Размещено на http://www.allbest.ru/

Новосибирский государственный аграрный университет

Анализ индукционных систем местоопределения тракторных агрегатов

Калюжный А.Т.

Аннотация

Выполнен сравнительный анализ качества местоопределения тракторных агрегатов индукционными системами. Показано, что качество местоопределения в магнитных полях реальных индукторов может превышать эталонное в магнитном поле одиночного провода. Системы с некоммутируемыми индукторами обеспечивают высокое качество местоопределения при питании смежных проводов противофазными токами и формировании сигналов траекторного рассогласования: а) двухточечным разностно-амплитудным методом по проекции вектора напряженности на поперечную ось трактора, б) двухуровневыми одноточечными методами по проекции вектора напряженности на вертикальную ось трактора. Приведены рекомендации по выбору индукционных систем местоопределения роботизированной сельскохозяйственной техники.

Ключевые слова: роботизация тракторов, местоопределение тракторных агрегатов, индукционная сельхознавигация, индуктор навигационный, навигационный магнитоприемник, плановая траектория

Состав индукционных систем местоопределения

Роботизация самоходных сельскохозяйственных машин и машинно-тракторных агрегатов (МТА), обеспечивающая выполнение полевых работ без участия человека, требует автоматизации формирования сигнала траекторного рассогласования как разности между плановой траекторией и фактическим местом нахождения МТА. Эта задача может быть решена с помощью комплекса технических средств, использующих физическое явление магнитной индукции и представляющих систему определения местонахождения МТА, или «систему местоопределения МТА».

Индукционные системы местоопределения МТА состоят из мобильного и полевого комплектов. Полевой комплект, или «индуктор», предназначен для создания навигационного магнитного поля и включает:

- систему подземных проводов, соединенных определенным образом;

- генератор переменного тока с источником электрической энергии;

- дополнительное оборудование, например, канал связи с диспетчером и/или мобильным комплектом, коммутатор проводов и пр.

Мобильный комплект, или «устройство местоопределения» (УМО), измеряет напряженность магнитного поля в месте нахождения МТА и формирует сигнал траекторного рассогласования. В состав мобильного комплекта входит электронное арифметико-логическое устройство и магнитоприемник с индукционными преобразователями (ИП).

Магнитоприемник представляет электромеханическую конструкцию, осуществляющую плавное либо дискретное перемещение в поперечном направлении точки измерения напряженности. Плавное перемещение обеспечивается подвижной кареткой с магнитоприемником вдоль поперечной направляющей; дискретное - переключением нескольких ИП, закрепленных на поперечной штанге.

Магнитоприемник может содержать несколько ИП; так, магнитоприемник амплитудно-фазных УМО состоит из сигнального и опорного ИП: первый применяется для определения величины, а второй - знака траекторного рассогласования. Магнитоприемник двухточечных УМО содержит два сигнальных ИП, расстояние 2а между которыми является измерительной базой УМО.

Принципы программирования траекторий МТА

Явление магнитной индукции позволяет программировать траекторию магнитоприемника УМО, которую будем называть «плановой». Программирование осуществляется с помощью «направляющих поверхностей» магнитного поля, все точки которых обладают одинаковым значением определенного навигационного параметра. В качестве такого параметра может использоваться величина, направление или фаза вектора напряженности магнитного поля либо разность расстояний до двух точек с одинаковым значением измеряемого параметра магнитного поля. Так, плановые траектории можно программировать при помощи «равносигнальных поверхностей» модуля, проекции или фазы магнитного поля либо при помощи плоскостей или поверхностей симметрии магнитного поля. Линия пересечения направляющих поверхностей с горизонтальной плоскостью, в которой расположен магнитоприемник, образует программу плановой траектории; фактическая траектория отличается от плановой на величину погрешности траекторного управления.

Алгоритмы формирования сигналов траекторного рассогласования можно разделить на «разностно-амплитудные», или «дифференциальные», и «дальномерные». В первом случае направляющая поверхность содержит «рабочий» токоведущий провод, вдоль которого перемещается МТА, а во втором отстоит от него не ближе нескольких метров. Ниже рассматриваются дифференциальные УМО, обеспечивающие необходимое качество местоопределения: точность, чувствительность, устойчивость к ориентационным помехам. Дифференциальные УМО используют в качестве направляющей поверхность симметрии модуля, проекции или направления вектора напряженности.

Типы навигационных индукторов

Распределение магнитного поля по поверхности с/х поля зависит от конкретного исполнения навигационного индуктора: длины гоновых проводов, расстояний между ними, схемы электрического соединения. Решающее значение имеет направление протекания тока в смежных проводах: однонаправленные, или «синфазные», токи создают однонаправленные магнитные поля, а встречные, или «противофазные», токи создают разнонаправленные магнитные поля [1]. Однонаправленные токи протекают при параллельном соединении проводов, а разнонаправленные - при последовательном. На практике гоновые провода могут подключаться к источнику тока: а) параллельно, б) последовательно, в) параллельно-последовательно, г) последовательно-параллельно, д) последовательно-параллельно-последовательно (рис. 1).

В дифференциальных системах расстояние между смежными проводами ограничивается боковым смещением магнитоприемника относительно продольной оси трактора, которое, в свою очередь, ограничивается конструктивными соображениями. Поэтому при ширине с/х поля ?1 км индуктор может содержать до сотни и более проводов, ток каждого из которых создает заметную напряженность по всей площади с/х поля. Суммарная напряженность равна сумме составляющих, поэтому распределение напряженности вдоль каждого провода индивидуально, а расстояния между точками с одинаковым значением напряженности зависят от количества токоведущих проводов с обеих сторон от этих точек.



Рис. 1. Схемы индукторов без коммутации проводов

Для стабилизации плановых траекторий ИП относительно каждого провода индукторы могут выполняться с коммутируемыми проводами, что позволяет отключать нерабочие провода и питать током только рабочие. Возможные вариантов таких индукторов показаны на рис. 2: а) с параллельными проводами, б) с заземленными проводами; в) универсальная многолучевая звезда, позволяющая посредством коммутации проводов создавать различные петлеобразные источники магнитного поля, в том числе источники типа г) «двойная петля».



Рис. 2. Варианты индукторов с коммутируемыми проводами

Эталон качества местоопределения МТА

Для оценки навигационных полей и плановых траекторий, создаваемых токами реальных индукторов, в качестве «эталона» можно выбрать магнитное поле, создаваемое током бесконечно длинного прямолинейного провода. Напряженность H, создаваемая током I такого провода на расстоянии r от его оси, описывается законом полного тока:

Совместим ось OX прямоугольной системы координат OXYZ с проводом, а плоскость ZOY - с точкой наблюдения поля (рис. 3). Тогда вектор напряженности Н образует с осью OY угол ч:

Зависимость угла ч от координаты у при z = 2 м приведена в таблице 1.

Рис. 3. Положение вектора напряженности в системе координат OXYZ

Таблица 1. Зависимость угла ч наклона вектора напряженности к горизонтальной плоскости от боковой координаты у при z = 2 м

y, м	0,0	0,1	0,2	0,3	0,5	1,0	2	3	5
ч, град	0,0	2,86	5,71	8,53	14,036	26,565	45	56,31	68,2

Напряженность магнитного поля, создаваемого током I провода конечной длины L, описывается в системе координат OXYZ, ось ОХ которой совмещена с проводом, а начало - с одним из концов провода, законом Био-Савара-Лапласа:

где г - углы между токоведущим проводом и направлениями на точку наблюдения поля с обоих концов провода.

Выражение в скобках (3) характеризует отличие магнитного поля тока конечного провода от бесконечного. При удалении точки наблюдения поля от конца провода в направлении оси ОХ, т.е. при увеличении координаты х от нуля до L, значение (3) сначала растет, достигая примерно удвоенного значения при x =L/2, а затем уменьшается до начального [2].

Положение магнитоприемника относительно вертикальной плоскости XOZ можно определять амплитудно-фазным методом по величине и фазе проекции Hz вектора напряженности на вертикальную ось OZ:

где д - сигнал траекторного рассогласования.

Статическая чувствительность амплитудно-фазных устройств местоопределения пропорциональна отношению д/y и зависит от координаты х, изменяясь пропорционально выражению в скобках (4). Если принять, что при у ? 0, L >>z и х = 0 выражение в скобках (4) равно единице, то при x = z оно возрастет до 1,707, а при x = 5z - до 1,98 ? 2.

Глубина закладки проводов h ?1 м, высота ИП над земной поверхностью примерно такая же, поэтому координата z ? 2 м; ощутимое снижение чувствительности амплитудно-фазных УМО по проекции Hz наблюдается на расстояниях менее 10 м до конца провода. Поэтому провод конечной длины вдали от концов можно считать бесконечным и описывать напряженность магнитного поля уравнением (1).

Сигнал рассогласования д отсутствует, если аксиальная ось ИП проходит через провод, так как только в этом случае магнитный поток скользит между витками катушки ИП, не пересекая их. Установка ИП под углом в к плоскости XOZ смещает линию д = 0 на Дy (рис. 4):



Рис. 4. Влияние угла в наклона ИП на смещение плановой траектории

Так, при z = 2 м углу в =5o соответствует Ду = 0,175 м, поэтому погрешность установки ИП 1о перемещает плановую траекторию на 3,5 см.

Влияние крена аналогично ошибке установки ИП с тем отличием, что крен дополнительно перемещает ИП в сторону крена на расстояние:

Поэтому реальное смещение плановой траектории составит разность Дyz и Дyh; в рассмотренном выше примере при h =0,5z смещение ИП ?1,8 см.

Рис. 5. Влияние крена на положение ИП, смещенного относительно продольной оси трактора на уо

При боковом смещении ИП относительно продольной оси трактора на уо крен изменяет координату z, новое значение которой можно определить на рис. 5, где обозначено: О - токоведущий провод; А - точка соприкосновения движителя трактора с поверхностью земли, центр крена; В - начальное положение ИП; и - угол между отрезком r и осью OY; h - глубина закладки провода под землей, zo и z - начальное и конечное значение координаты z. местоопределение провод ток роботизированный

Отрезок АB = r:

Угол и между осью OY и отрезком r:

В точке В вектор напряженности перпендикулярен к оси OZ, ч = 0. При крене вправо на угол в ИП переместится в точку С, угол и возрастет на в. Новые значения координат ИП:

Так, если h = 1 м, zo = 2 м, yo = 5 м, то r = 5,1 м, и = 11,31o. При крене трактора вправо на угол в = -1о новые значения координат ИП в точке С: у = =0,0173 м, z = 2,0873 м. В точке С угол ч = -0,475о. Условие ч = в соблюдается в точке с координатами z = 2,0873 м, у =0,0365 м, т.е. при увеличении боковой координаты ИП на 3,65 - 1,73 = 1,9 см в сторону крена. Отсюда следует, что смещение ИП в боковом направлении относительно продольной оси трактора не снижает помехоустойчивость амплитудно-фазных УМО к крену трактора в эталонном магнитном поле.

Чувствительность местоопределения МТА амплитудно-фазными УМО в эталонном магнитном поле [2]:

Примем за 100% напряженность, создаваемую током бесконечно длинного провода на расстоянии rо = const от оси провода:

Тогда чувствительность местоопределения в процентах:

Приняв ro = z = 2 м, для начальной чувствительности при y = 0 получим:

Сигнал траекторного рассогласования д принимает максимальное значение при нулевом значении чувствительности, т.е. при y = z:



Местоопределение в магнитном поле многопроводного индуктора

Местоопределение амплитудно-фазными УМО

Напряженность магнитного поля некоммутируемого индуктора равна векторной сумме напряженностей, создаваемых токами всех проводов.

Учитывая (6), уравнение (4) можно выразить в процентах к модулю вектора напряженности при y = 0, rо= z = 2 м:

Совместим ось ОХ системы координат с крайним проводом последовательного индуктора. Тогда для напряженности в произвольной точке с координатами (x, y, z) справедливо:

где: В - расстояние между проводами,

i - порядковый номер провода, напряженность которого учитывается.

В формуле (7) сомножитель (-1)i учитывает разнонаправленность токов в четных и нечетных проводах.

Аналогично проекция вектора напряженности суммарного поля на горизонтальную ось OY:



поэтому:

Угол ч наклона вектора напряженности суммарного поля к оси OY определяется проекциями Hz и Hy:

ч = arctg(Hz /Hy).

На рис. 6 приведены графики ч(1-50)...ч(5-50) зависимости угла ч от расстояния Дy между проводом и точкой наблюдения поля при z = 2 м для первых 5 проводов 50-проводного индуктора. Там же для сравнения приведен график ч(1-1) для одиночного провода. Как видно, наклон графика ч(1-1) к оси OY меньше, чем графиков ч(1-50)...ч(5-50). Поэтому одинаковый угол крена смещает плановую траекторию в магнитном поле индуктора меньше, чем в эталонном магнитном поле одиночного провода. Отсюда следует, что помехоустойчивость амплитудно-фазных УМО к крену трактора в магнитном поле многопроводного индуктора выше, чем в поле одиночного провода, вследствие взаимной деформации магнитных силовых линий, создаваемых токами смежных проводов. По этой же причине чувствительность устройств местоопределения в магнитном поле индуктора на ?10% выше, чем в поле одиночного провода.



Рис. 6. Зависимость угла ч от номера провода и бокового смещения Дy точки наблюдения поля относительно провода

Распределение модуля и проекций вектора напряженности по ширине 50-проводного индуктора от первого до седьмого проводов при расстоянии между ними В = 7 м и координате z = 2 м показано на рис. 7.

Рис. 7. Параметры магнитного поля при В = 7 м, z = 2 м

Над проводами нулевое значение приобретает проекция Hz, а над срединной линией между проводами - проекция Hy, что позволяет использовать эти линии в качестве программ плановых траекторий. В таблице 2 приведены результаты вычисления боковых смещений Дy плановых траекторий амплитудно-фазных УМО по Hz и Hy относительно проводов и срединных линий между ними согласно (7) и (8). Расчет показал, что смещение плановых траекторий относительно проводов превышает 3 см по всей шири не индуктора. Знак смещения четных и нечетных проводов противоположный, поэтому расстояния между плановыми траекториями не совпадают с расстояниями между проводами. Так, плановая траектория, программируемая алгоритмом Hz = 0, смещена наружу индуктора относительно первого провода на 34,55 см, а плановая траектория провода 2 смещена на 15,8 см внутрь. Поэтому расстояние между ними ?7,5 м, а между плановыми траекториями проводов 2 и 3 - ? 6,74 м.

Расчет показывает, что даже в глубине индуктора расстояния между смежными плановыми траекториями различаются, что делает такие программы непригодными для практического применения известными методами. Но их можно использовать, если ввести в алгоритм формирования сигнала траекторного рассогласования поправку за магнитные поля помех. Алгоритм местоопределения при этом аналогичен дальномерному:

д = Hz - Cz; д = Hy - Cy,

где С = const - поправка за магнитные поля помех, вычисляемая согласно (7) и (8) индивидуально для каждого рабочего провода.

Таблица 2. Показатели, характеризующие местоопределение амплитудно-фазными УМО по Hz и Hy

№ провода	Местоопределение по Hz	Местоопределение по Hy
	у, м	Дy, см	К, %/м	Kч, о/м	у, м	Дy, см	К, %/м	Кч,о/м
1	0	-34,55	-52,406	31,09	3,5	12,71	-20,685	19,456
2	7	15,8	55,609	36,6	10,5	-4,34	20,041	22,392
3	14	-10,44	-54,6505	35,37	17,5	2,06	-20,1865	20,136
4	21	7,69	55,0905	36,05	24,5	-1,2	20,1325	21,941
5	28	-6,17	-54,841	35,74	31,5	0,77	-20,158	20,432
6	35	5,15	55,001	35,97	38,5	-0,54	20,1445	21,723
7	42	-4,47	-54,8905	35,84	45,5	0,39	-20,153	20,582
8	49	3,95	54,9715	35,81	52,5	-0,3	20,1475	21,602
9	56	-3,57	-54,91	35,88	59,5	0,24	-20,151	20,671
10	63	3,26	54,958	35,86	66,5	-0,19	20,148	21,528
11	70	-3,02	-54,9195	-35,9

Данные таблицы 2 показывают, что чувствительность местоопределения относительно проводов на ?5% выше, а относительно срединных линий - в ? 2,5 раза ниже, чем в эталонном поле над проводом.

Наклон оси индукционного преобразователя на 1о смещает плановую траекторию относительно провода на ?100/36=2,8 см, что меньше смещения в эталонном поле; смещение относительно срединной линии ?100/20 =5 см.

В отличие от полезного сигнала, уровень магнитных помех слабо зависит от координаты z. Поэтому вычисление поправок можно заменить прямым измерением с помощью второго УМО, магнитоприемник которого расположен выше первого [3]. Алгоритм формирования сигнала рассогласования таким «двухуровневым» УМО:

д = д(z1) - д(z2).

Значения бокового смещения плановых траекторий двухуровневых УМО при z1 = 2 м, z2 = 2,5 м приведены в таблице 3.

Из таблиц 2 и 3 следует, что в магнитных полях противофазных индукторов положение МТА можно определять относительно проводов одноточечными двухуровневыми УМО по Hz, а относительно срединных линий - одноуровневыми по Hy. В обоих случаях чувствительность УМО может быть одинаковой при надлежащем выборе междууровневого расстояния.

Таблица 3. Смещение плановых траекторий относительно проводов двухуровневых амплитудно-фазных УМО по Hz

№ провода	1	2	3	4	5	6	7
Дy, см	-5,21	0,65	-0,18	0,07	-0,03	0,02	-0,01

Местоопределение одноточечными разностно-амплитудными УМО

Плановые траектории можно программировать одноточечным разностно-амплитудным методом по разности модулей проекций на 2 направления, задаваемые продольными осями катушек индукционных преобразователей. В качестве примера на рис. 8 показаны зависимости от координаты у проекций вектора напряженности суммарного магнитного поля 50-проводного индуктора на 2 направления, образующие с осью OY углы в = ±45о, а также разность д модулей проекций. Числовые данные, характеризующие графики на рис. 8, приведены в таблице 4.

Рис. 8. Зависимость проекций вектора напряженности на направления в = ±45о и их разности д от координаты у

Таблица 4. Параметры одноточечных разностно-амплитудных УМО по модулю проекций вектора напряженности на направления, образующие с осью OY углы ±45о

№	у, м	Дy, см	К, %/м	Кч, %/м	у, м	Дy, см	К, %/м	Кч, %/м
1	0	-34,55	74,113	31,092	3,5	12,71	-29,253	15,812
2	7	15,8	78,643	36,605	10,5	-4,34	-28,342	20,55
3	14	-10,44	77,287	35,366	17,5	2,06	-28,548	17,103
4	21	7,69	77,91	35,956	24,5	-1,2	-28,472	19,548
5	28	-6,17	77,557	35,741	31,5	0,77	-28,508	17,541
6	35	5,15	77,783	35,886	38,5	-0,54	-28,489	19,193
7	42	-4,47	77,627	35,839	45,5	0,39	-28,501	17,747
8	49	3,95	77,741	35,866	52,5	-0,3	-28,493	19,016
9	56	-3,57	77,654	35,877	59,5	0,24	-28,498	17,864
10	63	3,26	77,722	35,858	66,5	-0,19	-28,494	18,912
11	70	-3,02	77,668	35,896

Сравнение данных таблиц 2 и 4 показывает, что различие между амплитудно-фазными и разностно-амплитудными устройствами местоопределения - только в чувствительности: смещения плановых траекторий и влияние крена трактора в обоих случаях одинаковые. Различие в чувствительности объясняется разным количеством сигнальных ИП.

Двухуровневый метод корректировки сигнала траекторного рассогласования и в этом случае снижает боковое смещение плановых траекторий до значений, указанных в таблице 3.

Местоопределение двухточечными УМО

Местоопределение по модулю вектора напряженности

Два ИП разностно-амплитудных УМО можно разнести вдоль оси OY на некоторое расстояние 2а=const, так что измеряться будут проекции двух векторов на два направления, симметричные относительно оси OY или OZ. Это позволяет формировать сигнал траекторного рассогласования по модулю вектора напряженности, что делает соответствующие устройства нечувствительными к пространственной ориентации и точности юстировки ИП. График зависимости модуля вектора напряженности от координаты у показан на рис. 6.

Алгоритм местоопределения двухточечным разностно-амплитудным методом без учета конечной длины проводов:

Результаты вычислений сигнала траекторного рассогласования устройств местоопределения по модулю вектора напряженности 50-проводного индуктора относительно проводов 1…7 при В = 7 м, 2а = 2 м приведены на рис. 9. Графики показывают, что при В = 7 м расстояние между плановыми траекториями геометрического центра магнитоприемника 2а = 2 м изменяется от 6,05 м между первым и вторым проводами до 7,73 м между вторым и третьим проводами. Для проводов 5-6 и 6-7 эти расстояния составляют, соответственно, 6,7 и 7,2 м. Двухуровневая корректировка позволяет уменьшить боковое смещение плановых траекторий, однако чувствительность УМО при этом снизится примерно до 8%/м.

Рис. 9. Выходные характеристики разностно-амплитудных УМО по модулю вектора напряженности при 2а =z = 2 м

Местоопределение по проекции Hz

Выходные характеристики двухточечных УМО по проекции вектора напряженности на вертикальную ось при 2a = 2 м приведены на рис. 10. Числовые показатели местоопределения приведены в таблице 5. Как видно, смещения плановых траекторий относительно проводов и срединных линий между ними значительные. Поэтому двухточечные УМО по Hz при 2а ?2 м не имеют преимуществ перед одноточечными.

Рис. 10. Выходные характеристики УМО по Hz при 2а =z = 2 м

Таблица 5. Смещение плановых траекторий двухточечных разностно-амплитудных УМО по Hz при 2а = 2 м

№ провода	y, м	д, %	К, %/м	Дy	y, м	д, %	К, %/м	Дy, см
1	0	36,817	-53,275	-69,11	3,5	-2,43	2,98	-81,54
2	7	-17,67	-59,86	29,52	10,5	0,846	3,54	23,9
3	14	11,437	-57,92	-19,75	17,5	-0,411	3,4	-12,1
4	21	-8,48	-58,81	14,42	24,5	0,24	3,45	6,96
5	28	6,774	-58,31	-11,62	31,5	-0,154	3,43	-4,49
6	35	-5,673	-58,625	9,68	38,5	0,11	3,445	3,19
7	42	4,907	-58,4	-8,4	45,5	-0,079	3,43	-2,3
8	49	-4,346	-58,565	7,42	52,5	0,062	3,435	1,8
9	56	3,918	-58,44	-6,7	59,5	-0,047	3,44	-1,37
10	63	-3,585	-58,535	6,12	66,5	0,038	3,43	1,11
11	70	3,317	-58,46	-5,67

Местоопределение по Hy

Аналогичные параметры местоопределения двухточечным методом по проекции Hy на горизонтальную ось приведены на рис. 11. Как видно, в этом случае плановая траектория первого провода смещена наружу относительно индуктора на 5,6 см, второго - внутрь на 0,8 см, а затем они располагаются практически точно над проводами, что объясняется симметричностью полей Hy относительно проводов.

Числовые значения смещений плановых траекторий двухточечных разностно-амплитудных УМО по Hy в магнитном поле 50-проводного индуктора при В = 7 м, z = 2 м, 2а = 2 м приведены в таблице 6.

Рис. 11. Выходные характеристики разностно-амплитудных УМО по проекции Hy в магнитном поле 50-проводного индуктора при 2а =z = 2 м

Таблица 6. Смещение плановых траекторий разностно-амплитудных УМО по проекции Hy в магнитном поле 50-проводного индуктора при 2а = 2 м

№ провода	у, м	д, %	К, %/м	Дy, см	y, м	д, %	К, %/м	Дy, см
1	0	-3,674	-65,36	-5,62	3,5	-5,415	49,21	11,00
2	7	0,444	-66,98	0,66	10,5	1,757	47,86	-3,67
3	14	-0,122	-66,86	-0,18	17,5	-0,838	48,155	1,74
4	21	0,048	-66,885	0,07	24,5	0,484	48,05	-1,01
5	28	-0,024	-66,875	-0,04	31,5	-0,313	48,1	0,65
6	35	0,013	-66,88	0,02	38,5	0,218	48,07	-0,45
7	42	-0,008	-66,875	-0,01	45,5	-0,16	48,085	0,33
8	49	0,005	-66,875	0,0	52,5	0,121	48,075	-0,25
9	56	-0,004	-66,88	0,0	59,5	-0,095	48,08	0,2
10	63	0,002	-66,875	0,0	66,5	0,075	48,075	-0,16
11	70	-0,002	-66,88	0,0

Графики зависимости чувствительности устройств местоопределения по проекции Hy от у при 2а = 2 м и 2а = 3,6 м показаны на рис. 12.

Рис. 12. Зависимость чувствительности устройств местоопределения по Hy от координаты у и длины измерительной базы 2а

Местоопределение в магнитном поле коммутируемого индуктора

Индуктор по схеме рис. 2 а) позволяет создавать навигационное магнитное поле током 4-х сторон петли, из которых одна рабочая, а остальные, обратные, - замыкают цепь тока. Обратные токи создают магнитные поля помех, которые искажают форму направляющей поверхности и плановой траектории МТА. От этого недостатка свободен индуктор с заземленными гоновыми проводами б), в котором обратный ток замыкается через землю. Однако устройство заземлителей удорожает стоимость индуктора, а сезонные изменения сопротивления заземления снижают стабильность тока проводов и напряженности магнитного поля. Более перспективным является универсальный индуктор «в)» типа «многолучевая звезда», который преобразуется в «двойную петлю» «г)» с полной взаимной компенсацией магнитных полей обратных токов над средним проводом. В результате направляющая поверхность Hz = 0 плоская и вертикальная, располагается точно над средним проводом. Также достоинством двойной петли является быстрое затухание напряженности при удалении от петли уже на несколько десятков метров (рис. 13), что решает проблему электромагнитной совместимости роботизированных МТА и позволяет всем работать на одной частоте, не влияя друг на друга.

Рис. 13. Магнитное поле двойной петли 2х7 м

Коммутируемый индуктор «многолучевая звезда» может быть преобразован в несколько отдельных петель с синфазными или противофазными токами (рис. 14). Это позволяет программировать плановые траектории при помощи срединных плоскостей между петлями. Ввиду симметрии магнитных полей слева и справа от срединной плоскости нулевые значения проекций Hz и Hy не зависят от координаты z.

Рис. 14. Петли: двойная а), с противофазными б) и синфазными в) токами

Совместим плоскость XOZ системы координат со срединной плоскостью между петлями в). Тогда, пренебрегая конечной длиной петель и принимая токи равными, для напряженности суммарного поля петель в) можно записать:

Аналогично для петель б) с противофазными токами при совмещении плоскости XOZ системы координат со срединной плоскостью петель:

Результаты вычисления сигналов траекторного рассогласования, пропорциональных проекциям вектора напряженности на горизонтальную или вертикальную ось, показаны на рис. 15 при В = 7 м и z = 2 м. На рисунке обозначено:

- Hz(двой) - график двойной петли при отклонении от среднего провода;

- Hz(этал) - график эталонного поля одиночного провода;

- Hy(синф) - график суммарного поля 2-х петель с синфазными токами (рис. 14 в) при отклонении от срединной плоскости между петлями;

- Hy(один) - график поля одинарной петли шириной 7 м;

- Hz(пр) - график поля 2-х петель с противофазными токами (рис. 14 б) при отклонении от срединной плоскости между петлями.

Рис. 15. Зависимость проекций вектора напряженности суммарного поля синфазных и противофазных петель от боковой координаты у

Как видно на графиках, качество местоопределения МТА системами с индукторами типа «двойная петля» и одноточечными УМО не уступает качеству местоопределения в эталонном магнитном поле одиночного провода. Качество местоопределения в поле одинарной петли выше качества местоопределения в поле 2-х петель с синфазными токами. Но качество местоопределения в магнитном поле противофазных петель б) существенно ниже, так как чувствительность УМО в 5,35 раз ниже эталонной.

Выводы и рекомендации

1. Качество определения местоположения МТА индукционными устройствами в магнитных полях многопроводных индукторов может превосходить качество местоопределения в эталонном магнитном поле одиночного провода.

2. Качество индукционных систем местоопределения характеризуют, в частности, параметры:

a) шаг закладки проводов навигационного индуктора;

b) величина бокового смещения плановых траекторий относительно токоведущих проводов;

c) долговременная стабильность бокового смещения плановых траекторий;

d) зависимость плановых траекторий от угла крена трактора;

e) зависимость плановых траекторий от магнитных полей помех, создаваемых токами удаленных проводов;

f) чувствительность местоопределения к траекторному рассогласованию и её стабильность по всей площади индуктора.

3. Индукторы следует выполнять с питанием смежных проводов противофазными токами, что снижает уровень создаваемых магнитных помех и повышает чувствительность местоопределения.

4. Индукторы с коммутируемыми проводами целесообразно выполнять в виде многолучевой звезды, которую можно трансформировать в петли разной конфигурации, создающие требуемые навигационные магнитные поля.

5. Индукторы с некоммутируемыми проводами целесообразно выполнять с последовательным соединением проводов при расстоянии между смежными проводами не менее нескольких метров.

6. Высокое качество местоопределения в магнитных полях индукторов с некоммутируемыми проводами обеспечивают двухуровневые одноточечные устройства местоопределения по проекции вектора напряженности на вертикальную ось трактора и двухточечные разностно-амплитудные устройства местоопределения по проекции вектора напряженности на поперечную ось трактора.

Список использованных источников

1. Калюжный А.Т. Магнитные поля сельскохозяйственной навигации// АгроЭкоИнфо. - 2017, № 4

2. Калюжный А.Т. Методы и средства индукционной сельхознавигации//АгроЭкоИнфо. - 2017, №4.

3. Калюжный А.Т. Высокоточный индукционный метод сельскохозяйственной навигации //АгроЭкоИнфо. - 2018, №1.

4. Калюжный А.Т. Анализ индукционных систем местоопределения тракторных агрегатов // АгроЭкоИнфо. - 2018, №1.

Размещено на Allbest.ru

...