СПОСОБ ВЫСТАВКИ ОСЕЙ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2008 года по МПК G01C21/12 

Изобретение относится к подвижным объектам в виде внутритрубных инспектирующих снарядов, предназначенных для определения геодезических координат трассы подземных газо-нефтепроводов, а также для определения, совместно с коррозионными, ультразвуковыми и другими средствами дефектоскопии, угловых и декартовых координат аварийных участков трубопроводов с целью их последующего устранения.

Известен способ выставки осей подвижного объекта, который реализуется в навигационно-топографическом внутритрубном инспектирующем снаряде (НТВИС) [1], содержащем герметичный контейнер, эластичные манжеты в передней и задней частях контейнера, датчики пути (одометры), приборные узлы, закрепленные внутри контейнера, блок электроники для регистрации сигналов датчиков, аккумуляторные батареи и измерительный модуль в виде корпуса кубической формы. На внутренних гранях корпуса установлены три волоконно-оптических гироскопа и три акселерометра с ортогональной взаимной ориентацией осей чувствительности. Модуль закрыт пермаллоевым кожухом с толщиной, обеспечивающей снижение величины напряженности магнитного поля снаряда до минимально допустимых значений для этих датчиков. Одна грань корпуса перпендикулярна продольной оси снаряда. Корпус средствами крепления через упругодемпфирующие элементы, для определения коэффициентов передач которых приведена формула, соединен с контейнером. Средства крепления установлены на грани корпуса измерительного модуля, перпендикулярно продольной оси контейнера. Геометрический центр трех акселерометров совмещен с центром подвеса контейнера.

Недостатком способа выставки осей НТВИС, осуществляемого данным устройством, является неопределенность ориентировки осей волоконно-оптических гироскопов и акселерометров относительно осей подвижного объекта, т.е. герметичного контейнера, что снижает точность определения параметров ориентации и навигации.

Известен способ определения главных, в т. ч. центральных, осей инерции твердых тел, основанный на том, что тело подвешивают за некоторую его точку к струне, а затем струну вращают с помощью привода, закрепленного на верхнем фундаменте [2]. Струна увлекает во вращение твердое тело, и в зависимости от точки прикрепления струны к телу и расположения в нем главных (центральных) осей инерции устанавливаются положения равновесия тела. По ним с помощью измерительных приборов определяют направления главных (центральных) осей инерции этого твердого тела.

Недостатком данного способа является сложность его реализации в техническом и теоретическом аспектах, а также недостаточно высокая точность фиксации этих осей. Данный способ является сложным при алгоритмической технической реализации, его применяют к большим телам (летательные аппараты и им подобные), во много раз превышающим размеры и массу навигационно-топографического инспектирующего снаряда. Поэтому этот способ неприменим к выставке направлений объектовых осей НТВИС.

Известен способ выставки осей подвижного объекта, заключающийся в установке платформы в горизонтальное положение и измерении положения подвеса оптико-электронного прибора до совпадения его горизонтальной оси с осью имитатора внешнего ориентира, при этом устанавливают автоколлимационный теодолит за подвесом стенда, направляют его визирную ось на центр подвеса динамического моделирующего стенда и центр имитатора внешнего ориентира, в центре подвеса жестко закрепляют зеркальный элемент, по автоколлимационному изображению штриха теодолита устанавливают его в плоскости, перпендикулярной визирной оси подвеса динамического моделирующего стенда, жестко закрепляют котировочную сетку с узлом подсвета, между имитатором внешнего ориентира и юстировочной сеткой устанавливают микроскоп, поворачивают подвес динамического моделирующего стенда и фиксируют микроскопом отклонение перекрестия юстировочной сетки, определяя при этом совмещение центра перекрестия сетки с центром подвеса динамического моделирующего стенда, из поля зрения теодолита выводят микроскоп и узел подсвета, а между юстировочной сеткой и имитатором внешнего ориентира устанавливают зеркало, плоскость которого перпендикулярна визирной оси автоколлимационного теодолита, перед которым устанавливают оптический компенсатор, поворотом которого совмещают центр юстировочной сетки с центром визирной оси автоколлимационного теодолита, фиксируют угловое положение оптического компенсатора, выводят из поля зрения автоколлимационного теодолита юстировочную сетку и зеркало, а выставку оси подвеса динамического моделирующего стенда на имитатор внешнего ориентира осуществляют поворотами платформы стенда и перемещениями имитатора внешнего ориентира [3].

Данный способ принимается за наиболее близкий аналог изобретения.

Недостатком данного способа является то, что он обладает большой технической сложностью и трудоемкостью процесса определения горизонтальности и задания осей устройства, что определяется применением микроскопа, автоколлимационного теодолита, зеркала и других приборов наряду с используемым устройством.

Задачей данного изобретения является упрощение процесса и снижение трудоемкости способа выставки осей подвижного объекта.

Технический результат изобретения состоит в том, что упрощается конструкция устройства и упрощается, уменьшаясь в количестве, приборный состав при реализации способа выставки осей подвижного объекта.

Поставленная задача решается тем, что в способе выставки осей подвижного объекта, заключающемся в том, что на установочных поверхностях внутри контейнера закрепляют корпус бесплатформенного инерциального измерительного модуля с установленными на нем трехкомпонентным гироскопическим измерителем угловой скорости и трехкомпонентным измерителем кажущегося ускорения, в которых направления измерительных осей трех гироскопов и трех акселерометров определены на предмет определения углов неперпендикулярности измерительных осей к установочным поверхностям корпуса бесплатформенного инерциального измерительного модуля, а также на предмет определения углов непараллельности между собой одноименных измерительных осей гироскопов и акселерометров в соответствующих плоскостях, во введении компенсационных добавок в сигналы гироскопов и акселерометров по алгоритмам:

на контейнере до установки на нем навесного оборудования выделяют две цилиндрические поверхности вращения в носовой и хвостовой частях, затем этими поверхностями опирают контейнер на четыре колеса, имеющих возможность регулировки их по высоте в желобе, неподвижном относительно Земли, приводят в медленное вращение колеса, посредством которых контейнер разворачивается по крену и, контролируя сигналы двух акселерометров, измерительные оси которых направлены вдоль продольной и поперечной осей контейнера, находят угол крена, при котором сигналы акселерометров принимают минимальные значения, а затем с помощью регулировочных устройств на опорах, например, двух носовых колес, разворачивают продольную ось контейнера по углу тангажа до положения, при котором сигналы акселерометров с измерительными осями, направленными по продольной и поперечной осям контейнера, станут близкими к нулю, что соответствует состоянию горизонтирования установочных поверхностей кронштейна контейнера, а затем с помощью колес разворачивают контейнер в следующие четыре угловых фиксированных положения по углу крена:

а)γ=0°; б)γ=90°; с)γ=180°; d)γ=270°,

определяя эти углы по осредненным сигналам двух акселерометров измерительные оси которых направлены по нормальной и поперечной осям контейнера, измеряя одновременно в каждом из четырех по углу у положений осредненные сигналы (k=a,b,c,d), акселерометра, измерительная ось которого направлена по продольной оси объекта, после чего по алгоритмам

определяют оценки углов отклонения продольной оси контейнера вокруг его продольной, нормальной и поперечной осей относительно установочной поверхности корпуса бесплатформенного инерциального измерительного модуля, где - оценка ускорения силы тяжести в месте установки навигационно-топографического внутритрубного инспектирующего снаряда, при этом за горизонтальное положение поперечной оси контейнера принимается положение акселерометра с измерительной осью, направленной по поперечной оси контейнера, при котором сигнал этого акселерометра равен нулю с учетом компенсирующей добавки , в оценки сигналов гироскопов и акселерометров вводят компенсационные добавки по следующим алгоритмам:

где - уточненные по углам перекосов α_i оценки абсолютных угловых скоростей и кажущихся ускорений контейнера.

В случае, когда подвижный объект имеет существенные поворотные ускорения, их влияние во многом устраняется путем введения компенсационных добавок, которые находят нижеследующим образом.

Способ выставки осей, жестко связанных с контейнером навигационно-топографического внутритрубного инспектирующего снаряда, состоит в том, что контейнер приводят во вращение с постоянной угловой скоростью , измеряют осредненные сигналы гироскопа и акселерометров и по алгоритмам

определяют оценки смещения геометрического центра трех акселерометров относительно центра подвеса контейнера и вводят компенсационные добавки

в сигналы нормального и поперечного акселерометров.

На фиг.1 изображена кинематическая схема НТВИС в желобе; на фиг.2 изображен поворот системы координат, связанной с контейнером 1, относительно географической системы координат Oζ₁ζ₂ζ₃; на фиг.3 представлены повороты системы координат О_Пy₁y₂y₃ связанной с посадочными поверхностями 9, относительно системы координат Ох₁х₂х₃, связанной с контейнером 1; на фиг.4 представлена плоская схема поворота и смещения системы координат (СК), связанной с корпусом БИИМ (О_Пy₁y₂y₃) или, что то же самое, с посадочными поверхностями 9, относительно системы координат Ох₁х₂x₃, связанной с контейнером 1 НТВИС; на фиг.5 дано размещение ТГИУС и ТИКУ в бесплатформенном инерциальном измерительном модуле (БИИМ).

Ниже излагается пример на осуществление заявляемого способа.

За базовый элемент конструкции принимается контейнер 1 НТ ВИС, в нем за базовые поверхности принимаются цилиндрические части 2 и 3 по краям контейнера 1 - фиг.1 - до установки на нем навесного оборудования - одометров и других элементов. Контейнер 1 помещается в желоб 4 на укрепленные в нем колеса 5, 6. Эти колеса с помощью электродвигателей приводят во вращение контейнер 1 вокруг оси Oζ₁ желоба 4 (вместо желоба может быть использовано металлическое основание).

Внутри контейнера 1 расположены направляющие 7, к которым жестко крепят установочный кронштейн 8 с установочными поверхностями 9, определяющими положение корпуса бесплатформенного инерциального измерительного модуля (БИИМ) (СК О_Пy₁y₂y₃) относительно контейнера 1 (СК Ох₁x₂x₃). Положение системы координат (СК) Ох₁х₂x₃ относительно СК Оζ₁ζ₂ζ₃ связанной с желобом 4, задано углами курса, тангажа и крена ψ,θ,γ (фиг.2), а угловое положение СК О_Пy₁y₂y₃, относительно СК Ох₁х₂х₃ - углами α₁, α₂, α₃. Центр площадки О_П смещен относительно центра О подвеса (фиг.1, фиг.4) контейнера; номером 10 обозначен корпус желоба (Земля). Нужно определить углы α₁, α₂, α₃ (фиг.4).

На фиг.5 изображена кинематическая схема БИИМ, состоящего из корпуса 11 с опорными гранями 12, 13 и 14, соприкасающимися с опорными поверхностями 9. На трех других гранях установлены три однокомпонентных гироскопических измерителя угловой скорости (ТГИУС) 15, 16 и 17 (например, волоконно-оптические гироскопы), они составляют ТГИУС. Их измерительные оси обозначены через V₁, V₂, V₃, которые пересекаются в точке О_Г системы координат О_Гy₁y₂y₃. На этих же гранях установлены три измерителя кажущихся ускорений (ТИКУ) на основе, например, кварцевых акселерометров 18, 19 и 20 с измерительными осями N₁, N₂ и N₃ соответственно. Эти оси пересекаются в точке О_П, являющейся центром ТИКУ и системы координат О_пy₁y₂y₃. Нужно также определить координаты вектора , т.к. смещение акселерометров относительно центра подвеса О НТВИС приводит к возникновению в них погрешностей; О_Г - центр ТГИУС (фиг.5). В случае, когда определяются углы , на установочные поверхности 9 устанавливают БИИМ, подлежащий к использованию в данном НТВИС. Он должен быть откалиброван по углам установки измерительных осей ТГИУС и ТИКУ, т.е. должны быть определены углы их неперпендикулярности относительно своего кронштейна (корпуса) и непараллельности между собой. БИИМ включается, и контейнер 1 приводится во вращение вокруг оси оζ₁ с угловой скоростью ω_х1=const в следующем диапазоне угловых скоростей:

где абсолютное значение верхнего предела измерения ГИУС-1.

В начале испытаний БИИМ производят оценку нулевых сигналов ТГИУС и ТИКУ в составе БИИМ при γ≡0. Запись сигналов ТГИУС и ТИКУ производят в течение 50-60 с. БИИМ устанавливают в горизонтальное положение на кронштейне 8 в установочных поверхностях 9. Повторяют измерения 3-4 раза. При обработке информации сигналы гироскопов и акселерометров осредняют по формулам:

где i - номер измерительной оси ГИУС и ИКУ; k - номер дискретного измерения; n - количество точек в одной 50-60 секундной записи процесса; - k-е оценки угловых скоростей и кажущихся ускорений; - осредненные значения указанных оценок нулевого сигнала.

Затем запускают электропривод и задают повороты контейнеру 1. Т.к. ось ох₁ отклонена от плоскости горизонта и от направления на север, то угловые скорости и кажущиеся ускорения в контейнере описываются формулами:

При малых углах курса и тангажа ψ и θ с учетом поворота по γ (крену) имеем:

Оценки проекций угловых скоростей контейнера на оси системы координат с учетом введения компенсационных добавок, вызванных углами β^s _i измерительных осей к установочным поверхностям 9, определяют по формулам (фиг.2, 3, 4) ( - сигналы ТГИУС):

где - оценка соответствующего угла, где i - номер оси; s - номер гироскопа; - угловые скорости дрейфов ТГИУС по соответствующим осям; - сигнал i-го гироскопа.

Оценки проекций кажущегося ускорения, т.е. ускорения силы тяжести, на оси О_Пy_i с учетом компенсационных добавок dW_yi и сдвигов нулей ΔW_yi, акселерометров определяются формулами (фиг.2, 3, 4):

где - оценка угла неперпендикулярности измерительной оси s-го акселерометра вокруг i-ой оси; - сигнал ТИКУ по i-ой измерительной оси. Углы и калибруются БИИМ и являются известными.

Введение компенсационных добавок dω_yi и при ; приводит к компенсации погрешностей, содержащих сомножителями данные углы, так что имеем:

Здесь W^П _x2, W^П _x3 - компоненты поворотного ускорения, возникающего за счет смещения точки О_П относительно О (фиг.1):

где х_2П, х_3П - компоненты радиуса-вектора смещения; - орты соответствующих осей.

Для постоянных угловых скоростей имеем:

Нетрудно видеть, что в выходные сигналы W^П _y2, W^П _y3 входят погрешности, вызванные поворотными ускорениями W^П _x2, W^П _x3. С целью повышения точности выставки осей подвижного объекта влияние этих погрешностей значительно снижается путем введения компенсационных добавок, которые ниже вводятся в сигналы W^П _y2, W^П _y3 - формулы (12), (13).

После этого для оценок кажущихся ускорений с учетом (3) имеем следующие формулы:

Формулы (8) являются исходными для определения оценок углов неточной установки поверхностей 9 кронштейна 8 относительно контейнера 1 и координат х_2П и х_3П. В состав углов α_i входят как углы неточной ориентировки установочных поверхностей 9 относительно контейнера 1, так и углы неточной установки контейнера относительно желоба 4. Для определения этих углов производят повороты контейнера 1 на фиксированные углы γ, придавая им значения, при которых ряд членов обращается в 0, и тогда можно определять искомые углы α_i. Рассмотрим процедуру исключения постоянных составляющих сдвигов нулей акселерометров из их показаний, при которой контейнер разворачивают на следующие по углу γ фиксированные положения:

В каждом из этих фиксированных положений производят измерение, осреднение, а затем вычитание сигналов акселерометров, измерительная ось одного из них направлена по продольной оси контейнера; а второго - по нормальной оси:

В формулы (10) следует подставлять осредненные значения сигналов акселерометра. Имеем следующие алгоритмы для определения оценок углов :

Задание угла γ может производиться не только с помощью электродвигателей по одному на каждое колесо 5 и 6, но и от одного электродвигателя через редуктор к двум колесам. Кроме того, может производиться разворот и вручную. Главное, что начальное положение по углу γ=0° контейнера должно быть задано от плоскости горизонта. За горизонтальное положение поперечной оси контейнера 1, а значит, НТВИС, принимается положение акселерометра с измерительной осью, направленной по поперечной оси контейнера, при котором сигнал этого акселерометра равен нулю, когда к сигналу его вводится добавка в этом положении, равная

Для определения координат х_2П, х_3П вектора задают постоянные угловые скорости , причем

Например, . Тогда из соотношений (8) получаем, пренебрегая малыми членами:

Измеряют - по акселерометрам 19 и 20 (фиг.4) и гироскопу 15 соответственно. Т.к. оценки и известны, то из (12) определяют оценки алгоритмам:

где .

С учетом алгоритмов (11)и(13) компенсируются погрешности ТГИУС и ТИКУ по следующим алгоритмам:

Преимущество изобретения состоит в том, что при выполнении точных оценок при использовании алгоритмов (4), (5), (11), (13) и (14) выходная информация ТГИУС и ТИКУ не будет содержать погрешностей перекрестных связей и от поворотных ускорений, в связи с чем их сигналы достаточно точно будут определяться формулами:

За счет этого погрешности ТИКУ и ТГИУС будут снижены в 2-2,5 раза. Нетрудно видеть, что перекосы измерительных осей гироскопов и акселерометров после этого практически не влияют на их показания, т.е. оси, жестко связанные с контейнером 1, выставлены с достаточной точностью.

Источники информации

1. Патент РФ №2207512, МПК G01С 21/12, F17D 5/06, G01N 27/83. Навигационно-топографический внутритрубный инспектирующий снаряд, Авторы А.И.Синев, П.К.Плотников, А.П.Рамзаев, В.Б.Никишин, 2003 г., Б. №18.

2. Ишлинский А.Ю., Стороженко В.А., Темченко М.Е. Вращение твердого тела на струне и смежные задачи. - М.: Наука, 1991. - 331 с.

3. АС СССР №1612716. МПК G01М 11/00. Способ выставки осей подвеса динамического моделирующего стенда, Автор А.Н.Гормаков, БИ 1991, №14.

Изобретение относится к области внутритрубных инспектирующих снарядов, предназначенных для автономного определения геодезических координат трассы подземных газо- и нефтепроводов. Способ выставки осей, жестко связанных с контейнером навигационно-топографического внутритрубного инспектирующего снаряда, заключается в том, что на установочных поверхностях внутри контейнера закрепляют корпус бесплатформенного инерциального измерительного модуля с установленными на нем трехкомпонентным гироскопическим измерителем угловой скорости и трехкомпонентным измерителем кажущегося ускорения, в которых положения измерительных осей трех гироскопов и трех акселерометров откалиброваны на предмет определения углов неперпендикулярности измерительных осей к установочным поверхностям корпуса бесплатформенного инерциального измерительного модуля, а также на предмет определения углов непараллельности между собой измерительных осей трех гироскопов и одноименных измерительных осей трех акселерометров. На контейнере выделяют две цилиндрические поверхности вращения, которыми опирают контейнер на четыре колеса, и приводят колеса в медленное вращение. Находят угол крена, при котором сигналы акселерометров принимают минимальные значения, а затем разворачивают продольную ось контейнера по углу тангажа до положения, при котором сигналы акселерометров с измерительными осями, направленными по продольной и поперечной осям контейнера, станут близкими к нулю, что соответствует состоянию горизонтирования установочных поверхностей кронштейна контейнера, а затем с помощью колес разворачивают контейнер в следующие четыре угловые фиксированные положения по углу крена, определяя эти углы по осредненным сигналам двух акселерометров, и определяют оценки углов отклонения продольной оси контейнера вокруг его продольной, нормальной и поперечной осей относительно установочной поверхности корпуса бесплатформенного инерциального измерительного модуля. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ выставки осей подвижного объекта, заключающийся в установке снаряда так, что его продольная ось занимает горизонтальное положение, а контейнер устанавливают по крену в фиксированные положения, отличающийся тем, что на установочных поверхностях внутри контейнера закрепляют корпус бесплатформенного инерциального измерительного модуля с установленными на нем трехкомпонентным гироскопическим измерителем угловой скорости и трехкомпонентным измерителем кажущегося ускорения, в которых положения измерительных осей трех гироскопов и трех акселерометров откалиброваны на предмет определения углов неперпендикулярности измерительных осей к установочным поверхностям корпуса бесплатформенного инерциального измерительного модуля, а также на предмет определения углов непараллельности между собой измерительных осей трех гироскопов и одноименных измерительных осей трех акселерометров в соответствующих плоскостях, вводят компенсационные добавки в сигналы гироскопов и акселерометров по алгоритмам

на контейнере до установки на нем навесного оборудования выделяют две цилиндрические поверхности вращения в носовой и хвостовой частях, затем этими поверхностями опирают контейнер на четыре колеса, имеющие возможность регулировки их по высоте в желобе, неподвижном относительно Земли, приводят в медленное вращение колеса, посредством которых контейнер разворачивается по крену и, контролируя сигналы двух акселерометров, измерительные оси которых направлены вдоль продольной и поперечной осей контейнера, находят угол крена, при котором сигналы акселерометров принимают минимальные значения, а затем с помощью регулировочных устройств на опорах, например, двух носовых колес, разворачивают продольную ось контейнера по углу тангажа до положения, при котором сигналы акселерометров с измерительными осями, направленными по продольной и поперечной осям контейнера, станут близкими к нулю, что соответствует состоянию горизонтирования установочных поверхностей кронштейна контейнера, а затем с помощью колес разворачивают контейнер в следующие четыре угловых фиксированных положения по углу крена:

а)γ=0°; б)γ=90°; с)γ=180°; d)γ=270°,

определяя эти углы по осредненным сигналам двух акселерометров измерительные оси которых направлены по нормальной и поперечной осям контейнера, измеряя одновременно в каждом из четырех по углу γ положений осредненные сигналы (k=a, b, с, d), акселерометра, измерительная ось которого направлена по продольной оси объекта, после чего по алгоритмам

определяют оценки углов отклонений продольной оси контейнера вокруг его продольной, нормальной и поперечной осей относительно установочной поверхности корпуса бесплатформенного инерциального измерительного модуля, где - оценка ускорения силы тяжести в месте установки навигационно-топографического внутритрубного инспектирующего снаряда, при этом за горизонтальное положение поперечной оси контейнера принимается положение акселерометра с измерительной осью, направленной по поперечной оси контейнера, при котором сигнал этого акселерометра равен нулю с учетом компенсирующей добавки в оценки сигналов гироскопов и акселерометров вводят компенсационные добавки по следующим алгоритмам:

где - уточненные по углам перекосов α_i оценки абсолютных угловых скоростей и кажущихся ускорений контейнера.

2. Способ выставки осей, жестко связанных с контейнером навигационно-топографического внутритрубного инспектирующего снаряда по п.1, отличающийся тем, что контейнер приводят во вращение с постоянной угловой скоростью измеряют осредненные сигналы гироскопа и нормального и поперечного акселерометров по алгоритмам

определяют оценки смещения геометрического центра трех акселерометров относительно центра подвеса контейнера и вводят компенсационные добавки

в сигналы нормального и поперечного акселерометров.