RU2787949C1 - Датчик углов крена и тангажа - Google Patents
Датчик углов крена и тангажа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2787949C1 RU2787949C1 RU2021140001A RU2021140001A RU2787949C1 RU 2787949 C1 RU2787949 C1 RU 2787949C1 RU 2021140001 A RU2021140001 A RU 2021140001A RU 2021140001 A RU2021140001 A RU 2021140001A RU 2787949 C1 RU2787949 C1 RU 2787949C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- roll
- pitch
- float
- angles
- angle sensor
- Prior art date
Links
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к средствам топогеодезического обеспечения. Сущность заявленного изобретения состоит в следующем. В датчик углов крена и тангажа, представляющий собой полый шарообразный корпус-резервуар, наполовину заполненный оптически прозрачной жидкостью, введены чувствительный элемент (поплавок) со светоотражающей нижней поверхностью; фотоприемная матрица, в центре которой размещён источник оптического излучения; вычислительное устройство. При этом поплавок выполнен в виде диска, нижняя поверхность которого является отражающей для заданного диапазона оптического излучения. Корпус-резервуар заполнен оптически прозрачной жидкостью таким образом, что отражающая поверхность поплавка проходит через центр корпуса-резервуара, источник и приемник оптического излучения установлены в нижней части корпуса. Определение величины углов крена и тангажа выполняется вычислительным устройством в зависимости от положения проекции отраженного поплавком оптического луча на фотоприемной матрице. Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении возможности одновременного определения углов крена и тангажа мобильного объекта и их приращений в движении. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, а конкретно - к средствам топогеодезического обеспечения, и может быть использовано для повышения точности определения углов наклона специализированного мобильного объекта относительно его продольной и поперечной осей в ходе геодезических работ, например, при описании профиля горных дорог и определении наиболее опасных участков на них, а также для оценки рельефа картографируемой местности при топогеодезических работах.
Известен датчик наклона [1. RU 15603 от 09.06.2000 г.], содержащий корпус, в котором подвешен маятник с магнитами, и размещен датчик Холла таким образом, что магниты расположены на свободном конце маятника разноименными полюсами навстречу друг другу с некоторым зазором, корпус выполнен в виде полого цилиндра, заполненного демпфирующей жидкостью, с крышкой и основанием, а датчик Холла помещен в зазоре между магнитами.
Известен датчик угла наклона [2. SU 1364876 от 30.01.1984 г.], содержащий установленный на валу резервуар с кольцеобразной полостью, заполненной жидкостью, помещенный в нее поплавок таким образом, что образует дросселирующие каналы со стенками резервуара, и вставки с зазорами относительно стенок полости.
Недостатком известных датчиков угла наклона является возможность определения угла наклона только в одной плоскости - в плоскости плоской подвески маятника в первом известном датчике [1], и в плоскости кольцеобразной полости резервуара - во втором известном датчике [2], то есть оба известных датчика не позволяют одновременно определять углы крена и тангажа.
Наиболее близким заявляемому изобретению, взятым за прототип, является малогабаритное устройство измерения углов наклона и азимута [3. RU 68672 от 04.07.2007 г.], в котором угол наклона объекта к плоскости горизонта измеряется датчиком, выполненным в виде шарообразного корпуса-резервуара, заполненного жидкостью, а азимут измеряется с помощью магнитной стрелки, свободно плавающей внутри резервуара на поверхности жидкости. На концах и на поперечной оси магнитной стрелки установлены малогабаритные источники света. Снаружи резервуара размещена матрица или линейки фотоприемников (фоторезисторов). Устройство представляет собой совмещенные датчики горизонта и направления. Уровень жидкости соответствует плоскости горизонта. При наклонах объекта источники света, освещают фотоприемники, соответствующие текущему значению угла наклона объекта. Магнитная стрелка расположена на поверхности жидкости и всегда направлена на «север». При повороте объекта относительно данного направления поворачивается и корпус устройства с размещенными на нем фотоприемниками. При этом фотоприемники линейки перемещаются относительно магнитной стрелки и фиксируют угловое отклонение объекта.
Недостатками прототипа является сложность конструкции за счет наличия не менее четырех источников оптического излучения, а также возможность определения углов крена и тангажа относительно только одного направления - на «север», которые не соответствуют истинным углам крена и тангажа мобильного объекта при несовпадении продольной оси объекта с направлением на «север».
Задачей изобретения является повышение точности определения угловой ориентации мобильного объекта относительно местной вертикали в продольной (тангаж) и поперечной (крен) плоскостях в движении.
Технический результат достигается тем, что в датчик углов крена и тангажа, представляющий собой шарообразный корпус-резервуар, наполовину заполненный оптически прозрачной жидкостью, введены функционально и конструктивно связанные чувствительный элемент (поплавок) со светоотражающей нижней поверхностью, фотоприемная матрица и источник оптического излучения, размещенный в центре фотоприемной матрицы, а также вычислительное устройство, при этом корпус-резервуар выполнен в виде полого шара, а чувствительный элемент выполнен в виде диска, нижняя поверхность которого является отражающей для заданного диапазона оптического излучения, корпус-резервуар заполнен оптически прозрачной жидкостью таким образом, что нижняя - отражающая - поверхность поплавка проходит через центр корпуса-резервуара, источник и приемник оптического излучения установлены в нижней части корпуса, а определение величины углов крена и тангажа выполняется вычислительным устройством в зависимости от положения проекции отраженного поплавком оптического луча на фотоприемной матрице. При этом с целью повышения точности определения углов крена и тангажа в вычислительное устройство с датчиков ускорений вводятся данные о линейных ускорениях мобильного объекта в продольном и в боковом направлениях, что обеспечивает исключение погрешностей определения углов тангажа и крена при поворотах и ускорениях мобильного объекта; для привязки данных по углам крена и тангажа к координатам местности в вычислительное устройство вводятся текущие координаты мобильного объекта из навигационного модуля; предупреждение оператора (водителя) о достижении мобильным объектом критических углов крена и тангажа (например, на крутых склонах или сильно пресеченной местности) вычислительное устройство датчика выдает электрический сигнал на срабатывание звуковой сигнализации, которая прекращается при возврате углов в диапазон некритических значений.
Датчик тангажа и крена представлен на чертежах:
фиг. 1 - схема взаимного расположения элементов конструкции устройства;
фиг. 2 - системы координат мобильного объекта: (связанная) подвижная X1Y1Z1 и нормальная (неподвижная) XYZ;
фиг. 3 - общий вид измерения углов крена и тангажа.
Конструкция заявляемого датчика углов крена и тангажа изображена на фигуре 1, где использованы следующие обозначения: 1 - корпус-резервуар; 2 - жидкость; 3 - поплавок; 4 - отражающая поверхность поплавка; 5 - источник оптического излучения; 6 - приемник оптического излучения; 7 - вычислительное устройство; 8 - местная вертикаль; 9 - плоскость горизонта, при этом луч от источника оптического излучения 5, попадает на нижнюю часть поплавка 3 и, отражаясь от поверхности 4, попадает на приемник оптического излучения 6, который световой поток преобразует в электрический сигнал, приходящий в вычислительное устройство 7, которое и формирует данные по углам крена и тангажа относительно угла смещения луча источника излучения от местной вертикали.
Устройство работает следующим образом. Отсчетной системой координат является нормальная (неподвижная) система координат XYZ, в которой ось OY является местной вертикалью и перпендикулярна горизонтальной плоскости (фиг.2). При этом в начальный момент времени ось ОХ совпадает с продольной осью мобильного объекта, а ось OZ совпадает с поперечной осью мобильного объекта. Мобильный объект, на котором размещен датчик углов крена и тангажа, связан с подвижной системой координат X1Y1Z1. Центры подвижной и неподвижной систем совпадают. Объект, а следовательно, и подвижная система координат, может перемещаться относительно отсчетной горизонтальной плоскости по углам крена ±γ (плоскость Z1OY1) и углам тангажа ±υ (плоскость X1OY1). Величины этих углов будут равны углам отклонений луча источника оптического излучения от местной вертикали.
В начальный момент оси неподвижной и подвижной, связанной с мобильным объектом, систем координат совпадают и направление сфокусированного в центр корпуса-резервуара луча источника оптического излучения, выполненного в виде, например, светодиода, совпадает с местной вертикалью 8, нижняя поверхность 4 поплавка 3 совпадет с плоскостью 9 горизонта, а угол между лучом источника излучения 5 (или лучом отраженного сигнала, попадающего на приемник 6) и местной вертикалью 9, будет равен нулю (углы крена и тангажа также будут равны нулю).
При движении мобильного объекта подвижная система координат будет менять свое угловое положение относительно неподвижной системы, и жестко связанный с подвижной системой координат датчик углов крена и тангажа также будет менять свое угловое положение относительно местной вертикали. Соответственно, будут менять свое угловое положение относительно местной вертикали все геометрические точки, расположенные внутри полости шара, в том числе точки расположения источника излучения и фотоприемной матрицы, отклоняясь от местной вертикали на один и тот же угол. В то же время поплавок датчика останется в горизонтальном положении и будет перпендикулярен местной вертикали при любых угловых перемещениях датчика.
Угловые перемещения источника излучения и фотоприемной матрицы относительно местной вертикали возможны в продольной и в поперечной плоскостях (см. фиг.2) по углу тангажа (угол между осями ОХ и OX1) и по углу крена (угол между осями OZ и OZ1). Соответственно, за счет отклонения от местной вертикали зеркально отраженный поверхностью поплавка луч от источника излучения в точке, совпадающей с центром шара корпуса-резервуара и попадающий на фотоприемную матрицу, также может характеризовать величины углов крена и тангажа, так как каждый элемент фотоприемной матрицы связан с величинами углов тангажа и крена (см. фиг. 3).
Электрический сигнал с выхода приемника 6 фотоприемной матрицы поступает в вычислительное устройство 7, в котором регистрируется положение центра отраженного сигнала оптического излучения, угловые координаты которого будут соответствовать углам крена и тангажа. Изменения проекции луча отраженного сигнала на фотоприемную матрицу будут соответствовать приращениям углов крена и тангажа.
Размещенная внутри полости корпуса фотоприемная матрица, состоящая из светочувствительных элементов с размером пикселя, например, 12 мкм, в горизонтальной плоскости имеет форму круга. Плотность пикселей по всей площади матрицы одинаковая. Каждый пиксель матрицы соответствует строго определенным величинам углов крена и тангажа.
Уменьшение размера пикселя (менее 12 мкм), с одной стороны, снижает светочувствительность матрицы и, с другой стороны, повышает уровень шумов. Отраженный поплавком оптический луч от источника излучения облучает сразу несколько пикселей фотоприемной матрицы. В связи с этим для увеличения точности определения углов крена и тангажа вычислительным устройством производится усреднение электрического сигнала по пятну рассеивания падающего луча и вычисление координат в угловых единицах центра пятна в развернутой в плоскость фотоприемной матрицы, что обеспечивает увеличение точности определения углов тангажа и крена.
Кроме того, с целью повышения точности определения углов крена и тангажа в вычислитель, наряду с данными по углам крена и тангажа, от датчиков ускорений вводятся данные о линейных ускорениях мобильного объекта в продольном и в боковом направлениях (на фигурах не показано), что обеспечивает исключение погрешностей определения углов тангажа и крена при поворотах мобильного объекта и ускорениях при его движении.
Привязка данных по углам крена и тангажа к координатам местности проводится с помощью введения текущих координат мобильного объекта из навигационного модуля в вычислитель (на фигурах не показано).
С целью предупреждения оператора (водителя) о достижении мобильным объектом критических углов крена и тангажа (например, на крутых склонах или сильно пресеченной местности) вычислительное устройство датчика выдает электрический сигнал на срабатывание звуковой сигнализации, которая прекращается при возврате углов в диапазон некритических значений (на фигурах не показано).
Заявляемое изобретение является промышленно применимым в наземных мобильных геодезических комплексах при выполнении топографических и геодезических работ.
Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного определения углов крена и тангажа мобильного объекта и их приращений в движении, в том числе при ускорениях и поворотах мобильного объекта.
Claims (4)
1. Датчик углов крена и тангажа, представляющий собой корпус-резервуар, наполовину заполненный оптически прозрачной жидкостью, отличающийся тем, что в него введены функционально и конструктивно связанные поплавок, фотоприемная матрица, источник оптического излучения, размещенный в центре фотоприемной матрицы, с выхода которой электрический сигнал поступает в вычислительное устройство, при этом корпус-резервуар выполнен в виде полого шара, а поплавок выполнен в виде диска, размещенного на поверхности жидкости, нижняя поверхность которого является отражающей для заданного диапазона оптического излучения, корпус-резервуар заполнен оптически прозрачной жидкостью таким образом, что плоскость, совпадающая с нижней отражающей поверхностью поплавка, проходит через центр корпуса-резервуара, а источник оптического излучения и фотоприемная матрица установлены в нижней части корпуса, определение углов крена и тангажа выполняется вычислительным устройством посредством регистрации положения центра отражённого сигнала оптического излучения.
2. Датчик углов крена и тангажа по п. 1, отличающийся тем, что для повышения точности определения углов в вычислитель вводят данные о линейных ускорениях в продольном и боковом направлениях с датчиков ускорений.
3. Датчик углов крена и тангажа по п. 1, отличающийся тем, что привязку к координатам местности по углам крена и тангажа осуществляют путем введения в вычислитель координат мобильного объекта от системы глобального спутникового позиционирования.
4. Датчик углов крена и тангажа по п. 1, отличающийся тем, что при достижении мобильным объектом критически допустимых значений углов крена и/или тангажа вычислительное устройство датчика выдает электрический сигнал на срабатывание звуковой сигнализации, которая выключается при возврате углов крена и/или тангажа в диапазон некритических значений.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2787949C1 true RU2787949C1 (ru) | 2023-01-13 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2024823C1 (ru) * | 1990-07-05 | 1994-12-15 | Арзамасское опытно-конструкторское бюро "Темп" | Курсогоризонт |
US6988321B2 (en) * | 2003-10-31 | 2006-01-24 | Kabushiki Kaisha Tokai Rika Denki Seisakusho | Electrostatic capacitance tilt angle sensor |
RU2555496C1 (ru) * | 2014-03-13 | 2015-07-10 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Устройство для определения углов пространственной ориентации подвижного объекта |
US9581444B2 (en) * | 2015-06-29 | 2017-02-28 | International Business Machines Corporation | Electronic roll pitch and yaw sensor using conductive fluid |
RU2682589C1 (ru) * | 2018-06-25 | 2019-03-19 | Открытое акционерное общество "Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики" | Датчик крена и тангажа |
RU2714144C2 (ru) * | 2016-12-22 | 2020-02-12 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Малогабаритная адаптивная курсовертикаль |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2024823C1 (ru) * | 1990-07-05 | 1994-12-15 | Арзамасское опытно-конструкторское бюро "Темп" | Курсогоризонт |
US6988321B2 (en) * | 2003-10-31 | 2006-01-24 | Kabushiki Kaisha Tokai Rika Denki Seisakusho | Electrostatic capacitance tilt angle sensor |
RU2555496C1 (ru) * | 2014-03-13 | 2015-07-10 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Устройство для определения углов пространственной ориентации подвижного объекта |
US9581444B2 (en) * | 2015-06-29 | 2017-02-28 | International Business Machines Corporation | Electronic roll pitch and yaw sensor using conductive fluid |
RU2714144C2 (ru) * | 2016-12-22 | 2020-02-12 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Малогабаритная адаптивная курсовертикаль |
RU2682589C1 (ru) * | 2018-06-25 | 2019-03-19 | Открытое акционерное общество "Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики" | Датчик крена и тангажа |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7818889B2 (en) | Target object used for retroreflexion of optical radiation | |
JP3119715B2 (ja) | 2軸式傾斜測定装置 | |
US20150253137A1 (en) | Reflector arrangement with retroreflector and with a sensor arrangement for inclination determination and calibration | |
KR101484528B1 (ko) | 디바이스용 기울기 센서 및 디바이스의 기울기를 결정하기 위한 방법 | |
US8289528B2 (en) | Tilt sensor for a measuring instrument | |
US5821900A (en) | GPS survey instrument | |
EP0802396B1 (en) | Inclination sensor and surveying instrument using the same | |
US20050077454A1 (en) | Photodetection device for rotary laser system | |
US5670780A (en) | Device providing real-time orientation and direction of an object | |
JP2018124121A (ja) | ローバー及びローバー測定システム | |
JPS5953484B2 (ja) | 地形上の諸点を測量するための水準測量装置 | |
JP2019124496A (ja) | 3次元測量装置および3次元測量方法 | |
RU2787949C1 (ru) | Датчик углов крена и тангажа | |
US5684244A (en) | Inertial bank angle sensor | |
US5704130A (en) | Measuring instrument | |
KR100826565B1 (ko) | 삼각대 설치가 불가능한 지역에서의 gps 측량 거치대 | |
US5477470A (en) | Real-time digital orientation device | |
JP3854519B2 (ja) | 高低差計測システム | |
JPH0426045B2 (ru) | ||
JPS6046410A (ja) | 測量装置 | |
US20230102020A1 (en) | Target object with improved angular incidence range for retroreflection | |
JPH1082638A (ja) | Gps測量機 | |
RU1827136C (ru) | Устройство для измерения сферических координат | |
JP2005003512A (ja) | Gpsアンテナ装置と該gpsアンテナ装置を用いた測位方法 | |
SU1714366A1 (ru) | Датчик угла наклона |