СПОСОБ НАСТРОЙКИ ИНКЛИНОМЕТРА И КОНТРОЛЯ ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ Российский патент 1997 года по МПК G01C25/00 G01C9/00 

Изобретение относится к точному приборостроению и может быть использовано в инклинометрии (в том числе в гироскопическом и магнитометрическом инклинометрах), в навигационных системах, т. е. в таких устройствах, где применяются трехкоординатные измерители ускорения силы тяжести Земли на базе трех акселерометров, трехкоординатные измерители угловой скорости Земли на базе двух двухкоординатные гидроскопических датчиков угловой скорости, трехкоординатные измерители напряженности магнитного поля Земли на базе трех магнитометров, как самостоятельно, так и парами.

В дальнейшем тексте трехкоординатные измеритель ускорения силы тяжести Земли именуется измеритель 1, трехкоординатный измеритель угловой скорости Земли именуется измеритель 2, трехкоординатный измеритель напряженности магнитного поля Земли именуется измеритель 3.

Примером устройства, включающего в себя измеритель 1 в осях X', Y', Z', включающего измеритель 2 в осях X", Y", Z", может является гироскопический инклинометр.

Наиболее близким к изобретению является способ настройки инклинометра, описанным в авт. св. СССР N 1441061, кл. E 21 B 47/02, 1988. Данным способом выполняют последовательную установку инклинометра вдоль заданных направлений с целью осуществления аттестации готового инклинометра (Л. 1).

Недостатком такого способа является то, что он не дает рекомендаций по устранению ошибок в выходных параметрах инклинометра от невыставки базовых элементов (измерителей).

Цель изобретения повышение точности за счет устранения ошибок в выходных параметрах инклинометра от невыставки базовых элементов (измерителей), а именно повышение точности определения ускорения силы тяжести и угловой скорости Земли за счет устранения погрешности от невыставки измерительных осей X', Y', Z' измерителя 1 (измерительных осей акселерометров) и устранения погрешности от невыставки измерительных осей X", Y", Z" измерителя 2 (измерительных осей гироскопов) по отношению к строительным взаимно перпендикулярным осям X, Y, Z инклинометра.

Предлагаемый способ настройки инклинометра (как гироскопического, так и магнитометрического) предполагает некоторые условия:
предполагается наличие наклонно-поворотного стола с возможностью независимого и неограниченного поворота инклинометра по углам вертикали, азимута, вокруг собственной оси симметрии (абсидальный угол), т. е. возможности установки и длительного удержания инклинометра в любом произвольном угле вертикали, азимута, абсидальном угле;
предполагает жесткое крепление инклинометра к наклонно-поворотному столу так что взаимно перпендикулярные оси X, Y, Z инклинометра совпадают с осями наклонно-поворотного стола;
предполагает, что несовпадение измерительных осей измерителя 1 и измерителя 2 (измерителя 3) с соответствующими строительными осями инклинометра составляет малый угол, т. е. такой угол, когда справедливо соотношения:

а также соотношения, указанные применительно к оси X, но справедливые для любой оси:

а также следствия из неравенств, например:

предполагает автономность (независимость, т. е. отсутствие связей, корреляции) любой измерительной оси от других осей во всех измерителях;
предполагает произвольность положения соответственно оси X' и оси X" по отношению к оси X, оси Y' и оси Y" по отношению к оси Y, оси Z' и оси Z" по отношению к оси Z;
предполагает возможность последовательной установки каждой строительной оси инклинометра вдоль линии (вектора) ускорения силы тяжести Земли, вдоль линии (вектора) напряженности магнитного поля Земли;
предполагает возможность выполнения этой операции на наклонно-поворотном столе;
предполагает наличие калибровки осей измерителей, т. е.

A_max g, W_max W_земли (1)
Способ настройки инклинометра и контроля достоверности результатов на базе трехкоординатного измерителя ускорения инклинометра, на базе трехкоординатного измерителя угловой скорости инклинометра включают известные операции: последовательную установку инклинометра вдоль заданных направлений, измерение ускорения силы тяжести Земли в осях X', Y', Z' измерителя ускорения инклинометра, измерение угловой скорости Земли в осях X", Y", Z" измерителя угловой скорости инклинометра, вычисление значений ускорения силы тяжести Земли во взаимно перпендикулярных строительных осях X, Y, Z инклинометра, вычисление значений угловой скорости Земли в тех же осях, вычисление параметров контроля достоверности результатов.

Цель изобретения достигается тем, что перед измерением ускорения силы тяжести и угловой скорости последовательно устанавливают вдоль вектора ускорения силы тяжести Земли g каждую строительную ось инклинометра X, Y, Z и измеряют параметры невыставки осей измерителя ускорения ΔA_yx,ΔA_zx,ΔA_zy,ΔA_xy,ΔA_xz,ΔA_yz, последовательно устанавливают вдоль вектора угловой скорости Земли W_земли каждую строительную ось инклинометра X, Y, Z и измеряют параметры невыставки осей измерителя угловой скорости ΔW_yx,ΔW_zx,ΔW_zy,ΔW_xy,ΔW_xz,ΔW_yz, а значения ускорения силы тяжести в условиях X, Y, Z инклинометра, угловой скорости Земли в тех же осях, параметров контроля достоверности результатов определяют по формулам:



где A_x, A_y, A_z, W_x, W_y, W_z - вычисленные значения соответственно ускорения силы тяжести и угловой скорости Земли в осях Z, Y, Z инклинометра;
A_x', A_y', A_z' измеренные значения ускорения силы тяжести Земли в осях X', Y', Z' трехкоординатного измерителя ускорения инклинометра;
W_x", W_y", W_z" измеренные значения угловой скорости Земли в осях X", Y", Z" трехкоординатного измерителя угловой скорости инклинометра;
ΔA_yx,ΔA_zx,ΔA_zy,ΔA_xy,ΔA_xz,ΔA_yz значения параметров невыставки осей X', Y', Z' в плоскостях соответственно YOX, ZOX, ZOY, XOY, XOZ, YOZ;
ΔW_yx,ΔW_zx,ΔW_zy,ΔW_xy,ΔW_xz,ΔW_yz значения параметров невыставки осей X", Y", Z" в плоскостях соответственно YOX, ZOX, ZOY, XOY, XOZ, YOZ;
ΔΔA,ΔΔW параметры контроля достоверности результатов, величины второго порядка малости по сравнению с параметрами невыставки;
g, W_земли ускорение силы тяжести и угловая скорость Земли соответственно.

Предлагаемый способ настройки инклинометра включает способ определения параметров невыставки осей измерителей (технологические операции) и способ устранения погрешностей от невыставки осей и контроля достоверности результатов (операции в рабочем режиме при произвольном положении инклинометра).

Поясним введенные обозначения. Например, ΔA_yx обозначает показания 1 по оси X' при совпадении оси Y с вектором g, а параметр ΔA_xz обозначает показателя измерителя 1 по оси X' при совпадении оси Z с вектором g, Т. о. параметрами ΔA_xy,ΔA_xz определена невыставка оси X' по отношению к оси X во взаимноперпендикулярных плоскостях соответственно XOY и XOZ.

Так как каждая измерительная ось обоих измерителей автономна (независима), то можно автономно (отдельно) определить невыставку каждой оси и определенным образом парировать (исключить).

Покажем два вывода формул парирования невыставки осей.

Вывод первый.

Фиг. 1 это взгляд на плоскость YOZ с конца вектора X. Положение проекции g на плоскость YOZ определяется углом поворота

Данное равенство справедливо из условия, что плоскость YOZ и Y'OZ' близки. Фиг. 1 позволяет показать ту часть невыставки оси X', которая вызывает ошибку в измерении ускорения силы тяжести, а именно ту часть, которая совпадает с проекцией g на плоскость YOZ.

Фиг. 2 иллюстрирует плоскость XOg. В соответствии с фиг. 2 получим систему уравнений:

Упрощая систему уравнений (7) получим:

С учетом уравнений (1), (6), (8) получим:

Операции с определением и компенсацией невыставки осей Y', Z', X", Y", Z" аналогичны как для оси X'.

Как известно, полный вектор ускорения силы тяжести Земли g равен:

полный вектор угловой скорости Земли W равен:

Это является действенным средством контроля достоверности результатов измерений ускорения силы тяжести и угловой скорости Земли.

Вывод второй.

Опишем в математической форме операции калибровки измерителей.

Пусть имеется декартова система координат OXYZ с базисом из единичных векторов E_x, E_y, E_z (совпадающими со строительными осями измерителя) и косоугольная система координат OX'Y'Z' с тем же началом O и базисом из векторов E_x, E_y, E_z. Пусть углы между векторами E_x и E_x', E_y и E_y', E_z и E_z' соответственно близки к нулю.

При первой операции калибровки вектор g совпадает с осью OX декартовой системы и определяются его координаты в косоугольной системы координат, то есть

Аналогично для следующих двух калибровок

Из системы управлений (10), (12), (14), можно выразить вектора E_x', E_y', E_z', например:

Используя (11), (13), (15), имеет в первом приближении:

Аналогично:

При работе измерителя определяются координаты вектора g при произвольном положении в косоугольной системе координат OX'Y'Z':
g A_x'•E_x' + A_y'•E_y' + A_z'•E_z'
Представив (16), (17), (18), в (19), имеет:

То есть, выражения для определения компонентов вектора g A_x•E_x + A_y•E_y + A_z•E_z в декартовой системе координат (связанной со строительными осями измерителя) будут иметь следующий вид:

Уравнения невыставки осей, выведенные первым методом (уравнение 9) полностью совпадают с уравнениями, выведенными вторым методом (уравнения 20).

Способ настройки инклинометра и контроля достоверности результатов. Использование: электротехника, гидроскопические и магнитометрические инклинометры. Для настройки инклинометра и контроля достоверности результатов последовательно устанавливают вдоль вектора ускорения силы тяжести Земли в каждую строительную ось инклинометра X, Y, Z и измеряют параметры невыставки осей X', Y', Z' трехкоординатного измерителя ускорения ΔA_yx,ΔA_zx,ΔA_zy,ΔA_xy,ΔA_xz и ΔA_yz соответственно в плоскостях YOX, ZOX, ZOY, XOY, XOZ и YOZ, последовательно устанавливают вдоль вектора угловой скорости Земли W Земли каждую строительную ось инклинометра X, Y, Z и измеряют параметры невыставки осей X", Y", Z" трехкоординатного измерителя угловой скорости ΔW_yx,ΔW_2x,ΔW_2y,ΔW_xy,ΔW_xz и ΔW_yz в плоскостях соответственно YOX, ZOX, ZOY, XOY, XOZ и YOZ измеряют ускорения силы тяжести Земли в осях X', Y', Z' трехкоординатного измерителя ускорения инклинометра , измеряют угловые скорости Земли в осях X", Y", Z" трехкоординатного измерителя угловой скорости инклинометра W_x", W_y" и W_z", вычисляют значения силы тяжести Земли во взаимоперпендикулярных осях X, Y, Z инклинометра A_x, A_y, A_z угловой скорости Земли в тех же осях W_x, W_g, W_z и параметры контроля достоверности результатов измерения ускорения силы тяжести Земли ΔΔA и угловой скорости Земли ΔΔW . 2 ил.

Способ настройки инклинометра и контроля достоверности результатов, включающий последовательную установку инклинометра вдоль заданных направлений, отличающийся тем, что последовательно устанавливают вдоль вектора ускорения силы тяжести Земли g каждую строительную ось инклинометра X, Y, Z и измеряют параметры невыставки осей X', Y', Z' трехкоординатного измерителя ускорения ΔA_yx,ΔA_zx,ΔA_zy,ΔA_xy,ΔA_xz и ΔA_yz соответственно в плоскостях YOX, ZOX, ZOY, HOY, HOZ и YOZ, последовательно устанавливают вдоль вектора угловой скорости Земли W каждую строительную ось инклинометра X, Y, Z и измеряют параметры невыставки осей X'', Y'', Z'' трехкоординатного измерителя угловой скорости ΔW_yx,ΔW_zx,ΔW_zy,ΔW_xy,ΔW_xz и ΔW_yz в плоскостях соответственно YOX, ZOX, ZOY, XOY, XOZ И YOZ, измеряют ускорения сил тяжести Земли в осях X', Y', Z' трехкоординантного измерителя ускорения инлинометра A_x′,A_y′ и A_z′ измеряют угловые скорости Земли в осях X'', Y'', Z'' трехкоординантного измерителя угловой скорости инклинометра W_x″,W_y″ и W_z″ вычисляют значения ускорения силы тяжести Земли во взаимно перпендикулярных осях X, Y, Z инлинометра A_x, A_y, A_z, угловой скорости Земли в тех же осях W_x, W_y, W_z и параметры контроля достоверности результатов измерения ускорения силы тяжести Земли ΔΔA и угловой скорости Земли ΔΔW по формулам
A_x= A_x′-ΔA_xyA_y′/g-ΔA_xzA_z′/g
A_y= A_y′-ΔA_yxA_x′/g-ΔA_yzA_z′/g
A_z= A_z′-ΔA_zxA_x≪/g-ΔA_zyA_y′/g
W_x= W_x″-ΔW_xyW_y″/W_земли-ΔW_xzW_z″/W_земли
W_y= W_y″-ΔW_yxW_x″/W_земли-ΔW_yzW_z″/W_земли
W_z= W_z″-ΔW_zxW_x″/W_земли-ΔW_zyW_y″/W_земли

л