RU2808125C1 - Магнитометрический комплекс для навигации объектов в пространстве - Google Patents
Магнитометрический комплекс для навигации объектов в пространстве Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808125C1 RU2808125C1 RU2023110214A RU2023110214A RU2808125C1 RU 2808125 C1 RU2808125 C1 RU 2808125C1 RU 2023110214 A RU2023110214 A RU 2023110214A RU 2023110214 A RU2023110214 A RU 2023110214A RU 2808125 C1 RU2808125 C1 RU 2808125C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- source
- rotating magnetic
- alternating rotating
- navigation
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 106
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 abstract description 20
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к локальным системам навигации, в частности к устройствам для определения координат подвижного объекта относительно источника переменного вращающегося магнитного поля в открытом пространстве и в закрытых помещениях. Техническим результатом является расширение области навигации подвижных объектов, находящихся в зоне действия переменного вращающегося магнитного поля, и определение расстояния от объекта навигации до источника переменного вращающегося магнитного поля, а также высоты подвижного объекта над местом установки источника переменного вращающегося магнитного поля. Заявленный магнитометрический комплекс для навигации объектов в пространстве, дополнительно содержит датчики магнитного поля, которые определяют величину индукции магнитного поля по осям ОХ и OZ, измерители угла наклона, определяющие угол отклонения устройства позиционирования от вертикали, и блок обработки данных, вычисляющий угол положения, высоту и расстояние подвижного объекта относительно источника переменного вращающегося магнитного поля. 2 ил.
Description
Изобретение относится к локальным системам навигации, в части определения координат подвижного объекта относительно источника переменного вращающегося магнитного поля в открытом пространстве и в закрытых помещениях.
Известна система определения координат [Shuang Song, Chao Hu, Ваори Li, Xiaoxiao Li, Max Q.-H. Meng An Electro-magnetic localization and orientation method based on rotating magnetic dipole // IEEE Transactions on magnetics, Vol. 49, №3, march 2010. - P.974-977], содержащая источник переменного вращающегося магнитного поля, устройство определения начальных фаз и амплитуд индукции магнитного поля, а так же устройство синхронизации, осуществляющее синхронизацию датчика магнитного поля и источника магнитного поля по проводному каналу.
Недостатком данного устройства является ограничение по дальности действия в связи с применением проводного канала синхронизации.
Известно «Устройство для определения координат подвижного объекта с использованием магнитного поля» [патент RU2713456C1, МПК G01S 5/16, G01R 33/02, G01V 3/10, 22.03.2019], содержащее источник переменного вращающегося магнитного поля, устройство переключения режима работы источника магнитного поля, устройство определения начальных фаз и амплитуд индукции магнитного поля. Синхронизация фазы сигналов реализуется с помощью изменения режима работы источника магнитного поля, излучающего в пространстве попеременно то магнитное поле синхронизации, то магнитное поле навигации.
Недостатком данного устройства является низкая точность определения координат подвижного объекта из-за невысокой скорости переключения режимов работы источника переменного вращающегося магнитного поля, которая обусловлена высокой инерциальностью источника переменного вращающегося магнитного поля.
Наиболее близким по технической сущности является устройство (прототип) [Н. P. Kalmus, "A new guiding and tracking system," IRE Trans. Aerosp.Navigat. Electron., vol. 9, pp.7-10, 1962], содержащее источник переменного вращающегося магнитного поля и мобильную часть, состоящую из двух взаимно перпендикулярных датчиков магнитного поля, оси чувствительности которых расположены в плоскости источника магнитного поля.
Недостатком прототипа является то, что устройство работает только в той плоскости пространства, в которой расположен источник магнитного поля.
Техническим результатом изобретения является расширение области пространства для навигации всех подвижных объектов, находящихся в зоне действия переменного вращающегося магнитного поля, а также дополнительная возможность определения расстояния от объекта навигации до источника переменного вращающегося магнитного поля, и высоты объекта навигации над плоскостью размещения источника переменного вращающегося магнитного поля.
Технический результат достигается тем что, в устройство, содержащее наземный источник переменного вращающегося магнитного поля и мобильную часть в составе ортогонально размещенных двух датчиков магнитного поля, дополнительно введены третий и четвертый датчики магнитного поля, измеритель угла наклона, а так же последовательно соединенные блок аналого-цифрового преобразователя, блок обработки данных, блок управления, трехкоординатное устройство вращения и устройство позиционирования, на котором размещены первый, второй, третий, четвертый датчики магнитного поля и измеритель угла наклона, при этом третий датчик магнитного поля размещен взаимно ортогонально относительно первого и второго датчиков магнитного поля, а четвертый датчик магнитного поля размещен на заданном расстоянии от первого, при этом их оси чувствительности совпадают, кроме того, выходы первого, второго, третьего, четвертого датчиков магнитного поля и измерителя угла наклона соединены с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входом блока аналого-цифрового преобразователя соответственно.
Сущность изобретения заключается в расширении области пространства для навигации всех подвижных объектов, находящихся в зоне действия переменного вращающегося магнитного поля, за счет дополнительно введенных:
- датчиков магнитного поля, определяют величину индукции магнитного поля по осям ОХ и OZ;
- измерителя угла наклона, определяют угол отклонения устройства позиционирования от вертикали;
- блока обработки данных, вычисляют угол положения, высоту и расстояние подвижного объекта относительно источника переменного вращающегося магнитного поля.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства магнитометрического комплекса для навигации объектов в пространстве, где обозначены:
1 - источник переменного вращающегося магнитного поля;
2 - условное обозначение переменного вращающегося магнитного поля;
3 - мобильная часть;
4-1, 4-2, 4-3, 4-4 - датчики магнитного поля;
5 - измеритель угла наклона;
6 - блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
7 - блок обработки данных;
8 - блок управления;
9 - трехкоординатное устройство вращения;
10 - устройство позиционирования.
Источник переменного вращающегося магнитного поля 1 создает переменное вращающееся магнитное поля 2. На устройстве позиционирования 10 расположены датчики магнитного поля 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 и измеритель угла наклона 5. Датчики магнитного поля 4-1, 4-2, 4-3 расположены ортогонально относительно друг друга, выходы этих датчиков соединены с 1, 2 и 3 входом АЦП 6. Датчик магнитного поля 4-4 расположен соосно 4-1 датчику магнитного поля на расстоянии d, выход датчика соединен с 4 входом АЦП 6. Выход измерителя угла наклона 5 соединен с 5 входом АЦП 6. АЦП 6, блок обработки данных 7, блок управления 8, трехкоординатное устройство вращения 9 и устройство позиционирования 10 соединены последовательно.
Устройство работает следующим образом.
На земной поверхности на горизонтальной плоскости располагают источник переменного вращающегося магнитного поля 1. Мобильная часть 3 находится в зоне действия переменного вращающегося магнитного поля 2. На мобильной части 3 размещают устройство позиционирования 10, в котором располагают три взаимно ортогональных датчика магнитного поля, четвертый датчик магнитного поля размещают соосно с первым на заданном расстоянии d. Кроме того, в устройстве позиционирования 10 располагают измеритель угла наклона, который измеряет угол отклонения устройства позиционирования 10 от вертикали.
Источник переменного магнитного поля 1 создает переменное вращающиеся магнитное поля 2. Датчики магнитного поля 4-1, 4-2, 4-3 и 4-4 измеряют три компоненты индукции навигационного поля вдоль осей OX, OY, OZ, причем ось OY ориентирована вертикально относительно положения мобильной части. Измеритель угла наклона 5 измеряет угол отклонения от вертикали устройства позиционирования 10. Аналоговые сигналы с датчиков поступают на входы аналого-цифрового преобразователя 6 и после преобразования в цифровом виде в блок обработки данных 7.
В блоке обработки данных 7 вычисляют: величину магнитной индукции магнитного поля по осям OX, OY, OZ, расстояние, угол положения и высоту объекта над плоскостью источника переменного вращающегося магнитного поля 1. На основе полученных данных формируют управляющие команды для блока управления 8.
Блок управления 8 на основе управляющих команд формирует управляющие импульсы для трехкоординатного устройства вращения 9.
Трехкоординатное устройство вращения 9, в соответствии с управляющими импульсами с блока управления 8, поворачивается вокруг осей OX, OY, OZ.
Структурная схема блока обработки данных 7 приведена на фиг.2, где обозначены:
11-1, 11-2 - блоки вычисления величины магнитной индукции;
12 - блок вычисления угла от вертикали;
13 - блок определения положения;
14 - устройство вывода информации.
Навигационная информация поступает на блок вычисления вектора магнитной индукции 11-1, в котором вычисляют величину индукции магнитного поля вдоль оси OY в соответствии с выражением:
где М - магнитный момент источника переменного вращающегося магнитного поля, μ0 - магнитная постоянная, r - расстояние до источника переменного вращающегося магнитного поля.
Если индукция магнитного поля вдоль оси OY не равна нулю, то с первого выхода блока вычисления вектора магнитной индукции 11-1 поступает команда на вращение в блок управления 8, при этом вычисления производятся заново. Если величина индукции магнитного поля равна нулю, вращение прекращают, а навигационная информация через второй выход блока вычисления вектора магнитной индукции 11-1 поступает на блок вычисления магнитной индукции 11-2.
В блоке вычисления магнитной индукции 11-2 вычисляют величину индукции магнитного поля вдоль осей OZ и ОХ, подавая сигналы блоку управления 8 на вращение вокруг оси OY через первый выход до тех пор, пока разность фаз между осями OZ и ОХ не будет равна 90°, вычисляют величину индукции магнитного поля В03 третьего 4-3 и В04 четверного 4-4 датчиков магнитного поля, сравнивают их, и если В03 больше В04, через первый выход отправляют сигнал на устройство вращения 9 на поворот устройства позиционирования 10 на 180°, если В03 меньше В04, навигационная информация через второй выход поступает на блок вычисления угла от вертикали 12. В блоке вычисления угла отклонения от вертикали 12, фиксируют угол отклонения оси OY от вертикали. В блоке определения положения 13, рассчитывают угол положения θ, расстояние r от источника переменного вращающегося магнитного поля до объекта навигации, высоту h подвижного объекта относительно поверхности земли, после чего результаты передают в устройство вывода информации 14.
Угол положения θ устройства позиционирования 10 относительно плоскости источника переменного вращающегося магнитного поля 1, определяющий направление на источник переменного вращающегося магнитного поля, вычисляют в соответствии с выражением:
где β - отклонение по вертикали.
Расстояние r от источника переменного вращающегося магнитного поля до центра первого магнитного датчика [Голев И.М., Заенцева Т.И., Угрюмов Р.Б., Желонкин М.В., Попов АС. Расчет характеристик источника магнитного поля для магнитометрической системы позиционирования беспилотного летательного аппарата // Научный информационный сборник «ТРАНСПОРТ: наука, техника, управление» 2020, №8, С.51-57] вычисляют в соответствии с выражением:
где М - магнитный момент источника переменного вращающегося магнитного поля, μ0 - магнитная постоянная, В01 - величина магнитной индукции первого датчика магнитного поля, θ - угол положения устройства позиционирования 10 относительно плоскости источника магнитного поля 1.
Высоту h подвижного объекта относительно источника переменного вращающегося магнитного поля вычисляют в соответствии с выражением:
Датчики магнитного поля 4-1, 4-2, 4-3 и 4-4 предназначены для измерения индукции переменного вращающегося магнитного поля, они преобразуют переменное вращающееся магнитное поле в гармоническое напряжение, с частотой равной частоте переменного вращающегося магнитного поля, могут быть изготовлены на основе феррозондовых магнитометров DRV425 [https://www.directindustry.com.ru/prod/texas-instruments-semiconductor/product-33647-2210533.html].
Измеритель угла наклона 8 предназначен для изменения угла наклона β мобильной части 3 относительно вертикали, может быть выполнен в виде микросхемы MPU6050 [https://3d-diy.ru/wiki/arduino-datchiki/giroskop-i-akselerometr-gy521-mpu6050/].
Блок аналого-цифрового преобразователя 6 предназначен для преобразования гармонического сигнала в цифровой вид, может быть выполнен в виде микросхемы AD7606 [https://www.analog.com/media/en/ technical-documentation/data-sheets/ad7606bbchips.pdf].
Блок обработки данных 7 предназначен для вычисления параметров индукции магнитного поля, высоты, угла отклонения устройства позиционирования от вертикали, расстояния до источника переменного вращающегося магнитного поля, а также формирования сигналов для блока управления 8, может быть выполнен в виде микрокомпьютера Jetson Nano [https://www.nvidia.com/ru-ru/autonomous-machines/embedded-systems/jetsin-nano].
Блок управления 8 предназначен для формирования управляющих импульсов для трехкоординатного устройства вращения 9, может быть выполнен в виде одноплатного компьютера Raspberry Pi 4 Model В [https://amperka.ru/product/raspberry-pi-4-model-b-4-gb] с платой расширения АЦП/ЦАП для Raspberry Pi (AD/DA) [https://miniboard.com.ua/platy-rasshireniya/184-acpcap-plata-rasshireniya-dlya-raspberry-pi-adda.html].
Трехкоординатное устройство вращения 9 предназначено для ориентации устройства позиционирования 10 в трехмерном пространстве, может быть реализовано с помощью трех сервоприводов MG995 [https://3d-diy.ru/wiki/arduino-mechanics/servo-mg995/].
Устройство позиционирования 10 представляет собой платформу, на которой размещают четыре датчика магнитного поля и измеритель угла наклона.
Таким образом, данное изобретение позволит расширить область навигации подвижных объектов, находящихся в зоне действия переменного вращающегося магнитного поля и определить расстояние от объекта навигации до источника переменного вращающегося магнитного поля, также и высоту подвижного объекта над местом установки источника переменного вращающегося магнитного поля.
Claims (1)
- Магнитометрический комплекс для навигации объектов в пространстве, содержащий наземный источник переменного вращающегося магнитного поля и мобильную часть в составе ортогонально размещенных первого и второго датчиков магнитного поля, отличающийся тем, что дополнительно введены третий и четвертый датчики магнитного поля, измеритель угла наклона, а также последовательно соединенные блок аналого-цифрового преобразователя, блок обработки данных, блок управления, трехкоординатное устройство вращения и устройство позиционирования, на котором размещены первый, второй, третий, четвертый датчики магнитного поля и измеритель угла наклона, при этом третий датчик магнитного поля размещен взаимно ортогонально относительно первого и второго датчиков магнитного поля, а четвертый датчик магнитного поля размещен на заданном расстоянии от первого, при этом их оси чувствительности совпадают, кроме того, выходы первого, второго, третьего, четвертого датчиков магнитного поля и измерителя угла наклона соединены с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входом блока аналого-цифрового преобразователя соответственно.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2808125C1 true RU2808125C1 (ru) | 2023-11-23 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5467084A (en) * | 1994-03-28 | 1995-11-14 | Jervis B. Webb Company | Vehicle position determining apparatus |
| RU2103664C1 (ru) * | 1996-12-11 | 1998-01-27 | Борис Михайлович Смирнов | Устройство для дистанционного определения положения объекта (его варианты) |
| RU2542793C1 (ru) * | 2013-09-16 | 2015-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Континент-Тау" | Устройство для определения положения объекта в пространстве |
| 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 |
| RU2626755C1 (ru) * | 2016-07-18 | 2017-07-31 | Общество с ограниченной ответственностью "НАСТЭК" (ООО "НАСТЭК") | Устройство для определения положения объекта в пространстве |
| CN109459022A (zh) * | 2017-11-07 | 2019-03-12 | 云南昆船智能装备有限公司 | 一种可自由阵列组合的新型磁导航定位传感器 |
| RU2713456C1 (ru) * | 2019-03-22 | 2020-02-05 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Устройство для определения координат подвижного объекта с использованием магнитного поля |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5467084A (en) * | 1994-03-28 | 1995-11-14 | Jervis B. Webb Company | Vehicle position determining apparatus |
| RU2103664C1 (ru) * | 1996-12-11 | 1998-01-27 | Борис Михайлович Смирнов | Устройство для дистанционного определения положения объекта (его варианты) |
| RU2542793C1 (ru) * | 2013-09-16 | 2015-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Континент-Тау" | Устройство для определения положения объекта в пространстве |
| 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 |
| RU2626755C1 (ru) * | 2016-07-18 | 2017-07-31 | Общество с ограниченной ответственностью "НАСТЭК" (ООО "НАСТЭК") | Устройство для определения положения объекта в пространстве |
| CN109459022A (zh) * | 2017-11-07 | 2019-03-12 | 云南昆船智能装备有限公司 | 一种可自由阵列组合的新型磁导航定位传感器 |
| RU2713456C1 (ru) * | 2019-03-22 | 2020-02-05 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Устройство для определения координат подвижного объекта с использованием магнитного поля |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KALMUS H.P. A New Guiding and Tracking System // IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics, vol. ANE-9, no. 1, pp. 7-10, March 1962, doi: 10.1109/TANE3.1962.4201833. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3868565A (en) | Object tracking and orientation determination means, system and process | |
| Storms et al. | Magnetic field navigation in an indoor environment | |
| US6476610B1 (en) | Magnetic anomaly sensing system and methods for maneuverable sensing platforms | |
| US6789043B1 (en) | Magnetic sensor system for fast-response, high resolution, high accuracy, three-dimensional position measurements | |
| JPH08512125A (ja) | 妨害金属がある場所で物体の位置と向きを測定する方法および装置 | |
| JPH06221805A (ja) | 離れた物体の位置及び方向を決定するための装置及びその方法 | |
| US10540021B2 (en) | Device for determining the position of an object in space | |
| CN108076511A (zh) | 一种基于低频交流磁场的室内无线定位装置及方法 | |
| US20180011472A1 (en) | Localization device using magnetic field and positioning method thereof | |
| CN108662973A (zh) | 基于鉴相技术的电磁跟踪系统及方法 | |
| RU2808125C1 (ru) | Магнитометрический комплекс для навигации объектов в пространстве | |
| RU2704955C1 (ru) | Способ определения местоположения стрелка по звуку выстрела при движении объекта обстрела | |
| JPS6345043B2 (ru) | ||
| RU2440592C2 (ru) | Способ морской гравиметрической съемки | |
| CN113108777B (zh) | 基于磁信标的单锚定位方法 | |
| JPH0778540B2 (ja) | 位置局限が可能な磁気探知装置 | |
| Walker et al. | Calibration and localization of AUV-acquired magnetic survey data | |
| Gutnik et al. | Data-Driven Underwater Navigation workshop: AUV Close-Range Localization and Guidance Employing an Electro-Magnetic Beacon | |
| WO2000017603A1 (en) | Magnetic sensor system for fast-response, high resolution, high accuracy, three-dimensional position measurements | |
| Nikoo et al. | A disambiguation technique for passive localization using trajectory analysis | |
| RU2824864C1 (ru) | Магнитометрическая система навигации | |
| RU2098764C1 (ru) | Способ определения местоположения подвижных объектов и устройство для его реализации | |
| Yao et al. | Research on Magnetic Tracking Algorithm Based on Double Transmitting Coils | |
| Liu et al. | Study on an experimental AC electromagnetic tracking system | |
| Xiang et al. | Localization of moving object under the interference of ferromagnetic platform with the alternating magnetic field |