СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2016 года по МПК B63B39/14 G01M1/12 

Изобретение относится к точному приборостроению, а именно к способам определения параметров транспортных средств, характеризующих свойства при их движении.

Известен способ измерения фактической остойчивости судна, реализованный в устройстве (1). Согласно этому способу измеряют три угловых ускорения судна, определяют углы бортовой качки судна, затем измеряют период бортовой качки, после чего рассчитывают метацентрическую высоту судна, которая равна расстоянию между центром плавучести, указанным в паспорте судна, и его центром массы, зависящим от загрузки судна, и характеризует остойчивость судна. Метацентрическую частоту находят обычно из соотношения геометрических размеров судна и периода собственных колебаний судна.

Недостатком данного способа является наличие погрешности измерения периода собственных колебаний судна по периоду его бортовой качки, так как период зависит от волнения моря, от его осадки носом или кормой, от скорости судна, от ветра, которые в данном способе не учитываются.

Известен способ контроля остойчивости и скорости судна (2), согласно которому измеряют период бортовой качки, осадки носом и кормой, скорость судна, глубину акватории, длину волны на море, затем вычисляют дисперсию волнового процесса, высоту волны, после чего находят метацентрическую высоту путем использования математической модели и введения поправок, зависящих от длины волны моря.

Недостатком такого способа является его сложность, когда для нахождения величины метацентрической высоты необходимо измерить и вычислить большое количество других параметров, каждый из которых вносит в процесс измерения дополнительную погрешность.

Известен также способ измерения остойчивости судна (3), взятый за прототип. Согласно данному способу измеряют период бортовой качки, измеряют осадки носом и кормой судна, измеряют кажущийся период волн моря, измеряют ординаты процессов волнения и бортовой качки, затем вычисляют спектральные плотности волнения и бортовой качки, устанавливают периоды колебаний, соответствующие частотам максимумов спектральной плотности волнений и бортовой качки, определяют собственный период бортовой качки, а затем находят метацентрическую высоту, учитывая при этом размеры судна.

Недостатком такого способа является его сложность и невысокая точность определения метацентрической высоты, так как при осуществлении способа измеряют многочисленные параметры, каждый из которых вносит дополнительную погрешность в процесс измерения. Затем используют при вычислении эмпирические формулы, коэффициенты которых зависят от размеров судна и его формы, что ухудшает точность измерения метацентрической высоты.

Заявленное изобретение решает задачу создания простого и точного способа нахождения центра массы транспортного средства, которое можно использовать для определения характеристик движущегося танспортного средства, в том числе для нахождения метацентрической высоты и остойчивости.

Для решения поставленной задачи в способе, согласно которому регистрируют процесс колебаний транспортного средства, затем производят спектральный анализ колебаний, определяют частоту максимальной амплитуды составляющей спектра, которая является частотой собственных колебаний транспортного средства, введена последовательность действий, согласно которой регистрируют колебания в виде переменных ускорений в четырех точках транспортного средства, расположенных в ортогональной системе с координатами (0;0;0), (lx, 0, 0), (0, ly, 0), (0, 0, lz), после чего для каждой из ортогональных осей определяют разность двух ускорений, затем производят спектральный анализ n реализаций разности ускорений, усредняют между собой полученные n спектров для нахождения частоты собственных колебаний транспортного средства, после чего производят спектральный анализ n реализаций ускорения, зарегистрированных в точке начала координат, после чего полученные спектры усредняют между собой и определяют амплитуду спектральной составляющей усредненного спектра данного ускорения на частоте собственных колебаний транспортного средства, которую затем делят на усредненную амплитуду спектральной составляющей разности ускорений на частоте собственных колебаний, а результат деления умножают на величину соответствующей координаты lx, y, z, в результате чего находят значение координаты центра масы транспортного средства для данной ортогональной оси.

Техническим результатом заявленного изобретения является существенное уменьшение количества измеряемых промежуточных параметров движения транспортных средств, что значительно упростило способ и снизило погрешность измерения координат центра массы транспортного средства.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Фиг.1 - диаграмма ускорений, измеренных для перпендикуляра оси к основной плоскости плавающего транспортного средства.

Как показано на фиг.1, ортогональные оси координат ориентируют, например, на условном судне таким образом, что ось Z расположена перпендикулярно основной плоскости, ось Y расположена вдоль судна в нос с началом отсчета на миделе, ось X направлена поперек судна с началом отсчета на диаметральной плоскости. При этом для оси Z измеряют ускорения в точках с координатами (0; 0; 0) и (0; 0; lz). Причем регистрируют ускорения, направленные перпендикулярно к ботру, то есть вдоль оси X, по которой наиболее выражена качка судна.

При воздействии внешних факторов на судно (волнение моря, ветер) судно колеблется вокруг центра тяжести по сложной траектории, в которой имеется составляющая колебаний с частотой собственных колебаний. Причем амплитуда этих колебаний максимальна в направлении оси X. Амплитуды ускорений в двух точках оси z на частоте собственных колебаний равны.

где Xo,Xlz - амплитуды колебаний вдоль оси X,

fc - частота собственных колебаний судна.

Затем вычитают друг из друга реализации двух ускорений последовательно n раз. В полученных результатах остается составляющая колебаний на частоте fc, так как согласно фиг.1 амплитуды ускорений в точке (О, О, Z) больше амплитуды ускорений в точке (0, 0, 0). А составляющие ускорений, вызванные осадкой судна на нос или на корму, вызванные плоскопараллельными движениями судна от ветра и волны моря, практически одинаковы в обеих точках измерения и при вычитании ускорений амплитуды их стремятся к нулю.

После чего n реализаций разности ускорений подвергают спектральному анализу, полученные n спектров усредняют между собой. В усредненном спектре амплитудная составляющая на частоте собственных колебаний судна имеет максимальное значение. При этом частоту максимальной амплитудной составляющей спектра принимают за частоту собственных колебаний судна fc. А сама амплитудная составляющая усредненного спектра разницы ускорений равна

Проведение усреднения n спектров позволяет отфильтровать случайные колебания судна, вызванные волнением моря на частотах, лежащих ниже частоты fc, что существенно снижает погрешность измерений.

Затем производят спектральный анализ n ускорений, зарегистрированных в точке (0; 0; 0). Полученные спектры усредняют между собой и в усредненном спектре определяют амплитудную составляющую на частоте собственных колебаний А0, которую делят на величину ΔА0 и получают результат

Согласно фиг.1 из подобия двух треугольников с одним углом α имеет место равенство

Из полученного выражения находят координату центра массы судна по оси Z

Аналогичным образом определяют координаты центра массы по другим ортогональным координатам X и Y. Причем если начало координат находится над точкой центра массы судна, то координаты Хцт и Yцт будут равны нулю.

Предложенный способ измерения координат центра массы транспортного средства имеет незначительную погрешность, так как она зависит от относительной погрешности измерения расстояний l_x,y,z, которая обычно меньше 10^-3, и от относительной погрешности измерения ускорений, которая находится на уровне 10^-4. При этом в целом относительная погрешность измерения координат центра массы реально будет составлять 10^-3, что для практических целей достаточно.

Данный способ может быть применен на автомобильном транспорте, на самолетах, на подводных лодках, на морских судах. При этом обеспечивают контроль за положением центра массы транспортного средства, что очень важно для центровки жидких и сыпучих грузов при их погрузке и транспортировке. Для плавающих транспортных средств координаты центра массы позволяют определить метацентрическую высоту и остойчивость транспортного средства.

Литература

1. Заявка 92008988/11 от 27.11.1992 г., опубликована 10.04.1996 г. «Измеритель фактической остойчивости судна». Заявители: Ходорковский Я.И. и др.

2. Заявка 5032476/11 от 17.02.1992 г., опубликована 10.04.1996 г. «Способ контроля остойчивости и скорости судна». Заявители: Нечаев Ю.И. и др.

3. Заявка 94030622/11 от 08.08.1996 г., опубликована 27.09.1997 г. «Способ контроля остойчивости судна». Заявители: Нечаев Ю.И. и др.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к способам определения технических параметров транспортного средства, в частности его центра масс. Для этого при реализации способа регистрируют процесс колебаний транспортного средства, затем производят спектральный анализ колебаний, после чего определяют частоту максимальной амплитудной составляющей спектра, которая является частотой собственных колебаний транспортного средства. При этом регистрируют колебания в виде переменных ускорений в четырех точках транспортного средства, для каждой из ортогональных осей определяют разность двух ускорений. Затем производят спектральный анализ n последовательных реализаций разности ускорений, усредняют между собой полученные n спектров для нахождения частоты собственных колебаний транспортного средства. После этого производят спектральный анализ n последовательных реализаций ускорения, зарегистрированного в точке начала координат, и определяют координаты центра тяжести (центра масс) транспортного средства. Технический результат заключается в упрощении процесса измерений и снижении погрешности измерений координат центра масс. 1 ил.

Способ определения параметра транспортного средства, согласно которому регистрируют процесс колебаний транспортного средства, затем производят спектральный анализ колебаний, определяют частоту максимальной амплитуды составляющей спектра, которая является частотой собственных колебаний транспортного средства, отличающийся тем, что регистрируют колебания в виде переменных ускорений в четырех точках транспортного средства, расположенных в ортогональной системе с координатами (0; 0; 0), (1x; 0; 0), (0; 1y; 0), (0; 0; 1z), после чего для каждой из ортогональных осей определяют разность двух ускорений, затем производят спектральный анализ n реализаций разности ускорений, усредняют между собой полученные n спектров для нахождения частоты собственных колебаний транспортного средства, после чего производят спектральный анализ n реализаций ускорений, зарегистрированных в точке начала координат, и определяют усредненную амплитуду спектральной составляющей данного ускорения на частоте собственных колебаний транспортного средства, которую затем делят на усредненную амплитуду спектральной составляющей разности ускорений на частоте собственных колебаний, а результат деления умножают на величину соответствующей координаты l_x,y,z, в результате чего находят значение координаты центра массы транспортного средства по данной ортогональной оси.