Пристрій для тривимірного орієнтування об’єкта

УКРАЇНА (19) UA 01,27510 (із, С2 (51, 6F16M11/12 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54, ПРИСТРІЙ ДЛЯ ТРИВИМІРНОГО ОРІЄНТУВАННЯ ОБ'ЄКТА (21,95038211 (22,03.09.1993 (24) 15.09.2000 (31, 9201609 (32,17.09.1992 (33, NL (86, РСТ/ЕР93/02377, 03.09.1993 (46,15.09.2000, Бюл. № 4, 2000 р. (72, Ваассен Вільгельм Марія Германус (NL), Гроененбоом Альберт (NL, (73, ХОЛЛАНДЗЕ СІГНААЛАППАРАТЕН Б.В. (NL, (56, ЕР 0155922, заявка кл. F 16 М 11/12, 1985. (57, 1. Устройство для трехмерного ориентирования объекта.устанавливаемого на первой плоскости устройства, относительно второй плоскости и для вращения объекта в первой плоскости, содержащее узел из трех корпусов с первой плоскостью, лежащей на верхней поверхности первого корпуса, и второй плоскостью, лежащей на нижней поверхности третьего корпуса, при этом второй корпус установлен с возможностью вращения вокруг оси N, образующей угол pi с нормалью Z ко второй плоскости, первый корпус установлен с возможностью вращения вокруг оси L, образующей угол Зг с осью N, и приводы, отличающееся тем, что каждый привод является индивидуальным приводом для соответствующего корпуса и предназначен для вращения элемента, образующего верхнюю поверхность корпуса, относительно элемента, образующего верхнюю поверхность корпуса, верхняя поверхность второго корпуса присоединена к нижней поверхности первого корпуса, верхняя поверхность третьего корпуса прикреплена к нижней поверхности второго корпуса, элемент, образующий верхнюю поверхность первого корпуса, установлен с возможностью вращения вокруг оси М, образующей угол Рз с L, углы Pi, Рг и рзне равны нулю, а первый корпус, второй корпус и третий корпус имеют в основном кольцеобразную форму. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено индикаторами угла, которые приспособ лены для измерения углов поворота второго кор пуса, первого корпуса и элемента, образующего верхнюю поверхность первого корпуса. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каж дый индикатор угла содержит оптически коди руемый указатель угла. 4. Устройство по п.З, отличающееся тем, что ус тройство кодирования, например кодом Грея, ус тановлено на одном из корпусов совместно с ус тройством для считывания кода. 5. Устройство по л п. 2-4, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено средством уп равления, соединенным с индикаторами углов и двигателями, причем указанное средство управ ления приспособлено для управления первым и вторым двигателями для ориентирования пер вой плоскости относительно второй плоскости и для управления третьим двигателем с целью вращения объекта в первой плоскости, компен сируя таким образом возможные вращения, вы зываемые совместным вращением второго и третьего корпусов. 6. Устройство по п 5, отличающееся тем, что дви гатель привода каждого корпуса представляет со бой шаговый двигатель и имеет индикатор относи тельного положения 7 Устройство по п 5 или 6, отличающееся тем, что приводы дополнительно содержат первую, вторую и третью зубчатые передачи, приспособленные для привода второго и третьего корпусов, а также вращающегося элемента, образующего верхнюю поверхность третьего корпуса, соответственно. 8. Устройство по пп.5-7, отличающееся тем, что средство управления включает модуль для определения по вектору ф измеренного сигнала, вектору эталонного сигнала э и вектору ф положения поверхности вектора 8 угловой погрешности, состоящего из угловой погрешности 8а азимута, угловой погрешности 5в возвышения и угловой погрешности 5г крена между системой координат, связанной с объектом, и требуемой системой координат. 9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что средство управления дополнительно содержит модуль для определения вектора и сигнала при вода по вектору 5 угпоаой погрешности. 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что век тор и сигнала привода определен передаточными функциями Hi, (s), Hi (s) и Нз (s) , по крайней мере, первого порядка по следующим соотношениям СМ О ю см 27510 = Я, (*)•».(*) где s - оператор Лапласа. 11 . Устройство по любому из вышеуказанных пунктов, отличающееся тем, что углы Pi, Рг и Рз в основном идентичны. Настоящее изобретение относится к устройствам для ориентирования объекта, установленного на первой плоскости по отношению ко второй плоскости и для вращения объекта в первой плоскости, оно содержит совокупность из трех, взаимосвязанных корпусов, которая с одной стороны соединена с верхней плоскостью и с другой стороны - со второй плоскостью, а также имеет три существенно непараллельных оси (вращения) и приводы для вращения по крайней мере части указанных корпусов. Устройство такого типа известно из ЕР-В 0155922. Этот патент относится к устройству для удержания опоры радарной антенны в горизонтальном положении и для вращения антенны в определенном азимутальном направлении. В известном устройстве объект вращается в первой плоскости с помощью четвертого корпуса, расположенного в центре устройства, причем указанный четвертый корпус приспособлен для обеспечения связи вращений в первой и второй плоскостях. Упомянутый четвертый корпус вместе со вспомогательными устройствами занимает центральную часть системы, что затрудняет проводку средств коммуникации, например кабелей и гибких волноводов внутри этого корпуса. Более того, это делает конструкцию в целом весьма сложной. Устройство согласно данному изобретению свободно от этих недостатков. Оно содержит систему из трех корпусов, имеющих в основном кольцевую форму, причем первая плоскость закреплена на верхней поверхности первого корпуса, верхняя поверхность второго корпуса закреплена на нижней поверхности первого корпуса, верхняя поверхность третьего корпуса прикреплена к нижней поверхности второго корпуса, а вторая плоскость закреплена на нижней поверхности третьего корпуса, причем каждый корпус снабжен индивидуальным приводом для вращения элемента, образующего верхнюю поверхность корпуса относительно его нижней поверхности, средство контроля предусмотрено для одновременного управления парой корпусов с целью ориентирования первой плоскости по отношению ко второй плоскости и для управления третьим корпусом с целью вращения объекта в первой плоскости и компенсации таким образом вращений, индуцированных упомянутой парой корпусов. Из FR-A 2562459 известна рука робота, в которой несколько идентичных кольцевидных корпусов используется для перемещения руки. В этом 12. Устройство по любому из вышеуказанных пун ктов, отличающееся тем, что первый, второй и третий корпуса в основном идентичны. 13. Устройство по любому из вышеуказанных пун ктов, отличающееся тем, что оно снабжено средством для предотвращения параллельности третьей оси вращения М и первой оси вращения N. 14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что устройство для предотвращения параллельности осей М и N содержит механические стопорные ус тройства. известном устройстве все корпуса смонтированы на одном корпусе и поэтому вращаются вместе с этим корпусом. Один из преимущественных вариантов данного изобретения характеризуется тем, что упомянутые корпуса в основном идентичны. Специальный вариант изобретения характеризуется тем, что оно снабжено приводом для каждого корпуса, каждый привод имеет двигатель, связанный со средством управления, зубчатую передачу и индикатор угла, подключенный к средству управления, причем указанный индикатор приспособлен для измерения угла поворота элемента, образующего верхнюю поверхность, от заданного положения по отношению к нижней поверхности (корпуса). . Наиболее предпочтительный вариант средства . управления характеризуется тем, что оно содержит модуль для определения по вектору Ф тест-сигнала, вектору & эталонного (опорного) сигнала и вектору Ч> положения палубы вектора 9 ег > которые были определены по отношению к известной системе координат Е, например, жестко связанной с землей Как показано на фиг.ЗА, вектор ё°: перпендикулярен нижней поверхности элемента 19, вектор ё'\ перпендикулярен плоскости чертежа. Ортогональная система Е1 привязана к плоскости верхнего среза 20, она состоит из векторов ё'х ,ё'} . ё1 z и определена по отношению к известной системе координат Е. Вектор ё'\ перпендикулярен к плоскости верхнего среза 20, вектор ё v параллелен вектору ё .. Оба вектора ё(\ и ё'у указывают в одном направлении от наблюдателя Оба вектора ё"х и ё'х расположены в одной плоскости - плоскости чертежа Ортогональная система Е2 привязана к верхней повер coscp, -sin(p( О* Sin(p, СО5ф( О О 0 1 (12) Аналогично изложенному система Е1 может быть выражена через систему Е°: cosP 0 sin ( О 1 О - sin Р 0 cos | (із) следовательно, (14) Если рассматривать комплекс из трех корпу сов, то, основываясь на изложенном, путем после довательного применения роторных матриц, мож но ортогональную систему Еь, привязанную к вер хней поверхности вращающегося элемента вер хнего корпуса, выразить через ортогональную сис тему Ео, привязанную к нижней поверхности ниж него корпуса Эта взаимосвязь может быть пред ставлена следующим образом (15) Для того, чтобы определить углы погрешностей верхней плоскости вращающегося элемента верхнего корпуса и, следовательно, углы погрешностей объекта, укрепленного на этой поверхности, необходимо ввести понятие требуемой системы координат Ew. Это дает возможность определить углы погрешностей как углы азимута, возвышения и крена между системами координат, одна из которых требуемая, а другая привязана к верхней поверхности вращающегося элемента верхнего корпуса. Подобно изложенному выше требуемая система координат может быть выражена через Ео Также Ег может быть выражена через Е* 27510 £ = Э.А) (17) В результате выражение для углов погрешности принимает вид: ) М Это выражение сводится к системе из девяти взаимосвязанных уравнений с тремя неизвестными углами S,,, &. и б,. Так как правая часть выражения - это известная роторная матрица, возможно получить два комбинированных решения для углов погрешности 5(1, 5, и 5,. Как наиболее очевидно, следует выбрать такую комбинацию, которая в фиксированном начальном положении сводит величины угловых погрешностей к нулю. Очевидно, устройство по данному изобретению следует так устанавливать на палубе судна, чтобы система координат Ео, привязанная к нижней поверхности нижнего корпуса, совпала с так' называемой эталонной системой, зафиксированной на судне. Указанная эталонная система представляет особой систему «по часовой стрелке», привязанную к судну. Эта система служит эталонной для определения положения судна по углам азимута, возвышения и крена по отношению к системе координат, закрепленной на земле (т.е. системе «по часовой стрелке», ориентированной на север) На практике указанные углы, определяющие положение судна, измеряются с помощью гироскопов. Если использовать этот способ, то можно выражение для Еь упростить, введя в него судовые углы азимута, возвышения и крена. Если символами ХУ«» vl; t у ХУ, обозначить соответственно углы азимута, возвышения и крена, то: Выражение для требуемой системы координат по отношению к эталонной системе координат, связанной с землей, имеет вид: (20) a Ef может быть выражена через £w: І.Ф ІФ І) (21) В результате получена следующая формула для углов погрешностей. Ф.^ФО (22) Преимущество использования угловых координат судна по отношению к неподвижной системе координат состоит в том, что при этом появляется возможность придания вращающемуся элементу верхнего корпуса некоторой произвольной позиции, которая выражается через 9 , 9 , 9 по отношению к неподвижной системе координат, связанной с землей путем управления приводами, при таком управлении, которое практически сводит к нулю 5„, 5, и S,. Если устройство, выполненное согласно данному изобретению, используется для стабилизации радара на судне, причем этот радар должен совершать высокоравномерное вращение по отношению к неподвижной системе координат,&, = 9 = 0 и Э, « о>/. где f означает время, а со - угловую скорость по отношению к неподвижной системе координат. Возможно также, чтобы £° не совпадала с эталонной системой судна. В этом случае угловые погрешности могут быть рассчитаны способом, аналогичным приведенному выше, принимая во внимание ориентацию £° по отношению к эталонной системе судна. Полагая угловые погрешности равными нулю, из (22) можно получить выражения для треВ буемых величин ф,. Ф, '