СПОСОБ НАВИГАЦИИ ТРАНСПОРТНОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПО ОДНОПРОВОДНОЙ ЛИНИИ РАДИОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2024 года по МПК G01C23/00 

Изобретение относится к навигационной технике и может быть использовано для навигации транспортных и технологических машин (ТТМ) в условиях отсутствия радионавигационного поля, внутри экранированных строительных и инженерных сооружений, в горизонтальных и наклонных выработках пространства почв и горных пород.

Особенностью подземных и экранированных сооружений являются жесткие условия эксплуатации для радиооборудования, в которых не могут быть использованы большинство навигационных систем, в частности глобальные навигационные спутниковые систем (ГНСС). Взвешенные частицы в атмосфере производственных и транспортных сооружений ограничивают применение оптических датчиков. Кроме того, на некоторых объектах может быть пожаро- и взрывоопасная атмосфера, которая предъявляет дополнительные требования к используемому оборудованию.

Условия работы под землей связаны с недостатком или отсутствием освещения, высокой влажностью, неровными несущими или опорными поверхностями движителя, нерегулярными поперечными сечениями туннелей и грязью.

Аналогом изобретения является индукционная система наведения колесного транспортного робота (Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: справочник. 2-е изд. перераб. и доп. М. Машиностроение. 1988. 392 с, Тимофеев А.В. Адаптивные робототехнические системы. Л. Машиностроение. 1988. 332 с.), в которой трасса задается электромагнитным полем, создаваемым переменным низкочастотным электрическим током, протекающим через кабель, проложенный под полом помещения, а на борту робота установлены приемные катушки, сигналы от которых пропорциональны отклонению робота от трассы и после усиления передаются в систему управления, формирующую команды, выдаваемые в ходовую часть.

Модуляция частоты переменного тока, подаваемого по кабелю, позволяет передавать роботу информацию о параметрах его движения.

Недостатки аналога заключаются в том, что используется токоведущий кабель, для функционирования которого необходим генератор переменного тока, происходит потеря работоспособности в случае обрыва токоведущего кабеля, а область применения этой системы ограничена промышленной робототехникой.

Аналогом изобретения является навигационная система рельсового транспорта (RU пат. №2280579 «Навигационная система железнодорожных транспортных средств»), содержащая размещенное на борту подвижного объекта вычислительное устройство, выполненное с возможностью подключения к каналам передачи информации, а также, по меньшей мере, один подключенный к вычислительному устройству спутниковый навигационный приемник с антенной, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит необслуживаемые пассивные маркеры, установленные безопасным образом на рельсовом пути с возможностью однозначного определения начала и конца каждого отдельного значащего участка рельсового пути, средство активации и регистрации откликов маркеров, снабженное антеннами и подключенное к вычислительному устройству, и базу данных маркеров, размещенную на подвижном объекте или стационарно с возможностью доступа к ней вычислительного устройства через каналы передачи информации, при этом необслуживаемые пассивные маркеры представляют собой устройства, получающие питание от энергии электромагнитных колебаний, передаваемой с подвижного объекта посредством антенн средства активации, и выполненные с возможностью при получении указанной энергии излучать модулированные электромагнитные колебания, однозначно характеризующие место установки маркера. В системе могут применяться индукционные или микроволновые средства активации и маркеры, а также дополнительно использоваться подключенный к вычислительному устройству инерционный датчик гироскопического типа и одометр.

Недостатки аналога заключаются в узкой области применения для рельсового транспорта, использовании спутникового навигационного приемника, значительной трудоемкости при установке большого количества пассивных маркеров вдоль трассы, а также чрезмерной сложности технического решения.

Прототипом изобретения является система вождения и навигации сухопутного транспорта (RU пат. 2652167 «Арктическая система вождения и навигационного обеспечения наземного транспорта») в которой на магистральных дорогах имеется подземный токоведущий кабель, подключенный к генератору переменного тока, выполняющий функцию навигационного обозначения трассы, а также бортовая регистрирующая аппаратура, включающая два ортогонально расположенных в горизонтальной плоскости транспортного средства индукционных магнитоприемника, и бортовое устройство регистрации параметров магнитной составляющей электромагнитного поля, генерируемого подземным токоведущим кабелем. Данная система также может включать расположенные вдоль региональной дороги металломинерализированные грунтовые дорожки, железобетонные плиты с ориентированной вдоль региональной дороги металлической арматурой, обесточенные металлосодержащие кабели и другие металлосодержащие подземные коммуникации, а также бортовую аппаратуру, содержащую детектор металлов, и бортовое устройство регистрации параметров детекции, подключенное к указанному детектору. При реализации системы для группы островов архипелага, а также организации трассы между островами и материком может быть использован токоведущий кабель, подключенный к генератору переменного тока, обеспечивающий вождение водоизмещающих транспортных средств типа амфибий, а также неводоизмещающих транспортных средств, при этом навигационное сопровождение дополнительно обеспечено телеметрической информацией обозначения, например, наименованием островов или объектов инфраструктуры.

Недостатки прототипа состоят в жестких требованиях к ортогональности пространственного размещения индукционных магнитоприемников, отсутствии возможности определить величину отклонения от трассы, необходимости использования генератора переменного тока на низких частотах, близких к промышленным, применение которого может быть ограничено в сооружениях с пожаро- и взрывоопасной атмосферой, влагонасыщенной несущей или опорной поверхностью, а также сложностями при обеспечении внутриобъектовой электромагнитной совместимости оборудования сооружения и потере работоспособности в случае обрыва токоведущего кабеля.

Задачей настоящего изобретения является повышение автономности навигации путем отказа от использования токоведущего кабеля, определение величины отклонения движителя от трассы, повышение пожаро- и взрывобезопасности эксплуатации ТТМ, улучшение электромагнитной совместимости оборудования сооружения в целом, исключение требования к ортогональности размещения магнитоприемников на ТТМ с движителями разных типов.

Задача решается тем, что, как показано на ФИГ. 1, генератор высоких частот 1 передает ток высокой частоты на радиопередающий блок 2, возбуждающий согласованную с окружающей средой 3 посредством активной нагрузки 4 однопроводную линию радиопередачи 5, которая излучает высокочастотный радиосигнал, поступающий на радиоприемный блок 6 для дальнейшего преобразования бортовой информационно-управляющей системой 7 в электрические сигналы управления ТТМ 8.

Предлагаемый способ навигации реализуется следующим образом.

Радиоприемный блок получает сигналы от однопроводной линии радиопередачи, находящейся в высокочастотном электромагнитном поле радиопередающего блока ТТМ, посредством индукционной связи через две среды распространения (несущую или опорную поверхность движителя и атмосферу).

Особенностью предлагаемого способа является то, что в данном случае используются зоны индукции излучающей и приемной радиосистемы ТТМ, при этом не требуется учитывать коэффициент преломления электромагнитной волны на границе двух сред распространения.

В качестве излучающих элементов из состава радиопередающего блока могут быть использованы магнитные антенны, а также катушки индуктивности, возбуждаемые высокочастотным полем магнитных антенн.

Однопроводная линия радиопередачи представляет собой кабель с жилами из диэлектрика либо проводника.

Для получения сигнала от однопроводной линии радиопередачи могут быть использованы магнитные антенны, а также катушки индуктивности, возбуждаемые высокочастотным полем магнитных антенн из состава радиоприемного блока.

В бортовую информационно-управляющую систему ТТМ поступают сигналы, амплитуда и фаза которых содержит информацию о путевом угле и величине отклонения продольной оси ТТМ от трассы, обозначенной однопроводной линией радиопередачи, проложенной под несущей или опорной поверхностью движителя.

Соответственно амплитуда поступившего сигнала определяет величину отклонения от трассы ТТМ, а фаза - ее путевой угол.

Надежная и безопасная эксплуатация ТТМ внутри сооружений с пожаро- и взрывоопасной атмосферой, влагонасыщенной несущей или опорной поверхностью обеспечивается за счет бесконтактного возбуждения однопроводной линии радиопередачи, исключающего образование плазмы и электрического пробоя сред распространения сигнала. Кроме того, обеспечивается навигация ТТМ даже при большом количестве обрывов однопроводной линии радиопередачи.

Бортовая информационно-управляющая система может обеспечивать индикацию направления движения экипажу ТТМ, либо автоматически вырабатывать сигналы управления движителям, что позволяет применить предложенный способ в системах управления робототехнических комплексов.

Предлагаемый способ может быть использован для навигации ТТМ с колесными, гусеничными, роторно-винтовыми, комбинированными движителями, а также аппаратов на воздушной подушке, сухопутных транспортных средств с аэродинамическим движителем и рельсового транспорта.

Кроме того, промерзшие и скользкие опорные поверхности, насыпи и завалы, влияющие на проходимость движителя, не оказывают воздействия на погрешность измерений путевого угла и величину отклонения продольной оси ТТМ от трассы.

Для обоснования возможности практической реализации навигационной аппаратуры на базе предложенного способа выполнен оценочный расчет.

Измерения выполняются в зоне индукции, называемой в иностранной литературе сферой Чу, радиус которой определяется выражением

где ƒ - частота высокочастотного радиосигнала; ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды; μ - относительная магнитная проницаемость среды.

Для ƒ=30 МГц радиус будет равен R=1,59 м в воздушной среде. Максимум стоячей волны в приемной антенне соответствует условию

При использовании цифрового дискриминатора с числом каналов, равным n=256, линейное разрешение по отклонению от заданной траектории будет равно

Допустим, что приемная и передающая антенны расположены вдоль оси ТТМ, а оси антенн взаимно перпендикулярны друг другу. Направление отклонения ТТМ вправо или влево определяется по направлению тока в приемной антенне, индуцированного излучением возбужденной однопроводной линии радиопередачи, т.е. фазы принимаемого сигнала.

Зависимость амплитуды сигнала от величины отклонения d имеет вид, представленный на ФИГ. 2а.

Так как вектор индукции магнитного поля подчиняется правилу правого базиса в трехмерном пространстве (т.н. «правилу буравчика»), то при отклонении влево принимаемый сигнал будет находится в противофазе относительно сигнала возбуждающего однопроводную линию радиопередачи, а при смещении вправо сигналы будут синфазны.

Фаза сигнала изменяется вместе с путевым углом β который представляет собой угол между направлением движения ТТМ и курсом, заданным однопроводной линией радиопередачи, что иллюстрирует ФИГ. 2б.

В повороте отклонение от однопроводной линии радиопередачи d для антенн в передней и задней части ТТМ будет иметь различную величину, как показано на ФИГ. 3. Погрешность измерения путевого угла ТТМ определяется соотношением

где - база между антеннами.

Погрешность измерений путевого угла при длине базы м и числе каналов цифрового дискриминатора n=256 составит

Достигаемый технический результат согласно предложенному решению - повышение автономности, безопасности, расширение условий эксплуатации ТТМ, возможность использования на ТТМ с различными типами движителей, улучшение электромагнитной совместимости оборудования в целом, а также исключение влияния механических и электрических характеристик опорных и несущих поверхностей на эффективность функционирования бортовых навигационных средств ТТМ, предназначенных для работы в подземных и экранированных сооружениях.

Изобретение относится к навигационной технике и может быть использовано для навигации транспортных и технологических машин (ТТМ) в условиях отсутствия радионавигационного поля, внутри экранированных строительных и инженерных сооружений, в горизонтальных и наклонных выработках пространства почв и горных пород. Способ навигации ТТМ по однопроводной линии радиопередачи, при котором на борту ТТМ размещают генератор высоких частот, радиопередающий блок с магнитными антеннами, радиоприемный блок с магнитными антеннами, информационно-управляющую систему. Под несущей или опорной поверхностью движителя ТТМ находится согласованная с окружающей средой посредством активной нагрузки однопроводная линия радиопередачи. При этом генератор высоких частот передает ток высокой частоты на радиопередающий блок, возбуждающий однопроводную линию радиопередачи, которая излучает высокочастотный радиосигнал, поступающий на радиоприемный блок для дальнейшего преобразования информационно-управляющей системой в электрические сигналы управления ТТМ. Технический результат – повышение автономности навигации ТТМ. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ навигации транспортной и технологической машины (ТТМ) по однопроводной линии радиопередачи, отличающийся тем, что на борту ТТМ находятся генератор высоких частот, радиопередающий блок с магнитными антеннами, радиоприемный блок с магнитными антеннами, информационно-управляющая система, а под несущей или опорной поверхностью движителя ТТМ находится согласованная с окружающей средой посредством активной нагрузки однопроводная линия радиопередачи, при этом генератор высоких частот передает ток высокой частоты на радиопередающий блок, возбуждающий однопроводную линию радиопередачи, которая излучает высокочастотный радиосигнал, поступающий на радиоприемный блок для дальнейшего преобразования информационно-управляющей системой в электрические сигналы управления ТТМ.

2. Способ навигации по п. 1, отличающийся тем, что радиопередающий блок включает катушки индуктивности, возбуждаемые высокочастотным полем магнитных антенн.

3. Способ навигации по п. 1, отличающийся тем, что радиоприемный блок включает катушки индуктивности, возбуждаемые высокочастотным полем магнитных антенн.

4. Способ навигации по п. 1, отличающийся тем, что однопроводная линия радиопередачи представляет собой диэлектрический кабель.

5. Способ навигации по п. 1, отличающийся тем, что однопроводная линия радиопередачи представляет собой проводящий кабель.