УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 1996 года по МПК G01C9/06 

Изобретение относится к средствам автоматики и может быть использовано при автоматизации различных транспортных средств, например горных машин, автомобилей, тягачей, самолетов, ракет и т.п.

Известно устройство для измерения угла наклона объекта, включающее два гибких пересекающихся в одной точке измерительных элемента, одни концы которых выполнены с возможностью закрепления на измеренном расстоянии друг от друга на поверхности объекта, которое для повышения производительности снабжено тросом измеренной длины, один конец которого выполнен с возможностью закрепления на поверхности объекта между точками закрепления концов измерительных элементов, а другой конец закреплен в точке пересечения этих элементов [1]
Недостатком известного устройства является невозможность измерения с его помощью угла наклона подвижного объекта, когда объект может двигаться как равномерно, так и с ускорением при разгоне или торможении.

Известно устройство для определения угла наклона подвижного объекта, содержащее датчик угла наклона, измеритель линейного ускорения, ось чувствительности которого расположена в плоскости измерения, блок обработки, стабилизированную платформу и узел приведения платформы в горизонтальное положение, в котором для расширения арсенала используемых средств датчик угла наклона и измеритель линейного ускорения жестко связаны с платформой, а измеритель линейного ускорения выполнен в виде двух идентичной формы герметичных сосудов с вершинами, двух датчиков гидростатического давления, размещенных под вершинами соответствующих сосудов, и дифференциальной схемы, подключенной к выходам датчиков гидростатического давления, герметичные сосуды заполнены рабочей средой и установлены симметрично относительно отвесной плоскости измерения, при этом каждый сосуд выполнен асимметричным относительно отвесной плоскости, проходящей через его вершину и перпендикулярной плоскости измерения [2]
Недостатком известного устройства является низкая точность одновременных измерений угла наклона и линейного ускорения объекта из-за низкой чувствительности и низкая надежность устройства по внезапным отказам из-за его высокой сложности.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение чувствительности и повышение надежности работы устройства по внезапным отказам.

Этот результат достигается тем, что в устройстве для измерения угла наклона подвижного объекта, содержащем датчик угла наклона, измеритель линейного ускорения, ось чувствительности которого расположена в плоскости измерений, и блок обработки информаций, датчик угла наклона и измеритель линейного ускорения совмещены и выполнены в виде инерционной массы, подвешенной на эластичных упругих шнурах с петлями нитей из электропроводной резины, а блок обработки результатов выполнен в виде двух омметров, трех задатчиков, блока вычисления результирующей силы натяжения шнуров, блока вычисления линейного ускорения, блока вычисления угла наклона и блока индикации и регистрации, причем нити шнуров соединены со входами омметров, выходы которых соединены с первыми и вторыми входами блоков вычисления результирующей силы натяжения шнуров и блока вычисления линейного ускорения, третьи входы которых соединены с выходом первого задатчика жесткости шнуров, четвертый вход блока вычисления линейного ускорения и первый вход блока вычисления угла наклона соединены с выходом второго задатчика расстояния между закрепленными концами шнуров, выраженного в единицах силы, выход блока вычисления результирующей силы соединен со вторым входом блока вычисления угла наклона, третий вход которого соединен с первым выходом блока вычисления линейного ускорения, а второй выход блока линейного ускорения и выход блока вычисления угла наклона соединены со входами блока индикации и регистрации, выход третьего задатчика соединен с четвертым входом блока вычисления результирующей силы натяжения шнуров и с пятым входом блока вычисления линейного ускорения.

Суть изобретения заключается в следующем.

При обычном инженерном проектировании, в отличие от изобретательства, для повышения точности измерений прибегают к получению отдельных сигналов о влияющих параметрах и введению коррекции, к применению специальных резонансных явлений и эффектов для повышения чувствительности к измеряемому параметру, к применению специальных блоков фильтрации для снижения отношения шум/сигнал и так далее, но при этом одновременно усложняется устройство и падает надежность его работы по внезапным отказам. С другой стороны, для повышения надежности устройства обычно прибегают к его упрощению путем исключения дополнительных блоков фильтрации, стабилизации, введения коррекции и так далее, но при этом обязательно увеличивается погрешность измерения. В настоящем устройстве это техническое противоречие преодолено повышение точности одновременных измерений угла наклона и линейного ускорения объекта путем повышения чувствительностей и достигнуто при одновременном повышении надежности работы устройства по внезапным отказам за счет упрощения. Для преодоления этого технического противоречия необходимы и достаточны следующие отличительные признаки устройства: 1) датчик угла наклона и измеритель линейного ускорения совмещены, 2) датчик угла наклона и измеритель линейного ускорения выполнены в виде инерционной массы, подвешенной на горизонтальных эластичных упругих шнурах с петлями нитей из электропроводной резины, 3) блок обработки выполнен в виде двух омметров, трех задатчиков, блока вычисления результирующей силы натяжения шнуров, блока вычисления линейного ускорения, блока вычисления угла наклона и блока индикации и регистрации, 4) нити шнуров соединены со входами омметров, 5) выходы двух омметров соединены с первыми и вторыми входами блоков вычисления результирующей силы натяжения шнуров и блока вычисления линейного ускорения, 6) третьи входы блока вычисления результирующей силы натяжения шнуров и блока вычисления линейного ускорения соединены с выходом первого задатчика, 7) четвертый вход блока вычисления линейного ускорения и первый вход блока вычисления угла наклона соединены с выходом второго задатчика, 8) выход блока вычисления результирующей силы соединен со вторым входом блока вычисления угла наклона, 9) третий вход блока вычисления угла наклона соединен с первым выходом блока вычисления линейного ускорения, 10) второй выход блока вычисления линейного ускорения и выход блока вычисления угла наклона соединены со входами блока индикации и регистрации, 11) выход третьего задатчика соединен с четвертым входом блока вычисления результирующей силы натяжения шнуров и с пятым входом блока вычисления линейного ускорения. Сам по себе по отдельности известен четвертый признак, хотя он никогда ранее не служил ни для измерения угла наклона подвижного объекта, ни для преодоления технического противоречия при таком измерении. Остальные 10 отличительных признаков не известны даже по отдельности сами по себе, тем более ни один из них не мог служить ранее для преодоления технического противоречия при измерении угла наклона подвижного объекта. Все 11 признаков сформулированы конкретно в смысле однозначности выполняемых ими функций. Одновременно все 11 отличительных признаков сформулированы общо, чтобы разработчик мог выбрать наиболее подходящее из имеющихся выполнение конкретного признака с сохранением однозначно выполняемой признаком функции. Из приведенного ниже описания работы устройства с однозначностью следует, что при исключении или замене на эквивалентный любой из 11 отличительных признаков техническое противоречие не будет преодолеваться. Поэтому, по мнению автора, совокупность 11 отличительных признаков соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показано устройство для измерения угла наклона подвижного объекта, где для лучшего показа конструкции датчиков дан осевой разрез датчиков;
на фиг. 2 схематически показаны силы, действующие на инерционный элемент, и дана геометрическая интерпретация измерения угла наклона и линейного ускорения.

Устройство для измерения угла наклона подвижного объекта содержит датчик угла наклона, измеритель линейного ускорения, ось чувствительности которого расположена в плоскости измерения, и блок обработки 1.

Датчик угла наклона и измеритель линейного ускорения совмещены и выполнены в виде инерционной массы 2, подвешенной на горизонтальных эластичных упругих шнурах 3 и 4 с петлями нитей 5 и 6 из электропроводной резины.

Блок обработки 1 выполнен в виде двух омметров 7 и 8, трех задатчиков 9, 10 и 11, блока 12 вычисления результирующей силы натяжения шнуров 3 и 4, блока 13 вычисления линейного ускорения, блока 14 вычисления угла наклона и блока 15 индикации и регистрации.

Нити 5 и 6 шнуров 3 и 4 соединены со входами омметров 7 и 8, выходы которых соединены с первыми и вторыми входами блоков вычисления результирующей силы 12 натяжения шнуров 3 и 4 и блока 13 вычисления линейного ускорения, третьи входы блоков 12 и 13 соединены с выходом первого задатчика 9 жесткости шнуров. Четвертый вход блока 13 вычисления линейного ускорения и первый вход блока 14 вычисления угла наклона соединены с выходом второго задатчика 10 расстояния между закрепленными концами шнуров, выраженного в единицах силы. Выход блока 12 вычисления результирующей силы соединен со вторым входом блока 14 вычисления угла наклона, третий вход которого соединен с первым выходом блока 13 вычисления линейного ускорения. Второй выход блока 13 вычисления линейного ускорения и выход блока 14 вычисления угла наклона соединены со входами блока 15 индикации и регистрации. Выход третьего задатчика 11 квадрата веса инерционного элемента соединен с четвертым входом блока 12 вычисления результирующей силы натяжения шнуров и с пятым входом блока 13 вычисления линейного ускорения.

Нити 5 и 6 помещены в изоляционные эластичные упругие оболочки 16, а между нитями проложены изоляционные прокладки 17 и 18 также из эластичного упругого материала, например из резины или латекса. Торцы петель нитей 5 и 6 изолированы от инерционной массы 2 прокладками 19 и 20. Шнуры 3 и 4 другими концами закреплены на выступах 21 и 22 С-образной рамы 23, а концы 24 и 25, 26 и 27 нитей 5 и 6 без электрического контакта пропущены через выступы 21 и 22 и соединены со входами омметров 7 и 8. Рама 23 жестко закреплена на подвижном объекте 28.

Сущность работы устройства для одновременного измерения угла наклона и линейного ускорения подвижного объекта иллюстрируется показанной на фиг. 2 диаграммой сил. Здесь показан случай, когда подвижный объект 28 движется слева направо под углом α к горизонту с ускорением а.

На инерционную массу 2 одновременно действуют несколько сил: сила тяжести (вес) Р mg, где m масса инерционной массы 2, g ускорение силы земного тяготения; сила F, вызывающая ускорение инертной массы 2 и согласно второму закону Ньютона равная F ma; сила натяжения шнура 3 F₁, численно равная произведению удлинения AО на жесткость шнура 3К, то есть равна F₁ К•AО; сила натяжения шнура 4F₂, численно равная произведению удлинения ОВ на жесткость шнура 4К, то есть равна F₂ К•ОВ.

По правилу параллелограмма равнодействующая сил Р и F по величине и направлению изображается диагональю параллелограмма FOPE, построенного на силах F и Р как на сторонах . Аналогично равнодействующая сил натяжения шнуров F₁ и F₂ по величине и направлению изображается диагональю параллелограмма ADBO, построенного на силах F₁ и F₂ как на сторонах .

Инерционная масса 2 в любой момент времени находится в равновесии. Равновесие обеспечивается равенством по абсолютной величине и противоположной направленностью равнодействующих сил F_с и -F_с.

Остается связать искомые значения ускорения а подвижного объекта и угла наклона α с показанным на фиг. 2 построением.

Из треугольника AОВ согласно теореме косинусов можно записать уравнение
F22

=F21+AB²-2F₁•ABcosA, (1)
отсюда
cosA=F21+AB²-F22(2F₁•AB)^-1 (2)
Из треугольника AОС согласно теореме косинусов получим
(3)
Из параллелограмма ADBO получим
(4)
Из треугольника AОС согласно теореме косинусов получим
(5)
Из формулы (5) с учетом (3) получим
(6)
Из треугольника FOF_c согласно теореме косинусов получим
P²=F²+P2c-2FF_ccosC (7)
Отсюда с учетом формулы (6) получим
(8)
Решив уравнение (8) относительно Г, получим
(9)
Угол FOP -α,, так как линия ОР перпендикулярна горизонтали, а угол α образован наклоном подвижного объекта 28 к горизонтали. Из параллелограмма FOPE получим, что угол ОРЕ в сумме с углом FOP составляют 180^o. Тогда угол ОРЕ равен 90^°+α..

Из треугольника ОРЕ согласно теореме косинусов получим
F2c

=P²+F²-2PFcos(90^°+α)=P²+F²+2PFsinα (10)
Отсюда определим искомый угол
(11)
Таким образом, из уравнения (9) по известному значению F и с учетом уравнения из второго закона Ньютона F ma получим уравнение для определения линейного ускорения а подвижного объекта
a F/m, где F определяется из (9).

Чтобы выразить AВ в единицах силы, поступим следующим образом.

Для треугольников ADE, AОЕ и AСЕ запишем теоремы косинусов
(12)
(13)
(14)
Решив систему управлений (12) (14) относительно AВ, получим
AB²=2F22

+2F21-F2c (15)
Масса инерционного элемента 2 и жесткости шнуров 4 и 3 выбираются из условия, чтобы при любых ускорениях подвижного объекта 28 шнуры 3 и 4 работали в пределах упругих деформаций и чтобы точка 0 на фиг. 2 при максимальных значениях угла наклона α=90^° и максимальных значениях линейного ускорения подвижного объекта еще не касалась рамы 23. Это легко осуществить по приведенным формулам (1) (15).

Шнуры 3 и 4 и нити 5 и 6 работают в пределах упругих деформаций. В этом случае в любой момент времени объемы шнуров 3 и 4 и объемы нитей 5 и 6 остаются постоянными. При увеличении длины соответствующей нити в n раз от l до nl одновременно уменьшается поперечное сечение нити также в n раз от s до s/n так, чтобы объем нити v l•s в любой момент времени оставался постоянным.

Известно, что сопротивление любого проводника прямо пропорционально его длине l, прямо пропорционально удельному сопротивлению проводника ρ и обратно пропорционально поперечному сечению s
R=ρl/S (16)
Из (16) видно, что при одновременном увеличении длины нити в n раз и уменьшении ее поперечного сечения также в n раз ее сопротивление увеличивается уже в n² раз.

Концы нитей 5 и 6 проводниками 24 и 25, 26 и 27 соединены со входами омметров 7 и 8. Поэтому омметры 7 и 8 в любой момент времени будут показывать сопротивления нитей 5 и 6 соответственно, а показания омметров будут прямо пропорциональны квадратам удлинения нитей 5 и 6, то есть равны силам F₁ и F₂ соответственно.

На выходе задатчика 9 формируется значение жесткости шнуров К. Задатчик 10 на своем выходе формирует значение AВ², выраженное в единицах силы согласно формуле (15), а задатчик 11 на своем выходе формирует сигнал, численно равный весу Р² инерционного элемента 2.

Сигналы с выходов омметров 7 и 8 и задатчиков 9 и 10 поступают на входы блока 12 вычисления результирующей силы натяжения шнуров 3 и 4. На выходе блока 12 формируется сигнал, численно равный F_с согласно формуле (4). Этот сигнал F_с формируется на выходе блока 12.

Сигналы с выходов омметров 7 и 8 и сигналы с выходов задатчиков 9, 10 и 11 поступают на входы блока 13 вычисления линейного ускорения. В блоке 13 сначала по формуле (9) определяется значение силы F, вызывающей ускорение инерционной массы 2, а затем по значению силы F и веса Р инерционной массы 2 рассчитывается значение ускорения
(17)
Сигнал F_с с выхода блока 12 вычисления результирующей силы натяжения шнуров, сигнал F с выхода блока 13 и сигнал Р с выхода задатчика 11 поступают на входы блока 14 вычисления угла наклона подвижного объекта 28. Блок 14 по формуле (11) определяет угол наклона α..

Сигнал линейного ускорения а из блока 13 и сигнал угла наклона α с блока 14 поступают на входы блока индикации и регистрации 15, где индицируются и регистрируются в единицах линейного ускорения и угла наклона соответственно.

Совмещение датчика угла наклона и измерителя линейного ускорения в одном комбинированном датчике, выполненном в виде инерционной массы 2, подвешенной на двух горизонтальных упругих эластичных шнурах 3 и 4, и выполнение нитей 5 и 6 в виде петель из электропроводной резины позволили исключить сложные, дорогие и ненадежные в работе стабилизированную платформу и узел приведения платформы в горизонтальное положение, герметичные сосуды, два датчика гидростатического давления, а также датчик наклона с механизмами для преобразования угла наклона в электрический сигнал.

Из описания с однозначностью следует, что все введенные в формулу изобретения признаки необходимы и достаточны для достижения поставленной цели, то есть для преодоления технического противоречия. Блоки 7 15 могут иметь различные принципиальные схемы. Важно лишь, чтобы каждый из этих блоков выполнял предписанную алгоритмом его работы функцию. Поэтому признаки нельзя ни исключить из формулы, ни заменить их на эквивалентные. Этим подтверждается изобретательский уровень устройства.

Техническими преимуществами устройства по сравнению с прототипом являются: упрощение конструкции за счет исключения движущихся механизмов в датчиках ускорения и угла наклона, исключение стабилизированной платформы и угла приведения платформы в горизонтальное положение, уменьшение погрешности измерения угла и линейного ускорения в n раз за счет увеличения чувствительности также в n раз, снижение стоимости за счет исключения сложных и дорогих узлов, механизмов и деталей, повышение надежности работы по внезапным отказам за счет упрощения.

Использование: при автоматизации различных транспортных средств, например горных машин, автомобилей, тягачей самолетов, ракет, танков и т.п. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем датчик угла наклона, измеритель линейного ускорения, ось чувствительности которого расположена в плоскости измерений, и блок обработки, датчик угла наклона и измеритель линейного ускорения совмещены и выполнены в виде инерционной массы, подвешенной на горизонтальных эластичных упругих шнурах с петлями нитей из электропроводной резины, а блок обработки выполнен в виде двух омметров, трех задатчиков, блока вычисления результирующей силы натяжения шнуpов, блока вычисления линейного ускорения, блока вычисления угла наклона и блока индикации и регистрации. 2 ил.

Устройство для измерения угла наклона подвижного объекта, содержащее датчик угла наклона, измеритель линейного ускорения, ось чувствительности которого расположена в плоскости измерений, и блок обработки информации, отличающееся тем, что датчик угла наклона и измеритель линейного ускорения совмещены и выполнены в виде инерционной массы, подвешенной на эластичных упругих шнурах с петлями нитей из электропроводной резины, а блок обработки информации выполнен в виде двух омметров, трех задатчиков, блока вычисления результирующей силы натяжения шнуров, блока вычисления линейного ускорения, блока вычисления угла наклона и блока индикации и регистрации, причем нити шнуров соединены с входами омметров, выходы которых соединены с первыми вторыми входами блоков вычисления результирующей силы натяжения шнуров и блока вычисления линейного ускорения, третьи входы которых соединены с выходом первого задатчика жесткости шнуров, четвертый вход блока вычисления линейного ускорения и первый вход блока вычисления угла наклона соединены с выходом второго задатчика расстояния между закрепленными концами шнуров, выраженного в единицах силы, выход блока вычисления результирующей силы соединен с вторым входом блока вычисления угла наклона, третий вход которого соединен с первым выходом блока вычисления линейного ускорения, а второй выход блока вычисления линейного ускорения и выход блока вычисления угла наклона соединены с входами блока индикации и регистрации, выход третьего задатчика квадрата массы инерционного элемента соединен с четвертым входом блока вычисления результирующей силы натяжения шнуров и с пятым входом блока вычисления линейного ускорения.