УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2007 года по МПК G01C21/06 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в навигации для определения угловых положений автоматических подводных, надводных и летательных аппаратов, в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины [1-3].

Известно устройство для определения углового положения подвижного объекта [1], состоящее из двухкомпонентного датчика, образованного двумя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, оси которых перпендикулярны, немагнитной горизонтальной площадки, на которой расположены эти датчики так, что их оси параллельны площадке, карданова подвеса, на котором расположена упомянутая площадка, объекта в виде полого цилиндра, к корпусу которого закреплен карданов подвес с датчиками, маятника, жестко связанного с горизонтальной площадкой, катушкой индуктивности, жестко связанной с объектом и охватывающей датчики, двух усилительно-преобразовательных блоков, первые входы которых подключены к выходам соответствующих датчиков, двух фильтров нижних частот, входы которых подключены к выходам соответствующих усилительно-преобразовательных блоков через регистрирующие приборы, а выходы подключены к первым входам соответствующих датчиков, двух синхронных детекторов низкой частоты, входы которых подключены к выходам соответствующих усилительно-преобразовательных блоков, двух генераторов переменной ЭДС и генератора низкой частоты. При этом первый выход каждого из генераторов переменной ЭДС подключен к второму входу соответствующего усилительно-преобразовательного блока. Первый выход генератора низкой частоты подключен к вторым входам синхронных детекторов, а два других выхода подключены к выводам катушки индуктивности.

Известное устройство работает следующим образом. С помощью карданова подвеса площадка с двумя датчиками находится в горизонтальном положении. Стабилизация площадки в горизонтальном положении осуществляется с помощью маятника, поэтому оба датчика реагируют только на горизонтальную составляющую магнитного поля. Катушка индуктивности, охватывающая оба датчика, жестко связана с корпусом цилиндрического объекта. Ось катушки индуктивности перпендикулярна осям магниточувствительных датчиков, когда она, а значит и ось цилиндрического объекта, совпадают с вертикалью. В катушке индуктивности, подключенной к генератору низкой частоты, протекает низкочастотный ток, поэтому упомянутая катушка воспроизводит низкочастотное магнитное поле, на которое магниточувствительные датчики не реагируют, то есть переменное магнитное поле на них не действует, когда ось катушки совпадает с вертикалью. Если ось катушки индуктивности (ось цилиндрического объекта) отклонена от вертикали, то на датчики действует не только горизонтальная составляющая геомагнитного поля, но и переменное магнитное поле, воспроизводимое катушкой индуктивности. На вторые входы датчиков подаются с первых выходов соответствующих генераторов переменные ЭДС. В результате этого на выходе каждого из датчиков появляются ЭДС второй гармоники, каждая из которых пропорциональна горизонтальной составляющей геомагнитного поля и горизонтальной составляющей переменного магнитного поля, воспроизводимого катушкой индуктивности, когда ось цилиндрического объекта отклонена от вертикали. Выходные сигналы с датчиков усиливаются и детектируются в соответствующих усилительно-преобразовательных блоках, поэтому выходные сигналы с усилительно-преобразовательных блоков пропорциональны измеряемым компонентам магнитной индукции. Для детектирования сигналов на вторые входы каждого усилительно-преобразовательного блока подается переменное напряжение с вторых выходов соответствующих генераторов переменной ЭДС. При этом каждый усилительно-преобразовательный блок состоит из избирательного усилителя и синхронного детектора [1]. Выходной сигнал с выхода каждого усилительно-преобразовательного блока подается через регистрирующий прибор (микроамперметр) и фильтр нижних частот на первый вход соответствующего датчика, обеспечивая тем самым отрицательную обратную связь по измеряемой горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Фильтры нижних частот препятствуют прохождению сигналов, пропорциональных переменному магнитному полю, воспроизводимому катушкой индуктивности, на первые входы соответствующих датчиков. Поэтому токи в цепях обратной связи пропорциональны горизонтальным составляющим геомагнитного поля. Сигналы с выходов усилительно-преобразовательных блоков подаются на первые входы соответствующих синхронных детекторов. На вторые входы этих детекторов подается переменное напряжение с генератора низкой частоты, поэтому сигналы на выходе каждого синхронного детектора пропорциональны амплитуде горизонтальной составляющей переменного магнитного поля. По измеренным составляющим переменного и постоянного магнитного поля определяют азимутальный и зенитный углы цилиндрического объекта.

Известное техническое решение не обеспечивает определение визирного угла, а значит, информация об угловом положении цилиндрического объекта будет неполной. Кроме того, в известном техническом решении определяемые азимутальный и зенитный углы существенно зависят от переносных ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта.

Известно устройство для определения углового положения подвижного объекта (корпуса измерительного скважинного зонда) [2], которое по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому и принято за прототип. Известное устройство [2] состоит из корпуса измерительного скважинного зонда, продольная ось которого совпадает с направлением буровой скважины, трехкомпонентного магнитометра, у которого оси магниточувствительного датчика взаимно ортогональны, трехкомпонентного акселерометра, оси чувствительности которого коллинеарны осям магниточувствительного датчика магнитометра и осям строительной системы координат OXYZ корпуса измерительного скважинного зонда с началом координат в точке O, интерфейсного блока (регистрирующего блока), подключенного к выходам трехкомпонентного магнитометра и трехкомпонентного акселерометра, и электронно-вычислительной машины (вычислительного устройства), подключенной к регистрирующему блоку. При этом одна из осей OZ строительной системы координат OXYZ совпадает с продольной осью корпуса скважинного зонда, а значит и с направлением скважины, вторая ось ОХ перпендикулярна оси OZ и третья ось ОУ перпендикулярна осям ОХ и OZ. Взаимное расположение положительных направлений координатных осей ОХ, ОУ, OZ соответствуют правой системе координат.

Известное устройство [2] работает следующим образом. По сигналам с трехкомпонентного магнитометра, пропорциональным проекциям вектора индукции геомагнитного поля, и сигналам с трехкомпонентного акселерометра, пропорциональным проекциям вектора ускорения силы тяжести на оси чувствительности упомянутого акселерометра, с помощью регистрирующего блока и вычислительного устройства определяют расчетным путем азимутальный, визирный и зенитный углы корпуса скважинного зонда, а значит, определяют и угловое, положение буровой скважины, в которой находится корпус скважинного зонда.

Неравномерность движения корпуса скважинного зонда и случайные отклонения при движении корпуса этого зонда от выбранного направления (рыскания зонда) приводят к появлению на выходах трехкомпонентного акселерометра сигналов, пропорциональных не только проекциям вектора ускорения силы тяжести, но и проекциям векторов ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения корпуса скважинного зонда, что является одной из существенных причин погрешности определения углового положения корпуса скважинного зонда (подвижного объекта), а значит и буровой скважины. Кроме того, наличие магнитных возмущений от сотен до тысяч нанотесла [4] приводит к погрешности определения магнитного курса подвижного объекта до единиц угловых градусов, а следовательно, и к погрешности определения углового положения упомянутого объекта.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства, исключающего влияние магнитных возмущений и влияние ускорений объекта, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта на погрешность определения углового положения подвижного объекта. Поставленная задача решается за счет применения на подвижном объекте четырех трехкомпонентных акселерометров, реагирующих на соответствующие ускорения и размещенных на объекте определенным образом.

Предлагаемое устройство для определения углового положения подвижного объекта, включающее трехкомпонентный акселерометр, у которого оси чувствительности коллинеарны соответствующим строительным осям системы координат OXYZ подвижного объекта с началом координат в точке О, регистрирующий блок, подключенный к трехкомпонентному акселерометру, и вычислительное устройство, подключенное к регистрирующему блоку, снабжено вторым, третьим и четвертым трехкомпонентными акселерометрами, которые подключены к регистрирующему блоку, при этом первый и второй трехкомпонентные акселерометры размещены на одной из строительных осей системы координат OXYZ подвижного объекта симметрично относительно начала координат точки О, третий и четвертый трехкомпонентные акселерометры размещены на одной из строительных осей системы координат OXYZ подвижного объекта симметрично относительно начала координат точки О, оси чувствительности второго, третьего и четвертого трехкомпонентных акселерометров коллинеарны соответствующим строительным осям системы координат OXYZ, у которой начало координат точка О выбрана в месте центра тяжести подвижного объекта.

Применение в предлагаемом устройстве для определения углового положения подвижного объекта трехкомпонентного акселерометра, у которого оси чувствительности коллинеарны строительным осям подвижного объекта, регистрирующего блока и вычислительного устройства в совокупности с вторым, третьим и четвертым трехкомпонентными акселерометрами, размещенными на подвижном объекте и включенными между собой соответствующим образом, обеспечивает исключение влияния магнитных возмущений и ускорений объекта, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, на погрешность определения углового положения упомянутого подвижного объекта.

Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения выражается в исключении влияния магнитных возмущений и ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, в частности от его рыскания, на погрешность определения углов курса, крена, тангажа, что повышает точность определения углового положения подвижного объекта.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующим чертежом.

На чертеже изображена структурная схема устройства для определения углового положения подвижного объекта.

Предлагаемое устройство для определения углового положения подвижного объекта состоит (см. чертеж) из трехкомпонентных акселерометров 1-4, регистрирующего блока 5, входы которого подключены к выходам акселерометров 1-4, вычислительного устройства 6, подключенного к блоку 5, и подвижного объекта 7, на котором размещены акселерометры 1-4, блок 5 и вычислительное устройство 6. Акселерометры 1 и 2 размещены, например, на продольной оси ОХ объекта 7 симметрично относительно начала строительной системы координат OXYZ точки О, выбранной в месте центра тяжести объекта 7, а акселерометры 3 и 4 размещены, например, на оси ОУ симметрично относительно центра тяжести объекта 7. Оси чувствительности акселерометров 1-4 коллинеарны соответствующим осям строительной системы координат OXYZ.

Предлагаемое устройство для определения углового положения подвижного объекта работает следующим образом. Сигналы с выходов каждого из акселерометров 1 и 2 (см. чертеж) пропорциональны, например, проекциям веторов ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта 7, и проекциям вектора ускорения силы тяжести, а сигналы с выходов каждого из акселерометров 3 и 4 пропорциональны только проекциям векторов ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта 7 [5, 6]. Акселерометры 1 и 2, 3 и 4 размещены симметрично относительно центра тяжести объекта 7, поэтому векторы ускорений от вращения, в частности от рыскания объекта 7 как в местах размещения акселерометров 1 и 2, так и в местах размещения акселерометров 3 и 4, равны по величине и противоположны по направлению, а векторы ускорений, обусловленные неравномерностью скорости поступательного движения объекта 7, и ускорений силы тяжести равны. Такое размещение на объекте 7 акселерометров 1 и 2, 3 и 4 обеспечивает возможность исключения погрешности определения направляющих косинусов n_1i, n_2i, n_3i строительной оси OZ в выбранной опорной системе координат, например географической системе координат от ускорений, связанных с изменением скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта и возможность определения значений центростремительного a_хцi и тангенциальных a_yτi, a_zτi ускорений, например, по результатам измерений акселерометрами 1 и 2 за малый интервал времени, в течение которого упомянутые ускорения можно принять постоянными [7], где i=1, 2, 3,... - моменты времени регистрации сигналов с выходов акселерометров 1-4.

Уравнения для определения n_1i, n_2i, n_3i можно представить в следующем виде:

где a_x1i, b_y1i, c_z1i и a_x2i, b_y2i, c_z2i - проекции векторов ускорений, измеренные соответствующими акселерометрами 1 и 2; d_x1i, e_y1i, k_z1i и d_x2i, e_y2i, k_z2i проекции векторов ускорений, измеренные соответствующими акселерометрами 3 и 4; g - модуль вектора ускорения силы тяжести. Из уравнений (1)-(3) определяют углы крена θ_i и тангажа ψ_i.

Уравнения для определения a_хцi, a_yτi, a_zτi можно представить в следующем виде:

a_хцi=(a_x1i-a_x2i)/2;

Проекция вектора ускорения a_хцi пропорциональна изменению угла отклонения продольной строительной оси ОХ объекта 7 (см. чертеж) за [i-I, i] интервал времени относительно предыдущей ее ориентации. В таком случае по известным расстояниям акселерометров 1 и 2 до центра тяжести объекта и ускорению a_хцi определяют отклонение продольной оси ОХ объекта 7 за [i-I, i] интервал времени от известного предыдущего направления, а затем по известным упомянутому отклонению направления оси ОХ, углу тангажа ψ_i, ускорению a_yτi и угловому положению объекта в (i-I) момент времени определяют географический курс ϕ_i объекта 7 в i-ый момент времени. При определении географического угла курса по результатам измерений акселерометрами 3 и 4 предварительно находят угол отклонения оси OY объекта 7 за [i-I, i] интервал времени относительно предыдущей ее ориентации. Затем по известным упомянутому углу отклонения оси ОУ, углов крена θ_i и тангажа ψ_i, тангенциальному ускорению a_yτi для акселерометров 3 и 4 и угловому положению объекта в (i-I) момент времени определяют географический курс ϕ_i объекта 7 в i-ый момент времени.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении определение углового положения подвижного объекта осуществляется по измеренным ускорениям акселерометрами 1-4 (см. чертеж), что исключает влияние магнитных возмущений на погрешность определения углового положения подвижного объекта 7. Предлагаемое техническое решение исключает влияние ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, на погрешность определения углов крена и тангажа, что повышает точность определения угла курса, а следовательно, и повышает точность определения углового положения подвижного объекта.

Следует заметить, что для данного размещения акселерометров 1-4 на объекте (см. чертеж) можно определить действительное значение угла курса объекта в i-ый момент времени из системы двух уравнений для косинуса угла отклонения оси ОХ и косинуса угла отклонения оси OY за [i-I, i] интервал времени,

В предлагаемом техническом решении акселерометры 1-4 (см. чертеж) могут быть выполнены на базе однокомпонентных акселерометров обоих типов [5, 6]. В качестве регистрирующего блока 5 и устройства 6 можно использовать преобразователь измерительный многоканальный ПИМ-1 (сертификат №15660, Госстандарт России).

Литература

1. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. - Л.: Энергия. 1969. 168 с.

2. Алимбеков Р.И., Зайко А.И. Аппаратно-программный комплекс для измерения пространственных углов //Измерительная техника. 2004. №12. С.27-29.

3. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. - Л.: Энергоатомиздат. 1986. 188 с.

4. Яновский Б.М. Земной магнетизм. - Л.: ЛГУ. 1978. 592 с.

5. Девятисильный А.С. Измерение линейных ускорений с использованием оптического излучения //Измерительная техника. 2004. №10. С.31-32.

6. Мельников В.Е. Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла. - М.: Машиностроение. 1984. 159 с.

7. Одинова И.В., Блюмин Г.Д., Карпухин А.В. и др. Теория и конструкция гироскопических приборов и систем. - М.: Высшая школа. 1971. 508 с.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в навигации для определения угловых положений автоматических подводных, надводных и летательных аппаратов, в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины. Устройство для определения углового положения подвижного объекта, состоящее из четырех трехкомпонентных акселерометров, регистрирующего блока и вычислительного устройства, размещенных и включенных между собой соответствующим образом, обеспечивает исключение влияний магнитных возмущений и ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, на погрешность определения углового положения упомянутого объекта, что повышает точность определения углового положения подвижного объекта. 1 ил.

Устройство для определения углового положения подвижного объекта, включающее трехкомпонентный акселерометр, у которого оси чувствительности коллинеарны соответствующим строительным осям системы координат OXYZ подвижного объекта с началом координат в точке О, регистрирующий блок, подключенный к трехкомпонентному акселерометру, и вычислительное устройство, подключенное к регистрирующему блоку, отличающееся тем, что оно снабжено вторым, третьим и четвертым трехкомпонентными акселерометрами, которые подключены к регистрирующему блоку, при этом первый и второй трехкомпонентные акселерометры размещены на одной из строительных осей системы координат OXYZ подвижного объекта симметрично относительно начала координат точки О, третий и четвертый трехкомпонентные акселерометры размещены на одной из строительных осей системы координат OXYZ подвижного объекта симметрично относительно начала координат точки О, оси чувствительности второго, третьего и четвертого трехкомпонентных акселерометров коллинеарны соответствующим строительным осям системы координат OXYZ, у которой начало координат точка О выбрана в месте центра тяжести подвижного объекта.