способ определения скорости равномерного и

прямолинейного движения объекта относительно земли

и устройство для его осуществления область техники

изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации и навигации для определения параметров равномерного и прямолинейного движения объекта, например, самолета, подводной лодки и т.д. относительно земли. предшествующий уровень техники

существующие в настоящее время способы определения скорости и положения объекта требуют наличия постоянной или переодической контактной, оптической или радио связи с маяками, поверхностью или средой, относительно которых движется объект. то есть обязательным условием современной навигации является наличие аппаратных средств не только на объекте, но и вне его.

известен способ определения координат и параметров движения различных объектов ( судов, самолётов, ракет и других объектов) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел - инерциальная навигация, например, с помощью акселерометров и гироскопов.

однако существующие навигационные приборы не способны измерять скорость равномерного и прямолинейного движения объекта относительно земли только с помощью аппаратных средств, установленных на объекте..

известен способ определения параметров ориентации и навигации быстровращающихся объектов, включающий измерение линейных и угловых параметров движения объекта, определение параметров ориентации объекта относительно опорной системы координат и определение координат объекта, причём в качестве измерителей угловой скорости используют акселерометры, ось чувствительности каждого из которых ориентирована в направлении, не совпадающем с направлением оси быстрого вращения объекта, при этом с первой пары акселерометров получают сигнал, пропорциональный линейному ускорению вдоль оси быстрого вращения объекта и угловой скорости вокруг неё, со второй пары акселерометров получают сигнал, пропорциональный линейному ускорению вдоль оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта,

и угловой скорости вокруг оси быстрого вращения объекта, а сами параметры ориентации и навигации получают после обработки сигналов о величинах угловых скоростей и линейных ускорений с указанных акселерометров с помощью уравнений родриго-гамильтона или кели-кейна ( см., патент RU N° 2256881, кл.Gоlс 21/16, от 21.03.2003 ).

известно устройство для осуществления этого способа-бесплатформленная инерциальная навигационная система для быстровращающихся объектов, содержащая измерители параметров объекта, подключённые к вычислителю навигационных параметров, характеризующаяся тем, что измерители параметров объекта выполнены в виде установленных в корпусе объекта пяти акселерометров, датчика угловой скорости и термодатчика, причём оси чувствительности первой пары акселерометров ориентированы в одной плоскости с осью быстрого вращения oбъeк4тa и отклонены от неё в разных направлениях на угол 45°, оси чувствительности второй пары акселерометров ориентированы в противоположные стороны в направлении, параллельном оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, ось чувствительности пятого акселерометра ориентирована в направлении, параллельном оси, ортогональной оси быстрого вращения объекта, и оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе, а ось чувствительности датчика угловой скорости ориентирована вдоль оси, проходящей через центры установочных отверстий в корпусе объекта, при этом информационные выходы пяти акселерометров, датчика угловой скорости и термодатчика подключены к информационным входам микропроцессора ( cм.,пaтeнт RU N° 2256881, кл.Gоlс 21/16, от 21.03.2003 ). однако этот известный способ, а также известное устройство, в котором реализован этот способ, несмотря на относительную сложность, не способны определять скорость равномерного и прямолинейного движения объекта относительно земли.

раскрытие изобретения в основу изобретения поставлена задача разработки способа и устройства для определения скорости равномерного и прямолинейного движения объекта относительно земли с помощью аппаратных средств, установленных на нём, при равномерном и прямолинейном его движении.

эта задача решается тем, что в способе определения скорости равномерного и прямолинейного движения объекта относительно земли, согласно изобретению, в плоскости прямолинейного движения объекта вращают маховик, на котором установлен маятник, имеющий возможность совершать колебания в плоскости вращения маховика, измеряют параметры колебаний маятника и по ним судят о величине и направлении скорости движения объекта относительно земли, кроме того, в качестве параметров колебаний маятника используют величины его угловых и/или линейных отклонений, при этом измеряют время, за которое маятник проходит секторные углы между датчиками, установленными на платформе устройства, и по этим данным судят о величине и направлении скорости движения объекта.

кроме того, устройство для определения скорости равномерного и прямолинейного движения объекта относительно земли, согласно изобретению, содержит корпус, в котором расположены двигатель, платформа, на которой установлен маховик, на котором шарнирно закреплён маятник, снабженный упругим элементом, балансировочный груз на маховике, и датчики параметров колебаний маятника, причём платформа соединена с корпусом устройства с помощью шарнира и амортизирующих элементов, а датчики установлены на платформе с двух противоположных сторон от маховика, имеют угловое смещение относительно продольной оси устройства и предназначены для выдачи сигналов при прохождении мимо них маятника.

сущность изобретения заключается в том, что выполнение предложенного устройства вышеописанным образом позволяет обеспечить реализацию заявляемой совокупности операций способа определения скорости движения объекта относительно земли только с помощью аппаратных средств, установленных на нём, при равномерном и прямолинейном его движении.

краткое описание чертежей

на фиг. 1 представлена схема устройства, вид сверху, на фиг. 2 представлено прямолинейное и равномерное движение объекта в горизонтальной плоскости относительно земли в трех системах отсчета, на фиг. 3 представлена форма спиральной траектории движения тела по радиусу к центру вращающегося диска, на фиг. 4 представлены траектории движения маятника по циклоиде, на фиг. 5 - схема в положении динамического равновесия маятника относительно маховика, на фиг. 6 - фотография экспериментального устройства, на фиг. 7 - вид первичных

данных в программе «PoweгGгaph», на фиг. 8-9 - выходные данные в виде угла отклонения маятника от положения равновесия, полученные после обработки первичных данных.

лучший вариант осуществления изобретения способ определения скорости равномерного и прямолинейного движения объекта относительно земли заключается в том, что в плоскости прямолинейного движения объекта вращают маховик, на котором установлен маятник, имеющий возможность совершать колебания в плоскости вращения маховика, измеряют параметры колебаний маятника и по ним судят о величине и направлении скорости движения объекта относительно земли.

следует отметить, что в качестве параметров колебаний маятника используют величины его угловых и/или линейных отклонений, при этом измеряют время, за которое маятник проходит секторные углы между датчиками, установленными на платформе устройства, и по этим данным судят о величине и направлении скорости движения объекта.

устройство для определения скорости равномерного и прямолинейного движения объекта относительно земли содержит корпус 1, в котором расположены двигатель 3, платформа 2, на которой установлен маховик 4, на котором с помощью шарнира 7 закреплён маятник 5, снабженный упругим элементом 8, балансировочный груз 6 на маховике 4, и датчики 9 параметров колебаний маятника.

следует отметить, что платформа 2 соединена с корпусом 1 устройства с помощью шарнира 10 и амортизирующих элементов 11.

датчики 9 установлены на платформе 2 с двух противоположных сторон от маховика 5, имеют угловое смещение относительно продольной оси устройства и предназначены для выдачи сигналов при прохождении мимо них маятника 5.

в исходном состоянии маховик 4 с маятником 5 и балансировочным грузом 6 представляют собой статически уравновешенную систему. для компенсации пусковых реактивных моментов и сглаживания вибраций платформа 2 соединена с корпусом 1 шарниром 10 и амортизирующими элементами 11. на платформе 2 установлены датчики 9, выдающие сигнал в моменты прохождения маятника. датчики 9 расположены в диаметрально противоположных направлениях и смещены относительно прямой линии, проходящей через ось вращения маховика 5. по сигналам датчиков 9 определяется время прохождения

маятником 5 секторов между датчиками 9 в прямом направлении, совпадающем с направлением движения объекта, и в обратном.

в основе способа лежит измерение сил инерции, действующих на маятник

5, установленный на вращающемся и перемещающемся в пространстве маховике 4, или других величин, функционально зависящих от сил инерции. процесс колебания маятника 5 происходит в результате действия возбуждающей силы инерции возникающей при изменении величины и направления абсолютной скорости маятника 5 относительно земли.

на фиг. 2 представлено прямолинейное и равномерное движение объекта в горизонтальной плоскости относительно земли в трех системах отсчета - неподвижной системе отсчета XOZ, связанной с поверхностью земли, системе

X O Z , связанной с объектом в точке, совпадающей с осью вращения маховика 5, и системе X O Z , связанной с шарниром 7 маятника 5. при этом системы XOZ и

X O Z являются инерциальными, а система X O Z - неинерциальной. система X O Z движется относительно неподвижной системы XOZ с постоянной скоростью. система X O Z движется относительно системы X O Z c постоянным ускорением.

абсолютная скорость V _а маятника 5 получается в результате векторного сложения переносной скорости Vn движения объекта относительно земли и относительной линейной скорости Vом маятника 5, возникающей при его вращении вместе с маховиком 4.

вектор V _A представлен отрезком OC ₂ , вектор Vn - отрезком OO , вектор

Vом - отрезком о C ₂ . при повороте маховика 4 вектор Vом вращается вокруг конца вектора Vn, и абсолютная скорость V _A маятника 5 меняется, как по величине, так и по направлению.

из треугольника OO C ₂ находим абсолютную скорость маятника 5. = (V _п ² +2VпVoм*cosjз+Voм ² ) ⁰ ' ⁵ , (1) где Vд - абсолютная скорость движения маятника;

Vn - переносная скорость движения маятника; Vом - относительная скорость движения маятника; β = оfrτll - угол между вектором переносной скорости Vn и вектором относительной скорости Vом; а- угол поворота маятника в системе X O Z .

найдем производную этой функции.

V A = (V _п ² +2VпVoм*cos/3 +V _O м ² ) ^("0 ' ⁵⁾ *Vn*V _O м*(-siniз) ; (2)

производной абсолютной скорости маятника 5 является его ускорение в системе XOZ. анализируя уравнение (2) можно сделать вывод, что производная от абсолютной скорости маховика 4 зависит от переносной скорости движения объекта. мы получили ускорение и силу инерции, действующую на маятник 5, установленный на вращающемся в плоскости движения объекта маховике 4, зависящую, как от относительной, так и от переносной скорости движения маятника 5. и в этом нет ничего удивительного, так как траектория движения маятника 5 в неподвижной системе отсчета представляет собой циклоиду, а его абсолютная скорость изменяется и по величине, и по направлению.

следует отметить, что на маятник 5, кроме центробежной силы будет действовать еще и другая сила инерции, которая хоть и не видна для наблюдателя в системе X о Z , но реально существует и определяется физическими свойствами системы XOZ или земли в данном случае. наблюдатель, находящийся в неподвижной системе отсчета XOZ, может определить все параметры движения маятника 5, маховика 4 и объекта.

наблюдатель, находящийся в системе X O Z связанной с движущимся объектом, может определить скорость вращения и угол поворота маховика 4, положение маятника 5 относительно объекта и относительно маховика 4. кроме того, этот наблюдатель может увидеть действие сил инерции, появление которых связано с наличием внешней системы отсчета, обладающей определенными физическими свойствами. в данной ситуации этой внешней системой отсчета будет являться земля, формирующая вокруг себя гравитационное поле. так как силы инерции проявляются независимо от того, видит или не видит наблюдатель систему отсчета, вызывающую эти силы, то по характеру поведения маятника 5 он сможет установить и характер движения объекта относительно системы отсчета, вызывающей силы инерции.

наблюдатель, находящийся в системе отсчета X O Z связанной с шарниром 7 маятника 5, может определить расстояние от шарнира 7 до маятника 5 и силы, действующие на шарнир 7co стороны маятника 5. этих данных уже недостаточно для определения истинного характера движения маятника 5 относительно других систем отсчета.

основным параметром движущегося тела является кинетическая энергия, пропорциональная квадрату его скорости.

кинетическая энергия маятника 5 во всех системах отсчета будет определяться квадратом его абсолютной скорости V д. E = (m/2)*V _A ² , (3) где E - кинетическая энергия маятника; m - масса маятника.

подставим значение абсолютной скорости из уравнения (1) в уравнение (3) кинетической энергии маятника. E = (m/2)*(Vп ² +2V _п Voм*cos/3+Voм ² ) (4)

отметим, что величина кинетической энергии маятника изменяется от минимального значения

E _min = (m/2)*(V _п -Voм) ² (5) до максимального

E _max = (m/2)*(V _п +Voм) ² (6)

при этом маятник 5 проходит точку динамического равновесия, в которой абсолютная скорость Vд становится равной переносной скорости Vn-

очевидно, что любое изменение скорости и кинетической энергии маятника 5 может происходить только в результате действия сил.

так как маятник 5 соединен с маховиком 4 шарниром 7 и упругой связью, то в результате действия этих сил он получает возможность совершать колебания относительно маховика 4. мы видим процесс изменения абсолютной скорости маятника 5, что говорит о наличии ускорения. маятник 5 разгоняется и тормозится. теперь нужно как-то назвать эту силу, отклоняющую маятник 5 от положения равновесия. назовем ее инерционно-динамической силой, так как она появляется при определенном движении инерционных масс. инерционно- динамическая сила F ₅ является очередной разновидностью сил инерции. на фиг. 2 показаны силы, действующие на маятник 5, где :

F ₁ - сила действия упругого элемента 8 ;

F ₂ - сила кориолиса, возникающая в результате изменения расстояния от маятника 5 до центра вращения маховика 4; Fз - центробежная сила, возникающая в результате вращения маятника 5 вокруг оси о ;

F ₄ - центробежная сила, возникающая в результате вращения маятника 5 вокруг оси о ;

¥s - инерционно-динамическая сила.

общим для всех сил инерции является то, что они возникают при движении тела по криволинейным траекториям, а отличительной характеристикой является форма траектории этого движения. центробежным силам соответствует движение по окружности, силам кориолиса соответствует движение по спирали, а инерционно-динамические силы возникают при движении тела по циклоиде. на фиг. 3 представлена форма спиральной траектории движения тела по радиусу к центру вращающегося диска. в этом случае возникает сила кориолиса. на фиг. 4 представлены траектории движения маятника в виде циклоид. в этом случае возникает инерционно-динамическая сила.

спиральные и циклоидные траектории при отсутствии скорости линейного перемещения вырождаются в окружность, присущую центробежным силам, что подтверждает общую физическую природу все этих сил. вероятнее всего, это одна сила, но при неизменяемом радиусе траектории она не может совершать работу, а при изменяющемся радиусе траектории может совершать работу. при этом силы инерции играют роль упругих сил пружины.

например, если на радиальном направлении маховика 4 установить груз с пружинами, то получим два осциллятора, один из которых будет инерционным. при отклонении груза в радиальном направлении на вращающемся маховике 4 от положения равновесия, в системе будет происходить два колебательных процесса. в одном процессе груз будет совершать колебания в радиальном направлении, а в другом процессе будет изменяться окружная скорость маховика 4. импульс сил пружины будет преобразовываться в импульс радиального движения груза, который, в свою очередь, будет передаваться маховику 4. обмен импульсами между грузом и маховиком 4 будет осуществляться посредством сил инерции, а не упругих сил пружины. если груз на маховике 4 в начальный момент будет находиться в состоянии равновесия под действием упругих сил пружин, а мы будем вращать маховик 4 с переменной скоростью, тормозя и разгоняя около среднего значения, то груз будет совершать радиальные колебания. при отсутствии пружин груз под действием центробежных сил сместится в крайнюю точку возможного радиального перемещения на маховике 4 и колебаний не будет.

подобные процессы будут происходить и с маятником 5, установленным на вращающемся в плоскости движения маховике 4. но на маятник 5, кроме центробежной силы и силы кориолиса, дополнительно будет действовать

инерционно-динамическая сила. чем ближе будет располагаться шарнир 7 маятника 5 к оси вращения маховика 4, тем меньше будут силы кориолиса, и тем больше будут проявляться инерционно-динамические силы. если ось шарнира 7 маятника 5 совместить с осью вращения маховика 4, то сил кориолиса не будет. на маятник 5 будут действовать только инерционно-динамические силы. что произойдет, если убрать пружину, связывающую маятник 5 и маховик 4? будет ли маятник 5 вращаться с переменной скоростью? если трение отсутствует, то маятник 5 вообще не будет вращаться. при наличии трения маятник 5 начнет вращаться и совершать колебания, но процесс этот будет очень неустойчив. только наличие упругой связи маятника 5 с маховиком 4 позволяет увидеть, зарегистрировать и измерить инерционно- динамические силы.

инерционно-динамическая сила F ₅ является для маятника 5 отклоняющей, а силы Fi, F ₂ , Fз - восстанавливающими.

при колебании маятника 5 относительно маховика 4 его полная энергия не изменяется. в связи с малой величиной сил кориолиса, действующих в этом процессе, в приближенных расчетах их не будем учитывать. полная энергия W маятника 5 при постоянной скорости вращения маховика 4 и постоянной скорости переносного движения будет постоянной.

W = E _max = E + P = сопst, (7), где

е _тах - максимальная кинетическая энергия маятника;

E - кинетическая энергия маятника в неподвижной системе отсчета;

P = (k/2)*x ² - потенциальная энергия упругого элемента маятника; k - коэффициент упругости; х - смещение упругого элемента от положения равновесия.

выполним подстановку

(m/2)*(V _п + Vом) ² = (m/2)*(V _п ² +2V _п Voм*cos/3 +V _0M ² ) + (k/2)*x ² ; (8)

преобразуем к виду

2т* V _n Vом ( 1 - cos/3) = k*x ² (9). из уравнения (9) вытекает, что параметры колебаний маятника 5 явным образом зависят от скорости вращения маховика 4 и скорости движения объекта относительно земли. найдем из этого уравнения переносную скорость движения объекта

V _n - 0.5*(k/m)*x ² /[V _O м(l - соsjS)] (10)

сила и удлинение упругого элемента 8 связаны соотношением:

F _! = k*x (11)

и скорость объекта можно выразить через силу действия упругого элемента 8 Vn= O-S ⁺ KIn ⁺ F ₁ ² Z[VoM(I - COSiS)] (12)

если масса маятника 5 и свойства упругого элемента 8 не изменяются, то можно записать

C = 0.5*(k/m) (13)

C ₁ = O-S ⁺ Km (14) V _n = C*x ² /[V _OM (1 - COS ₁ S)] (15)

V _n = C ₁ ⁺ F ₁ ² Z[V ₀ M(I - cos/3)] (16)

скорость относительного движения маятника Voм _> его положение в зависимости от угла β поворота маховика 4, сила F ₁ и величина изменения удлинения упругого элемента 8 могут быть измерены с помощью соответствующих датчиков 9.

можно, например, установить датчики усилий, угловых или линейных перемещений маятника или упругого элемента и производить измерения при определенном значении угла поворота маятника 5. тогда при соSJS, равному нулю, мы получим максимальные значения усилий и перемещений

V _п = (C ₁ A^oм)*F _lmax ² (18)

в эти моменты маятник 5 неподвижен относительно маховика 4 и вращается с той же самой угловой скоростью ω . при этом расстояние от маятника 5 до оси вращения маховика 4 уменьшается незначительно. для практических измерений можно принять, что радиус вращения маятника 5 относительно оси маховика 4 не изменяется, тогда

Vом «ω *R (19)

V _п «(Cз/ω) ⁺ F _lmax ² (21) удлинение и усилие упругого элемента пропорциональны корню квадратному из скорости движения объекта относительно земли.

хmах =[(ω /Cz) ⁺ V _n ] ^{0 5} (22)

Fi _шах =[(ω/Cз)*V _п ] ^{0 5} (23).

можно заметить, что чувствительность прибора с увеличением скорости движения объекта относительно земли изменяется нелинейно. максимальная чувствительность устройства будет при условии равенства относительной и переносной скоростей ω *R = VoM = V _n (24).

для поддержания чувствительности устройства на заданном уровне необходимо пропорционально изменять скорость вращения маховика 4. скорость вращения маховика 4 можно регулировать ступенчато или плавно. подобный процесс изменения диапазона чувствительности присущ многим измерительным приборам и не требует пояснений.

как следует из вышеприведенных формул, чувствительность устройства также определяется конструктивными параметрами - массой и радиусом вращения маятника 5 относительно оси маховика 4.

при использовании зависимостей (20, 21) датчики 9 перемещений и усилий нужно устанавливать на вращающемся маховике 4, что приводит к конструктивному усложнению устройства, связанному с передачей данных.

вместе с тем можно заметить, что положение точек динамического равновесия находится в зависимости от скорости движения объекта. на фиг. 5 дана схема в положении динамического равновесия маятника 5 относительно маховика 4. на каждом обороте маховика 4 маятник 5 проходит две точки Ai и A ₄ динамического равновесия.

при этом время прохождения маятником 5 секторных углов ψ _\ , \^ ₂ между точками A ₁ и ад также будет зависеть от скорости движения устройства. это позволяет установить датчики 9 на платформе 2 устройства и измерять полупериоды вращения маятника 5 вокруг оси маховика 4. полный период обращения маятника 5 вокруг оси маховика 4 будет равен периоду вращения маховика 5.

T = 1/0 = l/(2тг*n) (25)

T = T ₁ + T ₂ , (26), где ω - угловая скорость вращения маховика 4; п - частота вращения маховика 4;

T ₁ - время прохождения маятником 5 секторного угла ψι, при его движении в направлении, совпадающим с направлением движения объекта относительно земли;

T ₂ - время прохождения маятником 5 секторного угла ^ ₂ , при его движении в противоположном направлении.

путем последующей математической обработки данные о полупериодах вращения маятника 5 преобразуются, например, в значения угла колебаний маятника 5 относительно маховика 4. угол отклонения маятника 5 относительно маховика 4 прямо связан со всеми другими параметрами колебательной системы, в том числе с силой F ₁ и смещением X упругого элемента 8.

экспериментально установлено, что маятник 5, вращающийся в горизонтальной плоскости, раскачивается и в неподвижной относительно земли лаборатории. при этом параметры колебания маятника 5 зависят от ориентации устройства по странам света, положения солнца и луны. эти колебания связаны в основном с вращением земли вокруг своей оси. земля и луна вращаются вокруг общего барицентра, положение которого относительно центра земли периодически меняется. влияние параметров движения земли на параметры колебаний маятника 5 еще недостаточно изучены, чтобы можно было их приводить в аналитической форме. в состоянии покоя или малых скоростях движения объекта относительно земли влияние это можно предварительно выразить эмпирической формулой Vp ₁ «V _A + 1,18*Cos ³ A *CosB, (27), где Vрi - скорость, измеряемая устройством;

Vд- скорость движения объекта относительно поверхности земли. а - географическая широта местности;

в - угол между направлением линейной скорости вращения земли и направлением движения объекта. влияние земли на характер колебания маятника 5 определяется гравитационными параметрами земли, и рассмотрение этого вопроса выходит за рамки заявки. следует только отметить, что характер колебания маятника 5 при больших значениях скорости движения объекта относительно земли будет значительно отличаться от вышеописанного алгоритма, данного без учета гравитационного влияния земли.

например, при выведении объекта на околоземную круговую орбиту амплитуда колебаний маятника 5 будет пропорционально изменяться только до некоторого максимального значения, после которого начнет уменьшаться и станет равной нулю на круговой орбите. при движении по эллиптической орбите,

маятник 5 опять будет совершать колебания. при этом устройство будет реагировать на скорость, определяемую разницей орбитальной скорости относительно земли и значением средней орбитальной скорости для данной траектории движения. скорость движения обычных транспортных средств не превышает скорости звука в воздухе и влияние вращения земли на параметры колебания маятника 5 до этого предела можно считать постоянным.

при достаточной чувствительности датчиков 9 даже при такой скорости можно определить, не только величину, но и направление движения объекта в горизонтальной плоскости. устройство уже может выступать не только в роли спидометра, но и в роли компаса.

при движении объекта в плоскости, отличной от горизонтальной, на маятник 5 будут дополнительно действовать силы гравитации и характер его колебаний изменится, что дает возможность определять величину угла наклона плоскости движения к горизонту.

при движении объекта с ускорением относительно земли параметры колебаний маятника 5 будут определяться величиной «мгнoвeннoй» скорости движения объекта.

современные компьютерные технологии позволяют создавать навигационные системы, способные в реальном режиме времени преобразовывать данные датчиков 9 параметров колебаний маятника 5 в навигационные параметры движения объекта.

на фиг. 2 представлено прямолинейное и равномерное движение объекта в горизонтальной плоскости относительно земли в трех системах отсчета - неподвижной системе отсчета XOZ, связанной с поверхностью земли, системе

X O Z , связанной с объектом в точке, совпадающей с осью вращения маховика, и системе X O Z , связанной с шарниром маятника.

на фиг. 3 представлена форма спиральной траектории движения тела по радиусу к центру вращающегося диска. в этом случае возникает сила кориолиса. на фиг. 4 представлены траектории движения маятника по циклоиде. в этом случае возникает инерционно-динамическая сила.

на фиг. 5 дана схема в положении динамического равновесия маятника относительно маховика. на каждом обороте маховика маятник проходит две точки A ₁ и A ₄ динамического равновесия. на фиг. 6 представлена фотография

экспериментального устройства. на фиг. 7 представлен вид первичных данных в программе «PoweгGгaph», поступающих с двух датчиков устройства по двум каналам на частоте опроса 20 кгц.

на фиг. 8-9 представлены выходные данные в виде угла отклонения маятника от положения равновесия, полученные после обработки первичных данных.

в рамках подготовки материалов заявки была изготовлена модель (фиг.6), соответствующая схеме устройства на фиг.l, и проведена серия экспериментов в движущемся автомобиле. в экспериментальной модели использовался двигатель 3 с постоянной скоростью вращения, равной 5 об/сек. в качестве датчиков 9 использовались фотоэлементы, принимающие отраженный от маятника 5 световой поток, создаваемый, в свою очередь, источником света.

сигнал с фотоэлементов поступал на вход платы компьютера и обрабатывался с помощью программы «PowerGraph». опрос производился на частоте 20 кгц. запись начиналась по сигналу триггера при прохождении определенного датчика, что позволяло определить направление движения маятника 5 относительно направления движения объекта. запись производилась блоками длительностью lмин. при проведении эксперимента в автомобиле вначале эксперимента включался диктофон, время включения фиксировалось по компьютерным часам, записывались комментарии о состоянии дороги и режимах движения. диктофон выключался только после окончания эксперимента. в дальнейшем запись с диктофона вводилась в компьютер и согласовывалась по времени с записью данных. первичные данные подвергались обработке в программах «PowerGraph» и ехсеl. выходные данные приводились к виду, представленному на фиг. 8-9. параметры колебаний маятника 5 на графиках (фиг. 8-9) представлены в градусах угла отклонения от положения равновесия за время записи одного блока данных. время записи блока данных составляет босек. анализируя данные, полученные в эксперименте, можно сделать следующие выводы:

при разгоне и торможении на участках с равномерным уклоном характер колебаний маятника 5 резко меняется;

при движении автомобиля с постоянной скоростью характер колебаний маятника 5 зависит от величины скорости движения автомобиля, при этом во время разгона или торможения автомобиль двигался на участках дороги с равномерным уклоном; параметры колебаний маятника 5 меняются при изменении направления движения; маятник 5 раскачивается относительно маховика 4 в неподвижной лаборатории при вращении маховика 4 в плоскости близкой к горизонтальному положению; параметры колебаний маятника 5 меняются при изменении ориентации устройства по странам света.

промышленная применимость

изложенные преимущества предлагаемых технических решений обеспечивают возможность их широкого использования в системах ориентации и навигации, определяющих параметры равномерного и прямолинейного движения различных подвижных объектов относительно земли.