Волномерный буй с инерциальным измерительным модулем на основе микромеханических датчиков

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения спектральных и статистических характеристик трехмерного морского волнения.

Известен волномерный буй для измерения спектральных и статистических характеристик трехмерного морского волнения [Directional Waverider MkIII [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.datawell.nl/Products/Completesvstems/DirectionalWaveriderMKIII.aspx, свободный. - Загл. с экрана]. В корпусе буя размещены блок датчиков, блок электроники и аккумуляторные батареи. Блок датчиков включает в себя стабилизирующую платформу с установленным на ней вертикальным акселерометром, датчики углов качки, два горизонтальных акселерометра и трехкомпонентный магнитный компас. Блок датчиков соединен с блоком электроники для передачи информации о трех значениях ускорения от трех акселерометров, углах крена и дифферента от датчиков углов качки и трех значениях магнитного поля от трехкомпонентного магнитометра. Блок электроники включает в себя микропроцессорную плату, предназначенную для управления процессом измерений, обработки и записи результатов измерений, и питающую плату, соединенную с аккумуляторными батареями и обеспечивающую электроэнергией другие компоненты буя. Передача данных потребителю происходит по каналам спутниковой, мобильной или УКВ-радиосвязи с помощью соответствующих антенн, соединенных с блоком электроники.

Известно устройство, представляющее собой волномерный буй для измерения спектральных и статистических характеристик морского волнения [Triaxys directional wave buoy [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://axystechnologies.com/products/triaxys-directional-wave-buoy/, свободный. - Загл. с экрана.]. В корпусе буя размещены блок датчиков, процессор, система электропитания и система связи. Блок датчиков включает в себя три акселерометра, три пьезоэлектрических вибрационных гироскопа и феррозондовый магнитометр. Блок датчиков вырабатывает информацию о параметрах движения волномерного буя по поверхности волны: три составляющие линейных ускорений, три составляющие угловых скоростей, а также информацию о трех компонентах магнитного поля Земли. Блок датчиков соединен с процессором, который выполняет обработку данных от датчиков, производит расчет статистических характеристик волнения и определяет направление распространения волн. Процессор соединен с системой связи, осуществляющей передачу рассчитанных параметров волнения потребителю. Система электропитания оборудования может состоять из аккумуляторных батарей или солнечных панелей.

Данное устройство принято за прототип предлагаемого изобретения.

Указанное устройство-прототип позволяет производить измерение спектральных и статистических характеристик трехмерного морского волнения, в том числе и определять направление распространения волн. Однако применение подобных волномерных буев существенно ограничено, поскольку пьезоэлектрические гироскопы имеют низкую метрологическую надежность (температурную стабильность характеристик) и вибро- и ударостойкость, блок датчиков подобных устройств имеет большее энергопотребление, чем у микромеханических датчиков, в связи с чем увеличиваются габариты буя и сокращается диапазон измеряемых длин волн. Отметим, что высокочастотная область диапазона измерений зависит от массогабаритных характеристик буя. Кроме того, подобные устройства являются дорогостоящими из-за высокой стоимости гироскопов, входящих в их состав.

Задачей предлагаемого изобретения является совершенствование конструкции волномерного буя для измерений спектральных и статистических характеристик морского волнения за счет применения инерциального измерительного модуля на основе микромеханических датчиков - кремниевых вибрационных гироскопов и акселерометров.

Технический результат: повышение надежности волномерного буя за счет исключения механических элементов из конструкции блока датчиков; повышение автономности устройства за счет снижения энергопотребления датчиков, входящих в его состав; расширение диапазона измеряемых длин волн и достижение возможности измерения коротких волн за счет уменьшения количества аккумуляторных батарей и, соответственно, массогабаритных характеристик буя; достижение возможности установки волномерного буя на воду с воздушных носителей за счет повышения вибро- и ударостойкости.

Технический результат достигается тем, что в предложенном волномерном буе блок датчиков, включающий пьезоэлектрические вибрационные гироскопы и механические акселерометры, заменен инерциальным измерительным модулем на основе микромеханических датчиков - кремниевых вибрационных гироскопов и кремниевых акселерометров.

На фиг. 1 показан общий вид волномерного буя с инерциальным измерительным модулем на основе микромеханических датчиков, где приняты следующие обозначения:

1 - корпус;

2 - герметичный отсек;

3 - блок аккумуляторных батарей;

4 - инерциальный измерительный модуль;

5 - процессорный модуль;

6 - антенна;

7 - микромеханический кремниевый вибрационный гироскоп (далее - гироскоп);

8 - микромеханический кремниевый акселерометр (далее - акселерометр);

9 - трехкомпонентный магнитометр (далее - магнитометр).

Волномерный буй содержит корпус 1, обеспечивающий необходимую плавучесть, герметичный отсек 2, в нижней части которого размещен блок аккумуляторных батарей 3. Блок аккумуляторных батарей 3 соединен с инерциальным измерительным модулем 4, процессорным модулем 5 и антенной 6, размещенной на крышке герметичного отсека 2. Инерциальный измерительный модуль 4 соединен с процессорным модулем 5, который в свою очередь соединен с антенной 6. В инерциальном измерительном модуле 4 размещены три микромеханических кремниевых вибрационных гироскопа 7, три микромеханических кремниевых акселерометра 8 и трехкомпонентный магнитометр 9. Оси чувствительности датчиков направлены ортогонально.

Волномерный буй работает следующим образом. При движении корпуса 1 по взволнованной поверхности, гироскопы 7, акселерометры 8 и магнитометр 9, размещенные в инерциальном измерительном модуле 4, выполняют измерения трех составляющих угловой скорости буя, трех составляющих линейного ускорения буя и трех составляющих магнитного поля Земли соответственно. Информация от датчиков инерциального измерительного модуля 4 поступает в процессорный модуль 5, выполняющий постобработку информации на борту волномерного буя для расчета спектральных и статистических характеристик морского волнения. Процессорный модуль 5 с помощью антенны 6 передает конечному потребителю рассчитанные характеристики морского волнения. Питание всех элементов волномерного буя осуществляется с помощью блока аккумуляторных батарей 3. Режимы функционирования прибора предусматривают сбор информации от датчиков инерциального измерительного модуля 4, ее обработку на борту, получение спектральных и статистических характеристик морского волнения и направления распространения волн и передачу информации по радиоканалу. Наличие априорной информации о волнении, такой как его стационарность, центрированность, распределение высот волн по закону Рэлея, и дрейфов датчиков инерциального измерительного модуля 4, позволяет производить расчет характеристик морского волнения на уровне точности не хуже прототипа.

Работа волномерного буя проверена с помощью компьютерного моделирования, лабораторных и сравнительных натурных испытаний опытного образца. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что указанные существенные признаки позволяют повысить надежность волномерного буя минимум на порядок за счет исключения механических элементов из конструкции блока датчиков буя; увеличить его автономность при том же количестве аккумуляторных батарей не менее чем на 2 месяца за счет снижения энергопотребления датчиков, входящих в состав буя. За счет снижения более чем в два раза массы буя может быть расширен диапазон измеряемых длин волн и достигнута возможность измерения коротких волн. Поскольку микромеханические датчики являются стойкими к воздействию ударов и вибрации, то появляется возможность установки на воду подобных буев с воздушных носителей. Таким образом, заявленный технический результат считается достигнутым.