НАВИГАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК G01C21/00 

Изобретение относится к области навигационных приборов, позволяющих осуществлять пространственную ориентацию оператора либо иного подвижного объекта при его перемещении по любой поверхности, характеризующейся наличием горизонтального магнитного поля.

Известно "Устройство для записи конфигурации земельных участков" [1], содержащее гироскоп, датчик пути, синусно-косинусное устройство, два арифметических устройства, блок выделения дискрет угла и перфоратор. В силу своего назначения и схемы построения это устройство имеет ограниченные функциональные возможности.

Известно "Навигационное устройство" [2], основными составными частями которого являются датчик угловой ориентации, датчик перемещения, блок ввода начальных данных, вычислитель текущих координат, вычислитель азимут-дальность, устройство управления, коммутатор и блок индикации. Основным недостатком этого устройства также является ограниченность его функциональных возможностей, поскольку оно осуществляет только корректировку азимута и расстояния до заданной точки при движении оператора к цели строгонаправленными прямолинейными отрезками с постоянной скоростью.

За прототип изобретения принято "Навигационное устройство" [3], основными составными частями которого являются датчик угловой ориентации, датчик перемещений, блок выявления изменений угловой ориентации, вычислитель параметров прямолинейных отрезков пути, вычислитель цикловых изменений координат, вычислитель изменения текущих координат, вычислитель текущих координат, вычислитель азимут-дальность, блок ввода исходных данных, блок памяти циклов перемещения, датчик меток времени, датчик контрольных точек, коммутатор, блок управления, блок индикации и элемент ИЛИ.

При этом в состав блока выявления изменений угловой ориентации входят первый ключ, первый элемент памяти, первый вычитатель и формирователь одиночных импульсов, в состав вычислителя параметров прямолинейных отрезков пути - второй ключ, второй элемент памяти и счетчик единичных импульсов, в состав вычислителя цикловых изменений координат - синус-косинусный датчик, первый умножитель и второй умножитель, в состав вычислителя изменения текущих координат - первый накопитель и второй накопитель, в состав вычислителя текущих координат - первый сумматор и второй сумматор, в состав вычислителя азимут-дальность - первый определитель магнитного азимута, первый определитель удаленности, второй вычитатель, третий вычитатель, второй определитель магнитного азимута и второй определитель удаленности, при соответствующей схеме взаимного соединения перечисленных элементов между собой.

Несмотря на значительное количество различных функциональных возможностей в качестве основного недостатка устройства-прототипа следует отметить именно ограниченность его функциональных возможностей. Так, наряду с определением и индикацией в любой точке пути величины угла магнитного азимута и расстояния до начальной либо конечной точек маршрута, на практике весьма желательным является совместно с индикацией расстояния и указание направления на соответствующую точку относительно корпуса устройства. Указанная функция в устройстве-прототипе отсутствует.

Целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей навигационного устройства, заключающееся в добавлении к функциональным возможностям устройства-прототипа способности указания направления на соответствующую - начальную или конечную точку маршрута совместно с индикацией величины расстояния до нее.

Поставленная цель в заявляемом устройстве достигается благодаря дополнительному введению в состав вычислителя азимут-дальность четвертого и пятого вычитателей при соответствующей схеме соединения их с другими составными элементами.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием дополнительных элементов при соответствующем схемном решении. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого устройства с другими аналогичными техническими решениями показывает, что наличие в подобных устройствах датчика угловой ориентации, датчика перемещений, блока ввода исходных данных, вычислителя текущих координат, вычислителя азимут-дальность, блока управления, коммутатора, блока индикации, блока выявления изменений угловой ориентации, вычислителя параметров прямолинейных отрезков пути, вычислителя цикловых изменений координат, вычислителя изменения текущих координат, блока памяти циклов перемещения, датчика меток времени, датчика контрольных точек и элемента ИЛИ, при этом в состав вычислителя азимут-расстояние входят первый и второй определители магнитного азимута, первый и второй определители удаленности и второй и третий вычитатели - известно. Однако благодаря дополнительному введению в состав вычислителя азимут-дальность четвертого и пятого вычитателей при соответствующей схеме соединения их с другими составными элементами появляются новые свойства заявляемого устройства, проявляющиеся в расширении его функциональных возможностей. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого навигационного устройства, на которой обозначены:
1 - датчик угловой ориентации;
2 - датчик перемещений;
3 - блок выявления изменений угловой ориентации;
4 - вычислитель параметров прямолинейных отрезков пути;
5 - вычислитель цикловых изменений координат;
6 - вычислитель изменения текущих координат;
7 - вычислитель текущих координат;
8 - вычислитель азимут-дальность;
9 - блок ввода исходных данных;
10 - блок памяти циклов перемещения;
11 - датчик меток времени;
12 - датчик контрольных точек;
13 - коммутатор;
14 - блок управления;
15 - блок индикации;
16 - элемент ИЛИ.

Составные части навигационного устройства содержат в своем составе следующие элементы:
17 - первый ключ;
18 - первый элемент памяти;
19 - первый вычитатель;
20 - формирователь одиночных импульсов;
21 - второй ключ;
22 - второй элемент памяти;
23 - счетчик единичных импульсов;
24 - синус-косинусный датчик;
25 - первый умножитель;
26 - второй умножитель;
27 - первый накопитель;
28 - второй накопитель;
29 - первый сумматор;
30 - второй сумматор;
31 - первый определитель магнитного азимута;
32 - первый определитель удаленности;
33 - второй вычитатель;
34 - третий вычитатель;
35 - второй определитель магнитного азимута;
36 - второй определитель удаленности;
37 - четвертый вычитатель;
38 - пятый вычитатель.

Используемые составные части устройства и их элементы характеризуются следующими особенностями построения и функциональными возможностями.

Датчик угловой ориентации 1 имеет один выход. Его назначением являются постоянное отслеживание величины угла расположения горизонтальной оси корпуса навигационного устройства относительно магнитного поля Земной поверхности и выдача на выход сигнала, содержащего информацию о величине этого угла.

Датчик 2 перемещений имеет один выход. Его назначением является выдача на выход электрических импульсов, появляющихся по мере перемещения навигационного устройства в прямом направлении на единицу длины, например на один шаг, на один метр и т.п.

Блок 3 выявления изменений угловой ориентации имеет один вход и один выход и содержит в своем составе первый ключ 17, первый элемент 18 памяти, первый вычитатель 19 и формирователь 20 одиночных импульсов.

Первый ключ 17 имеет два входа и один выход. Постоянно поступающий на его первый вход электрический сигнал кратковременно появляется на выходе только в момент поступления на второй вход управляющего импульса.

Первый элемент 18 памяти имеет один вход и один выход. Информация, поступающая на его вход в виде кратковременного электрического сигнала, запоминается в нем и выдается на выход все время, пока на его вход не поступит следующий сигнал, заменяющий собой предыдущий.

Первый вычитатель 19 имеет два входа и один выход. Он осуществляет вычитание друг из друга сигналов, поступающих на его входы, и выдачу их разницы на выход.

Формирователь 20 одиночных импульсов имеет один вход и один выход. При превышении величины входного сигнала определенного значения на его выходе появляется одиночный импульс.

Элементы, образующие блок 3 выявления изменений угловой ориентации, соединены между собой следующим образом. Первый вход первого ключа 17, являясь входом блока 3 выявления изменений угловой ориентации, соединен со вторым входом первого вычитателя 19. Выход первого ключа 17 соединен со входом первого элемента памяти 18, выход которого соединен с первым входом первого вычитателя 19, выход которого соединен со входом формирователя 20 одиночных импульсов, выход которого соединен со вторым входом первого ключа 17, являясь при этом выходом блока 3 выявления изменений угловой ориентации.

Вычислитель 4 параметров прямолинейных отрезков пути, имея три входа и два выхода, содержит в своем составе второй ключ 21, второй элемент 22 памяти и счетчик 23 единичных импульсов.

Второй ключ 21 имеет два входа и один выход. Поступающая на его первый вход информация в виде определенного электрического сигнала кратковременно появляется на его выходе только в момент поступления на его второй вход управляющего импульса.

Второй элемент 22 памяти имеет два входа и один выход. Информация, поступающая на него по первому входу в виде кратковременного электрического сигнала, запоминается и хранится до момента поступления управляющего импульса по второму входу, в этот момент хранимая информация считывается и поступает на выход, а информация, поступающая при этом по первому входу, - запоминается.

Счетчик 23 единичных импульсов имеет два входа и один выход. В промежутках между моментами поступления на его второй вход управляющих импульсов он осуществляет подсчет количества импульсов, поступающих по первому входу. При каждом очередном поступлении на его второй вход управляющего импульса происходят выдача на выход сигнала, содержащего информацию о количестве поступивших в течение последнего цикла импульсов, обнуление счетчика и начало подсчета количества импульсов очередного цикла.

Элементы, образующие вычислитель 4 параметров прямолинейных отрезков пути, соединены между собой следующим образом. Первый вход вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути является первым входом второго ключа 21, второй вход - первым входом счетчика 23 единичных импульсов, а третий вход - соединенными между собой вторыми входами второго ключа 21, второго элемента 22 памяти и счетчика 23 единичных импульсов. Выход второго ключа 21 соединен с первым входом второго элемента 22 памяти. Выходы второго элемекта 22 памяти и счетчика 23 единичных импульсов являются соответственно первым и вторым выходами вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути.

Вычислитель 5 цикловых изменений координат имеет два входа и один выход и содержит в своем составе синус-косинусный датчик 24, первый умножитель 25 и второй умножитель 26.

Синус-косинусный датчик 24 имеет один вход и два выхода. На основании информации о величине угла, поступающей на его вход в виде определенного кратковременного электрического сигнала, синус-косинусный датчик 24 выдает по первому выходу величину косинуса, а по второму выходу - величину синуса этого угла.

Первый 25 и второй 26 умножители имеют по два входа и одному выходу. Каждый из умножителей (25 и 26) осуществляет перемножение величин, выражаемых сигналами, поступающими по их двум входам, и выдачу полученного произведения на выход.

Элементы, образующие вычислитель 5 цикловых изменений координат, соединены между собой следующим образом. Первый вход вычислителя 5 цикловых изменений координат является входом синус-косинусного датчика 24, а второй вход - соединенными между собой вторыми входами первого 25 и второго 26 умножителей. Первый выход синус-косинусного датчика 24 соединен с первым входом первого умножителя 25, а второй выход - с первым входом второго умножителя 26. Объединение между собой выходов первого 25 и второго 26 умножителей является выходом вычислителя 5 цикловых изменений координат.

Вычислитель 6 изменения текущих координат имеет один вход и один выход и содержит в своем составе первый накопитель 27 и второй накопитель 28. Каждый из накопителей (27 и 28) имеет по одному входу и одному выходу, и функциональной задачей каждого из них является, начиная с момента обнуления (обнуляющие входы на фиг.1 не показаны), суммирование величин, выражаемых поступающими на их входы в произвольные моменты времени сигналами, и выдача полученной величины суммы на выход.

Вход вычислителя 6 изменения текущих координат представляет собой объединение двух сигналов, первый из которых поступает на вход первого накопителя 27, а второй - на вход второго накопителя 28. Объединение выходов первого 27 и второго 28 накопителей представляет собой выход вычислителя 6 изменения текущих координат.

Вычислитель 7 текущих координат имеет два входа и один выход и содержит в своем составе первый сумматор 29 и второй сумматор 30. Каждый из сумматоров (29 и 30) имеет по два входа и одному выходу. Функциональной задачей каждого сумматора является суммирование величин, выражаемых сигналами, поступившими в начальный момент времени на их первые входы, с сигналами, поступающими в произвольные моменты времени на их вторые входы, и выдача полученной величины суммы на выход.

Первый вход вычислителя 7 текущих координат представляет собой объединение двух сигналов, первый из которых поступает на первый вход первого сумматора 29, а второй - на первый вход второго сумматора 30.

Второй вход вычислителя 7 текущих координат представляет собой также объединение двух сигналов, первый из которых поступает на второй вход первого сумматора 29, а второй - на второй вход второго сумматора 30.

Объединение выходов первого 29 и второго 30 сумматоров представляет собой выход вычислителя 7 текущих координат.

Вычислитель 8 азимут-дальность имеет четыре входа и четыре выхода и содержит в своем составе первый определитель 31 магнитного азимута, первый определитель 32 удаленности, второй вычитатель 33, третий вычитатель 34, второй определитель 35 магнитного азимута, второй определитель 36 удаленности, четвертый вычитатель 37 и пятый вычитатель 38.

Каждый из вычитателей (33, 34, 37 и 38) имеет по два входа и одному выходу. Их задачей является вычитание из величины сигнала, поступающего по первому входу, величины сигнала, поступающего по второму входу, и выдача их разницы на выход.

Каждый из определителей (31 и 35) магнитного азимута имеет по два входа и одному выходу. Их функциональной задачей является вычисление величины угла α магнитного азимута согласно выражению:

где Х - значение сигнала, поступившего по первому входу;
Y - значение сигнала, поступившего по второму входу;
Φ - слагаемое, учитывающее направленность вычисляемого угла магнитного азимута и составляющее для первого определителя 31 магнитного азимута величину Φ₃₁ = 180^°, а для второго определителя 35 магнитного азимута Φ₃₅ = 0^°, и выдача полученного значения α на выход.

Каждый из определителей удаленности (32 и 36) имеет по два входа и одному выходу. Их задачей является вычисление расстояния L между двумя точками на плоскости согласно выражению:

где Х - значение сигнала, поступившего по первому входу;
Y - значение сигнала, поступившего по второму входу,
и выдача полученного значения L на выход.

Элементы, образующие вычислитель 8 азимут-дальность, соединены между собой следующим образом.

Первый вход вычислителя 8 азимут-дальность представляет собой объединение двух сигналов, первый из которых поступает на первый вход второго вычитателя 33, а второй - на первый вход третьего вычитателя 34.

Второй вход вычислителя 3 азимут-дальность представляет собой объединение двух сигналов, первый из которых поступает на соединенные между собой первые входы первого определителя 31 магнитного азимута и первого определителя 32 удаленности, а второй - на соединенные между собой вторые входы первого определителя 31 магнитного азимута и первого определителя 32 удаленности.

Третий вход вычислителя 8 азимут-дальность представляет собой объединение двух сигналов, первый из которых поступает на второй вход второго вычитателя 33, а второй - на второй вход третьего вычитателя 34.

Четвертый вход вычислителя 8 азимут-дальность образует соединенные между собой вторые входы четвертого 37 и пятого 38 вычитателей.

Выход второго вычитателя 33 соединен с первыми входами второго определителя 35 магнитного азимута и второго определителя 36 удаленности.

Выход третьего вычитателя 34 соединен со вторыми входами второго определителя 35 магнитного азимута и второго определителя 36 удаленности.

Выход первого определителя 31 магнитного азимута соединен с первым входом четвертого вычитателя 37.

Выход второго определителя 35 магнитного азимута соединен с первым входом пятого вычитателя 38.

Объединенные между собой выходы первого определителя 31 магнитного азимута и первого определителя 32 удаленности являются первым выходом вычислителя 8 азимут-дальность.

Объединенные между собой выходы второго определителя 35 магнитного азимута и второго определителя 36 удаленности являются вторым выходом вычислителя 8 азимут-дальность.

Объединенные между собой выходы четвертого вычитателя 37 и первого определителя 32 удаленности являются третьим выходом вычислителя 8 азимут-дальность.

Объединенные между собой выходы пятого вычитателя 38 и второго определителя 36 удаленности являются четвертым выходом вычислителя 8 азимут-дальность.

Блок 9 ввода исходных данных имеет два выхода, первый из которых предназначен для выдачи координат начальной точки, а второй - координат конечной точки движения.

Блок памяти 10 имеет четыре входа и один выход. Первый вход предназначен для приема значений циклового изменения координат, второй - меток времени, третий - указаний на прохождение контрольных точек по маршруту движения, а четвертый - указаний о начале и окончании выделяемых отрезков пути.

Датчик 11 меток времени имеет один выход. Его назначением является выдача на выход электрических сигналов через определенные промежутки времени, устанавливаемые оператором.

Датчик 12 контрольных точек имеет один выход. Его назначением является выдача на выход электрических сигналов по командам оператора, например при нажатии им определенной кнопки.

Коммутатор 13 имеет шесть информационных входов, один управляющий вход и два выхода. Его задачей является соединение согласно командам управления, поступающим по управляющему входу, указанного информационного входа с указанным выходом.

Блок 14 управления имеет два выхода. Его назначением является формирование и выдача по первому выходу задаваемых оператором сигналов управления коммутатором на выполнение той или иной коммутации, а по второму выходу - сигналов о начале и окончании отрезков пути, характеризующихся определенными особенностями, и указаний этих особенностей.

Блок 15 индикации имеет один вход. Он предназначен для наглядного отображения поступающей на него информации.

Составные части, образующие предлагаемое навигационное устройство, соединены между собой следующим образом.

Выход датчика 1 угловой ориентации соединен со входом блока 3 выявления изменений угловой ориентации, с первым входом вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути и с четвертым входом вычислителя 8 азимут-дальность.

Выход датчика 2 перемещений соединен со вторым входом вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути.

Выход блока 3 выявления изменений угловой ориентации соединен с первым входом элемента ИЛИ 16, выход которого соединен с третьим входом вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути.

Первый и второй выходы вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути соединены соответственно с первым и вторым входами вычислителя 5 цикловых изменений координат.

Выход вычислителя 5 цикловых изменений координат соединен со входом вычислителя 6 изменения текущих координат и с первым входом блока памяти 10 циклов перемещения.

Выход вычислителя 6 изменения текущих координат соединен со вторым входом вычислителя 7 текущих координат и со вторым входом вычислителя 8 азимут-дальность.

Выход вычислителя 7 текущих координат соединен с третьим входом вычислителя 8 азимут-дальность и с третьим входом коммутатора 13.

Первый, второй, третий и четвертый выходы вычислителя 8 азимут-дальность соединены соответственно с первым, вторым, пятым и шестым информационными входами коммутатора 13.

Первый и второй выходы блока 9 ввода исходных данных соединены соответственно с первым входом вычислителя 7 текущих координат и с первым входом вычислителя 8 азимут-дальность.

Выход блока 10 памяти циклов перемещения соединен с четвертым входом коммутатора 13.

Выход датчика 11 меток времени, выход датчика 12 контрольных точек и второй выход блока 14 управления соединены соответственно со вторыми, третьими и четвертыми входами блока 10 памяти циклов перемещения и элемента ИЛИ 16.

Первый выход блока управления 14 соединен с управляющим входом коммутатора 13.

Первый выход коммутатора 13 соединен со входом блока индикации 15.

Второй выход 39 коммутатора 13 предназначен для подключения ко входам соответствующих внешних устройств.

Работает навигационное устройство следующим образом.

Перед началом его использования по команде, вводимой оператором, обнуляются счетчик (23) единичных импульсов, все накопители (27 и 28), сумматоры (29 и 30) и элементы памяти (18 и 22) устройства (цепи передачи сигналов обнуления на фиг.1 не показаны). При этом автоматически происходит следующее.

В момент времени, непосредственно следующий за обнулением наряду с другими и первого элемента 18 памяти блока 3 выявления изменений угловой ориентации, сигнал с выхода датчика 1 угловой ориентации, содержащий информацию о величине угла магнитного азимута направления расположения корпуса навигационного устройства, поступая на второй вход первого вычитателя 19, проходит через него без изменений и поступает на вход формирователя 20 одиночных импульсов, вызывая тем самым его срабатывание. Импульсный сигнал, сформированный формирователем 20 одиночных импульсов, поступает на второй вход первого ключа 17, а с выхода блока 3 выявления изменений угловой ориентации, пройдя через элемент ИЛИ 16, поступает через третий вход вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути на вторые входы его второго ключа 21, второго элемента 22 памяти и счетчика 23 единичных импульсов.

В результате происходит следующее.

Первый ключ 17 кратковременно открывается и пропускает постоянно поступающий на его первый вход сигнал с выхода датчика 1 угловой ориентации на вход первого элемента 18 памяти, где этот сигнал запоминается и начинает постоянно поступать на первый вход первого вычитателя 19. Сигналы, поступающие на оба входа первого вычитателя 19, оказываются одинаковыми, и выходной сигнал на его выходе, а следовательно, и сигналы на входе и выходе формирователя 20 одиночных импульсов становятся равными нулю.

Импульсным сигналом, поступившим на второй вход второго ключа 21, осуществляется его кратковременное открытие и пропускание сигнала с выхода датчика 1 угловой ориентации на первый вход второго элемента 22 памяти.

Импульсным сигналом, поступившим на второй вход второго элемента 22 памяти, осуществляется подтверждение его обнуления и запись с последующим хранением сигнала, поступившего в этот момент времени по первому входу с выхода второго ключа 21.

Импульсным сигналом, поступившим на второй вход счетчика 23 одиночных импульсов, осуществляется подтверждение его обнуления и перевод в положение готовности к приему поступления по первому входу импульсных посылок с подсчетом их количества.

Поскольку на обоих выходах вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути появились нулевые сигналы, никаких изменений в состоянии последующих составных частей устройства не происходит.

Затем по команде оператора с помощью блока 9 ввода исходных данных посредством его первого выхода записываются в первый 29 и второй 30 сумматоры через их первые входы значения координат начальной точки движения, соответственно Хо и Yo, a посредством второго выхода через первые входы второго 33 и третьего 34 вычитателей - соответственно координаты Хк и Yк конечной точки.

В случае, если оператор, а вместе с ним и навигационное устройство совершит поворот в какую-либо сторону, не сходя с места, то изменившийся сигнал с выхода датчика 1 угловой ориентации, поступив через вход блока 3 выявления изменения угловой ориентации на второй вход первого вычитателя 19, в сочетании с поступлением на первый вход первого вычитателя 19 с выхода первого элемента 18 памяти сигнала, содержащего информацию о величине прежнего угла магнитного азимута, а следовательно, и отличающегося от сигнала, поступающего по второму входу, обусловит появление выходного сигнала на выходе первого вычитателя 19, который, поступая на вход формирователя 20 одиночных импульсов, вызовет его срабатывание.

Выходной импульс с выхода формирователя 20 одиночных импульсов, аналогично описанному выше, поступает на второй вход первого ключа 17, благодаря чему в первый элемент памяти 18 запишется сигнал с информацией о новой величине угла магнитного азимута и сигнал на выходе первого вычитателя 19 вновь станет нулевым, а также на вторые входы второго ключа 21, второго элемента 22 памяти и счетчика 23 одиночных импульсов вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути, в результате чего во втором элементе 22 памяти запишется величина нового угла магнитного азимута.

Сигнал, содержащий информацию о величине старого угла магнитного азимута, поступивший при этом с выхода второго элемента 22 памяти на первый вход вычислителя 5 цикловых изменений координат, также не вызовет никаких изменений в состоянии последующих составных частей устройства, поскольку сигнал со второго выхода вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков, а именно с выхода счетчика 23 одиночных импульсов, при этом будет нулевым.

В случае, если оператор начнет движение, с выхода датчика 2 перемещений начнут поступать импульсы, частота появления которых прямо пропорциональна скорости перемещения. Эти импульсы поступают на первый вход счетчика 23 единичных импульсов, где будет осуществляться подсчет их количества, представляющего собой величину протяженности пройденного пути.

Такое состояние будет сохраняться до первого (очередного) изменения направления движения.

В точке изменения направления движения согласно описанному выше алгоритму работы блока 3 выявления изменений угловой ориентации его выходной сигнал, поступив по третьему входу на вычислитель 4 параметров прямолинейных отрезков пути, осуществит считывание со второго элемента 22 памяти значение величины угла магнитного азимута пройденного прямолинейного отрезка пути, а с выхода счетчика 23 единичных импульсов - величину его протяженности, и поступление этих величин соответственно по первому и второму входам на вычислитель 5 цикловых изменений координат. Блок 3 выявления изменений угловой ориентации и вычислитель 4 параметров прямолинейных отрезков пути продолжат свой работу при новом значении угла магнитного азимута, т.е. в блоке 3 будет отслеживаться последующее изменение угла магнитного азимута направления движения, а в вычислителе 4 параметров прямолинейных отрезков пути будет вестись подсчет количества импульсов, соответствующего протяженности прямолинейного движения при хранимой во втором элементе 22 памяти величине текущего угла магнитного азимута.

Сигналы с первого и второго выходов вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути поступают соответственно по первому входу вычислителя 5 цикловых изменений координат на вход его синус-косинусного датчика 24, а по второму входу - на вторые входы первого 25 и второго 26 умножителей.

В результате поступления входного сигнала на синус-косинусный датчик 24 на его первом выходе появится сигнал, представляющий собой величину косинуса угла магнитного азимута (cosα), - этот сигнал поступает на первый вход первого умножителя 25; на втором выходе синус-косинусного датчика 24 появится сигнал, представляющий собой величину синуса угла магнитного азимута (sinα), - этот сигнал поступает на первый вход второго умножителя 26.

В результате перемножения сигналов, поступающих по первым и вторым входам первого 25 и второго 26 умножителей, на выходе первого умножителя 25 появится сигнал, представляющий собой величину перемещения оператора на данном прямолинейном отрезке по оси X, т.е. ΔХi, а на выходе второго умножителя 26 - величину перемещения оператора по оси Y, т.е. ΔYi прямоугольной системы координат Гаусса-Крюгера на плоскости, где i - порядковый номер прямолинейного отрезка пути.

С выхода вычислителя 5 циклового изменения координат, представляющего собой объединение выходов первого 25 и второго 26 умножителей, значения изменения координат в 1-ом цикле, т.е. ΔХi и ΔYi, поступают по первому входу на блок 10 памяти циклов перемещения, где запоминаются для последующего использования, и по входу вычислителя 6 изменения текущих координат соответственно на входы первого 27 и второго 28 накопителей.

В каждом из накопителей (27 и 28) происходит суммирование поступающих значений цикловых приращений ΔХi и ΔYi соответственно с суммой соответствующих приращений предыдущих циклов, результатом чего является получение значений изменения координат по осям Х и Y нахождения оператора по окончании очередного цикла прямолинейного отрезка пути в процессе его перемещения, т. е.

Под циклами прямолинейного движения здесь понимаются прямолинейные отрезки пути в общем случае криволинейного движения оператора, начало и конец которых определяются следующими друг за другом соседними выходными импульсами блока 3 выявления изменений угловой ориентации.

Поскольку перемещение оператора относительно начальной точки возможно в любом направлении и на любое расстояние, то как цикловые изменения координат, так и результирующие значения координат точки его нахождения могут принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Результирующие значения изменений координат (ΔХ и ΔY) точки нахождения оператора относительно начальной точки движения по окончании каждого очередного цикла прямолинейного движения с выходов обоих накопителей (27 и 28), объединившись, они представляют собой выход вычислителя 6 изменения текущих координат, поступают на вторые входы вычислителя 7 текущих координат и вычислителя 8 азимут-дальность; при этом значение величины ΔХ с выхода первого накопителя 27 поступает на второй вход первого сумматора 29 и на первые входы первого определителя 31 магнитного азимута и первого определителя 32 удаленности, а значение величины ΔY с выхода второго накопителя 28 поступает на второй вход второго сумматора 30 вычислителя 7 текущих координат и на вторые входы первого определителя 31 магнитного азимута и первого определителя 32 удаленности вычислителя 8 азимут-дальность.

В первом 29 и втором 30 сумматорах вычислителя 7 текущих координат происходит суммирование значений изменения текущих координат (соответственно ΔХ и ΔY) со значениями координат начальной точки (Х₀ и Y₀), введенных в них из первого выхода блока 9 ввода исходных данных на подготовительном этапе.

Результирующие значения координат (X и Y) точки нахождения оператора на момент окончания прохождения очередного прямолинейного отрезка пути с выхода вычислителя 7 текущих координат, представляющего собой объединение выходов первого 29 и второго 30 сумматоров, поступают на третий вход коммутатора 13 и на третий вход вычислителя 8 азимут-дальность, где значение величины Х с выхода первого сумматора 29 поступает на второй вход второго вычитателя 33, а значение величины Y с выхода второго сумматора 30 поступает на второй вход третьего вычитателя 34.

В результате поступления с выхода первого накопителя 27 на первые входы первого определителя 31 магнитного азимута и первого определителя 32 удаленности величины изменения текущего значения ΔХ, а с выхода второго накопителя 28 на вторые их входы величины изменения текущего значения ΔY, и выполнения в них действий соответственно согласно выражениям (1) и (2), на выходе первого определителя 31 угла магнитного азимута появится сигнал, представляющий собой значение угла магнитного азимута на начальную точку движения, а на выходе первого определителя 32 удаленности - сигнал, представлявший собой величину расстояния по прямой линии до начальной точки. Эти значения, объединившись друг с другом по первому выходу вычислителя 8 азимут-дальность, поступают на коммутатор 13 по его первому входу.

Во втором 33 и третьем 34 вычитателях вычислителя 8 азимут-дальность в результате вычитания друг из друга значений координат Х и Y точки нахождения оператора, поступивших из вычислителя 7 текущих координат, и координат конечной точки (Хк и Yк), введенных на подготовительном этапе из блока 9 ввода исходных данных, определяются расстояния соответственно по осям X и Y между точкой нахождения оператора и конечной точкой. Значение расстояния Lx по оси Х с выхода второго вычитателя 33 поступает на первые входы второго определителя 35 магнитного азимута и второго определителя 36 удаленности, а значение расстояния Ly по оси Y с выхода третьего вычитателя 34 поступает на вторые входы второго определителя 35 магнитного азимута и второго определителя 36 удаленности.

В результате выполнения действий соответственно согласно выражениям (1) и (2) на выходах второго определителя 35 магнитного азимута и второго определителя 36 удаленности появятся сигналы, представляющие собой значения угла магнитного азимута на конечную точку и расстояния до нее по прямой линии. Эти значения, объединившись друг с другом по второму выходу вычислителя 8 азимут-дальность, поступают на коммутатор 13 по его второму входу.

В результате поступления с выходов первого определителя магнитного азимута 31 и второго определителя магнитного азимута 35 сигналов соответственно об углах магнитного азимута на начальную и конечную точки на первые входы соответственно четвертого 37 и пятого 38 вычитателей, и поступления с выхода датчика угловой ориентации 1 по четвертому входу вычислителя 8 азимут-дальность на вторые входы четвертого 37 и пятого 38 вычитателей информации о величине угла магнитного азимута расположения корпуса навигационного устройства, и выполнения соответствующих вычитании, на выходе четвертого 37 вычитателя появится сигнал, содержащий информацию о величине угла между горизонтальной осью корпуса навигационного устройства и направлением на начальную точку, а на выходе пятого 38 вычитателя появится сигнал, содержащий информацию о величине угла между горизонтальной осью корпуса навигационного устройства и направлением на конечную точку маршрута движения.

Значения угла между горизонтальной осью корпуса навигационного устройства и направлением на начальную точку и расстояния до начальной точки по прямой линии, объединившись между собой по третьему выходу вычислителя 8 азимут-дальность, поступают на коммутатор 13 по его пятому входу.

Значения угла между горизонтальной осью корпуса навигационного устройства и направлением на конечную точку и расстояния до конечной точки по прямой линии, объединившись между собой по четвертому выходу вычислителя 8 азимут-дальность, поступают на коммутатор 13 по его шестому входу.

Как было отмечено выше, значения изменений координат точки нахождения оператора по окончании прохождения каждого прямолинейного отрезка пути, поступающие с выхода вычислителя 5 циклового изменения координат по первому входу на блок 10 памяти циклов перемещения, запоминаются в нем и находятся в постоянной готовности для передачи через его выход на четвертый вход коммутатора 13.

В случае, если оператором была установлена периодичность выдачи выходных импульсов датчиком 11 меток времени, то эти импульсы, поступая по второму входу на элемент ИЛИ 16 и далее на третий вход вычислителя 4 параметров прямолинейных отрезков пути, будут вызывать выполнение описанных выше действий как и при срабатывании блока 3 выявления изменений угловой ориентации, а также поступать по второму входу в блок 10 памяти циклов перемещения и запоминаться там, накладываясь на запись информации, поступающей из вычислителя 5 циклового изменения координат.

Аналогичные действия будут происходить и при поступлении сигналов из датчика 12 контрольных точек и второго выхода блока 14 управления, инициируемых оператором в процессе его перемещения.

Вместе с тем, оператор, находясь в любой точке своего маршрута, с помощью блока 14 управления может послать в коммутатор 13 соответствующую команду на соединение с любым из его выходов, т.е. со входом блока 15 индикации либо со входом внешнего устройства, любого из шести информационных входов коммутатора 13.

В случае подключения ко входу блока индикации 15 первого входа коммутатора 13, т.е. первого выхода вычислителя 8 азимут-дальность, на экране блока 15 индикации будет высвечена информация о нахождении оператора относительно начальной точки движения - величина угла магнитного азимута на начальную точку и протяженность кратчайшего пути до нее по прямой линии.

В случае подключения ко входу блока индикации 15 второго входа коммутатора 13, т.е. второго выхода вычислителя 8 азимут-дальность, на экране блока 15 индикации будет высвечена информация о нахождении оператора относительно конечной точки движения - величина угла магнитного азимута на конечную точку и протяженность кратчайшего пути до нее по прямой линии.

В случае подключения ко входу блока индикации 15 третьего входа коммутатора 13, т. е. выхода вычислителя 7 текущих координат, на экране блока 15 индикации будут высвечены координаты точки нахождения оператора в используемой системе координат.

В случае подключения ко входу блока индикации 15 четвертого входа коммутатора 13, т.е. выхода блока 10 памяти циклов перемещения, на экране блока 15 индикации будет высвечена трасса пройденного пути с указанием на ней меток времени и точек маршрута, в которых навигационное устройство находилось в те моменты времени, а также контрольных точек и особенностей отдельных участков пути, обозначенных оператором в процессе перемещения по маршруту. Если же предварительно вывести из блока памяти 10 циклов перемещения на экран блока индикации 15 изображение трассы ранее пройденного соответствующего пути, то изображение трассы совершаемого перемещения окажется наложенным на него.

В случае подключения ко входу блока индикации 15 пятого входа коммутатора 13, т.е. третьего выхода вычислителя 8 азимут-дальность, на экране блока 15 индикации будет высвечена информация о нахождении оператора относительно начальной точки движения в виде указания направления на нее и величины кратчайшего пути до нее по прямой линии.

В случае подключения ко входу блока индикации 15 шестого входа коммутатора 13, т.е. четвертого выхода вычислителя 8 азимут-дальность, на экране блока 15 индикации будет высвечена информация о нахождении оператора относительно конечной точки движения в виде указания направления на нее и величины кратчайшего пути до нее по прямой линии.

При подключении ко второму выходу 39 коммутатора 13 соответствующего внешнего устройства, каковым может быть документирующее, запоминающее либо радиопередающее устройство, все перечисленные сведения могут быть переданы на него.

Из изложенного алгоритма работы видно, что заявленное навигационное устройство наряду с таким функциональными возможностями устройства-прототипа, как:
отслеживание, запоминание и индикация изображения как угодно сложной трассы перемещения оператора на местности с различной скоростью на различных участках пути;
определение с возможностью индикации в любой точке пути величины угла магнитного азимута и расстояния как до конечной, так и до начальной точек;
фиксирование с последующей индикацией на изображении трассы пройденного пути контрольных точек, прохождение которых совпало с определенными моментами времени, либо обозначаемых во время движения оператором, а также особенностей различных участков пути;
индикация наложения изображения трассы совершаемого перемещения на изображение трассы ранее пройденного соответствующего пути;
выдача информации о пройденном пути и расчетных данных на различные внешние устройства, дополнительно обеспечивает возможность указания направления от оператора на начальную или конечную точки маршрута при одновременной индикации величины расстояния до нее.

Следовательно, можно сделать вывод, что цель, поставленная перед изобретением, - расширение функциональных возможностей навигационного устройства, заключающееся в добавлении к функциональным возможностям устройства-прототипа способности указания направления на соответствующую - начальную или конечную точку маршрута совместно с индикацией величины расстояния до нее, - достигнута.

Предложенное устройство может найти применение во многих областях жизни и деятельности человека, связанных с перемещением его либо подвижных объектов на местности - в силовых министерствах и ведомствах, в милиции, в спецслужбах, у геологов, туристов и т.п., т.е. везде, где возникает задача оперативного определения точки нахождения перемещающегося объекта на местности относительно начальной или конечной точек маршрута, а также фиксирования с последующим отображением маршрута его перемещения.

Данное устройство может быть выполнено в виде нескольких вариантов, носимым - в этом случае в качестве основы датчика перемещений может использоваться шагометр, возимым - в этом случае датчик перемещений будет получать первичную информацию от ходового механизма соответствующего подвижного объекта, и т.п.

Технико-экономический эффект, обусловленный применением предложенного устройства, заключается в повышении оперативности получения информации о координатах точки нахождения подвижного объекта (оператора) на местности либо о трассе его перемещения при сравнительно небольших материальных затратах разработки и серийного производства навигационного устройства.

Количественная величина ожидаемого технико-экономического эффекта от использования предложенного устройства зависит в первую очередь от варианта его конкретного исполнения и области применения; ее определение возможно только после создания и применения предложенного устройства на конкретных объектах.

Источники информации
1. А.с. СССР N 708148, МКИ G 01 C 21/00, 1980, БИ N 3.

2. Патент РФ N 2058532, МКИ G 01 C 21/00, 1996, БИ N 11.

3. Патент РФ N 2163352, МКИ G 01 C 21/00, 2001, БИ N 5 (прототип).

Изобретение относится к области навигационных приборов, позволяющих осуществлять пространственную ориентацию оператора либо иного подвижного объекта при его перемещении по любой поверхности, характеризующейся наличием горизонтального магнитного поля. Устройство содержит датчик угловой ориентации, датчик перемещений, блок выявления изменений угловой ориентации, вычислитель параметров прямолинейных отрезков пути, вычислитель цикловых изменений координат, вычислитель изменения текущих координат, вычислитель текущих координат, вычислитель азимут-дальность, блок ввода исходных данных, блок памяти циклов перемещения, датчик меток времени, датчик контрольных точек, коммутатор, блок управления, блок индикации и элемент ИЛИ. Блок выявления изменений угловой ориентации содержит первый ключ, первый вычитатель и формирователь одиночных импульсов. Вычислитель параметров прямолинейных отрезков пути содержит второй ключ, второй элемент памяти и счетчик единичных импульсов. Вычислитель цикловых изменений координат содержит синус-косинусный датчик, первый и второй умножители. Вычислитель изменения текущих координат содержит первый и второй накопители. Вычислитель текущих координат содержит первый и второй сумматоры. Вычислитель азимут-дальность содержит первый и второй определители магнитного азимута, первый и второй определители удаленности, второй, третий, четвертый и пятый вычитатели. Все составные элементы устройства соединены друг с другом соответствующим образом. Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей навигационного устройства. 1 ил.

Навигационное устройство, содержащее датчик угловой ориентации, датчик перемещений, блок выявления изменений угловой ориентации, вычислитель параметров прямолинейных отрезков пути, вычислитель цикловых изменений координат, вычислитель изменения текущих координат, вычислитель текущих координат, вычислитель азимут-дальность, блок ввода исходных данных, блок памяти циклов перемещения, датчик меток времени, датчик контрольных точек, коммутатор, блок управления, блок индикации и элемент ИЛИ, при этом выход датчика угловой ориентации соединен со входом блока выявления изменений угловой ориентации и первым входом вычислителя параметров прямолинейных отрезков пути, выход датчика перемещений соединен со вторым входом вычислителя параметров прямолинейных отрезков пути, выход блока выявления изменений угловой ориентации соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом вычислителя параметров прямолинейных отрезков пути, первый и второй выходы вычислителя параметров прямолинейных отрезков пути соединены соответственно с первым и вторым входами вычислителя цикловых изменений координат, выход вычислителя цикловых изменений координат соединен со входом вычислителя изменения текущих координат и с первым входом блока памяти циклов перемещения, выход вычислителя изменения текущих координат соединен со вторыми входами вычислителя текущих координат и вычислителя азимут-дальность, выход вычислителя текущих координат соединен с третьим входом вычислителя азимут-дальность и с третьим входом коммутатора, первый и второй выходы блока ввода исходных данных соединены соответственно с первым входом вычислителя текущих координат и первым входом вычислителя азимут-дальность, первый и второй выходы вычислителя азимут-дальность соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, выход блока памяти циклов перемещения соединен с четвертым входом коммутатора, первый выход блока управления соединен с управляющим входом коммутатора, выходы датчика меток времени, датчика контрольных точек и второй выход блока управления соединены соответственно со вторыми, третьими и четвертыми входами элемента ИЛИ и блока памяти циклов перемещения, первый выход коммутатора соединен со входом блока индикации, а второй выход коммутатора предназначен для подключения внешних устройств, при этом блок выявления изменений угловой ориентации содержит в своем составе первый ключ, первый элемент памяти, первый вычитатель и формирователь одиночных импульсов, причем выход первого ключа соединен со входом первого элемента памяти, выход которого соединен с первым входом первого вычитателя, выход которого соединен со входом формирователя одиночных импульсов, выход которого, являясь выходом блока выявления изменений угловой ориентации, соединен со вторым входом первого ключа, а соединенные между собой первый вход первого ключа и второй вход первого вычитателя являются входом блока выявления изменений угловой ориентации, вычислитель параметров прямолинейных отрезков пути содержит в своем составе второй ключ, второй элемент памяти и счетчик единичных импульсов, причем первым и вторым входами вычислителя параметров прямолинейных отрезков пути являются первые входы соответственно второго ключа и счетчика единичных импульсов, вторые входы второго ключа, второго элемента памяти и счетчика единичных импульсов соединены между собой, образуя тем самым третий вход вычислителя параметров прямолинейных отрезков пути, выход второго ключа соединен с первым входом второго элемента памяти, а выходы второго элемента памяти и счетчика единичных импульсов являются соответственно первым и вторым выходами вычислителя параметров прямолинейных отрезков пути, вычислитель цикловых изменений координат содержит в своем составе синус-косинусный датчик, первый умножитель и второй умножитель, причем первый и второй выходы синус-косинусного датчика соединены соответственно с первым входом первого умножителя и первым входом второго умножителя, вход синус-косинусного датчика является первым входом вычислителя цикловых изменений координат, вторым входом вычислителя цикловых изменений координат являются соединенные между собой вторые входы первого и второго умножителей, выходом вычислителя цикловых изменений координат являются объединенные между собой выходы первого и второго умножителей, вычислитель изменения текущих координат содержит в своем составе первый и второй накопители, объединение входов которых представляет собой вход вычислителя изменения текущих координат, а объединение выходов - выход вычислителя изменения текущих координат, вычислитель текущих координат в своем составе содержит первый и второй сумматоры, объединение первых входов которых представляет собой первый вход вычислителя текущих координат, объединение вторых входов - второй вход вычислителя текущих координат, а объединение выходов - выход вычислителя текущих координат, вычислитель азимут-дальность содержит в своем составе первый и второй определители магнитного азимута, первый и второй определители удаленности, второй и третий вычитатели, причем первый вход вычислителя азимут-дальность состоит из двух частей, которые являются первыми входами соответственно второго и третьего вычитателей, второй вход вычислителя азимут-дальность состоит из двух частей, первая из которых подключается к первым входам первого определителя угла магнитного азимута и первого определителя удаленности, а вторая - ко вторым входам первого определителя магнитного азимута и первого определителя удаленности, третий вход вычислителя азимут-дальность также состоит из двух частей, которые являются вторыми входами соответственно второго и третьего вычитателей, выход второго вычитателя соединен с первыми входами второго определителя магнитного азимута и второго определителя удаленности, выход третьего вычитателя соединен со вторыми входами второго определителя магнитного азимута и второго определителя удаленности, объединение выходов первого определителя магнитного азимута и первого определителя удаленности представляет собой первый выход вычислителя азимут-дальность, объединение выходов второго определителя магнитного азимута и второго определителя удаленности представляет собой второй выход вычислителя азимут-дальность, отличающееся тем, что в состав вычислителя азимут-дальность дополнительно введены четвертый и пятый вычитатели, первые входы которых соединены между собой, образуя тем самым четвертый вход вычислителя азимут-дальность, который соединен с выходом датчика угловой ориентации, выходы первого и второго определителей магнитного азимута соединены со вторыми входами соответственно четвертого и пятого вычитателей, объединение выходов четвертого вычитателя и первого определителя удаленности представляет собой третий выход вычислителя азимут-дальность, объединение выходов пятого вычитателя и второго определителя удаленности представляет собой четвертый выход вычислителя азимут-дальность, третий и четвертый выходы вычислителя азимут-дальность соединены соответственно с пятым и шестым входами коммутатора.