RU199568U1 - ANGULAR POSITION SENSOR - Google Patents

ANGULAR POSITION SENSOR Download PDF

Info

Publication number
RU199568U1
RU199568U1 RU2020114802U RU2020114802U RU199568U1 RU 199568 U1 RU199568 U1 RU 199568U1 RU 2020114802 U RU2020114802 U RU 2020114802U RU 2020114802 U RU2020114802 U RU 2020114802U RU 199568 U1 RU199568 U1 RU 199568U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
angular position
circuit board
accelerometers
shaft
mounting plate
Prior art date
Application number
RU2020114802U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Олегович Беляев
Александр Анатольевич Корецкий
Елена Сергеевна Семенистая
Аскер Муаедович Табухов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Севкаврентген-Д"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Севкаврентген-Д" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Севкаврентген-Д"
Priority to RU2020114802U priority Critical patent/RU199568U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU199568U1 publication Critical patent/RU199568U1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для измерения углового положения элементов конструкции машин и устройств, в том числе медицинской техники. Для определения абсолютного углового положения вращающихся элементов конструкции используется устройство, включающее корпус, вращающийся вал, опорные подшипники, подвижную монтажную плату, закрепленную на валу, с двумя микроэлектромеханическими акселерометрами, неподвижную монтажную плату, с установленными на ней акселерометром и микроконтроллером. При этом акселерометры на подвижной монтажной плате, установлены так, что они находятся на равном удалении от оси вращения, угол между их центрами составляет 180°, оси чувствительности в плоскости монтажной платы разнонаправлены, а оси чувствительности, перпендикулярные монтажной плате, сонаправлены. В качестве исходных данных при вычислении углового положения используются разности модулей вектора ускорения всей конструкции, включая подвижную и неподвижную части, расчет угла отклонения подвижной части (платы) относительно неподвижной, а также компенсация влияния на измерение центростремительного ускорения, осуществляемая математическими алгоритмами, реализуемыми встроенным программным обеспечением микроконтроллера.The utility model relates to the field of measuring technology and is designed to measure the angular position of structural elements of machines and devices, including medical technology. To determine the absolute angular position of rotating structural elements, a device is used that includes a housing, a rotating shaft, support bearings, a movable mounting plate fixed on the shaft with two microelectromechanical accelerometers, a fixed mounting plate with an accelerometer and a microcontroller mounted on it. In this case, the accelerometers on the movable circuit board are installed so that they are at an equal distance from the axis of rotation, the angle between their centers is 180 °, the sensitivity axes in the plane of the circuit board are multidirectional, and the sensitivity axes perpendicular to the circuit board are co-directed. As the initial data when calculating the angular position, the differences in the modules of the acceleration vector of the entire structure, including the moving and stationary parts, the calculation of the angle of deviation of the moving part (board) relative to the stationary one, as well as compensation for the influence on the measurement of centripetal acceleration, carried out by mathematical algorithms implemented by the embedded software are used microcontroller.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для измерения углового положения элементов конструкции машин и устройств, в том числе медицинской техники.The utility model relates to the field of measuring technology and is designed to measure the angular position of structural elements of machines and devices, including medical technology.

Сущность предлагаемого решения состоит в том, что для определения абсолютного углового положения вращающихся элементов конструкции используется устройство, включающее в себя акселерометрические микромеханические датчики, установленные как на неподвижной части устройства (корпусе), так и на вращающейся (валу).The essence of the proposed solution lies in the fact that to determine the absolute angular position of rotating structural elements, a device is used that includes accelerometric micromechanical sensors installed both on the stationary part of the device (body) and on the rotating part (shaft).

В технике известны способы и устройства измерения угловой ориентации вращающихся объектов, основанные, в частности, на использовании акселерометров и инклинометров, регистрирующих отклонение вектора силы тяжести. Так, известен способ определения угловой ориентации объекта [Пат. 2414685 Российская Федерация, МПК G01C 21/10 (2006.01). Способ определения угловой ориентации объекта /Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Власов А.Ю., Данилов М.Б.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» - №2010107038/28, заяв. 25.02.2010; опубл. 20.03.2011, Бюл. №8], реализующий определение угловой ориентации объекта, используя данные GPS-приемника, а также блока из трех акселерометров, измерительные оси которых взаимно перпендикулярны и совпадают с осями связанной с объектом системы координат. Параметры ориентации объекта определяются решением матричного уравнения из данных от акселерометров и информации об угле курса, полученного от GPS-приемника.Methods and devices for measuring the angular orientation of rotating objects are known in the art, based, in particular, on the use of accelerometers and inclinometers that record the deviation of the gravity vector. So, there is a known method for determining the angular orientation of an object [US Pat. 2414685 Russian Federation, IPC G01C 21/10 (2006.01). Method for determining the angular orientation of an object / Bogdanov M.B., Prokhortsov A.V., Saveliev V.V., Vlasov A.Yu., Danilov M.B .; applicant and patentee State educational institution of higher professional education "Tula State University" - No. 2010107038/28, App. 02/25/2010; publ. 03/20/2011, Bul. No. 8], which implements the determination of the angular orientation of an object using data from a GPS receiver, as well as a block of three accelerometers, the measuring axes of which are mutually perpendicular and coincide with the axes of the coordinate system associated with the object. Object orientation parameters are determined by solving a matrix equation from data from accelerometers and information about the heading angle received from a GPS receiver.

Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели, принятым за прототип, является измеритель углового положения изделия [Пат. 2491507 Российская Федерация, МПК G01C 21/10 (2006.01). Измеритель углового положения изделия /Блокин-Мечталин Ю.К., Судаков В.А., Заливако В.Ю., Малютин В.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского» - №2011153917/28, заяв. 29.12.2011; опубл. 27.08.2013, Бюл. №24], содержащий аналого-цифровые преобразователи, микроконтроллер и двухосевые микромеханические акселерометры, установленные так, что их одноименные оси чувствительности направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные в противоположные направления, при этом разноименные выходы акселерометров подключены к дифференциальным входам усилителей через буферные операционные усилители.The closest analogue of the proposed utility model, taken as a prototype, is a measuring device for the angular position of the product [US Pat. 2491507 Russian Federation, IPC G01C 21/10 (2006.01). Measuring instrument of the angular position of the product / Blokin-Mechtalin Yu.K., Sudakov V.A., Zalivako V.Yu., Malyutin V.A .; applicant and patent holder Federal State Unitary Enterprise “Central Aerohydrodynamic Institute named after Professor N.Ye. Zhukovsky "- No. 2011153917/28, app. 12/29/2011; publ. 08/27/2013, Bul. No. 24], containing analog-to-digital converters, a microcontroller and two-axis micromechanical accelerometers, installed so that their like axes of sensitivity are directed horizontally and perpendicularly, and opposite in opposite directions, while dissimilar outputs of accelerometers are connected to differential inputs of amplifiers through buffer operational amplifiers.

Прототип обладает следующими недостатками:The prototype has the following disadvantages:

- возможность определения углового положения только в статическом состоянии (не во время вращения).- the ability to determine the angular position only in a static state (not during rotation).

Техническим результатом является возможность измерения углового положения вращающихся элементов конструкции не только в статическом состоянии, но и во время вращения или линейного перемещения.The technical result is the ability to measure the angular position of rotating structural elements not only in a static state, but also during rotation or linear movement.

Технический результат достигается за счет того, что устройство измерения углового положения объекта, состоящее из корпуса 1 (фигура 1), вала 2 (фигура 1), опорных подшипников 3 и 4 (фигура 1), монтажной платы 5 (фигура 1), закрепленной на валу с двумя микроэлектромеханическими акселерометрами 6 и 7 (фигура 1), второй монтажной монтажной платы 8 (фигура 1) с закрепленными на ней акселерометром 9 (фигура 1) и микроконтроллера 10 (фигура 1), отличается от устройства принятого за прототип тем, что используются интегральные трехосевые акселерометры,, два из которых установлены на монтажной плате, жестко закрепленной на валу устройства так, что они находятся на равном удалении от оси вращения, угол между их центрами составляет 180 градусов, оси чувствительности в плоскости монтажной платы разнонаправлены, а оси чувствительности перпендикулярные монтажной плате - сонаправлены (фигура 2).The technical result is achieved due to the fact that the device for measuring the angular position of the object, consisting of housing 1 (figure 1), shaft 2 (figure 1), support bearings 3 and 4 (figure 1), circuit board 5 (figure 1), fixed on shaft with two microelectromechanical accelerometers 6 and 7 (figure 1), the second mounting wiring board 8 (figure 1) with accelerometer 9 fixed on it (figure 1) and microcontroller 10 (figure 1), differs from the device taken as a prototype in that it is used integral three-axis accelerometers, two of which are mounted on a circuit board rigidly fixed to the device shaft so that they are at an equal distance from the axis of rotation, the angle between their centers is 180 degrees, the sensitivity axes in the plane of the circuit board are multidirectional, and the sensitivity axes are perpendicular circuit board - co-directional (Figure 2).

Благодаря указанным отличительным признакам достигается следующий технический результат - возможность определения углового положения объекта, закрепленного на валу или связанного с валом устройства во время вращения и во время линейного перемещения конструкций, на которых закреплено устройство измерения углового положения.Thanks to these distinctive features, the following technical result is achieved - the ability to determine the angular position of an object fixed on a shaft or connected to a device shaft during rotation and during linear movement of structures on which the angular position measuring device is fixed.

Расположение двух акселерометров на монтажной плате, закрепленной на валу устройства, показанное на фигуре 2, позволяет исключить влияние на результат измерения центростремительного ускорения, в том случае, если измерение производится во время вращения вала устройства. Так, при вращении вала 2 (фигура 1) и платы 5 (фигура 1), закрепленной на нем, акселерометры 11 и 12 будут испытывать ускорения, как показано на фигуре 2, при этом центростремительное ускорение a направлено в сторону оси вращения, а ускорение g направлено вертикально вниз. Тогда проекции ускорений на оси X обоих склерометров можно записать следующим образом:The arrangement of two accelerometers on a circuit board fixed to the shaft of the device, shown in figure 2, makes it possible to exclude the influence of the centripetal acceleration on the measurement result, in the event that the measurement is made while the shaft of the device is rotating. So, when the shaft 2 (figure 1) and the board 5 (figure 1), fixed on it, rotate, the accelerometers 11 and 12 will experience accelerations, as shown in figure 2, while the centripetal acceleration a is directed towards the axis of rotation, and the acceleration g directed vertically downward. Then the projections of accelerations on the X-axis of both sclerometers can be written as follows:

Х1=g-аX 1 = g-a

Х2=-g-аX 2 = -g-a

где X1 - сумма проекций ускорений на ось X акселерометра 12, Х2 - сумма проекций ускорений на ось X акселерометра 11. Решив данную систему уравнений относительно ускорения g получим:where X 1 is the sum of the acceleration projections on the X-axis of the accelerometer 12, X 2 is the sum of the acceleration projections on the X-axis of the accelerometer 11. Having solved this system of equations for the acceleration g we get:

Figure 00000001
Figure 00000001

В общем случае, для определения вектора ускорения свободного падения необходимо использовать проекции ускорений по всем трем осям чувствительности обоих акселерометров. Если принять некоторые величины Rx, Ry и Rz как:In general, to determine the gravitational acceleration vector, it is necessary to use the acceleration projections along all three axes of sensitivity of both accelerometers. If we take some values of R x , R y and R z as:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

то для определения углового положения объекта может быть использована математическая зависимость:then the following mathematical relationship can be used to determine the angular position of the object:

Figure 00000005
Figure 00000005

где Ax1, Ау1, Az1 - ускорения акселерометра 9 (фигура 1), установленного на монтажной плате, закрепленной на корпусе устройства неподвижно.where A x1 , A y1 , A z1 - acceleration accelerometer 9 (figure 1), mounted on a circuit board, fixed on the device body motionless.

Описанная математическая зависимость реализована в виде алгоритма в программе микроконтроллера 10 (фигура 1).The described mathematical dependence is implemented in the form of an algorithm in the program of the microcontroller 10 (figure 1).

Учитывая, что все акселерометры находятся при одинаковых внешних условиях и испытывают на себе одинаковые значения ускорений, как линейных, вызванных перемещением всей конструкции, так и ускорение свободного падения, то единственные отличия показаний акселерометров будут вызваны смещением осей их чувствительности относительно друг друга. Таким образом, используя разности проекций вектора ускорения свободного падения на каждые из одноименных осей обоих акселерометров, может быть определен угол поворота подвижной платы 5, закрепленной на валу 2 относительно неподвижной платы, 8 закрепленной на корпусе устройства 1.Considering that all accelerometers are under the same external conditions and experience the same values of accelerations, both linear, caused by the movement of the entire structure, and the acceleration of gravity, the only differences in the readings of accelerometers will be caused by the displacement of the axes of their sensitivity relative to each other. Thus, using the difference between the projections of the gravitational acceleration vector on each of the axes of the same name of both accelerometers, the angle of rotation of the movable plate 5 fixed on the shaft 2 relative to the fixed plate 8 fixed on the body of the device 1 can be determined.

Claims (1)

Устройство измерения углового положения объекта, состоящее из корпуса, вращающегося вала, опорных подшипников, подвижной монтажной платы, закрепленной на валу с двумя микроэлектромеханическими акселерометрами, неподвижной монтажной платы с закрепленными на ней акселерометром и микроконтроллером, отличающееся тем, что используются интегральные трехосевые акселерометры, два из которых установлены на монтажной плате, жестко закрепленной на валу устройства так, что они находятся на равном удалении от оси вращения, угол между их центрами составляет 180°, оси чувствительности в плоскости монтажной платы разнонаправлены, а оси чувствительности, перпендикулярные монтажной плате, сонаправлены.A device for measuring the angular position of an object, consisting of a housing, a rotating shaft, support bearings, a movable mounting plate fixed on a shaft with two microelectromechanical accelerometers, a fixed mounting plate with an accelerometer and a microcontroller attached to it, characterized in that integrated three-axis accelerometers are used, two of which are installed on a circuit board rigidly fixed to the device shaft so that they are at an equal distance from the axis of rotation, the angle between their centers is 180 °, the sensitivity axes in the plane of the circuit board are multidirectional, and the sensitivity axes perpendicular to the circuit board are co-directed.
RU2020114802U 2020-04-14 2020-04-14 ANGULAR POSITION SENSOR RU199568U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020114802U RU199568U1 (en) 2020-04-14 2020-04-14 ANGULAR POSITION SENSOR

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020114802U RU199568U1 (en) 2020-04-14 2020-04-14 ANGULAR POSITION SENSOR

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU199568U1 true RU199568U1 (en) 2020-09-08

Family

ID=72421244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020114802U RU199568U1 (en) 2020-04-14 2020-04-14 ANGULAR POSITION SENSOR

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU199568U1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2414685C1 (en) * 2010-02-25 2011-03-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) Method to identify angular orientation of object
US7962285B2 (en) * 1997-10-22 2011-06-14 Intelligent Technologies International, Inc. Inertial measurement unit for aircraft
RU2491507C1 (en) * 2011-12-29 2013-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") Meter of angular position of item
RU2521220C2 (en) * 2012-07-17 2014-06-27 Закрытое акционерное общество "Научно-проектный инстиут "Исследование мостов и других инженерных сооружений" Method to measure object linear displacement

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7962285B2 (en) * 1997-10-22 2011-06-14 Intelligent Technologies International, Inc. Inertial measurement unit for aircraft
RU2414685C1 (en) * 2010-02-25 2011-03-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) Method to identify angular orientation of object
RU2491507C1 (en) * 2011-12-29 2013-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") Meter of angular position of item
RU2521220C2 (en) * 2012-07-17 2014-06-27 Закрытое акционерное общество "Научно-проектный инстиут "Исследование мостов и других инженерных сооружений" Method to measure object linear displacement

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111678538A (en) Dynamic level meter error compensation method based on speed matching
Olivares et al. High-efficiency low-cost accelerometer-aided gyroscope calibration
JP6739662B2 (en) Determination of spatial orientation
CN103874904A (en) Offset estimation device, offset estimation method, offset estimation program and information processing device
CN107202578A (en) A kind of strapdown vertical gyroscope calculation method based on MEMS technology
Pan et al. Real-time accurate odometer velocity estimation aided by accelerometers
RU2010124610A (en) GRAVIMETRIC DEVICE NOT DEPENDING ON ORIENTATION
CN110207647A (en) A kind of armlet attitude angle calculation method based on complementary Kalman filter
RU2256881C2 (en) Method of estimation of orientation and navigation parameters and strap-down inertial navigation system for fast rotating objects
RU199568U1 (en) ANGULAR POSITION SENSOR
Dichev et al. A measuring system with an additional channel for eliminating the dynamic error
RU2003107688A (en) METHOD FOR DETERMINING ORIENTATION AND NAVIGATION PARAMETERS AND A FREE PLATFORM INERTIAL NAVIGATION SYSTEM FOR RAPID FACILITIES
CN112254717A (en) Inertial navigation device and method based on cold atom interference gyroscope
Luczak Single-axis tilt measurements realized by means of MEMS accelerometers
Barraza-Madrigal et al. Instantaneous position and orientation of the body segments as an arbitrary object in 3D space by merging gyroscope and accelerometer information
Zhang et al. Implementation and complexity analysis of orientation estimation algorithms for human body motion tracking using low-cost sensors
Hirose et al. A measurement method of the 2dof joint angles and angular velocities using inertial sensors
SU814373A1 (en) Device for measuring parameters of fencer weapon movement
JP2012103207A (en) Output correction circuit of magnetic sensor, output correction method of magnetic sensor, and azimuth angle measurement device
JP2003139536A (en) Declinometer and azimuth measuring method
RU2130588C1 (en) Method of measuring magnetic heading of mobile object
Kajánek Testing of the possibilities of using IMUs with different types of movements
Ma et al. Vibration effects rectification of IMU attitude based on gradient descent algorithm
Ravani et al. A comparative experimental evaluation of IMU designs
RU2779274C1 (en) Method for measuring errors of the initial alignment of an inertial navigation system without reference to external landmarks

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20200820