RU230594U1

RU230594U1 - MOBILE SUPPORT AND ROTATION DEVICE FOR ANTENNA ORIENTATION

Info

Publication number: RU230594U1
Application number: RU2024109891U
Authority: RU
Inventors: Димитрий Николаевич Никишин
Original assignee: Димитрий Николаевич Никишин
Filing date: 2024-04-10
Publication date: 2024-12-11

Abstract

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована для привода мобильных систем: антенн, телекамер, локаторов транспортных средств, работающих в тяжелых условиях, а также наведения антенны по азимуту и углу места на движущиеся объекты. Технической проблемой полезной модели является разработка способа быстрой ориентации антенной системы в пространстве, уменьшение времени развертывания антенной системы, увеличение надежности и безопасности эксплуатации. Техническим результатом полезной модели является повышение точности позиционирования мобильной антенной системы и времени ее развертывания за счет использования комбинированного блока датчиков, жестко связанного с антенной. Для достижения технического результата мобильное опорно-поворотное устройство антенны содержит в своем составе опору с установленной на ней узлами ориентации по азимуту и по углу места и электронным блоком управления. В качестве датчика направления излучения антенны и датчика обратной связи приводов используется комбинированный блок датчиков, состоящий из акселерометра, гироскопа и магнитометра, анализируя данные с которых и применяя математические алгоритмы (например, фильтр Калмана), позволяющий отслеживать и изменять положение диаграммы направленности антенны в пространстве, а также отслеживать и корректировать исполнение команд на перемещение для азимутальных и угловых приводов. The utility model relates to mechanical engineering and can be used to drive mobile systems: antennas, television cameras, vehicle locators operating in difficult conditions, as well as to point the antenna in azimuth and elevation at moving objects. The technical problem of the utility model is to develop a method for quickly orienting the antenna system in space, reducing the deployment time of the antenna system, increasing the reliability and safety of operation. The technical result of the utility model is to increase the accuracy of positioning the mobile antenna system and the time of its deployment due to the use of a combined sensor unit rigidly connected to the antenna. To achieve the technical result, the mobile support and rotary device of the antenna contains a support with azimuth and elevation orientation units installed on it and an electronic control unit. A combined sensor unit consisting of an accelerometer, gyroscope and magnetometer is used as an antenna radiation direction sensor and a drive feedback sensor, analyzing the data from which and applying mathematical algorithms (for example, a Kalman filter), which allows tracking and changing the position of the antenna radiation pattern in space, as well as tracking and adjusting the execution of movement commands for azimuth and angular drives.

Description

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована для привода мобильных систем: антенн, телекамер, локаторов транспортных средств, работающих в тяжелых условиях, а также наведения антенны по азимуту и углу места на движущиеся объекты.The utility model relates to mechanical engineering and can be used to drive mobile systems: antennas, television cameras, vehicle locators operating in difficult conditions, as well as to guide the antenna in azimuth and elevation to moving objects.

Известны конструкции опорно-поворотных устройств (ОПУ), в частности, антенных систем, обеспечивающие наведение электрической оси антенных систем на подвижный объект. Например, из патента RU 2209496 известно опорно-поворотное устройство, содержащее неподвижное основание с размещенными на нем механизмами вращения для обеспечения требуемого перемещения антенной системы. Данное ОПУ содержит в своем составе первый поворотный механизм и второй поворотный механизм, при этом первый и второй поворотные механизмы снабжены первым и вторым приводами поворотного узла и поворотной платформы соответственно, подключенными к электрическим соединителям.There are known designs of support and rotary devices (SRD), in particular, antenna systems, providing guidance of the electric axis of antenna systems to a moving object. For example, from patent RU 2209496 there is known a support and rotary device, containing a fixed base with rotation mechanisms placed on it to provide the required movement of the antenna system. This SRD contains a first rotary mechanism and a second rotary mechanism, wherein the first and second rotary mechanisms are equipped with first and second drives of the rotary unit and rotary platform, respectively, connected to electrical connectors.

Недостатком данного опорно-поворотного устройства является полное отсутствие датчика обратной связи, для контроля положения ОПУ и наведения на движущиеся объекты с минимальным отклонением.The disadvantage of this rotary support device is the complete absence of a feedback sensor to control the position of the rotary support device and to aim at moving objects with minimal deviation.

Также известно «Опорно-поворотное устройство антенной системы», патент RU 100675, являющееся наиболее близким аналогом, которое содержит неподвижное основание с установленной на нем азимутальную часть ОПУ и соединенную с ней угломестную часть ОПУ. В качестве механизма вращения ОПУ используется моментный электрический двигатель. Также ОПУ снабжен электромагнитным тормозом для торможения системы и датчиком обратной связи, который измеряет угловое положение антенной системы по азимутальной и угломестной оси. Все эти элементы образуют единичную сборочную единицу.Also known is the "Antenna system slewing ring", patent RU 100675, which is the closest analogue, which contains a fixed base with an azimuth part of the slewing ring mounted on it and an elevation part of the slewing ring connected to it. A torque electric motor is used as a mechanism for rotating the slewing ring. The slewing ring is also equipped with an electromagnetic brake for braking the system and a feedback sensor that measures the angular position of the antenna system along the azimuth and elevation axes. All these elements form a single assembly unit.

Недостатками указанного опорно-поворотного устройства являются: применение в качестве понижающих передач на азимутальной и угломестной оси дорогостоящих планетарно-цевочных редукторов; большое количество механических узлов для вращения поворотного устройства (моментный электрический двигатель, электромагнитный тормоз и в качестве датчика обратной связи вращающийся трансформатор), что приводит к усложнению конструкции, значительному увеличению габаритов, массы ОПУ и, соответственно, теряется мобильность устройства; датчик обратной связи измеряет только положение вала двигателя и затем высчитывает угол поворота ОПУ.The disadvantages of the specified rotary support device are: the use of expensive planetary-pinion gearboxes as reduction gears on the azimuth and elevation axes; a large number of mechanical units for rotating the rotary support device (torque electric motor, electromagnetic brake and a rotating transformer as a feedback sensor), which leads to a more complex design, a significant increase in the dimensions, weight of the rotary support device and, accordingly, the mobility of the device is lost; the feedback sensor measures only the position of the motor shaft and then calculates the angle of rotation of the rotary support device.

Все вышеуказанные и подобные конструкции при начале в эксплуатации или при смене местоположения требуют кроме привязки к местности дополнительно и ориентирования в пространстве с помощью геодезических приборов, тем самым, увеличивают период подготовки к работе. То есть, для мобильного ОПУ, использующего построение по вышеуказанным конструктивным решениям, необходимо каждый раз устанавливать начальное положение в пространстве с использованием геодезических приборов, что увеличивает время развертки ОПУ.All the above and similar structures, when put into operation or when changing their location, require, in addition to being tied to the terrain, additional orientation in space using geodetic instruments, thereby increasing the period of preparation for work. That is, for a mobile OPU using construction according to the above design solutions, it is necessary to establish the initial position in space each time using geodetic instruments, which increases the OPU deployment time.

Задачей настоящей полезной модели является создание упрощенной и мобильной конструкции и электронного блока ОПУ для ориентации антенны, компенсирующую вышеперечисленные недостатки.The objective of this utility model is to create a simplified and mobile design and electronic unit of the OPU for antenna orientation, compensating for the above-mentioned shortcomings.

Технической проблемой заявляемой полезной модели является разработка способа быстрой ориентации антенной системы в пространстве, уменьшение времени развертывания антенной системы, увеличение надежности и безопасности эксплуатации.The technical problem of the claimed utility model is the development of a method for rapid orientation of the antenna system in space, reducing the deployment time of the antenna system, and increasing the reliability and safety of operation.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности позиционирования мобильной антенной системы и времени ее развертывания за счет использования комбинированного блока датчиков, жестко связанного с антенной.The technical result of the claimed invention is an increase in the accuracy of positioning of a mobile antenna system and its deployment time due to the use of a combined sensor unit rigidly connected to the antenna.

Для достижения технического результата мобильное опорно-поворотное устройство антенны содержит в своем составе опору с установленной на ней узлами ориентации по азимуту и по углу места и электронным блоком управления. В качестве датчика направления излучения антенны и датчика обратной связи приводов используется комбинированный блок датчиков, состоящий из акселерометра, гироскопа и магнитометра, позволяющие отслеживать и изменять положение диаграммы направленности антенны в пространстве, а также отслеживать исполнение команд на перемещение для азимутальных и угловых приводов.To achieve the technical result, the mobile antenna support and rotary device contains a support with azimuth and elevation orientation units installed on it and an electronic control unit. A combined sensor unit consisting of an accelerometer, gyroscope and magnetometer is used as an antenna radiation direction sensor and a drive feedback sensor, allowing tracking and changing the position of the antenna directional diagram in space, as well as tracking the execution of movement commands for azimuth and angular drives.

Полезная модель поясняется фигурой, на которой представлено: на фиг. 1 - структурная схема взаимодействия функциональных элементов. Опора выполнена в виде переносного штатива, предпочтительно имеющего три опорной стойки. Опорные стойки могут быть как фиксированной длины, так и телескопическими, то есть с возможностью регулировки высоты. Конструктивно опорная стойка состоит из двух частей: первая часть устанавливается непосредственно на поверхность, а вторая часть закрепляется на основание, где крепятся все три опорные стойки. После регулировки высоты штатива, две части опорных стоек прижимаются друг к другу винтом, тем самым жестко фиксируются.The utility model is explained by a figure, which shows: in Fig. 1 - a structural diagram of the interaction of functional elements. The support is made in the form of a portable tripod, preferably having three support posts. The support posts can be either of fixed length or telescopic, i.e. with the ability to adjust the height. Structurally, the support post consists of two parts: the first part is installed directly on the surface, and the second part is fixed to the base, where all three support posts are attached. After adjusting the height of the tripod, the two parts of the support posts are pressed against each other with a screw, thereby rigidly fixed.

На опоре установлено приспособление для ориентации антенны. Данное приспособление условно разделены на две части: азимутальную и угломестную часть.A device for antenna orientation is installed on the support. This device is conditionally divided into two parts: azimuth and elevation parts.

Конструктивно блоки азимутальной и угломестной части могут быть выполнены идентично. Угломестный блок жестко закреплен над азимутальным блоком. В качестве механизма вращения ОПУ используется двигатель постоянного тока или серводвигатель со встроенной обратной связью в виде энкодера. Энкодер позволяет контролировать точное положение вала двигателя и частоту вращения вала. Для понижения частоты вращения вала двигателя, увеличения крутящего момента и передачи вращения вала двигателя под прямым углом используется червячный редуктор. Этот тип редуктора обладает повышенной кинематической точностью, обеспечивает плавность и малошумность при работе, а также имеет небольшие габаритные размеры. Такое свойство червячного редуктора, как самоторможение, позволяет при отсутствии движения ОПУ не тратить электрическую энергию на удержание вала двигателя. Это позволяет при автономной работе на аккумуляторной батарее сильно экономить электрическую энергию. Редуктор азимутальной части вращает сам азимутальный блок и установленный на ней угломестный блок. Редуктор угломестной части вращает длинный вал, на которой устанавливаются антенны.The azimuth and elevation units can be designed identically. The elevation unit is rigidly fixed above the azimuth unit. A DC motor or a servomotor with built-in feedback in the form of an encoder is used as the mechanism for rotating the OPU. The encoder allows you to control the exact position of the motor shaft and the shaft rotation frequency. A worm gear is used to reduce the motor shaft rotation frequency, increase torque and transmit the motor shaft rotation at a right angle. This type of gear has increased kinematic accuracy, ensures smoothness and low noise during operation, and also has small overall dimensions. Such a property of the worm gear as self-braking allows, in the absence of OPU movement, not to waste electrical energy on holding the motor shaft. This allows for significant energy savings during autonomous operation on a battery. The azimuth unit gear rotates the azimuth unit itself and the elevation unit installed on it. The elevation gearbox rotates a long shaft on which the antennas are mounted.

На азимутальной и угломестной части также установлены концевые выключатели, которые ограничивают угол поворота ОПУ на 360 градусов и 180 градусов соответственно.The azimuth and elevation parts are also equipped with limit switches that limit the rotation angle of the OPU to 360 degrees and 180 degrees, respectively.

Контроль положения ОПУ осуществляется с помощью датчика обратной связи. Функционально датчик состоит из двух частей: первой частью является энкодеры внутри серводвигателей и позволяет контролировать угловое перемещение вала двигателя.The position of the OPU is controlled using a feedback sensor. Functionally, the sensor consists of two parts: the first part is the encoders inside the servomotors and allows you to control the angular movement of the motor shaft.

Второй частью датчика обратной связи является комбинированный блок датчиков установленных в небольшом отсеке, который жестко зафиксирован с антенной или с валом, на котором закреплена антенна, существенно отличающий заявляемую полезную модель от существующих конструкций. В состав комбинированного блока датчиков входят акселерометр, магнитометр и гироскоп, который позволяют определять ориентацию в пространстве по трем осям. Для полнофункциональной работы в трехмерном пространстве используются трехосевые акселерометр, магнитометр и гироскоп с цифровым интерфейсом по которому они связаны с электронным блоком. То есть, по факту, контролируется 3·3=9 степеней свободы.The second part of the feedback sensor is a combined sensor unit installed in a small compartment, which is rigidly fixed with the antenna or with the shaft on which the antenna is fixed, which significantly distinguishes the claimed utility model from existing designs. The combined sensor unit includes an accelerometer, magnetometer and gyroscope, which allow determining the orientation in space along three axes. For full-featured work in three-dimensional space, a three-axis accelerometer, magnetometer and gyroscope with a digital interface through which they are connected to the electronic unit are used. That is, in fact, 3 3 = 9 degrees of freedom are controlled.

С помощью магнитометра, измеряющего магнитное поле Земли, обеспечивается привязка ОПУ к сторонам света и направление диаграммы направленности антенны. Для уменьшения погрешности установки направления, данные магнитометра анализируют совместно с данными, поступающими от акселерометра и гироскопа, и на основе математического алгоритма, например, используя фильтр Калмана, вычисляют поправку к текущей ориентации антенны. Магнитометр может быть выполнен в виде интегральной микросхемы или микросборки, обеспечивающими измерение силового магнитного поля Земли по трем осям (в трех проекциях) относительно корпуса.Using a magnetometer that measures the Earth's magnetic field, the OPU is linked to the cardinal directions and the direction of the antenna's directional diagram is determined. To reduce the error in setting the direction, the magnetometer data is analyzed together with the data coming from the accelerometer and gyroscope, and based on a mathematical algorithm, for example, using the Kalman filter, a correction to the current antenna orientation is calculated. The magnetometer can be made in the form of an integrated microcircuit or microassembly that measures the Earth's magnetic field force along three axes (in three projections) relative to the housing.

Акселерометр предназначен для определения величины ускорения свободного падения по трем ортогональным осям. Акселерометр - это устройство, измеряющее проекцию на его оси суммы всех сил, приложенных к его корпусу. То есть в статике производится измерение силы реакции опоры на данное устройство. Это позволяет, при необходимости, осуществлять выставление плоскости основания штатива в горизонтальном положении. Измерения угла, полученные акселерометром, содержат высокочастотную помеху даже в статическом режиме. Данную проблему можно решить с помощью цифровой обработки (сглаживания), но это может привести к сдвигу по фазе полезного сигнала, что может сделать систему неустойчивой и для ее решения необходима более сложная программная обработка сигналов с помощью математических алгоритмов.The accelerometer is designed to determine the magnitude of the acceleration of gravity along three orthogonal axes. The accelerometer is a device that measures the projection on its axis of the sum of all forces applied to its body. That is, in statics, the reaction force of the support on this device is measured. This allows, if necessary, to set the plane of the tripod base in a horizontal position. The angle measurements obtained by the accelerometer contain high-frequency interference even in static mode. This problem can be solved using digital processing (smoothing), but this can lead to a phase shift in the useful signal, which can make the system unstable and its solution requires more complex software signal processing using mathematical algorithms.

Гироскоп предназначен для определения угловой скорости вокруг собственных осей. Измерение угла гироскопом приводит к появлению низкочастотного шума, возникающего вследствие интегрирования угловой скорости (гироскоп измеряет именно эту величину). Это приводит к дрейфу нуля, и значение угла будет постоянно увеличиваться или уменьшаться, даже если система неподвижна.The gyroscope is designed to determine the angular velocity around its own axes. Measuring the angle with a gyroscope results in low-frequency noise, which occurs due to the integration of the angular velocity (the gyroscope measures this value). This leads to zero drift, and the angle value will constantly increase or decrease, even if the system is stationary.

Устранение сигнала шума гироскопа проводится на основе совместной математической обработки сигналов акселерометра и магнитометра, например фильтром Калмана. Это позволяет получать высокую точность по направлению и по скорости перемещения по одной и/или нескольким осям. Благодаря получаемой погрешности в несколько десятых долей градуса возникает возможность проводить контроль на соответствие между командой на изменение положения двигателя постоянного тока или серводвигателя и фактическим перемещением осей ОПУ и при необходимости проводить корректировку в движения осей ОПУ. Тем самым повышается точность позиционирования и упрощается диагностика неисправностей элементов управления устройства.The gyroscope noise signal is eliminated based on the combined mathematical processing of the accelerometer and magnetometer signals, for example, using a Kalman filter. This allows for high accuracy in direction and speed of movement along one and/or several axes. Due to the resulting error of several tenths of a degree, it becomes possible to check for compliance between the command to change the position of the DC motor or servomotor and the actual movement of the OPU axes and, if necessary, to correct the movement of the OPU axes. This increases the accuracy of positioning and simplifies the diagnostics of malfunctions of the device's control elements.

Все вышеперечисленное позволяет не проводить начальную ориентацию ОПУ с помощью геодезических приборов, а начальное ориентирование в пространстве происходит в автоматическом режиме исходя из данных линейных ускорений, магнитного поля и угловых скоростей. Одновременно, при вращении ОПУ показания с комбинированного блока датчиков позволят корректировать ошибки в угле и линейной скорости поворота ОПУ и используются в качестве основного датчика обратной связи.All of the above allows not to perform the initial orientation of the OPU using geodetic instruments, and the initial orientation in space occurs automatically based on the data of linear accelerations, magnetic field and angular velocities. At the same time, when the OPU rotates, the readings from the combined sensor unit will allow to correct errors in the angle and linear speed of rotation of the OPU and are used as the main feedback sensor.

Комбинированный блок датчиков может соединяться с электронным блоком ОПУ или управляющим компьютером непосредственно кабелем или с помощь беспроводных интерфейсов (инфракрасный порт, Bluetooth, Wi-Fi и др.).The combined sensor unit can be connected to the electronic unit of the control unit or the control computer directly by cable or using wireless interfaces (infrared port, Bluetooth, Wi-Fi, etc.).

Электронный блок предназначен для управления серводвигателем, преобразования напряжения источника питания в напряжения, требующие для работы блока, подключения антенно-фидерного тракта к приемнику радиосигнала, а также для подключения комбинированного блока датчиков. Электронный блок может крепиться как на самой ОПУ, так быть вынесенной за пределы ОПУ. Электронный блок может подключаться к персональному компьютеру для управления за движением ОПУ.The electronic unit is designed to control the servomotor, convert the power supply voltage into voltages required for the unit to operate, connect the antenna-feeder path to the radio signal receiver, and also to connect a combined sensor unit. The electronic unit can be mounted either on the OPU itself or be located outside the OPU. The electronic unit can be connected to a personal computer to control the OPU movement.

Пульт управления позволяет контролировать и задавать положение ОПУ в ручном режиме и содержит в себе устройство ввода информации кнопочного (клавиатуру) и/или переключающего типа и устройство вывода информации на основе сегментного или графического дисплея. Таким образом, управление ОПУ возможно как с помощью пульта управления, когда, например, программное управление с помощью персонального компьютера недоступно, так и управление с помощью программного управления на компьютере.The control panel allows to control and set the position of the OPU in manual mode and contains a push-button (keyboard) and/or switching type information input device and an information output device based on a segment or graphic display. Thus, control of the OPU is possible both with the control panel, when, for example, software control with a personal computer is not available, and control with software control on the computer.

Опорно-поворотное устройство для ориентации антенны работает следующим образом.The antenna orientation swivel device operates as follows.

Для функционирования ОПУ необходимо произвести сборку устройства. Переносной штатив находится в сложенном виде, вал, на котором крепятся антенны, снят из угломестной части ОПУ, электронный блок закреплен на азимутальном и угломестной части. В таком положении устройство имеет минимальные габариты, что позволяет без проблем перевозить устройство до места установки.For the OPU to function, it is necessary to assemble the device. The portable tripod is folded, the shaft on which the antennas are attached is removed from the elevation part of the OPU, the electronic unit is attached to the azimuth and elevation parts. In this position, the device has minimal dimensions, which allows you to easily transport the device to the installation site.

При сборке устройства опоры переносного штатива разводятся на необходимый угол и регулируется высота. Обеспечения установка основания опоры в горизонтальном положении не требуется, так как в процессе работы по данным, получаемых с комбинированного блока датчиков, вычисляется его положение положении в пространстве и осуществляются все необходимые корректировки. Далее на опорную стойку устанавливается азимутальный и угломестный блок и фиксируется винтом. Вал, на котором крепятся антенны, продевается через угломестный блок и закрепляется с редуктором. На вал закрепляются антенны.When assembling the device, the portable tripod supports are moved to the required angle and the height is adjusted. There is no need to ensure that the support base is installed in a horizontal position, since during operation, its position in space is calculated based on the data received from the combined sensor unit and all necessary adjustments are made. Next, the azimuth and elevation block is installed on the support stand and fixed with a screw. The shaft, on which the antennas are attached, is threaded through the elevation block and secured with a gearbox. The antennas are fixed to the shaft.

Далее происходит подключения электрических кабелей от антенны, аккумуляторной батареи, ПК и пульта управления к электронному блоку ОПУ.Next, the electrical cables from the antenna, battery, PC and control panel are connected to the electronic unit of the OPU.

После подготовки ОПУ включается электронный блок. С помощью комбинированного блока датчиков происходит привязка к местности и калибровка осей ОПУ Калибровка осей происходит следующим образом: включаются серводвигатели и вращаются до того момента, когда не сработают концевые выключатели. Тем самым, определяется максимальный угол отклонения осей ОПУ.After the OPU is prepared, the electronic unit is switched on. With the help of a combined sensor unit, the OPU axes are referenced to the terrain and calibrated. The axes are calibrated as follows: the servomotors are switched on and rotated until the limit switches are triggered. This determines the maximum deviation angle of the OPU axes.

После калибровки, ОПУ находится в режиме ожидания команды из пульта либо персонального компьютера. При получении команды на наведения на объект происходит ориентация ОПУ и контролирование точностью наведения с помощью датчиков обратной связи.After calibration, the OPU is in the mode of waiting for a command from the remote control or personal computer. Upon receiving a command to point at an object, the OPU is oriented and the accuracy of the pointing is controlled using feedback sensors.

Предложенное техническое решение обладает простотой, надежной и технологичной конструкцией. Кроме того, предложенное техническое решение обладает простотой монтажа и демонтажа, обслуживания и ремонта, позволяют сократить срок развертывания и подготовки к работе ОПУ, а также обеспечивает точность позиционирования диаграммы направленности антенной системы в пространстве и сопровождать движущие объекты по заранее заданной траектории. Указанные преимущества позволяют использовать предложенное техническое решение для широкого спектра мобильных систем: антенн, телекамер, локаторов транспортных средств, работающих в тяжелых условиях.The proposed technical solution has a simple, reliable and technological design. In addition, the proposed technical solution has easy installation and dismantling, maintenance and repair, allows to reduce the deployment time and preparation for operation of the OPU, and also ensures the accuracy of positioning the antenna system directional diagram in space and tracking moving objects along a predetermined trajectory. The above advantages allow using the proposed technical solution for a wide range of mobile systems: antennas, television cameras, vehicle locators operating in difficult conditions.

Claims

A support and rotary device of an antenna, comprising a support with azimuth and elevation orientation units installed on it and an electronic control unit, characterized in that a combined sensor unit consisting of an accelerometer, a gyroscope and a magnetometer, rigidly connected to a shaft for attaching the antenna, is used as a direction sensor and a feedback sensor.