RU79659U1

RU79659U1 - POSITIONING SYSTEM

Info

Publication number: RU79659U1
Application number: RU2008114900/22U
Authority: RU
Inventors: Виктор Акиндинович Солдатенков; Юрий Кириллович Грузевич; Владимир Михайлович Ачильдиев; Вера Николаевна Беликова; Михаил Анатольевич Лисов; Сергей Серафимович Рязанов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение Геофизика НВ"
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2009-01-10

Abstract

Для повышения надежности работы и расширения эксплутационных возможностей, а также обеспечения аппаратной унификации системы позиционирования и повышения точности измерений в области измерения углов в диапазоне менее 90 угл. град. В системе позиционирования электронная схема преобразования сигнала выполнена в виде включенных последовательно двухкоординатного измерителя ускорения, блока операционных усилителей, в обратную связь которых включены электронные потенциометры, микроконтроллера и блока интерфейса, при этом коэффициент обратной связи операционного усилителя установлен в зависимости от диапазона измеряемых углов. Плата блока системы позиционирования установлена в корпус через амортизатор. 1 н.п. ф-лы, 4 илл.To increase the reliability of operation and expand operational capabilities, as well as to provide hardware unification of the positioning system and improve the accuracy of measurements in the field of measuring angles in the range of less than 90 angles. hail. In the positioning system, the electronic signal conversion circuit is made in the form of a bi-coordinate acceleration meter connected in series, a block of operational amplifiers, the feedback of which includes electronic potentiometers, a microcontroller, and an interface block, while the feedback coefficient of the operational amplifier is set depending on the range of measured angles. The board of the positioning system unit is installed in the housing through the shock absorber. 1 n.p. f-ly, 4 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к системам позиционирования и устройствам для определения углов наклона объектов и оборудования на производстве и в быту относительно местного горизонта.The utility model relates to measuring equipment, in particular, to positioning systems and devices for determining the angle of inclination of objects and equipment in production and in everyday life relative to the local horizon.

Известно устройство для измерения угла наклона «Цифровой измеритель уклонов» (патент РФ МПК 7 G01C 9/00 №2166732 от 10.05.2001), содержащий корпус с рабочей поверхностью, установленный внутри корпуса преобразователь силы в электрический сигнал с электронной схемой преобразования сигнала, при этом снаружи на корпусе установлены переключатель координат измерения, выполненный с возможностью механического переключения режимов измерения, и жидкокристаллический индикатор, выполненный с возможностью одновременной индикации направления и величины уклона по любой из двух геометрических осей симметрии корпуса в плоскости его рабочей поверхности, а преобразователь силы в электрический сигнал выполнен в виде двухкоординатного измерителя ускорения силы тяжести, закрепленного внутри корпуса с обратной стороны его рабочей поверхности, при этом переключатель координат измерения, жидкокристаллический индикатор и двух координатный измеритель ускорения силы тяжести подключены к электронной схеме преобразования сигнала.A device for measuring the angle of inclination "Digital slope meter" (RF patent IPC 7 G01C 9/00 No. 2166732 dated 05/10/2001), comprising a housing with a working surface, a power to electric signal converter installed inside the housing with an electronic signal conversion circuit, while outside, a measurement coordinate switch is installed on the housing, made with the possibility of mechanical switching of measurement modes, and a liquid crystal indicator, configured to simultaneously indicate the direction and magnitude of off it is along either of the two geometric axes of symmetry of the body in the plane of its working surface, and the force to electric signal converter is made in the form of a two-coordinate gravity acceleration meter mounted inside the body on the back side of its working surface, with a measurement coordinate switch, a liquid crystal display and two the gravity acceleration coordinate meter is connected to an electronic signal conversion circuit.

К недостаткам данного устройства относятся его ограниченные эксплуатационные возможности, заключающиеся в том, что устройство позволяет производить индикацию направления и величины уклона только по одной из двух геометрических осей симметрии корпуса. Для изменения The disadvantages of this device include its limited operational capabilities, which consists in the fact that the device allows the indication of the direction and slope of only one of the two geometric axes of symmetry of the housing. For change

оси измерения в данном устройстве предусмотрен переключатель координат измерения.axis of measurement in this device provides a switch coordinate measurement.

Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является «Цифровой измеритель для его осуществления» (патент РФ МПК 7 G01С 9/00 №2227899 от 27.04.2004.). Цифровой измеритель уклонов содержит снабженный установочным узлом корпус, в котором размещены инерционный измеритель силы тяжести с электронной схемой преобразования сигнала инерционного измерителя в визуальную информацию об уклонах, автономный источник электропитания электронной схемы. Установочный узел корпуса выполнен в виде пяти плоских установочных баз, из которых три ортогональны друг другу, две параллельны им, двух взаимно перпендикулярных призматических установочных баз, параллельных соответствующим плоским установочным базам. Инерционный измеритель ускорения силы тяжести выполнен трехкоординатным и закреплен жестко относительно установочных баз. В электронную схему преобразования сигнала измерителя введен микропроцессор с моделью погрешности определения силы тяжести.The closest analogue of the claimed utility model is "Digital meter for its implementation" (RF patent IPC 7 G01C 9/00 No. 2227899 dated 04/27/2004.). The digital slope meter contains a housing provided with an installation unit, in which an inertial gravity meter with an electronic circuit for converting the inertial meter signal into visual information about slopes is placed, as well as an autonomous power supply of the electronic circuit. The housing mounting assembly is made in the form of five flat mounting bases, of which three are orthogonal to each other, two are parallel to them, two mutually perpendicular prismatic mounting bases parallel to the corresponding flat mounting bases. The inertial gravity acceleration meter is made three-coordinate and fixed rigidly relative to the installation bases. A microprocessor with a model of the error in determining gravity has been introduced into the electronic signal conversion circuit of the meter.

Измеритель осуществляет измерение величины проекции ускорения свободного падения на ось чувствительности преобразования величины линейного ускорения в выходной сигнал, определение положения преобразователя относительно горизонтальной плоскости или местной вертикали, по которому судят о величине уклонов. При этом измеряют величины проекций ускорения свободного падения в направлении трех взаимно ортогональных осей чувствительности к величинам линейных ускорений. Положение преобразователя относительно горизонтальной плоскости или местной вертикали определяют по величинам проекций ускорения свободного падения в направлении двух из этих осей, которые выбирают при достижении третьей осью направления заданного The meter measures the magnitude of the projection of gravitational acceleration onto the sensitivity axis of the conversion of linear acceleration to the output signal, determines the position of the transducer relative to the horizontal plane or local vertical, which is used to judge the value of the slopes. In this case, the values of the projections of the gravitational acceleration in the direction of three mutually orthogonal axes of sensitivity to the values of linear accelerations are measured. The position of the transducer relative to the horizontal plane or local vertical is determined by the values of the projections of the acceleration of gravity in the direction of two of these axes, which are selected when the third axis reaches the specified direction

допустимым углом отклонения любой оси чувствительности от местной вертикали.acceptable angle of deviation of any axis of sensitivity from the local vertical.

Недостатком данного технического решения является использование дополнительного акселерометра и избыточное количество баз. Кроме этого, общим недостатком микромеханических акселерометров является зависимость их показаний от температуры и напряжения питания.The disadvantage of this technical solution is the use of an additional accelerometer and an excessive number of bases. In addition, a common drawback of micromechanical accelerometers is the dependence of their readings on temperature and supply voltage.

Задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является снижение затрат на производство за счет обеспечения аппаратной унификации системы позиционирования, а также повышение надежности работы, расширение эксплутационных возможностей устройства и повышение точности измерения в области измерения углов в диапазоне менее 90 угл. град.The problem solved by the claimed utility model is to reduce production costs by providing hardware unification of the positioning system, as well as improving the reliability of the operation, expanding the operational capabilities of the device and improving the measurement accuracy in the field of measuring angles in the range of less than 90 angles. hail.

Поставленная задача решается за счет того, что в системе, содержащей корпус с рабочей поверхностью и установленные внутри корпуса плату блока системы позиционирования, на которой размещены двухкоординатные измерители ускорения, электронная схема преобразования сигнала и блок интерфейса, электронная схема преобразования сигнала выполнена в виде включенных последовательно блока операционных усилителей, в обратную связь которых включены электронные потенциометры, микроконтроллера и блока интерфейса, при этом коэффициент обратной связи операционного усилителя установлен в зависимости от диапазона измеряемых углов.The problem is solved due to the fact that in a system containing a housing with a working surface and a board of a positioning system unit installed on the inside of the housing, on which two-axis acceleration meters, an electronic signal conversion circuit and an interface unit are located, the electronic signal conversion circuit is made in the form of a block operational amplifiers, the feedback of which includes electronic potentiometers, a microcontroller and an interface unit, while the feedback coefficient The op amp is set depending on the range of measured angles.

Кроме того, в предпочтительном варианте реализации полезной модели плата блока системы позиционирования установлена в корпус через амортизатор.In addition, in a preferred embodiment of the utility model, the board of the positioning system unit is installed in the housing through a shock absorber.

Техническим результатом от использования заявленной системы является повышение надежности ее работы, расширение эксплутационных возможностей, обеспечение аппаратной унификации системы The technical result from the use of the claimed system is to increase the reliability of its operation, expand operational capabilities, ensure hardware unification of the system

позиционирования путем использования одной и той же аппаратной реализации устройства для измерения разных диапазонов углов и повышение точности измерений в области измерения углов в диапазоне менее 90°.positioning by using the same hardware implementation of the device for measuring different ranges of angles and improving the accuracy of measurements in the field of measuring angles in the range of less than 90 °.

Обычно измерители уклонов и системы позиционирования в зависимости от назначения имеют различные диапазоны измерения - до 10, до 30, до 45, до 60, до 90 [угл. град.] и для каждого случая изготавливаются отдельно. Указанный выше технический результат, заключающейся в унификации системы позиционирования, используемых в различных диапазонах измеряемых уклонов, обусловлен тем, что в процессе изготовления конкретного устройства из группы идентичных по конструкции устройств программно вводят поправку на диапазон измерения, для которого это конкретное устройство предназначено, за счет автоматического изменения коэффициента обратной связи операционного усилителя посредством электронного потенциометра. Это позволяет расширить эксплутационные возможности устройства (например, при необходимости перепрограммировать его на другой диапазон), повысить точность измерения в диапазоне менее 90 угл. град., использовать одну и ту же конструкцию для программирования на разные диапазоны измеряемых углов.Typically, slope meters and positioning systems, depending on the purpose, have different measurement ranges - up to 10, up to 30, up to 45, up to 60, up to 90 [ang. city.] and for each case are made separately. The above technical result, which consists in the unification of the positioning system used in different ranges of measured slopes, is due to the fact that during the manufacturing process of a particular device from a group of identical in design devices programmatically introduce an adjustment for the measuring range for which this particular device is intended, due to the automatic changes in the feedback coefficient of the operational amplifier by means of an electronic potentiometer. This allows you to expand the operational capabilities of the device (for example, if necessary, reprogram it to a different range), to increase the measurement accuracy in the range of less than 90 angles. hail., use the same design for programming on different ranges of measured angles.

Дополнительным техническим результатом является то, что полезная модель позволяет обеспечить возможность корректировки условий измерения от температуры за счет установки платы блока системы позиционирования на компенсатор температурных деформаций. Известно, что одним из недостатков устройства на основе микромеханических акселерометров (далее - ММА) является зависимость их показаний от температуры. Обычно коэффициенты чувствительности для каждого ММА определяются по результатам испытаний в рабочем диапазоне температур и An additional technical result is that the utility model makes it possible to adjust the measurement conditions from temperature by installing the board of the positioning system unit on the compensator for temperature deformations. It is known that one of the disadvantages of a device based on micromechanical accelerometers (hereinafter - MMA) is the dependence of their readings on temperature. Typically, the sensitivity coefficients for each MMA are determined by the test results in the operating temperature range and

записываются в микропроцессор для осуществления алгоритмической компенсации. Однако полностью компенсировать этим методом температурную погрешность не удаются из-за разных коэффициентов линейного расширения платы блока и корпуса.recorded in the microprocessor for the implementation of algorithmic compensation. However, the temperature error cannot be completely compensated by this method due to different linear expansion coefficients of the unit board and the case.

Этот недостаток в заявленном устройстве устраняется путем установки платы блока системы позиционирования на корпус через компенсатор температурных деформаций. В этом случае компенсатор температурных деформаций, кроме выполнения своей основной функции, компенсирования разности температурных коэффициентов расширения платы блока и корпуса и прогиба платы выполняет роль амортизатора.This disadvantage in the claimed device is eliminated by installing the board of the block positioning system on the housing through the compensator for thermal deformations. In this case, the compensator for temperature deformations, in addition to performing its main function, compensating for the difference in the temperature coefficients of expansion of the PCB of the unit and the body and the deflection of the PCB, acts as a shock absorber.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображено следующее.The utility model is illustrated by drawings, which depict the following.

На фиг.1 представлен общий вид системы позиционирования.Figure 1 presents a General view of the positioning system.

На фиг.2 представлена изометрия системы позиционирования.Figure 2 presents an isometric positioning system.

На фиг.3 показана структурная схема системы позиционирования.Figure 3 shows a structural diagram of a positioning system.

На фиг.4 показана функциональная схема блока операционных усилителей.Figure 4 shows a functional diagram of a block of operational amplifiers.

Система позиционирования (фиг.1, 2) содержит плату блока интерфейса 1 и плату блока 2 системы позиционирования, установленные в корпус 5, выполненный, как правило, из сплава алюминия. Плата блока 2 системы позиционирования установлена на компенсаторах температурных деформаций 3, одновременно выполняющих функцию амортизаторов, внутри корпуса 5 и закреплена с помощью винтов 4.The positioning system (FIGS. 1, 2) comprises a board of an interface unit 1 and a board of a block 2 of a positioning system installed in a housing 5, which is usually made of an aluminum alloy. The board of the block 2 of the positioning system is installed on the expansion joints of temperature deformations 3, simultaneously performing the function of shock absorbers, inside the housing 5 and is fixed with screws 4.

На внешней поверхности платы интерфейса 1 установлен электрический разъем 8. Корпус 5 закрыт крышкой 6 через резиновую прокладку 7.An electrical connector 8 is installed on the outer surface of the interface board 1. The housing 5 is closed by a cover 6 through a rubber gasket 7.

В состав блока системы позиционирования 2 входит последовательно соединенные двухкоординатный измеритель ускорения 9, например, на The composition of the block positioning system 2 includes series-connected two-coordinate acceleration meter 9, for example,

основе микромеханических акселерометров (ММА) и электронная схема преобразования сигнала (фиг.3.), включающая, блок операционных усилителей 10, микроконтроллер 11, блок интерфейса 12. Блок операционных усилителей 10 (фиг.4) состоит из операционных усилителей 13, в обратную связь которых включены электронные потенциометры 14. При этом первый выход двухкоординатного измерителя ускорения 9 (U_αx) соединен с первым входом блока операционных усилителей 10, второй выход двухкоординатного измерителя ускорения (U_αy) соединен со вторым входом блока операционных усилителей 10, первый выход которого (U_α) соединен с первым входом микроконтроллера 11, первый выход которого (К_αx) соединен с первым входом блока операционных усилителей 10, причем первым входом блока операционных усилителей 10, является вход блока электронных потенциометров 17, второй выход блока операционных усилителей 10 (U_β) соединен со вторым входом микроконтроллера 11, второй выход которого соединен со вторым входом блока операционных усилителей, третий выход микроконтроллера 11 соединен с входом-выходом 1 блока интерфейса 12.the basis of micromechanical accelerometers (MMA) and an electronic signal conversion circuit (Fig. 3), including, a block of operational amplifiers 10, a microcontroller 11, an interface block 12. The block of operational amplifiers 10 (Fig. 4) consists of operational amplifiers 13, in feedback which include electronic potentiometers 14. In this case, the first output of the two-coordinate acceleration meter 9 (U _αx ) is connected to the first input of the operational amplifier unit 10, the second output of the two-coordinate acceleration meter (U _αy ) is connected to the second input of the operation unit amplifiers 10, the first output of which (U _α ) is connected to the first input of the microcontroller 11, the first output of which (K _αx ) is connected to the first input of the block of operational amplifiers 10, and the first input of the block of operational amplifiers 10 is the input of the block of electronic potentiometers 17, the second the output of the operational amplifier unit 10 (U _β ) is connected to the second input of the microcontroller 11, the second output of which is connected to the second input of the operational amplifier unit, the third output of the microcontroller 11 is connected to the input-output 1 of the interface unit 12.

Работа системы позиционирования осуществляется следующим образом. Сигналы U_αx и U_αy с выхода ММА поступают на соответствующие входы блока операционных усилителей. Сигналы U_αx и U_αy поступают на соответствующие входы блока операционных усилителей, где усиливаются и на выходеThe operation of the positioning system is as follows. The signals U _αx and U _αy from the output of the MMA are fed to the corresponding inputs of the block of operational amplifiers. The signals U _αx and U _αy are fed to the corresponding inputs of the block of operational amplifiers, where they are amplified at the output

Uα=Kd*UαxUα = Kd * Uαx

Uβ=Kd*Uαx,Uβ = Kd * Uαx,

где Where

0<D≤90.0 <D≤90.

С выходов блока операционных усилителей сигналы U_α и U_β поступают на входы микроконтроллера, в котором по приведенном выше формулам определяют углы α и β. Величина Kd заложена при изготовлении устройства (при программировании на определенный диапазон) и определяется величиной сигнала поступающего с микроконтроллера на электронные потенциометры 13 блока операционных усилителей 10.From the outputs of the operational amplifier unit, the signals U _α and U _β are fed to the inputs of the microcontroller, in which the angles α and β are determined by the above formulas. The value of Kd is inherent in the manufacture of the device (when programming for a certain range) and is determined by the magnitude of the signal from the microcontroller to the electronic potentiometers 13 of the block of operational amplifiers 10.

Работа системы позиционирования заключается в следующем. Двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести 9 выдает напряжение U_αx, U_αy, пропорциональное действующей величине проекции ускорения на соответствующую ось. Величина этой проекции зависит от положения корпуса измерителя и определяется углом наклона α, β к горизонту из соотношенияThe operation of the positioning system is as follows. The two-coordinate gravity acceleration meter 9 produces a voltage U _αx , U _αy proportional to the effective value of the projection of the acceleration on the corresponding axis. The magnitude of this projection depends on the position of the meter body and is determined by the angle of inclination α, β to the horizon from the ratio

U_αx=K_αxgSinα,U _{_αx} = K _αx gSinα,

U_αy=K_αygSinβ.U _αy = K _αy gSinβ.

где g - ускорение силы тяжести [м/с²].where g - acceleration of gravity [m / ^s2].

U_αx, U_αy - напряжения снимаемые с микромеханических акселерометров (ММА) по соответствующим осям [в];U _αx , U _αy - stresses taken from micromechanical accelerometers (MMA) along the corresponding axes [ _v ];

Кαx, Кαy - масштабные коэффициент ММА, имеющие размерность [в*c²/м];Кαx, Кαy - scaled coefficient of MMA having dimension [in * c ² / m];

α, β - углы относительно горизонта [угл. град.].α, β - angles relative to the horizon [ang. hail.].

Таким образом, выходное напряжение с измерителя определяется величиной измеряемого угла наклона α, β.Thus, the output voltage from the meter is determined by the measured angle of inclination α, β.

Вычисление измеряемых углов осуществляется по следующим выражениям:The calculation of the measured angles is carried out according to the following expressions:

Как указывалось выше, известные из уровня техники измерители уклонов и системы позиционирования в зависимости от назначения имеют различные диапазоны измерения - до 10, до 30, до 45, до 60, до 90 угл. град. и для каждого диапазона углов измерители изготавливаются отдельно. В заявленной полезной модели для обеспечения унификации измерителей и повышения точности измерений в области измерения углов в диапазоне менее 90 угл. град. вводят поправку на диапазон измерения. Для этого в микропроцессоре проводят следующие математические операции:As mentioned above, known from the prior art slope meters and positioning systems, depending on the purpose, have different measurement ranges - up to 10, up to 30, up to 45, up to 60, up to 90 angles. hail. and for each angle range the meters are manufactured separately. In the claimed utility model to ensure the unification of the meters and improve the accuracy of measurements in the field of measuring angles in the range of less than 90 angles. hail. adjust for the measuring range. To do this, the following mathematical operations are carried out in the microprocessor:

Преимущественно D=10, или 30, или 45, или 60, или 90. Для повышения точности определения углов, лежащих в пределах от 45 угл. град. до 90 угл. град. вычисления углов проводятся по следующим выражениям:Mostly D = 10, or 30, or 45, or 60, or 90. To increase the accuracy of determining angles lying in the range from 45 angles. hail. up to 90 angles hail. angle calculations are carried out according to the following expressions:

При использовании двухкоординатного измерителя прибор имеет два выхода, напряжения на которых изменяются независимо друг от друга в зависимости от наклона измерителя относительно одной или другой оси When using a two-coordinate meter, the device has two outputs, the voltages at which vary independently from each other depending on the tilt of the meter relative to one or the other axis

или одновременно относительно обоих. В этом случае достаточно двух измерителей линейного ускорения вместо трех. Реализация технического результата в системе позиционирования осуществляется путем установки в цепь обратной связи операционных усилителей 13 (фиг.4) электронных потенциометров 14, обеспечивающих коэффициент обратной связи (от 1 до 9) в зависимости от диапазона измеряемых углов. Данная схема включения позволяет изменять коэффициент обратной связи операционного усилителя 13 по команде микропроцессора в зависимости от диапазона углов, на который рассчитано изготавливаемое устройство. Эта операция осуществляется в процессе изготовления или перепрограммирования устройства.or simultaneously relative to both. In this case, two linear acceleration meters are sufficient instead of three. The implementation of the technical result in the positioning system is carried out by installing in the feedback circuit of operational amplifiers 13 (Fig. 4) of electronic potentiometers 14 providing a feedback coefficient (from 1 to 9) depending on the range of measured angles. This inclusion circuit allows you to change the feedback coefficient of the operational amplifier 13 at the command of the microprocessor depending on the range of angles for which the device is designed. This operation is carried out during the manufacturing or reprogramming of the device.

Работа системы позиционирования одинакова при определении значений углов относительно той или другой оси.The operation of the positioning system is the same when determining the values of the angles relative to one or another axis.

Точность измерения углов с использованием заявленной системы позиционирования определяется точностью датчика ускорения силы тяжести (≤0,1% от измеряемого угла) и аналого-цифрового преобразователя (цена младшего разряда - ≤0,1°).The accuracy of measuring angles using the claimed positioning system is determined by the accuracy of the gravity acceleration sensor (≤0.1% of the measured angle) and the analog-to-digital converter (low-order price - ≤0.1 °).

Claims

A positioning system comprising a housing with a working surface and a positioning system unit board located inside the housing, on which two-axis acceleration meters, an electronic signal conversion circuit and an interface unit are located, characterized in that the electronic signal conversion circuit is made in the form of a two-coordinate acceleration meter connected in series operational amplifiers, the feedback of which includes electronic potentiometers, a microcontroller and an interface unit, with This feedback coefficient of the operational amplifier is set depending on the range of measured angles, and the board of the positioning system unit is fixed in the housing through a compensator for temperature deformations.