Размещено на http://www.allbest.ru/

Новосибирский государственный аграрный университет

Методы и средства индукционной сельхознавигации

Калюжный А.Т.

Аннотация

машинный тракторный агрегат местоопределение

Необходимость роботизации самоходных сельскохозяйственных машин и машинно-тракторных агрегатов (МТА), обеспечивающей выполнение полевых работ без участия людей, требует разработки инструментальных методов и создания технических средств программирования траекторий движения МТА на рабочем гоне. В статье рассматривается решение этой задачи с помощью переменных магнитных полей, создаваемых токами проводов стационарных навигационных индукторов.

Предложена классификация индукционных методов местоопределения МТА по виду основных признаков. Показано, что программа движения зависит от типа индуктора, типа первичного навигационного параметра, алгоритма формирования фактического значения и способа задания планового значения вторичного навигационного параметра.

Установлено, что при использовании некоммутируемых индукторов смежные гоновые провода целесообразно питать встречными токами, в качестве первичного параметра использовать проекцию вектора напряженности на поперечную ось трактора, а местоположение МТА определять двухточечным разностно-амплитудным методом. При местоопределении МТА амплитудно-фазным методом по проекции вектора напряженности на вертикальную ось магнитное поле целесообразно создавать индуктором «двойная петля», получаемым коммутацией проводов индуктора «многолучевая звезда».

Ключевые слова: ИНДУКЦИОННАЯ СЕЛЬХОЗНАВИГАЦИЯ, РОБОТИЗАЦИЯ ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ, АВТОМАТИЗАЦИЯ МОБИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ РАСТЕНИЕВОДСТВА, НАВИГАЦИОННЫЙ ИНДУКТОР, ПЛАНОВАЯ ТРАЕКТОРИЯ, НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

Введение

Необходимость автоматизации самоходных сельскохозяйственных машин и машинно-тракторных агрегатов (МТА) на уровне, обеспечивающем выполнение полевых работ без участия человека, требует автоматизации управления движением МТА. Подобные задачи решает навигация - наука о методах и средствах определения параметров и управления движением управляемых подвижных объектов. Составными частями решения являются:

- предварительное программирование траектории движения;

- контроль исполнения программы и формирование сигнала траекторного рассогласования как разности между фактическим и плановым местом нахождения подвижного управляемого объекта.

Применительно к МТА, в качестве программ траекторного управления удобно использовать те или иные «направляющие» линии, которые могут быть механическими либо электромагнитными. Механические направляющие линии могут представлять рядок растений, специально нарезаемую борозду или след предыдущего прохода МТА. Бесконтактные направляющие линии могут быть созданы с помощью электромагнитных полей разной частоты. Так, в оптическом диапазоне частот направляющие линии могут быть физическими, например, - в виде лазерного луча. В радиодиапазоне частот направляющие линии могут быть физическими и геометрическими. Так, физические линии могут представлять геометрическое место точек с одинаковым значением фазы радиоволны; геометрические направляющие линии могут представлять, например, геометрическое место точек, сумма или разность расстояний от которых до двух известных точек равна заданному значению.

Достоинством электромагнитных направляющих линий является универсальность устройств местоопределения, работоспособность которых не зависит от типа МТА или выполняемой ими технологической операции. В то же время использование, например, оптического диапазона частот затрудняется неровностями макрорельефа, влиянием пыли и тумана, а радиодиапазона - нестабильностью скорости распространения радиоволн в приземном слое. Эти недостатки в меньшей степени присущи направляющим линиям, формируемым низкочастотными магнитными полями, создаваемыми токами подземных проводов [1]. Для этого следует проложить изолированные провода на глубине ?1 м с шагом от единиц до десяти и более метров; при питании проводов переменным током в окружающем пространстве создается переменное магнитное поле, равносигнальные поверхности которого могут использоваться в качестве направляющих для программирования плановых траекторий МТА. Определение местоположения МТА относительно таких направляющих поверхностей осуществляется по величине выходного напряжения индукционных преобразователей, выполняемых в виде рамок или многовитковых катушек, конструктивно представляющих собой магнитоприемник.

Классификация индукционных методов местоопределения МТА

Использование явления магнитной индукции для местоопределения движущихся объектов известно давно, однако до настоящего времени его потенциальные возможности для местоопределения МТА выявлены недостаточно. Это можно объяснить большим разнообразием возможных методов и отсутствием обоснованной системы их классификации, не позволяющими делать обобщенные выводы.

На рис. 1 представлена система классификации индукционных методов местоопределения МТА, которая охватывает их значимые составляющие и позволяет определять технические параметры соответствующих устройств местоопределения на стадии проектирования.

Рис. 1 Составляющие индукционных методов местоопределения МТА

Здесь обозначено:

1. р_изм - измеряемый параметр навигационного магнитного поля; проекция вектора напряженности на нормаль к плоскости витков индукционного преобразователя.

Его значение является функцией:

- координат x, y, z точки наблюдения поля;

- кажущегося удельного сопротивления грунта с;

- угла г пространственной ориентации преобразователя;

- тока I, создающего переменное магнитное поле;

- количества n токоведущих проводов навигационного индуктора;

- др.

2. р₁ - первичный навигационный параметр устройства местоопределения (УМО).

Формируется УМО МТА по величине напряжений ИП. В качестве первичных параметров могут использоваться:

- модуль вектора напряженности;

- проекция вектора напряженности на вертикальную ось трактора;

- модуль проекции вектора напряженности на вертикальную ось трактора;

- проекция вектора напряженности на поперечную ось трактора;

- модуль проекции вектора напряженности на поперечную ось трактора;

- проекция и модуль проекции вектора напряженности на произвольное направление.

3. р_2факт - фактическое значение вторичного навигационного параметра УМО; величина, тождественная фактическому боковому смещению магнитоприемника устройства местоопределения МТА относительно рабочего токоведущего провода.

Определяется по значению первичных параметров согласно заданному алгоритму.

4. д - сигнал траекторного рассогласования, формируемый как разность между фактическим р_2факт и плановым р_2план значениями вторичного навигационного параметра устройства местоопределения.

5. p_2план - плановое значение вторичного навигационного параметра; величина, тождественная требуемому боковому смещению магнитоприемника устройства местоопределения МТА относительно рабочего токоведущего провода.

Может иметь нулевое и ненулевое значение. В последнем случае может представлять сумму двух составляющих, одна из которых сигнальная, характеризует информационную составляющую напряженности, а вторая является компенсационной и характеризует расчетное значение уровня магнитных помех, создаваемых токами нерабочих проводов индуктора.

Важной составной частью индукционных методов местоопределения МТА, которой до настоящего времени уделялось недостаточно внимания, является навигационное магнитное поле, программирующее плановые траектории МТА. Так как измеряемый параметр р_изм поля зависит от многих факторов, то игнорирование их приводит к значительным различиям между ожидаемой и наблюдаемой траекториями МТА при автовождении индукционными методами. Второй составляющей плановых траекторий является плановое значение вторичного навигационного параметра p_2план, хранящееся в памяти устройства местоопределения в виде математического уравнения или таблично. Фактическая траектория отличается от плановой на величину погрешности траекторного управления, а требуемая траектория учитывается лишь постольку, поскольку должна совпадать с плановой. Несовпадение требуемой траектории с плановой является методической погрешностью, которая может быть устранена изменением конфигурации индуктора или алгоритма формирования сигнала траекторного рассогласования.

Для обеспечения требуемого качества полевых сельскохозяйственных работ плановые траектории МТА должны программироваться с погрешностью относительно требуемых не более 1-2 см; зависимость измеряемого параметра р_изм магнитного поля от многих факторов усложняет вычисление фактического значения вторичного параметра p_2факт с требуемой точностью. Задача упрощается при нулевом плановом значении вторичного навигационного параметра:

p_2план = 0. (1)

Условию (1) соответствует программирование плановой траектории при помощи:

- вертикальной плоскости симметрии первичного параметра p₁; это позволяет формировать значение вторичного параметра как разность двух первичных, измеренных в точках «б» и «в»:

p_2план = p_1б - p_1в; (2)

- равносигнальной поверхности нулевого значения измеряемого параметра:

p_изм = 0. (3)

Вариант (2) реализуют одно- и двухточечные разностно-амплитудные методы и устройства, использующие один из возможных первичных параметров. Вариант (3) реализуют одноточечные амплитудно-фазные методы и устройства, использующие измеряемый параметр в качестве вторичного. При этом плановая траектория программируется направляющей поверхностью, в точках которой вектор напряженности параллелен плоскости витков катушки индукционного преобразователя. Практическое значение имеет измерение проекции вектора напряженности на вертикальную, а в некоторых случаях - на поперечную ось трактора.

Методы, удовлетворяющие условию (1), обеспечивают перемещение магнитоприемника устройств местоопределения по стационарным траекториям, допускающим незначительное смещение в ту иди другую сторону. Программирование плановых траекторий на произвольном удалении от токоведущего провода могут обеспечить методы, использующие ненулевые значения вторичного параметра:

p_2план ? 0. (4)

Возможны 2 варианта программирования плановых траекторий с произвольным смещением относительно токоведущего провода: а) амплитудно-компенсационный и б) импульсно-фазовый. Первый вариант может быть реализован по модулю вектора напряженности:

а второй - по величине фазового сдвига квазиволнового магнитного поля [2]:

где: 2b - расстояние между смежными проводами двухфазного индуктора, токи в которых взаимно сдвинуты по фазе на 90 градусов,

у - отклонение точки наблюдения поля от срединной плоскости между проводами,

H₁ и H₂ - значения напряженности, создаваемые токами смежных проводов индуктора.

Значение фазового сдвига (6) определяется по мгновенному значению вектора напряженности квазиволнового поля, вычисляемому согласно (5) по величине мгновенных значений проекций вектора напряженности на три взаимно-перпендикулярные направления.

Методы, предусматривающие p_2план = const в пределах одного гона, программируют плановые траектории физическими направляющими поверхностями магнитного поля. По аналогии можно считать, что методы, предусматривающие изменение планового значения вторичного параметра в пределах гона:

p_2план = var = F(x),

программируют плановые траектории геометрическими направляющими поверхностями, напряженность точек которых соответствует тому или иному заданному условию. Например, - заданному в виде таблицы, заполняемой при предыдущем проходе агрегата [3], либо вычисляемому непосредственно в процессе движения по известным параметрам источника магнитного поля и продольной координаты МТА [4].

Коммутируемый индуктор с заземленными проводами

Схема простейшего коммутируемого индуктора с заземленными гоновыми проводами изображена на рис. 2; навигационное поле, создаваемое током одиночного провода такого индуктора, можно считать эталонным.



Рис. 2 Коммутируемый индуктор с заземленными проводами

В каждый момент времени замкнуты ключи одного провода, цепь тока замыкается через землю. Пренебрегая магнитным полем обратного тока в земле, модуль вектора напряженности можно описать законом Био-Савара-Лапласа:

где: L - длина токоведущего провода,

x, y, z - координаты точки наблюдения поля в прямоугольной системе OXYZ, начало которой совмещено с началом провода, оси ОХ совпадает с проводом, ось OZ направлена вертикально;

I - ток провода.

Если провод достаточно длинный, а расстояние между точкой наблюдения поля и проводом намного меньше расстояний до концов провода, напряженность магнитного поля описывается законом полного тока:



Напряженность магнитного поля - векторная величина; вектор напряженности лежит в плоскости, перпендикулярной к проводу и направлен по нормали к направлению на провод, рис. 3.

Рис. 3 Направление вектора напряженности магнитного поля и его проекций относительно токоведущего провода (т. О)

Угол ш между вектором напряженности и вертикалью:

Учитывая (8) и (9), модули проекций вектора напряженности на оси системы координат опишутся уравнениями:

Согласно (10), проекция вектора напряженности на вертикальную ось OZ в любой точке плоскости XOZ равна нулю, что позволяет использовать эту плоскость в качестве направляющей для определения местоположения магнитоприемника относительно токоведущего провода. Это можно осуществить одноточечным амплитудно-фазным методом, формируя сигнал траекторного рассогласования д непосредственно по величине и направлению проекции вектора напряженности:

д = H_z, (12)

что соответствует на рис. 1 алгоритму местоопределения:

д = p_2факт - p_2план при p_2факт = р_изм = H_z, p_2план = 0.

Плоскость XOZ является плоскостью симметрии магнитного поля одиночного токоведущего провода, что позволяет формировать сигнал траекторного рассогласования одно- и двухточечным разностно-амплитудными методами:

согласно алгоритму д = p_2факт при p_2факт = p_1б - p_1в.

Здесь г_б = -г_в - углы наклона осей индукционных преобразователей «б» и «в» к плоскости ХOZ системы координат (рис. 4).



Рис. 4 Нормальное положение индукционных преобразователей «б» и «в» относительно провода в точке О

Равносигнальные поверхности H = const напряженности образуют концентрические цилиндры, соосные с проводом. Эти поверхности можно использовать в качестве направляющих, определяя фактическое положение магнитоприемника амплитудно-компенсационным методом:

где Н_о = p_2план ? 0 - плановое значение вторичного навигационного параметра.

Направляющая поверхность магнитного поля, относительно которой определяется местоположение МТА согласно (14), может быть физической и геометрической. В первом случае Н_о = p_2план = const в пределах каждого рабочего гона; во втором случае Н_о = p_2план = F(x), где х - расстояние до поворотной полосы.

Согласно (14), сигнал д зависит от значения координаты z, тока I и параметра H_o, а, с учетом (7), - также от длины L провода и расстояний x и (L - x) до концов провода. Кроме того, напряженность Н зависит от вихревых токов и обратного тока в земле.

Чувствительность устройств местоопределения, реализующих алгоритм (12):

Максимальному значению д_мах соответствует K = 0, что имеет место при y = z. Поэтому, учитывая (10):

Уверенный захват плановой траектории устройством местоопределения можно обеспечить, например, при д = 0,5д_мах. Тогда, на основании (10) и (16), ширину зоны захвата можно определить из условия:

Отсюда ширина зоны захвата плановой траектории:

y = ±3,73z,

что при z = 2 м составит ±7,5 м.

Согласно (10), направление проекции H_z зависит от знака координаты у; изменению направления H_z соответствует изменение фазы выходного напряжения «сигнального» индукционного преобразователя на 180 градусов. В качестве опорной фазы, не зависящей от траекторного рассогласования, удобно использовать проекцию H_y.

На рис. 5 приведены графики зависимости сигнала траекторного рассогласования д = H_z, сигнала H_y опорной фазы, чувствительности K индукционных амплитудно-фазных устройств местоопределения от приведенного значения y/z. Здесь за 100% принят модуль вектора напряженности в точке с координатами (z; y = 0).

Нормально аксиальная ось сигнального индукционного преобразователя амплитудно-фазного устройства местоопределения проходит через провод. При движении трактора его движители копируют микрорельеф, в результате чего трактор, магнитоприемник и индукционный преобразователь испытывают крен в ту или другую сторону. А так как центр крена лежит на поверхности земли, то крен трактора, например, вправо по ходу движения, смещает ось индукционного преобразователя относительно заглубленного в подпахотный слой токоведущего провода влево на расстояние, пропорциональное углу крена и глубине прокладки провода (рис. 6).

Рис. 5 Параметры амплитудно-фазных устройств местоопределения



Рис. 6 Влияние крена на сигнал траекторного рассогласования

Необходимость определения фазы сигнального напряжения отсутствует при формировании сигнала траекторного рассогласования разностно-амплитудным методом (13) по модулю вектора напряженности.

При одноточечном варианте реализации метода (рис. 7) справедливо:

Рис. 7 Одноточечный разностно-амплитудный метод местоопределения

Чувствительность одноточечных разностно-амплитудных устройств местоопределения:



Сравнение (15) и (17) показывает, что при прочих равных условиях чувствительность одноточечных разностно-амплитудных и амплитудно-фазных устройств местоопределения одинаковая, если оси индукционных преобразователей образуют между собой угол 2г = 120^o. При г = 0 одноточечный разностно-амплитудный метод превращается в амплитудно-фазный.

Зависимость проекции вектора напряженности от угла г наклона оси проекций к вертикали и координаты у точки наблюдения поля при z = 2 м приведена на рис. 8.

Разностно-амплитудный метод можно реализовать, используя в качестве первичных навигационных параметров проекцию и модуль проекции вектора напряженности.

На рис. 9 при z = 2 м и г = ±30^о приведены выходные характеристики одноточечных разностно-амплитудных методов местоопределения по проекции (д1) и по модулю проекции (д2) вектора напряженности. При незначительных отклонениях магнитоприемника от провода оба варианта обеспечивают одинаковое качество местоопределения - кривые совпадают. Но при у > 1,2 м происходит резкое снижение сигнала траекторного рассогласования д2, что объясняется увеличением модуля H_г2. Увеличение абсолютных значений углов г расширяет зону совпадения кривых д1 и д2; при г = ±60^о кривые совпадают в диапазоне |у| ? 3,4 м.



Рис. 8 Зависимость проекции вектора напряженности от угла г наклона оси проекций к вертикали и координаты у точки наблюдения поля при z = 2 м

Для сравнения на рис. 9 приведена кривая H_z, которая характеризует выходную характеристику амплитудно-фазных устройств местоопределения по проекции вектора напряженности на вертикальную ось трактора.

Рис. 9 Зависимость сигнала траекторного рассогласования д от величины рассогласования у при местоопределении одноточечным разностно-амплитудным методом по проекции (д1) и модулю проекции (д2) вектора напряженности при г = ±30^o

Разнесение индукционных преобразователей вдоль оси OY на расстояние 2а > 0 позволяет увеличить углы г до 90^о. При этом качество местоопределения по проекции и по модулю проекции вектора напряженности одинаковое при любых значениях y.

При замыкании ключей двух смежных проводов индуктора на рис. 2 плоскость симметрии магнитного поля совпадает со срединной плоскостью между проводами, что позволяет использовать её в качестве направляющей. Зависимость проекций векторов напряженности на вертикальную ось от координаты у, измеряемой от срединной плоскости, при z = 2 м и расстоянии между проводами 2b = 10 м приведена на рис. 10. Как видно, крутизна характеристики H_ZУ (у) суммарного поля вблизи срединной линии в 5 раз уступает крутизне аналогичной характеристики одиночного провода над этим проводом. Это свидетельствует о 5-кратном снижении чувствительности амплитудно-фазных устройств местоопределения, реализующих алгоритм (12), при перемещении магнитоприемника вдоль срединной линии, по сравнению с перемещением над проводом.

Рис. 10 Распределение напряженности H_z между двумя синфазными проводами при расстоянии 2b = 10 м, z = 2 м

На рис. 11 приведены аналогичные характеристики для проекции H_y вектора напряженности на поперечную ось трактора. Характеристики показывают, что для этого варианта алгоритм (12) неприменим, но можно использовать алгоритм (13) при достаточной длине измерительной базы 2а. При питании смежных проводов токами разной частоты алгоритм (13) можно реализовать в одноточечном варианте, (кривая Hy1 - Hy2), но и в этом случае чувствительность устройств местоопределения в 5 раз ниже по сравнению с местоопределением по Hz над одиночным проводом.

Рис. 11 Распределение напряженности H_y между двумя синфазными проводами при расстоянии между ними 2b = 10 м, z = 2 м

Коммутируемый индуктор «многолучевая звезда»

Гоновые провода индуктора могут быть изолированы от земли, а цепь тока замыкаться с помощью второго гонового провода. Один из возможных вариантов такого индуктора показан на рис. 12, где четные и нечетные провода раздельно подключаются к выходу источника переменного тока. Здесь для создания навигационного магнитного поля достаточно замкнуть два ключа - четного и нечетного проводов.

Рис. 12 Коммутируемый индуктор «многолучевая звезда»

Магнитное поле тока петли равно векторной сумме 4-х составляющих, создаваемых токами двух гоновых проводов и 2-х перемычек между проводами.

Пусть, например, ток рабочего провода 4 замыкается по проводу 5. Совместив ось ОХ системы координат с проводом 4, начало системы координат с началом провода 4, для составляющих напряженности в произвольной точке с координатами (x, y, z) на основании (7), (10) и (11) можно записать:

где: B - расстояние между проводами, L - длина проводов. Величины H_z54 и H_х54 описывают влияние тока удаленной перемычки петли.

Вектор напряженности суммарного магнитного поля, создаваемого током 4-х сторон петли, описывается уравнением:

где для точек внутри петли составляющие вектора напряженности:

Влияние магнитного поля, создаваемого обратным током провода 5 и перемычек между проводами, можно уменьшить дополнительным замыканием ключа провода 3. При этом ток провода 4 на поворотной полосе разделится между проводами 3 и 5, образуя «двойную петлю». Будучи однонаправленными, токи этих проводов создают встречные магнитные поля H_z, полная взаимная компенсация которых наблюдается вдоль их срединной плоскости, т.е. над проводом 4. Для точек внутри петли 4-5 вертикальные проекции векторов напряженности, создаваемые токами проводов 3, 4 и 5:

где B - расстояние между проводами.

Проекция H_zУ суммарного вектора напряженности «двойной петли»:

Распределение напряженности H_z по ширине двойной петли 3+4+5 при B = 7 м и z = 2 м изображено на рис. 13. Сравнение графиков H_z4 и H_zУ показывает, что токи проводов 3 и 5 улучшают навигационное магнитное поле тока провода 4, распространяя зону уверенного захвата провода 4 устройством местоопределения на 75% ширины двойной петли, а также несколько повышая чувствительность и помехоустойчивость устройств местоопределения к крену трактора. Поэтому качество навигационного магнитного поля двойной петли при прочих равных условиях превосходит качество эталонного магнитного поля, создаваемого током одиночного заземленного провода. При увеличении расстояния между смежными проводами качество навигационного магнитного поля двойной петли приближается к эталонному. Переход от двойной петли к одинарной позволяет определять местоположение МТА относительно срединной плоскости симметрии поля петли по величине H_y амплитудно-фазным либо двухточечным разностно-амплитудным методом, что позволяет увеличить расстояние между проводами либо сократить смещение магнитоприемника относительно продольной оси трактора.

Рис. 13 Распределение напряженности H_z по ширине двойной петли 3-4-5 (рис. 12) при B = 2b = 7 м, z = 2 м

Более широкими потенциальными возможностями обладает индуктор с трехпозиционными ключами гоновых проводов [5] (рис. 14), так как позволяет создавать две петли с противофазными токами, суммарное магнитное поле которых образует вертикальную срединную плоскость симметрии. Так, при замыкании ключей 11 и 12 вправо, а 10 и 13 - влево, срединная плоскость между проводами 6 и 7 пригодна для местоопределения МТА, что позволяет увеличить расстояние между гоновыми проводами. Магнитные поля проводов 5 и 8 увеличивают крутизну характеристик поля между проводами 6 и 7, поэтому параметры местоопределения будут несколько лучше по сравнению с представленными на рис. 10.



Рис. 14 Индуктор «многолучевая звезда» с трехпозиционными ключами гоновых проводов

Двухчастотный индуктор

Двухчастотный индуктор, схема которого изображена на рис. 15, может работать в двухчастотном и двухфазном режимах, что увеличивает количество возможных алгоритмов и расширяет потенциальные возможности индукционных методов местоопределения МТА.

Рис. 15 Схема двухчастотного индуктора

Питание проводов двухфазным напряжением создает квазиволновое поле [2], фазовый фронт которого перемещается между проводами с низкой скоростью, что позволяет определять местоположение МТА по величине фазового сдвига суммарного магнитного поля относительно тока в проводах с высокой точностью.

Двухфазный генератор 8 переменного тока питает четные и нечетные провода токами одной частоты, сдвинутыми взаимно по фазе на 90^о. Пусть, например, замкнуты ключи проводов 1+3 и 4+6. Тогда в плоскости проводов, вдали от перемычек, в пространстве между проводами 3 и 4 напряженность H суммарного магнитного поля описывается уравнением:

а фазовый сдвиг ц суммарного поля относительно тока в проводах:

Первичным навигационным параметром является мгновенное значение модуля вектора напряженности суммарного магнитного поля:

h = H_махsin(щt+ц),

а вторичным - фазовый сдвиг ц мгновенного значения модуля вектора напряженности относительно тока в проводах.

В действительности напряженность измеряется не в плоскости проводов, а на некоторой высоте z > 0, где векторы напряженности, создаваемые каждым током, в пространстве не совпадают. Поэтому суммарное поле эллиптически поляризованное, модуль его вектора напряженности не принимает нулевого значения и в каждый момент времени определяется векторным сложением мгновенных значений составляющих.

Двухчастотное поле позволяет увеличить расстояние между смежными проводами. Измеряя раздельно напряженность каждой частоты, можно использовать в качестве программы плановой траектории срединную плоскость либо геометрическое место точек, соответствующих заданному отношению первичных параметров каждой частоты.

Пусть, например, замкнуты ключи проводов 2 и 4, 5 и 7, причем расстояние между смежными проводами 2b. Тогда при совмещении плоскости XOZ системы координат со срединной плоскостью между проводами 4 и 5 для полей с частотами 1 и 2 справедливо:

Зависимость сигнала траекторного рассогласования от боковой координаты у геометрического центра магнитоприемника разностно-амплитудного устройства местоопределения по проекции H_y при 2b = 10 м, z= 2 м и различных значениях длины 2а магнитоприемника приведена на рис. 16. Как видно, чувствительность устройств местоопределения максимальна при 2а = 8 м, несколько ниже при 2а = 6 м и 2а = 0 и особенно низкая при 2а = 2 м.

На рис. 17 приведены аналогичные характеристики при местоопределении по проекции вектора напряженности на вертикальную ось трактора. Как видно, приемлемые результаты обеспечивает только увеличение длины базы 2а до 80% расстояния 2b между проводами.



Рис. 16 Выходные характеристики двухчастотных устройств местоопределения по проекции вектора напряженности на поперечную ось трактора

Рис. 17 Выходные характеристики двухчастотных устройств местоопределения по проекции вектора напряженности на вертикальную ось трактора

Индукторы без коммутации проводов

Практический интерес представляют индукторы без коммутаторов, когда токи одновременно протекают по всем гоновым проводам, что упрощает эксплуатацию индуктора и позволяет работать на поле нескольким МТА одновременно.

Удовлетворительные навигационные магнитные поля можно создавать индукторами без коммутации при последовательном включении гоновых проводов. Токи смежных последовательно включенных проводов создают встречные магнитные поля, что снижает общий уровень помех, создаваемых токами нерабочих проводов. Токи перемычек между гоновыми проводами однонаправленные, поэтому вблизи поворотных полос создают заметное поле помех, искажающих поле гоновых проводов. Уменьшить эти помехи можно, пропуская встречный вспомогательный ток, равный по величине половине тока перемычек и создающий встречное магнитное поле. Возможны различные варианты компенсации магнитных полей, создаваемых токами перемычек; на рис. 18-20 показаны некоторые из них [6].

Рис. 18 Индуктор «зигзаг в петле»



Рис. 19 Вариант индуктора «зигзаг в петле»

Рис. 20 Индуктор «двойной зигзаг»

Токи перемычек создают вертикальную и продольную составляющие вектора напряженности, но не создают поперечной составляющей. Поэтому устройства местоопределения по проекции вектора напряженности на поперечную ось трактора обладают пониженной чувствительностью к току перемычек.

Поскольку поперечные составляющие H_y затухают по мере удаления от тока более быстро, чем H_z, для местоопределения МТА целесообразно использовать двухточечный разностно-амплитудный алгоритм (2) местоопределения по величине проекции вектора напряженности на поперечную ось трактора. При этом в качестве направляющих поверхностей можно использовать поверхности симметрии магнитного поля, совпадающие с каждым гоновым проводом и со срединными линиями между ними. Графики зависимости проекции H_y, чувствительности К и сигнала рассогласования д двухточечного устройства местоопределения в магнитном поле последовательного индуктора из n = 10 гоновых проводов при B = 7 м, 2а = z = 2 м приведены на рис. 21; как видно, д = 0 при расположении геометрического центра магнитоприемника над проводами и между ними. В таблице 1 приведены значения бокового смещения плановых траекторий относительно крайних 5 гоновых проводов и срединных линий между ними. Данные таблицы показывают, что плановые траектории практически совпадают с гоновыми проводами, начиная со второго провода с края индуктора.

Рис. 21 Параметры магнитного поля индуктора «Зигзаг» при n = 10, B = 7 м, z = 2 м

Таблица 1

Боковые смещения плановых траекторий относительно крайних 5 гоновых проводов и срединных линий между ними

№ провода	1	1-2	2	2-3	3	3-4	4	4-5	5
y, м	-0,057	3,61	7,01	10,465	14	17,514	21	24,495	28
Дy, см	-5,7	11	1	-3,5	0	1,4	0	0,5	0

Выводы и рекомендации

1. Программирование плановых траекторий МТА индукционными методами осуществляется надлежащим выбором:

1.1. типа навигационного индуктора;

1.2. типа первичного навигационного параметра;

1.3. алгоритма формирования фактического значения вторичного навигационного параметра;

1.4. зависимости планового значения вторичного навигационного параметра от продольной координаты точки местоопределения МТА.

2. Гоновые провода навигационных индукторов могут быть коммутируемыми и некоммутируемыми, т.е. постоянно включенными в цепь тока. В общем случае коммутируемые индукторы создают более качественное навигационное магнитное поле, они также и менее энергоемкие, однако более сложные в изготовлении и обслуживании. Некоммутируемые индукторы просты в изготовлении и обслуживании, но более энергоемкие, более требовательные к выбору первичных навигационных параметров и алгоритмов формирования вторичных навигационных параметров.

3. Использование в качестве первичного навигационного параметра проекции вектора напряженности на вертикальную ось трактора позволяет создавать одноточечные амплитудно-фазные устройства местоопределения с незначительными габаритными размерами магнитоприемника. Однако такие устройства чувствительны к магнитным помехам, создаваемым токами нерабочих гоновых проводов, поэтому для обеспечения необходимой точности целесообразно использовать коммутируемые индукторы типа «двойная петля», получаемые посредством коммутации «многолучевой звезды».

4. Использование в качестве первичного навигационного параметра проекции вектора напряженности на поперечную ось трактора позволяет создавать навигационные магнитные поля некоммутируемыми индукторами с встречными токами в смежных проводах. Определять местоположение МТА при этом следует двухточечными разностно-амплитудными устройствами; оптимальное значение взаимного бокового смещения индукционных преобразователей магнитоприемника, обеспечивающее максимальную чувствительность местоопределения, равно высоте магнитоприемника относительно плоскости проводов.

5. Программирование плановых траекторий МТА направляющими поверхностями, не проходящими через токоведущий провод, обеспечивается при ненулевых плановых значениях вторичного навигационного параметра, которые в пределах одного гона могут быть постоянными и переменными. В последнем случае они могут быть заданы таблично заблаговременно, запоминаться при предыдущем проходе МТА либо вычисляться непосредственно в процессе движения по известной продольной координате МТА, измеряемой, например, средствами электромеханической навигации.

6. Соединения проводов следует располагать в легкодоступных местах, что упростит эксплуатацию индукторов и повысит коэффициент готовности.

7. Расстояния между смежными гоновыми проводами целесообразно принимать равными диапазону смещения магнитоприемника относительно продольной оси МТА, а сигнал траекторного рассогласования формировать амплитудно-фазным или разностно-амплитудным методами. Это обеспечит максимальную точность местоопределения МТА и минимальные эксплуатационные расходы.

Список использованных источников

1. Навигация сельскохозяйственная индукционная. А. Калюжный. Lambert Academic Publishing. Saarbrucken, Deutschland. 2016. 216 с.

2. Способ ориентации самоходных машин в переменном магнитном поле двух токонесущих проводов. А.с. 810112 СССР, МКИ А 01 В 69/04/ Калюжный А.Т., Лазовский В.В. 2451180/30-15. Заявл.09.02.1977; опубл.07.03.1981. Бюл. №9. 2 с.

3. Способ программирования траектории движения сельскохозяйственных агрегатов А.с. 751343 СССР, МКИ А 01 В 69/04 / Калюжный А.Т. 2341318/30-15. Заявл.22.03.1976; опубл.30.07.1980. Бюл.№28. 3 с.

4. Способ местоопределения тракторного агрегата и устройство для осуществления. Пат. 2607337 РФ, МПК А 01 В 69/04 / Калюжный А.Т., Каторгин Н.А., Зайцев А.А. Заявитель и патентообладатель Новосибирский государственный аграрный университет. 0,15128034/11. Заявл. 10.07.2015; опубл.10.01.2016, Бюл. №1. 5 с.

5. Индуктор сельскохозяйственный навигационный. Пат. 2624213 РФ, МПК А01 В 69/04 / Калюжный А.Т. Заявитель и патентообладатель Калюжный А.Т. 2016146860/13. Заявл.04.05.2016; опубл. 03.07.2017, Бюл.№ 19. 4 с.

6. Способ создания навигационного магнитного поля и устройство для его осуществления. Пат. 2634046 РФ, МПК А 01 В 69/04 / Калюжный А.Т. Заявитель и патентообладатель Калюжный А.Т. 2016146860/13. Заявл.29.11.2016; опубл. 23.10.2017, Бюл.№ 30. 5 с.

Размещено на Allbest.ru

...