УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ЛИДАРА В ПЛОСКОСТИ ГОРИЗОНТА Российский патент 2008 года по МПК F16F15/02 G12B5/00 F16F11/00 

Изобретение относится к вибрационной технике и предназначено для стабилизации в плоскости горизонта мобильных лидаров, расположенных на транспортных средствах (например, автомобилях), на которые оказывает вибрационные механические воздействия работающий двигатель автомобиля, служащий генератором электропитания функционально связанных с лидаром систем (навигации, телевизионной, газоанализа, метеосистемы, информационной),

Мобильные лидары, жестко установленные на шасси (основание, пол) транспортного устройства, как показывают экспериментальные исследования, проведенные в институте оптики атмосферы СО АН РФ, испытывают вибрационные механические воздействия в десятки герц, приводящие к изменению положения светового пятна лазерного излучения на зондируемом объекте. Причем с увеличением холостых оборотов двигателя автомобиля наблюдается тенденция к росту амплитуды в отдельных диапазонах частот.

Существует практика установки приборов на упругие амортизаторы, которые выполняют либо функции вибропоглотителей внешних возмущений, либо, наоборот, являются гасителями собственных колебаний прибора (агрегата). Центр масс конструкции располагается выше точек крепления оборудования и эффективность вибропоглощения определяется только техническими параметрами упругого амортизатора.

По своему принципу работы такие амортизаторы уменьшают амплитуду колебаний, а не устраняют ее, причем уменьшение колебаний объекта в определенном диапазоне частот.

Известен успокоитель пассивного типа для уменьшение амплитуды механических колебаний боковой качки корабля - поглотитель Фрома (Механические колебания и их роль в технике. Изд-во «Наука», главная редакция физико-математической литературы. М., 1965, с 156), выбранный в качестве прототипа, который содержит наполненные водой сообщающиеся сосуды, расположенные по бокам корабля. Принцип действия его основан при наклонах корабля, создается момент, направленный противоположно создающему крен моменту, за счет смещения жидкости, которая находится в баках, расположенных по бокам корабля. Недостатком данного устройства является уменьшение амплитуды колебаний, а не их устранение, к тому же это устройство может работать только на очень низких частотах, не более десятых долей единиц герц.

Задачей изобретения является создание простого устройства стабилизации лидара в плоскости горизонта и повышение точности направления линии прицела лидара в пространстве в рабочем режиме при зондировании объектов.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом устройстве стабилизации лидара в плоскости горизонта, содержащем корпус, положение которого стабилизировано в пространстве при внешних вибрационных механических воздействиях и которое установлено на основании с возможностью совершать малые угловые колебания относительно этого основания

Согласно изобретению его корпус состоит из верхнего и нижнего колец, связанных между собой укосинами, причем верхнее кольцо закреплено через расположенные по периметру корпуса упруго-вязкие амортизаторы, состоящие из параллельно и попарно расположенных упругих элементов и жидкостных демпферов линейного типа, заполненных вязкой жидкостью, при этом кронштейны в свою очередь закреплены к полу салона автомобиля.

Предлагаемое устройство позволяет обеспечить стабилизацию объекта в плоскости горизонта вследствие установки упругих элементов бескарданова подвеса, обеспечивающих возможность малого углового перемещения рамы по двум ортогональным осям. При отклонении корпуса с лидаром возникает момент, направленный противоположно моменту вызванного внешними воздействиями. В отличии от прототипа, карданов подвес заменен ортогонально расположенными четырьмя упругими элементами и демпферами, на которые установлен лидар с корпусом. Эти упругие элементы с демпферами дают возможность малого углового перемещения аналогично угловым поворотам относительно осей рамок карданова подвеса.

Предложенное устройство стабилизации лидара в плоскости горизонта позволяет:

1. Удерживать объект стабилизации строго вдоль вертикали места за счет маятниковости рамы.

2. Устранять колебания линии прицела лидара в диапазоне частот, возникающих при работе двигателя автомобиля на холостом ходу.

Для пояснения конструкции предлагаемого устройства на рисунке приведена его схема.

На этой схеме условно не показано крепление узлов упруго-вязкого подвеса в основании, а также сама конструкция упруго-вязких элементов и конструкции оптической системы. Вышеизложенное не мешает пониманию сущности принципа работы предлагаемого устройства стабилизации объекта в плоскости горизонта.

В состав лидара 1 входят два телескопа: излучатель и приемник. Оптические элементы телескопов установлены на общем корпусе 2, представляющем рамную конструкцию. В состав корпуса 2 входят (верхнее 3 и нижнее 4) кольца, связанные между собой укосинами 5.

Лидар 1 установлен на верхнее кольцо 3 корпуса 2. Верхнее кольцо закреплено через расположенные по периметру корпуса упруго-вязкие амортизаторы, состоящие из параллельно попарно установленных упругих элементов 6 и жидкостных демпферов линейного типа 7, к кронштейнам 8. Кронштейны 8 в свою очередь закреплены на основании 9 автомобиля 10.

К верхнему кольцу 3 прикреплены упругий элемент 6 и демпфер 7. Упругий элемент 6 может быть выполнен в виде цилиндрической винтовой пружины сжатия или многожильной винтовой пружины сжатия, имеющей более пологую характеристику при малых габаритах, или может представлять собой рессору по типу автомобильной.

Другим концом упругий элемент 6 крепится к кронштейну 8.

В процессе транспортирования для исключения поломок элементов подвижной части от соударения с корпусом имеются два транспортных арретира 11 (показан на рисунке условно), которые жестко фиксируют в пространстве подвижную часть механической системы (нижнее кольцо 4 с кронштейнами 8)

Демпфер 7 представляет типовую конструкцию демпфирующего устройства линейного типа и состоит из цилиндрического корпуса, закрепленного на верхнем кольце 3; поршня 13, закрепленного на кронштейне 8. Поршень 13 может линейно перемещаться в корпусе 12 демпфера, при этом поршень 13 связан с кронштейном 8 через развязывающее устройство, позволяющее поршню 13 совершать небольшие угловые перемещения в корпусе 12 демпфера. Внутренняя полость корпуса демпфера заполнена очень вязкой (например, полисилоксановой) жидкостью.

Таким образом, лидар 1 установлен через упруго-вязкие амортизаторы (пружина 6, демпфер 7) на кронштейнах 8, которые в свою очередь крепятся к автомобилю 10. Маятниковая подвижная система имеет центр масс (ц.м.) ниже плоскости расположения упруго-вязких амортизаторов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В рабочем режиме лидара 1 на него действуют вибрационные механические нагрузки от работающего двигателя 9 автомобиля 10, который служит генератором электропитания функционально связанных с лидаром 1 систем (навигации, газоанализа, информационной, телевизионной, метеосистемы).

Из-за наличия маятниковости механической системы (лидар 1 - корпус 2) в любой момент времени обеспечивается вертикальное положение этой механической системы вдоль вертикали место, а подвес рамы упругих элементов 6 и демпферов 7 позволяет производить гашение колебаний от внешних механических воздействий, например от работы двигателя автомобиля 9 на холостом ходу в рабочем режиме лидара 1

В данном устройстве динамика работы механической системы (лидар - рама) описывается системой дифференциальных уравнений:

,

где J_α, J_β - моменты инерции рамы относительно оси подвеса в ортогональных направлениях;

μ_α, μ_β - коэффициенты демпфирования;

c_α, c_β - коэффициенты жесткости упругого элемента;

Р - вес конструкции;

P - частота внешних воздействий;

l - расстояние от оси до центра масс подвижной части;

Q - амплитуда внешнего периодического воздействия.

Максимальная амплитуда рамы при внешнем воздействии Q определяется выражением

,

где k - собственная частота рамы, р - частота внешнего воздействия.

Из выражения (1) видно, что чем больше разница собственной частоты устройства и внешних частот механического воздействия и чем, больше коэффициент демпфирования μ, тем амплитуды колебаний стабилизирующего устройства A меньше.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет решить задачу устранения влияния внешних вибрационных механических воздействий на положение линии прицела лидара при зондировании объектов, так как в рабочем режиме лидара внешние вибрационные механические воздействия будут гаситься в упругих элементах, работающих как фильтр частот, за счет существенной разницы собственной низкой частоты подвешенного механического маятника, роль которого выполняет корпус с закрепленным на ней лидаром, а также гасится в параллельно установленных вязких демпферах, достигается задача устранения влияния внешних вибрационных механических воздействий на положение линии прицела лидара при зондировании объектов. При этом следует иметь в виду, что в такой механической системе, в рабочем режиме лидара, имеем случай малых колебаний, когда собственная частота маятника не зависит от амплитуды колебаний последнего, что дополнительно повышает эффективность предлагаемой пассивной системы стабилизации. Предлагаемое устройство позволяет:

1) За счет фильтрующих свойств упругого элемента (пружины, рессоры) исключить внешние механические вибрационные воздействия на лидар работающего двигателя транспортного средства в диапазоне частот холостого хода.

2) Дополнительно за счет параллельного включения в конструкцию узла подвеса демпфирующего устройства производится дополнительное поглощения внешних механических воздействий.

3) Наличие маятниковости обеспечивает постоянство положения лидара в плоскости горизонта по направлению вертикали места, а также обеспечивается стабилизация механической системы в горизонтальной плоскости при несанкционированных механических воздействиях (например, хождение по салону, смещение оборудования лидара и т.п.), вызывающие наклон пола транспортного средства.

Изобретение относится к вибрационной технике. Устройство содержит корпус, положение которого стабилизировано в пространстве при внешних вибрационных механических воздействиях. Оно установлено на основании с возможностью совершать малые угловые колебания относительно этого основания. Корпус состоит из верхнего и нижнего колец, связанных между собой укосинами. Верхнее кольцо закреплено через расположенные по периметру корпуса упруго-вязкие амортизаторы. Амортизаторы состоят из параллельно и попарно расположенных упругих элементов и жидкостных демпферов линейного типа, заполненных вязкой жидкостью. Кронштейны закреплены к полу салона автомобиля. Достигается упрощение конструкции и повышение точности направления линии прицела лидара в пространстве в рабочем режиме при зондировании объектов. 1 ил.

Устройство стабилизации лидара в плоскости горизонта, содержащее корпус, положение которого стабилизировано в пространстве при внешних вибрационных механических воздействиях и которое установлено на основании с возможностью совершать малые угловые колебания относительно этого основания, отличающееся тем, что его корпус состоит из верхнего и нижнего колец, связанных между собой укосинами, причем верхнее кольцо закреплено через расположенные по периметру корпуса упруговязкие амортизаторы, состоящие из параллельно и попарно расположенных упругих элементов и жидкостных демпферов линейного типа, заполненных вязкой жидкостью, при этом кронштейны, в свою очередь, закреплены к полу салона автомобиля.