Устройство для определения координат подвижного объекта с использованием магнитного поля

Авторы патента:

Голев Игорь Михайлович (RU)

Никитина Елизавета Андреевна (RU)

Заенцева Татьяна Игоревна (RU)

G01V3/10 - с помощью индукционных катушек

G01S5/16 - с использованием электромагнитных волн иных, чем радиоволны

G01R33/02 - измерение направления или напряженности магнитных полей или магнитных потоков (G01R 33/20 имеет преимущество; измерение направления или напряженности магнитного поля земли для целей навигации или съемки G01C; для разведки, для измерения магнитного поля земли G01V 3/00)

Владельцы патента RU 2713456:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к средствам определения координат подвижного объекта, и может быть использовано в системах посадки летательных аппаратов, в строительстве для направленного бурения скважин, в системах навигации подвижных объектов, в медицине для сверхточного позиционирования и других областях науки и техники. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства, в частности обеспечении навигации для удаленного подвижного объекта. Технический результат достигается за счет того, что в устройство для определения координат подвижного объекта в состав наземной аппаратуры дополнительно введены последовательно соединенные блок управления и первая ключевая схема, выход которой соединен со второй катушкой индуктивности, выход источника гармонического сигнала соединен со вторым входом первой ключевой схемы, в состав бортовой аппаратуры введены последовательно соединенные блок определения режима работы наземной аппаратуры, вторая ключевая схема и генератор опорного сигнала, выход которого соединен со вторым входом блока определения разности фаз, а также третья и четвертая ключевые схемы, первые входы которых объединены с входом блока определения режимов работы наземной аппаратуры и вторым входом второй ключевой схемы и соединены с выходом измерительного устройства, второй выход блока определения режима работы наземной аппаратуры соединен с объединенными входами третьей и четвертой ключевых схем, выходы третьей и четвертой ключевых схем соединены соответственно с входом блока измерения амплитуд и вторым входом блока измерения разности фаз. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к средствам определения координат подвижного объекта, и может быть использовано в системах посадки летательных аппаратов, в строительстве для направленного бурения скважин, в системах навигации подвижных объектов, в медицине для сверхточного позиционирования и других областях науки и техники. Технология определения координат подвижного объекта в искусственном магнитном поле заключается в генерации в зоне движения объекта магнитного поля с известными пространственными и временными зависимостями, измерении характеристик этого поля, например, с использованием магнитометрических датчиков, и вычислении координат подвижного объекта [Желамский М.В. Электромагнитное позиционирование подвижных объектов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013, с. 7]

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство определения координат [Shuang Song, Chao Ни, Ваори Li, Xiaoxiao Li, Max Q.-H. Meng An Electromagnetic localization and orientation method based on rotating magnetic dipole // IEEE Transactions on magnetics, Vol. 49, №3, march 2013. - P. 1274-1277], состоящее из источника магнитного поля, создаваемого двумя катушками индуктивности, расположенными взаимно перпендикулярно, подключенными к источнику тока со сдвигом фаз друг относительно друга. Создаваемое магнитное поле эквивалентно полю вращающегося магнитного диполя. Измерительное устройство состоит из трех ортогональных магнитометрических датчиков, расположенных на подвижном объекте. Измерительное устройство соединено с блоком измерения амплитуд и блоком измерения разности фаз, которые соединены с блоком определения координат. Для измерения начальных фаз используется метод фазовой синхронизации источника магнитного поля и приемника. Синхронизация достигается путем передачи опорного сигнала, формируемого наземной аппаратурой, по проводному каналу связи. Недостатком этого устройства является узкая область применения, связанная с наличием проводного канала связи.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, выражается в расширении функциональных возможностей устройства. В частности, устройство позволяет решать навигационные задачи для удаленного подвижного объекта.

Технический результат достигается тем, что устройство для определения координат подвижного объекта, состоит из наземной аппаратуры в составе генератора магнитного поля, состоящего из источника гармонического сигнала и двух взаимно перпендикулярных катушек индуктивности, выход источника гармонического сигнала с первой катушкой индуктивности через фазовращатель на и бортовой аппаратуры в составе измерительного устройства, блока измерения амплитуды, блока измерения разности фаз и блока вычисления координат, выход которого является выходом устройства, при этом выход блока измерения амплитуды и выход блока измерения разности фаз соединены с первым и вторым входами блока вычисления координат соответственно, согласно изобретению, в наземную аппаратуру дополнительно введены последовательно соединенные блок управления и первая ключевая схема, выход которой соединен со второй катушкой индуктивности, выход источника гармонического сигнала соединен со входом первой ключевой схемы, в бортовую аппаратуру введены последовательно соединенные блок определения режима работы наземной аппаратуры, вторая ключевая схема и генератор опорного сигнала, выход которого соединен со вторым входом блока определения разности фаз, а также третья и четвертая ключевые схемы, первые входы которых объединены со входом блока определения режимов работы наземной аппаратуры и вторым входом второй ключевой схемы и соединены с выходом измерительного устройства, вторые входы третьей и четвертой ключевых схем соединены со вторым выходом блока определения режима работы наземной аппаратуры, выходы третьей и четвертой ключевых схем соединены соответственно со входом блока измерения амплитуд и вторым входом блока измерения разности фаз.

Сущность изобретения заключается в том, что в состав наземной аппаратуры дополнительно введены последовательно соединенные блок управления и первая ключевая схема, выход которой соединен со второй катушкой индуктивности, выход источника гармонического сигнала соединен со вторым входом первой ключевой схемы, в состав бортовой аппаратуры введены последовательно соединенные блок определения режима работы наземной аппаратуры, вторая ключевая схема и генератор опорного сигнала, выход которого соединен со вторым входом блока определения разности фаз, а также третья и четвертая ключевые схемы, первые входы которых объединены со входом блока определения режимов работы наземной аппаратуры и вторым входом второй ключевой схемы и соединены с выходом измерительного устройства, второй выход блока определения режима работы наземной аппаратуры соединен с объединенными входами третьей и четвертой ключевых схем, выходы третьей и четвертой ключевых схем соединены соответственно со входом блока измерения амплитуд и вторым входом блока измерения разности фаз.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1. На фиг. 1а показана схема работы первой ключевой схемы, обозначены режимы работы наземной аппаратуры, а на фиг. 16 - временные зависимости проекций магнитной индукции, где обозначено:

1-1, 1-2, 1-3 - временные зависимости проекций вектора магнитной индукции на оси х (B_x(t)), у (B_y(t)) и z (B_z (t)) соответственно;

2 - опорный сигнал;

На фиг. 1б также обозначены Δϕ_x, Δϕ_y, Δϕ_z- разности фаз между проекциями вектора магнитной индукции В на оси х, у и z и опорным сигналом соответственно.

Введенные, согласно изобретению, блок управления и первая ключевая схема обеспечивают создание магнитного поля в двух режимах: режиме синхронизации и режиме измерения координат. Введение дополнительных блоков в бортовую аппаратуру позволяет определить режим работы наземной аппаратуры и формировать опорный сигнал непосредственно в бортовой части устройства без использования проводного канала связи, этим достигается технический результат.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, где обозначено: 3 - наземная аппаратура, 4 - бортовая аппаратура, 5 - источник гармонического сигнала, 6 - фазовращатель, 7-1, 7-2 - две взаимно ортогональные катушки индуктивности, 8-1 - первая ключевая схема, 8-2 - вторая ключевая схема, 8-3 - третья ключевая схема, 8-4 - четвертая ключевая схема, 9 - блок управления, 10 - измерительное устройство, 11 - блок определения режима работы наземной аппаратуры, 12 - блок определения амплитуды, 13 - генератор опорного сигнала, 14 - блок определения разности фаз, 15 - блок вычисления координат.

Катушки 7-1 и 7-2 предназначены для создания магнитного поля, блок управления 9 предназначен для переключения режимов работы наземной аппаратуры. Назначение остальных блоков ясно из их названия. Блок определения режима работы наземной аппаратуры 11 работает следующим образом. Известно [Shuang Song, Chao Ни, Ваори Li, Xiaoxiao Li, Max Q.-H. Meng An Electromagnetic localization and orientation method based on rotating magnetic dipole // IEEE Transactions on magnetics, Vol. 49, №3, march 2013. - P. 1274-1277], что при формировании магнитного поля с помощью одной катушки индуктивности создается поле, эквивалентное полю неподвижного магнитного диполя, и колебания проекций векторов магнитной индукции B_x(t), B_y(t) и B_z(t) происходят в одной фазе, а при формировании магнитного поля с помощью двух катушек индуктивности, расположенным взаимно перпендикулярно, подключенных к источнику тока со сдвигом фаз друг относительно друга, создается поле, эквивалентное полю вращающегося магнитного диполя, и колебания проекций векторов магнитной индукции B_x(t), B_y(t) и B_z(t) имеют разность фаз, отличную от нуля. Поэтому в блоке определения режима работы наземной аппаратуры проверяется условие равенства фаз.

Устройство работает следующим образом. Наземная аппаратура 3 создает магнитное поле с заданными характеристиками. А именно, в течение времени T₁ создается магнитное поле, эквивалентное полю неподвижного магнитного диполя (режим синхронизации), далее в течение времени Т₂аналогично работе [Shuang Song, Chao Ни, Ваори Li, Xiaoxiao Li, Max Q.-H. Meng An Electromagnetic localization and orientation method based on rotating magnetic dipole // IEEE Transactions on magnetics, Vol. 49, №3, march 2013. - P. 1274-1277] создается магнитное поле, эквивалентное полю вращающегося магнитного диполя (режим измерения). Во время режима синхронизации от источника гармонического сигнала 5 ток проходит через фазовращатель 6 на первую катушку индуктивности 7-1, ключ 8-1 разомкнут и через вторую катушку индуктивности ток не течет. Магнитное поле создается одной катушкой индуктивности, это поле эквивалентно полю неподвижного магнитного диполя. Во время режима измерения ключ 8-1 замкнут, от источника гармонического сигнала 5 ток проходит на вторую катушку индуктивности 7-2. Таким образом, в режиме измерения магнитное поле создается двумя катушками индуктивности, расположенными перпендикулярно, подключенными к источнику тока со сдвигом фаз друг относительно друга, это поле эквивалентно полю вращающегося магнитного диполя. Переключение режимов осуществляется с помощью блока управления 9. Минимальное значение T₁ и Т₂ равно периоду колебаний тока источника гармонического сигнала 5, максимальное значение T₁ и Т₂ _{определяется скоростью подвижного объекта. Необходимо, чтобы за время измерения Т₁+Т₂ координата подвижного объекта изменилась незначительно [Желамский М.В. Электромагнитное позиционирование подвижных объектов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013, с. 12].}

Измерительное устройство 10 бортовой аппаратуры 4 представляет собой три взаимно ортогональных датчика магнитного поля, которые измеряют мгновенные значения проекций вектора магнитной индукции В_х, В_у, B_z. Временные зависимости B_x(t), B_y(t) и B_z(t) приведены на фиг. 1б. В блоке определения режима работы наземной аппаратуры 11 происходит сравнение фаз колебаний B_x(t), B_y(t) и B_z(t). В случае равенства фаз генерация происходит в режиме синхронизации, в случае различия фаз генерация происходит в режиме измерения (фиг. 1) [Shuang Song, Chao Ни, Ваори Li, Xiaoxiao Li, Max Q.-H. Meng An Electromagnetic localization and orientation method based on rotating magnetic dipole // IEEE Transactions on magnetics, Vol. 49, №3, march 2013. - P. 1274-1277]. Блок определения режимов работы наземной аппаратуры 11 замыкает ключ 8-2 во время режима синхронизации, ключи 8-3 и 8-4 во время режима измерения. После окончания соответствующего режима работы ключи 8-2, 8-3, 8-4 размыкаются. Во время режима синхронизации сигнал попадает на генератор опорного сигнала 13, который создает опорный сигнал 2, совпадающий по фазе с колебаниями B_x(t) 1-1, B_y(t) 1-2 и B_z(t) 1-3, полученными в режиме синхронизации, и поступающий на блок определения разности фаз 14 в режиме измерения. Во время режима измерения сигнал поступает на блок определения амплитуд 12 и блок определения разности фаз 14. Значения 3-х амплитуд (В_0х, В_0у, B_0z) и 3-х разностей фаз (Δϕ_х, Δϕ_у, Δϕ_z) (фиг. 1б) поступают на блок вычисления координат 15, в котором аналогично работе [Shuang Song, Chao Ни, Ваори Li, Xiaoxiao Li, Max Q.-H. Meng An Electromagnetic localization and orientation method based on rotating magnetic dipole // IEEE Transactions on magnetics, Vol. 49, №3, march 2013. - P. 1274-1277] вычисляются координаты подвижного объекта.

Таким образом, в предложенном устройстве вычисляются координаты подвижного объекта, причем опорный сигнал формируется в бортовой части устройства без использования дополнительного канала связи с наземной аппаратурой, что приводит к расширению области применения устройства и обеспечивает решение навигационных задач для удаленного подвижного объекта.

Следовательно, предлагаемое изобретение, обладая новизной, полезностью и реализуемостью, может найти широкое применение для определения координат подвижного объекта.

Устройство для определения координат подвижного объекта, состоящее из наземной аппаратуры в составе источника гармонического сигнала и двух катушек индуктивности, расположенных взаимно перпендикулярно, выход источника гармонического сигнала соединен с первой катушкой индуктивности через фазовращатель на бортовой аппаратуры в составе измерительного устройства, блока измерения амплитуды, блока измерения разности фаз и блока вычисления координат, выход которого является выходом устройства, при этом выход блока измерения амплитуды и выход блока измерения разности фаз соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычисления координат, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в состав наземной аппаратуры дополнительно введены последовательно соединенные блок управления и первая ключевая схема, выход которой соединен со второй катушкой индуктивности, выход источника гармонического сигнала соединен со вторым входом первой ключевой схемы, в состав бортовой аппаратуры введены последовательно соединенные блок определения режима работы наземной аппаратуры, вторая ключевая схема и генератор опорного сигнала, выход которого соединен со вторым входом блока определения разности фаз, а также третья и четвертая ключевые схемы, первые входы которых объединены с входом блока определения режимов работы наземной аппаратуры и вторым входом второй ключевой схемы и соединены с выходом измерительного устройства, второй выход блока определения режима работы наземной аппаратуры соединен с объединенными входами третьей и четвертой ключевых схем, выходы третьей и четвертой ключевых схем соединены соответственно с входом блока измерения амплитуд и вторым входом блока измерения разности фаз.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано для обнаружения малоразмерных металлических включений в изделиях из полимерных композитных материалов, а также в любых непроводящих материалах.

Способ и система для обнаружения проводящих объектов // 2708023

Изобретение относится к обнаружению электропроводящих объектов, таких как инородный металл, заключенных в порцию груза минеральной руды/грунта в пределах области обнаружения приемного контейнера для земляных работ.

Система автономного электропитания арочного металлообнаружителя, выполненная на основе фотоэлектрической станции // 2694128

Изобретение относится к системам обнаружения с помощью индукционных катушек токопроводящих объектов, например огнестрельного и (или) холодного оружия, металлосодержащих взрывных устройств и т.п.

Измерительный комплекс для поиска и диагностики подземных коммуникаций // 2687236

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для оценки фактического положения и состояния подземных коммуникаций. Технический результат: повышение надежности и достоверности диагностики подземных коммуникаций.

Металлообнаружитель многозонный // 2680854

Изобретение относится к устройствам обнаружения объектов из металла, перемещаемых через контрольное пространство. Сущность: металлообнаружитель содержит передающие катушки, установленные вертикально на одной стороне прохода, приемные катушки, установленные вертикально на другой стороне прохода, блок управления и индикации, соединенный с передающими и приемными катушками и генерирующий сигнал о наличии и местоположении объектов из металла в контрольном пространстве на блок индикации.

Способ импульсной наземной геологоразведки (варианты) // 2676556

Изобретения относятся к области геофизики и могут быть использованы для обнаружения и контроля газонасыщенных пластов методом индукционного зондирования. Технический результат: расширение информационных возможностей.

Металлообнаружитель многозонный многочастотный с гармоническим возбуждением // 2672162

Металлообнаружитель многозонный многочастотный с гармоническим возбуждением относится к устройствам обнаружения объектов из металла, проносимых проверяемыми лицами через контрольное пространство.

Способ обнаружения металлических объектов и устройство для его осуществления - металлообнаружитель // 2671914

Группа изобретений относится к области обнаружения металлических объектов. Сущность изобретений заключается в том, что способ обнаружения металлических предметов дополнительно содержит этапы, на которых исходящий сигнал создают двумя независимыми источниками электромагнитного поля, причем на этапе автоматизированной настройки, предшествующем выходу на режим обнаружения, амплитуду и фазу каждого источника устанавливают таким образом, чтобы обеспечить близкий к нулевому уровню минимальный входящий сигнал, получаемый приемником электромагнитного поля, который усиливают, компенсируют противоположным по фазе и равным по амплитуде сигналом компенсации, после чего дополнительно усиливают, а также осуществляют периодическое изменение направления электромагнитного поля, для чего периодически изменяют взаимное расположение источников электромагнитного поля и приемника электромагнитного поля относительно друг друга на противоположное, сопоставляя и суммируя значения изменения амплитуды и фазы входящих сигналов, получаемых при разных направлениях электромагнитного поля.

Способ обнаружения металлических объектов и устройство для его осуществления - металлообнаружитель // 2671914

Металлодетектор и способ обнаружения металлических объектов // 2663250

Изобретение относится к области обнаружения металлических объектов, находящихся в различных укрывающих средах. Технический результат: повышение помехозащищенности, чувствительности и идентификационной способности металлодетектора.

Устройство определения местоположения цели посредством коррекции по звезде, предназначенное для установки на подвижном носителе // 2713250

Изобретение относится к устройству (1) определения местоположения цели. Устройство содержит: камеру (2), ориентируемую в ориентации для наблюдения цели, чтобы камера могла снять изображение цели, и в ориентации для наблюдения звезды, чтобы камера могла снять по меньшей мере одно изображение звезды; блок (4) инерциальных датчиков, выполненный с возможностью вычисления данных положения и данных ориентации камеры (2); модуль (6) коррекции, выполненный с возможностью применения коррекции по звезде к указанным данным, вычисленным на основании изображения звезды, чтобы выдавать скорректированные данные; модуль (8) определения местоположения, выполненный с возможностью оценки положения цели (Т) на основании изображения цели (Т) и скорректированных данных; интерфейс связи с постом оператора, при этом камера (2) переходит из одной ориентации в другую в ответ на получение через интерфейс команды, переданной с поста оператора.

Способ и система передачи медиаинформации с беспилотных воздушных средств на пункт сбора данных по слабонаправленному оптическому каналу с квантовым приемом медиапотока // 2703797

Изобретение относится к системам передачи цифровой информации по слабонаправленному оптическому лазерному каналу связи с ЛА на пункт сбора данных, построенного с использованием технологии квантового приема оптической информации.

Определение ориентации // 2678689

Изобретение относится к светильнику с кодированным светом для использования при определении ориентации камеры на основании изображения светильника. Техничекий результат заключается в определении ориентации камеры относительно источника света, основываясь на изображении этого источника, захваченного камерой.

Способ поиска оптических и оптико-электронных приборов // 2676856

Способ поиска оптических и оптико-электронных приборов основан на использовании дистанционно пилотируемого аппарата, который осуществляет сканирование зоны поиска по определенной траектории.

Способ поиска оптических и оптико-электронных приборов // 2676856

Система управления движением транспортных средств (варианты) и способ генерирования информации плана для транспортных средств // 2667435

Группа изобретений относится к системам управления движением транспортных средств и способу генерирования информации плана движения транспортных средств в зоне движения или парковки.

Способ управления транспортным средством и транспортное средство // 2662886

Группа изобретений относится к способу управления транспортным средством в системе управления движением транспортных средств и транспортному средству. Для управления транспортным средством принимают проекцию от генератора сетки, генерируют навигационный выходной сигнал и передают его в систему управления движением транспортных средств, от которой принимают план управления движением, выполняют план движения.

Способ обнаружения наблюдателя // 2652659

Предлагаемое изобретение относится к области технической оптики и касается способа обнаружения наблюдателя. Способ включает в себя локализацию возможного места размещения наблюдателя и энергетическое освещение фронтальной поверхности оптического прибора наблюдателя экипированной группой из опознавателя и операторов.

Устройство сканирования и слежения // 2645733

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в приборах кругового и секторного обзора, обнаружения, сопровождения и телевизионной регистрации морских и наземных объектов.

Оптико-электронная система обнаружения объектов // 2639321

Изобретение относится к оптикоэлектронике, пассивной оптической локации и наземным системам обнаружения воздушных объектов и может быть использовано для обнаружения и распознавания малоразмерных воздушных объектов различного типа: беспилотных летательных аппаратов, птиц, воздушных шаров и других объектов, представляющих опасность для воздушного движения.

Электромагнитный датчик и его калибровка // 2712981

Группа изобретений относится к контролю формирования микроструктуры металлической мишени. Система для контроля микроструктуры металлической мишени содержит множество электромагнитных датчиков для вывода магнитного поля, причем возбуждающий сигнал, выводимый каждым из электромагнитных датчиков, представляет собой многочастотный сигнал, детектирования результирующего магнитного поля и вывода сигнала детектирования в ответ на это; и блок управления, выполненный с возможностью приема сигналов детектирования от множества электромагнитных датчиков, определения изменения фазы между выходным магнитным полем и результирующим магнитным полем на каждой из множества частот, формирующих многочастотный сигнал для каждого из множества электромагнитных датчиков, и определения микроструктуры металлической мишени на множестве электромагнитных датчиков на основании изменений фазы.