Патент на изобретение №2302006

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА

(57) Реферат:

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 трех трехкомпонентных акселерометров, регистрирующего блока и вычислительного устройства, размещенных на подвижном объекте и включенных между собой соответствующим образом, обеспечивает исключение влияния магнитных возмущений и существенное ослабление влияния ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, на погрешность определения углового положения упомянутого объекта. 1 ил.

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 устройстве 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 0, 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 OY перпендикулярна осям ОХ и OZ. Взаимное расположение положительных направлений координатных осей ОХ, OY, OZ соответствует 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 существенно ослабляющего 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 OX, OY, OZ системы координат OXYZ подвижного объекта с началом координат в точке 0, регистрирующий блок, подключенный к трехкомпонентному акселерометру, и вычислительное устройство, подключенное к регистрирующему блоку, снабжено вторым и третьим трехкомпонентными акселерометрами, подключенными к регистрирующему блоку, оси чувствительности второго и третьего акселерометров коллинеарны осям чувствительности первого акселерометра, одна из осей чувствительности первого акселерометра соосна с осью чувствительности третьего акселерометра, которая соосна с любой из двух строительных осей подвижного объекта, перпендикулярных строительной оси OZ, которая нормальна плоскости OXY подвижного объекта, при этом начало координат, точка 0, выбрана в месте центра тяжести подвижного объекта, а расстояния между акселерометрами и центром тяжести подвижного объекта выбраны из условия r₁>r₁₂13, где r₁, r₁₂, r₁₃ – соответствующие расстояния между первым акселерометром и центром тяжести подвижного объекта, между первым и вторым акселерометрами, между первым и третьим акселерометрами.

Применение в предлагаемом устройстве для определения углового положения подвижного объекта трехкомпонентного акселерометра, регистрирующего блока и вычислительного устройства в совокупности с вторым и третьим трехкомпонентными акселерометрами, размещенными на подвижном объекте и включенными между собой соответствующим образом, обеспечивает исключение влияния магнитных возмущений и существенное ослабление влияния 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 в существенном ослаблении влияния ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, в частности от рыскания, на погрешность определения углов курса, крена, тангажа, что повышает точность определения углового положения подвижного объекта.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующими графическими материалами.

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 1-3, регистрирующего блока 4, подключенного к акселерометрам 1-3, вычислительного устройства 5, подключенного к блоку 4, и подвижного объекта 6, на котором размещены акселерометры 1-3, блок 4 и устройство 5. Оси чувствительности акселерометров 1-3 коллинеарны строительным осям ОХ, OY, OZ системы координат OXYZ объекта 6 с началом координат в точке 0, выбранной в месте центра тяжести подвижного объекта 6. Ось чувствительности акселерометра 1 соосна с осью чувствительности акселерометра 3, которая соосна с любой из двух строительных осей ОХ или OY, например ОХ, перпендикулярной строительной оси OZ, которая нормальна плоскости OXY объекта 6. Расстояния между акселерометрами 1-3 и центром тяжести объекта 6 точкой 0 выбраны из условия r₁>r₁₂13, где r₁, r₁₂, r₁₃ – соответствующие расстояния между акселерометром 1 и центром тяжести объекта 6, между акселерометрами 1 и 2, между акселерометрами 1 и 3.

Предлагаемое устройство для определения углового положения подвижного объекта работает следующим образом. Сигналы с выходов каждого из акселерометров 1 и 3 (см. чертеж) пропорциональны, например, проекциям векторов ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта 6, и проекциям вектора ускорения силы тяжести, а сигналы с акселерометра 2 пропорциональны только проекциям векторов ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта 6 [5, 6]. Благодаря выбранному пространственному размещению акселерометров 1 и 2 на объекте 6 можно принять ускорения, обусловленные неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта 6, в местах размещения акселерометров 1 и 2 равными, что обеспечивает существенное ослабление влияния этих ускорений на погрешности определения направляющих косинусов n_1i, n_2i, n_3i строительных осей ОХ, OY, OZ, являющихся функциями только углов крена и тангажа объекта в выбранной опорной системе координат, например географической системе координат, а следовательно, и обеспечивает повышение точности определения углового положения подвижного объекта 6, где i=1, 2, 3, … – порядковый номер времени регистрации сигналов с акселерометров 1-3.

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

где a_x1i, a_y1i, a_z1i и a_x2i, a_y2i, a_z2i – проекции векторов ускорений, измеренные соответствующими акселерометрами 1 и 2; g – модуль вектора ускорения силы тяжести. Из уравнений (1)-(3) определяют углы крена _i и тангажа _i объекта.

В результате выбранного пространственного размещения акселерометров на объекте ускорения a_x1ia_x3i, a_y1ia_y3i, a_z1ia_z3i при изменении ориентации осей ОХ, OY, OZ, где a_x3i, a_y3i, a_z3i – проекции векторов ускорений, измеренные акселерометром 3.

Ось чувствительности акселерометра 1 соосна с осью чувствительности акселерометра 3 и с осью ОХ. Проекции векторов ускорений на строительные оси ОХ, OY, OZ, измеренные соответствующими акселерометрами 1 и 3, обусловленные неравномерностью скорости поступательного движения объекта и вектором ускорения силы тяжести, равны. Поэтому разность проекций векторов ускорений (a_х1i-a_х3i) пропорциональна изменению угла отклонения продольной строительной оси ОХ за малый интервал времени [t_i-1, t_i], в течение которого эту разность ускорений можно принять постоянной [7], а разности проекций векторов ускорений (a_y1i-a_y3i), (a_z1i-a_z3i) равны разностям тангенциальных ускорений в местах размещения акселерометров 1 и 3. В таком случае, по известному расстоянию между акселерометрами 1 и 3, разности ускорений (a_x1i-a_x3i) и интервалу времени [t_i-1, t_i] определяют косинус угла отклонения продольной строительной оси ОХ объекта 6 за [t_i-1, t_i] интервал времени от известного предыдущего направления оси ОХ в t_i-1 момент времени, в частности стартового углового положения объекта. Затем по известному косинусу угла отклонения оси ОХ, углу тангажа _i, разности ускорений (a_y1i-a_y3i) и угловому положению объекта в t_i-1 момент времени определяют угол курса _i объекта в t_i момент времени в выбранной опорной системе координат.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении определение углового положения подвижного объекта осуществляется по измеренным ускорениям акселерометрами 1-3 (см. чертеж) и известным расстояниям между этими акселерометрами и центром тяжести подвижного объекта, что исключает влияние магнитных возмущений на погрешность определения углового положения подвижного объекта. Предлагаемое техническое решение по сравнению с аналогом и прототипом существенно ослабляет 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 углового положения подвижного объекта.

Применение в предлагаемом техническом решении трехкомпонентных акселерометров связано не только с решением задачи определения углового положения подвижного объекта, но и с привязкой осей чувствительности к опорной системе координат [8] и с возможностью определения координат и направления движения объекта как при отсутствии, так и при наличии дрейфа подвижного объекта.

В предлагаемом техническом решении акселерометры 1-3 (фиг.1) могут быть выполнены на базе однокомпонентных акселерометров обоих типов [5, 6]. В качестве регистрирующего блока 4 и вычислительного устройства 5 можно использовать преобразователь измерительный многоканальный ПИМ-1 (сертификат №15660, Госстандарт России).

Литература

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

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

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

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. Теория и конструкция гироскопических приборов и систем. – М.: Высшая школа. 1971. 508 с.

Формула изобретения

Устройство для определения углового положения подвижного объекта, включающее трехкомпонентный акселерометр, у которого оси чувствительности коллинеарны соответствующим строительным осям ОХ, OY, OZ системы координат OXYZ подвижного объекта с началом координат в точке 0, регистрирующий блок, подключенный к трехкомпонентному акселерометру, и вычислительное устройство, подключенное к регистрирующему блоку, отличающееся тем, что оно снабжено вторым и третьим трехкомпонентными акселерометрами, подключенными к регистрирующему блоку, оси чувствительности второго и третьего акселерометров коллинеарны осям чувствительности первого акселерометра, одна из осей чувствительности первого акселерометра соосна с осью чувствительности третьего акселерометра, которая соосна с любой из двух строительных осей подвижного объекта, перпендикулярных строительной оси OZ, которая нормальна плоскости OXY подвижного объекта, при этом начало координат точка 0 выбрана в месте центра тяжести подвижного объекта, а расстояния между акселерометрами и центром тяжести подвижного объекта выбраны из условия r₁>r121, r₁₂, r₁₃ – соответствующие расстояния между первым акселерометром и центром тяжести подвижного объекта, между первым и вторым акселерометрами, между первым и третьим акселерометрами.,>

РИСУНКИ