente ortogonales (8, 9).

2. Brújula electrónica según la reivindicación 1, en la que dichos medios rígidos de llenado (6, 7) están hechos de un material con coeficiente de expansión térmica pequeño, consistiendo el material preferentemente en plástico reforzado con fibra de vidrio
epoxi.

3. Brújula electrónica según las reivindicaciones 1 o 2, comprendiendo la brújula dos sensores (2).

4. Brújula electrónica según la reivindicación 1, en la que dichos medios de control electrónicos (20, 21, 22) comprenden unos medios para determinar el ángulo de rumbo real del vehículo, compensándose por tanto los errores producidos por la desviación magnética.

5. Brújula electrónica según la reivindicación 4, en la que dichos medios de control electrónicos (20, 21, 22) comprenden unos medios apropiados para visualizar los datos detectados por la brújula.

6. Brújula electrónica según la reivindicación 5, en la que dichos medios de control electrónicos (20, 21, 22) comprenden por lo menos un convertidor analógico/digital (21) y una unidad lógica (22).

7. Brújula electrónica según la reivindicación 6, en la que dichos medios de control electrónicos (20, 21, 22) comprenden también una memoria en comunicación con la unidad lógica (22) y una unidad satélite de autolocalización, y la unidad lógica (22) obtiene datos adicionales de dicha memoria y de dicha unidad satélite de autolocalización.

8. Brújula electrónica según la reivindicación 7, en la que la unidad lógica (22) está adaptada para efectuar por lo menos las etapas siguientes:

a) adquirir las señales emitidas por el o los sensores (2) mencionados anteriormente,

b) definir un ángulo de rumbo y

c) adquirir de nuevo las señales emitidas por dicho o dichos sensores (2), repitiendo el ciclo mencionado anteriormente.

9. Brújula electrónica según la reivindicación 8, en la que, en la determinación del ángulo de rumbo, la unidad lógica (22) está adaptada para efectuar por lo menos las etapas siguientes:

a) dirigirse a la memoria a través de dicho ángulo de rumbo y adquirir de la memoria los parámetros de corrección guardados en la célula de memoria a la que se ha dirigido a través de dicho ángulo de rumbo;

b) obtener el ángulo de rumbo real;

c) adquirir de nuevo las señales emitidas por dicho o dichos sensores (2), repitiendo el ciclo mencionado anteriormente.

10. Brújula electrónica según la reivindicación 1, en la que una señal de amplitud proporcional y de sentido opuesto en relación a la señal emitida por el devanado correspondiente del primer par de devanados (4, 5) circula por los devanados del segundo par de devanados (8, 9).

11. Brújula electrónica según la reivindicación 1, en la que una corriente pulsatoria, que satura periódicamente el núcleo con una frecuencia de 9,6 kHz, una duración de 5 microsegundos y una intensidad de 100 A/m, circula por dicho devanado (3').

12. Brújula electrónica según la reivindicación 1, en la que el sensor con núcleo (2) está conectado con un vehículo mediante unos medios de suspensión que comprenden un par de ejes oscilantes de suspensión (14, 15) dispuestos en planos superpuestos a fin de formar un péndulo compuesto que presenta dos frecuencias de oscilación distintas.

13. Brújula electrónica según la reivindicación 12, en la que el eje del sensor con núcleo (2) está girado en 45º con respecto a dichos ejes oscilantes de suspensión (14, 15).

14. Brújula electrónica según la reivindicación 12, en la que los medios de suspensión están adaptados para compensar ángulos de inclinación de hasta \pm 75º.

15. Brújula electrónica según la reivindicación 12, en la que dichos medios de suspensión comprenden el par de ejes de suspensión (14, 15) hechos de un material no magnético, cuatro cojinetes de bolas (12, 13) hechos de una aleación no magnética, un elemento de soporte central (11) para los ejes, y dos elementos de soporte (16, 17) que están hechos de un material no magnético y que soportan dichos cojinetes de bolas (12, 13).

16. Brújula electrónica según la reivindicación 16, en la que los ejes de suspensión (14, 15) están hechos de una aleación de cobre-estaño y los cojinetes de bolas (12, 13) están hechos de una aleación de cobre-berilio.