PL223637B1 - Urządzenie do kontroli położenia obiektu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do kontroli położenia obiektu, współpracujące z urządzeniami typu GPS, w warunkach uniemożliwiających poprawne działanie tych urządzeń.

Znane urządzenia do kontroli położenia typu GPS, na przykład do nawigacji samochodowej wykorzystują do działania fale elektromagnetyczne wysyłane przez satelity poruszające się po określonych orbitach. Sygnały nadawane z satelitów są zakodowane i niosą informacje o położeniu satelitów na orbicie względem położenia urządzenia GPS. Do sprawnego działania systemu wymagany jest odbiór sygnałów z co najmniej czterech satelitów. Położenie urządzenia jest wyliczane i odnoszone względem mapy umieszczonej w pamięci urządzenia GPS, uaktualniane i wyświetlane na ekranie wizualizującym aktualne położenie urządzenia względem danego obszaru mapy.

Rozwiązania zawierające układy GPS opisane są szeroko w literaturze, na przykład w opisach patentowych USA numer 7692583, 20060155461 i 5359521. Wadą tych rozwiązań jest niemożność ustalenia położenia obiektu przy braku sygnałów z satelitów. Sytuacja taka ma miejsce zarówno przy pogorszonej propagacji fal radiowych ze względów meteorologicznych jak i w przestrzeniach zamkniętych na promieniowanie elektromagnetyczne, na przykład kopalnia lub tunel. Kolejnym ograniczeniem są warunki silnych zakłóceń elektromagnetycznych, powodujące zaniki sygnału z satelity. Dotyczy to wszystkich współczesnych systemów, GPS, Galileo, Compass i Glonass, które dodatkowo nie są kompatybilne między sobą.

Nagłe ustanie działania urządzenia GPS powoduje duże niebezpieczeństwo w nawigacji obiektów opartych na tych urządzeniach, co często jest spotykane w nawigacji samochodowej, kiedy kierowca, będąc prowadzony przez nawigację, na przykład w dużym i nieznanym mieście traci orientacje i gubi się, co stwarza zagrożenie ruchu.

Znane są także autonomiczne urządzenia nawigacyjne nie korzystające z zewnętrznych sygnałów elektromagnetycznych, takie jak proste autopiloty, które w oparciu o zamontowany żyroskop, akcelerometr i zegar śledzą zmiany położenia obiektu, na którym są zamontowane. Urządzenia te przeznaczone są głównie do kontroli bieżącego położenia obiektu względem trajektorii wcześniej zaprogramowanej.

Istotą urządzenia do kontroli położenia obiektu jest to, że jest ono autonomiczne, współpracujące (połączone) z urządzeniem typu GPS. Urządzenie zawiera trójosiowy żyroskop, trójosiowy akcelerometr i zegar o dużej dokładności, które są wykonane jako miniaturowe czujniki typu MEMS z wyjściem cyfrowym, każdy połączony poprzez swój szeregowy interfejs cyfrowy z mikrokontrolerem, sterowanym przez układ start-stop, który jest połączony z blokiem pamięci oraz poprzez klucz połączony jest z urządzeniem GPS w miejscu przekazywania sygnału do mapy.

Urządzenie przedstawione jest w przykładzie wykonania na rysunku, który stanowi schemat blokowy urządzenia.

Urządzenie zawiera trójosiowy żyroskop Ż, trójosiowy akcelerometr A i zegar Z jako czujniki typu MEMS z wyjściem cyfrowym, każdy połączony poprzez swój szeregowy interfejs cyfrowy IS z mikrokontrolerem, sterowanym przez układ start/stop. Układ start/stop jest połączony z blokiem pamięci P oraz poprzez klucz K z urządzeniem GPS.

Działanie urządzenia jest następujące.

Jeżeli GPS działa poprawnie to jest obecny sygnał przekazujący wyliczone położenie do mapy. Urządzenie śledzi poprzez klucz K obecność tego sygnału i zapisuje ten stan i aktualna prędkość przemieszczania się obiektu w bloku pamięci. W przypadku zgubienia sygnału przez GPS urządzenie uruchamia, poprzez blok start/stop własne śledzenie obiektu, począwszy od ostatniego zapisu przed zgubieniem sygnału. Przy zastosowaniu wysokiej częstotliwości próbkowania przejęcie nawigacji przez urządzenie odbywa się, z punktu widzenia kierowcy, bezzwłocznie. Następnie analizując informację z żyroskopu Ż, akcelerometru A i zegara Z wyliczana jest trajektoria obiektu przekazywana poprzez klucz K, która jest podawana do mapy GPS, wraz z właściwą informacją lub znakiem, na przykład migającą kropką lub sygnałem akustycznym. W przypadku powrotu oryginalnego sygnału GPS transmisja danych zostaje wyłączona poprzez klucz K i blok start/stop. Urządzenie wchodzi w stan czuwania.

Zaletą układu kontroli położenia obiektu według wynalazku jest działanie autonomiczne. Układ kontroli położenia jest całkowicie samodzielny, nie potrzebuje żadnych zewnętrznych systemów wspomagających. Sam generuje wszystkie sygnały pomiarowe niezbędne do określenia położenia. Nie jest wymagana sieć nadajników transmitujących kodowane sygnały pomiarowe lokalizacji. KontroPL 223 637 B1 la położenia obywa się bez czułego odbiornika fal elektromagnetycznych i bez anteny. Układ pracuje poprawnie zarówno na powierzchniach otwartych jak i pod ziemią lub pod wodą. Nie jest wrażliwy na zakłócenia elektromagnetyczne. Spełnia swoje parametry w warunkach silnych zakłóceń przemysłowych oraz przy wzmożonej aktywności elektromagnetycznej słońca. Może być stosowany w nawigacji lądowej (samochody, nawigacja turystyczna) jak i w kopalniach (ratownictwo górnicze) itp. Działanie układu kontroli położenia nie zależy od standardów przyjętych w znanych systemach nawigacyjnych. W zależności od rozdzielczości zastosowanych czujników typu MEMS, przy rozdzielczości typowej wynoszącej 0.5x10^-4 błąd wskazania urządzenia nie powinien być większy niż 0.1%. Podczas śledzenia drogi przez 1 km błąd nie powinien być większy niż 1 m. Urządzenie posiada niezależny bateryjny układ zasilający, wszystkie elementy są umieszczone na płytce drukowanej i umieszczone w obudowie nie większej niż typowy GPS stosowany w samochodach.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Urządzenie do kontroli położenia obiektu, połączone z urządzeniem typu GPS, zawierające żyroskop, akcelerometr i zegar, znamienny tym, że trójosiowy żyroskop /Ż/, trójosiowy akcelerometr /A/ i zegar /Z/ są wykonane jako miniaturowe czujniki typu MEMS z wyjściem cyfrowym, każdy połączony poprzez swój szeregowy interfejs cyfrowy /IS/ z mikrokontrolerem, sterowanym przez układ /start/stop/, który jest połączony z blokiem pamięci /P/ oraz poprzez klucz /K/ połączony jest z urządzeniem GPS w miejscu przekazywania sygnału do mapy.