КОМПЛЕКС ВОЗДУШНОГО НАБЛЮДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПРИВЯЗНОГО АЭРОСТАТА Российский патент 2012 года по МПК B64B1/50 B64D47/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области разработки и применения привязных аэростатов, предназначенных для воздушного наблюдения объектов, процессов и явлений на земной или водной поверхности с возможностью передачи на наземную станцию управления в реальном масштабе времени информации, получаемой с помощью датчиков, установленных на привязных аэростатах.

Изобретение актуально при использовании комплексов воздушного наблюдения на основе привязных аэростатов для обнаружения чрезвычайных ситуаций и ликвидации их последствий, для сохранения жизни и здоровья людей, уменьшения материального ущерба и предотвращения загрязнения окружающей среды. Особое значение изобретение может иметь в борьбе с пожарами за счет своевременного обнаружения очагов возгорания и их эффективного тушения. Изобретение может быть использовано для технического обеспечения промышленной деятельности и различных мероприятий, проводимых правоохранительными органами в дневных и ночных условиях.

Уровень техники

Известны воздушные комплексы наблюдения на основе привязных аэростатов по патенту США №5,115,997, а также из источников (http://www.aerostar.com/aerostat.htm и http://www.lockheedmartin.com/data/assets/ms2/pdf), содержащие в качестве основных элементов оболочку аэростата, наполненную газом легче воздуха, привязной трос, наземные средства подъема и спуска аэростата (например, лебедку), средства полезной нагрузки, наземную станцию управления, источники (генераторы) электроэнергии и средства технического обслуживания. Телевизионные камеры, установленные на привязном аэростате в качестве датчиков полезной нагрузки, позволяют обнаруживать и сопровождать цели, принимать и записывать информацию об интересующих событиях, действиях и происшествиях.

Известен воздушный комплекс наблюдения по патенту США №5,757,157, использующий привязной аэростат, с устройством для размещения датчиков полезной нагрузки, включающим в свой состав хомут, верхнюю и нижнюю пластину и механизм скольжения. Этот механизм позволяет перемещать нижнюю пластину с установленными на ней датчиками полезной нагрузки относительно верхней пластины за счет ее вращения вокруг вертикальной оси. В случае использования в качестве датчика полезной нагрузки оптической камеры это обеспечивает круговое поле обзора в триста шестьдесят градусов. В данном комплексе воздушного наблюдения отсутствуют технические средства стабилизации положения полезной нагрузки. При воздействии на аэростат ветровых воздушных потоков это приводит к раскачиванию полезной нагрузки и смещению ее от вертикального положения, что снижает качество получаемых изображений и ухудшает возможности наблюдения.

Известен воздушный комплекс наблюдения по патенту США №7,237,750, в котором для стабилизации положения полезной нагрузки она подвешена к аэростату с помощью карданного шарнира. Он позволяет существенно уменьшить колебания полезной нагрузки от воздействия ветра и сохранять ее вертикальное положение, что крайне важно для воздушного наблюдения. Этот воздушный комплекс наблюдения, по числу и содержанию функционально сходных признаков, является прототипом изобретения.

Прототип представляет собой комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата, которой включает в свой состав:

- оболочку аэростата, наполненную газом легче воздуха,

- привязной трос, верхний конец которого прикреплен к оболочке аэростата, а нижний конец прикреплен к наземным средствам подъема и спуска аэростата,

- связующий элемент, прикрепленный к оболочке аэростата, к которому через верхний опорный элемент, карданный шарнир с двумя степенями свободы и нижний опорный элемент присоединена платформа с установленной на ней полезной нагрузкой, выполненная с возможностью кругового вращения по азимуту вокруг оси нижнего опорного элемента с помощью электрического мотора, управляемого электронным блоком управления,

- средства измерения движения платформы с установленной на ней полезной нагрузкой, включающие датчики скорости и ускорения,

- наземную станцию управления,

- средства связи для передачи команд управления с наземной станции управления на привязной аэростат и получения данных от сенсоров полезной нагрузки привязного аэростата на наземной станции управления.

В прототипе вертикальное положение полезной нагрузки достигается за счет ее свободного движения в карданном шарнире, на котором она подвешена к привязному аэростату, под действием силы тяжести. При воздействии на аэростат турбулентных воздушных масс это приводит к раскачиванию полезной нагрузки и ее нежелательным колебательным и вращательным перемещениям по отношению к вертикальной оси, что приводит к потере стабильности получаемого изображения и затрудняет ее юстировку и направление камер наблюдения на интересующий объект. Конструкция прототипа не позволяет быстро производить процедуру сборки и подготовки его к работе в ситуациях, когда фактор времени имеет решающее значение, например при тушении пожаров.

Сущность изобретения

Изобретение решает задачи повышения стабильности получаемого в процессе наблюдения изображения в условиях воздействия неблагоприятных воздушных потоков, повышения точности юстировки камер наблюдения и их направления на интересующие объекты, а также упрощения и ускорения процедуры сборки и подготовки комплекса воздушного наблюдения к работе.

Изобретение представляет собой комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата, содержащий оболочку аэростата, наполненную газом легче воздуха, привязной трос, верхний конец которого прикреплен к оболочке аэростата, а нижний конец присоединен к наземным средствам подъема и спуска аэростата, связующий элемент, прикрепленный к оболочке аэростата, к которому через верхний опорный элемент, карданный шарнир с двумя степенями свободы и нижний опорный элемент присоединена платформа с установленной на ней полезной нагрузкой, выполненной с возможностью кругового вращения по азимуту вокруг вертикальной оси нижнего опорного элемента с помощью электрического мотора, управляемого электронным блоком управления, в котором размещены датчики скорости и ускорения для измерения движения, наземную станцию управления, а также средства связи для передачи команд управления с наземной станции управления на привязной аэростат и получения данных от сенсоров полезной нагрузки привязного аэростата на наземной станции управления.

Кроме того, в изобретении:

- верхний опорный элемент снабжен разборным фиксирующим замком, к которому снизу прикреплен поворотный узел крепления, жестко присоединенный к горизонтально расположенному верхнему диску, к нижней поверхности которого пристыкована верхняя вилка карданного шарнира, внутри которой на первой оси кардана размещено кольцо кардана, внутри которого на второй оси кардана, расположенной перпендикулярно первой оси кардана, помещена штанга кардана, нижний конец которой присоединен к нижнему опорному элементу, а к одному вертикальному элементу вилки кардана со стороны двух противоположных боковых поверхностей в нижней их части прикреплены верхние концы двух дополнительно установленных амортизаторов, нижние концы которых присоединены к кронштейну амортизаторов, расположенному на нижнем опорном элементе таким образом, что в исходном положении амортизаторы расположены вертикально и параллельно друг другу.

В заявленном комплексе воздушного наблюдения на основе привязного аэростата в состав полезной нагрузки включены телевизионная камера и тепловизионная камера, размещенные на противоположных концах одного прикрепленного к противоположным боковым поверхностям корпуса полезной нагрузки с помощью подшипников горизонтального вала, за счет вращения которого с помощью электрического шагового привода, снабженного средствами включаемой и отключаемой гиростабилизации, оси наблюдения этих камер перемещаются по углу места.

В заявленном комплексе воздушного наблюдения на основе привязного аэростата круговое вращение телевизионной и тепловизионной камер полезной нагрузки вокруг вертикальной оси нижнего опорного элемента осуществляется с помощью электрического шагового привода, снабженного средствами включаемой и отключаемой гиростабилизации.

В данном комплексе воздушного наблюдения на основе привязного аэростата средства связи аэростата с наземной станцией управления выполнены в виде радиотехнической системы связи с установкой приемопередатчиков с антеннами на аэростате и на наземной станции управления.

Приемопередатчик наземной станции управления комплекса воздушного наблюдения на основе привязного аэростата выполнен многоканальным, что позволяет управлять одновременно нескольким аэростатами с помощью одной станции управления и принимать информацию воздушного наблюдения одновременно от нескольких аэростатов на одной наземной станции управления.

Наземная станция управления комплекса воздушного наблюдения на основе привязного аэростата снабжена двумя дисплейными устройствами отображения информации, на одном из которых выводится цифровая карта местности в зоне воздушного наблюдения, а на втором отображается информация воздушного наблюдения в оптическом или в инфракрасном диапазоне от установленных на аэростате камер.

В комплексе воздушного наблюдения на основе привязного аэростата в компьютер наземной станции управления введен алгоритм, позволяющий одновременно выводить на один дисплей изображение информации воздушного наблюдения от нескольких аэростатов.

Для исключения потери аэростата в случае обрыва привязного троса комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата снабжен средствами аварийной посадки аэростата, выполненными в виде командной радиолинии, передатчик которой установлен на наземной станции управления, а приемник - на связующем элементе аэростата, и электрическим управляемым клапаном для выпуска гелия, установленным на оболочке аэростата.

Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата размещен на автономных мобильных платформах, снабженных собственными средствами погрузки и разгрузки, для обеспечения его транспортировки в район применения и обратно на базу хранения.

В комплексе воздушного наблюдения на основе привязного аэростата снаружи установлен влагонепроницаемый мягкий защитный кожух, верхний конец которого закреплен под поворотным узлом крепления с помощью хомута, а нижний конец прикручен к нижнему опорному элементу.

Наличие разборного фиксирующего замка позволяет быстро и надежно присоединять блок полезной нагрузки к привязному аэростату и отсоединять его. Поворотный узел крепления дает возможность точно юстировать начальное вертикальное положение блока полезной нагрузки и фиксировать его с помощью зажима при сборке, подготовке и развертывании комплекса воздушного наблюдения. Два установленных в заявленном техническом решении амортизатора гасят все резкие перемещения в карданном шарнире, которые могут возникнуть в результате смещения аэростата из-за воздействия резких порывов ветра. Плавные перемещения блока полезной нагрузки по азимуту и углу места компенсируются с помощью средств включаемой и отключаемой гиростабилизации. Эти средства отключаются, когда необходимы поиск и наведение камер на интересующий объект оператором воздушного комплекса наблюдения. Включение их производится тогда, когда требуется непрерывное продолжительное наблюдение за интересующим объектом. В момент включения фиксируется угловое положение камер как исходное. В случае перемещения блока полезной нагрузки в результате воздействия ветра на воздушный комплекс наблюдения с помощью установленных датчиков скорости, ускорения и магнитного компаса измеряются параметры движения. В электронном блоке управления вырабатываются команды на электроприводы по азимуту и углу места, которые возвращают блок полезной нагрузки в исходное положение. Таким образом, независимо от раскачивания и вращения аэростата его камеры постоянно направлены на интересующий объект. При этом изображение наблюдаемого объекта является высокостабильным даже в условиях турбулентного движения воздушных потоков.

В заявленном комплексе воздушного наблюдения реализована возможность одновременного наблюдения на наземной станции управления изображений от нескольких (например, четырех) привязных аэростатов, которые передаются по радиоканалам связи в реальном масштабе времени. При этом на одном дисплейном устройстве отображения информации наземной станции управления выводится цифровая карта местности в зоне воздушного наблюдения, а на втором отображается информация воздушного наблюдения в оптическом или в инфракрасном диапазоне от установленных на аэростате камер. Это позволяет осуществить точную привязку информации наблюдения к местности.

Для исключения потери аэростата в случае обрыва привязного троса может быть осуществлена его аварийная посадка. По командной радиолинии передается команда оператора на борт аэростата, в результате которой срабатывает установленный на оболочке аэростата электрически управляемый клапан для выпуска гелия. В результате этого производится плавный контролируемый спуск аэростата недалеко от места его подъема.

Заявленный комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата обладает высокой автономностью и мобильностью, так как он размещен на автономных мобильных платформах, снабженных собственными средствами погрузки и разгрузки.

Установленный снаружи связующего элемента влагонепроницаемый мягкий защитный кожух хорошо защищает его от негативного воздействия атмосферных факторов (воды, льда и других), обеспечивая надежную работу заявленного комплекса воздушного наблюдения.

Перечень чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:

фигура 1 - общий вид блока полезной нагрузки воздушного комплекса наблюдения на основе привязного аэростата со средствами крепления и стабилизации;

фигура 2 - общий вид средств крепления и стабилизации блока полезной нагрузки воздушного комплекса наблюдения на основе привязного аэростата.

Осуществление изобретения

Воздушный комплекс наблюдения на основе привязного аэростата содержит блок полезной нагрузки 1 со средствами крепления и стабилизации 2 (фигура 1). Оболочка аэростата, наполненная газом легче воздуха, привязной трос и наземные средства подъема и спуска аэростата не показаны. Связующий элемент 3 прикреплен к оболочке аэростата. К нему через верхний опорный элемент 4, карданный шарнир с двумя степенями свободы 5 и нижний опорный элемент 6 присоединена платформа 7 с установленной на ней полезной нагрузкой 8. Она выполнена с возможностью кругового вращения по азимуту вокруг вертикальной оси нижнего опорного элемента 6.

В состав полезной нагрузки воздушного комплекса наблюдения на основе привязного аэростата включены телевизионная камера 9 и тепловизионная камера 10. Они размещены на противоположных концах расположенного внутри горизонтального вала (не показан), прикрепленного к противоположным боковым поверхностям корпуса полезной нагрузки 11 с помощью подшипников. За счет вращения горизонтального вала с помощью электрического шагового привода, снабженного средствами включаемой и отключаемой гиростабилизации, оси наблюдения этих камер перемещаются по углу места. Круговое вращение телевизионной 9 и тепловизионной 10 камер полезной нагрузки вокруг вертикальной оси нижнего опорного элемента 6 осуществляется с помощью электрического шагового привода, снабженного средствами включаемой и отключаемой гиростабилизации.

Передача команд управления на привязной аэростат и информации видеонаблюдения на наземную станцию управления производится с помощью радиотехнической системы связи. Бортовой приемопередатчик привязного аэростата с антеннами установлен в нижней части 12 блока полезной нагрузки 1.

Приемник командной радиолинии средств аварийной посадки аэростата 13 установлен на связующем элементе 3.

Верхний опорный элемент 4 снабжен разборным фиксирующим замком 14 (фигура 2), к которому снизу прикреплен поворотный узел крепления 15, жестко присоединенный к горизонтально расположенному верхнему диску 16. К нижней поверхности этого диска присоединена верхняя вилка карданного шарнира 17, внутри которой на первой оси 18 кардана размещено кольцо кардана 19. Внутри него на второй оси 20 кардана, расположенной перпендикулярно первой оси 18 кардана, помещена штанга кардана 21, нижний конец которой присоединен к нижнему опорному элементу 6. К одному вертикальному элементу 22 вилки кардана 17 со стороны двух узких противоположных боковых поверхностей 23 и 24 в нижней их части прикреплены верхние концы 25 и 26 двух дополнительно установленных амортизаторов 27 и 28, нижние концы 29 и 30 которых присоединены к кронштейну амортизаторов 31, расположенному на платформе 7 таким образом, что в исходном положении амортизаторы расположены вертикально и параллельно друг другу.

Промышленная применимость

Изобретение предназначено для непрерывного воздушного наблюдения районов чрезвычайных ситуаций (пожаров, наводнений, землетрясений и других), а также для поддержки и технического обеспечения промышленной и правоохранительной деятельности в дневных и ночных условиях.

Каждое из средств, применение которого предусмотрено изобретением, выпускается промышленностью разных стран. Предусмотренное изобретением взаимодействие средств реализуется в известных процессах различного назначения в области авиастроения, воздухоплавания и практического использования привязных и пилотируемых аэростатов различного назначения.

Комплекс воздушного наблюдения на основе привязных аэростатов, реализующий данное изобретение, является серийным изделием, которое полностью испытано.

В состав комплекса входят оболочка привязного аэростата объемом от 50 до 80 кубических метров, блок полезной нагрузки, привязной трос, лебедка с электрическим приводом, бензиновый электрогенератор, щиток управления, баллоны с гелием и контейнер. Их общая масса составляет 1200 кг. Масса портативной наземной станции управления вместе с антенной не превышает 20 кг.

Применение комплекса осуществляется техническим расчетом из двух человек с неподготовленных в инженерном отношении площадок при скорости ветра до 10 метров в секунду. Время подготовки к использованию этого комплекса, включая подъем привязного аэростата на рабочую высоту, не превышает 45 минут.

Время плавного подъема привязного аэростата на максимальную высоту в 300 метров не превышает 10 минут.

Дальность передачи телевизионного и инфракрасного изображения местности с борта привязного аэростата на наземную станцию управления составляет 5 км.

На одном транспортном средстве соответствующей грузоподъемностью размещаются 4 комплекса воздушного наблюдения.

Изобретение относится к области разработки и применения привязных аэростатов. Комплекс воздушного наблюдения содержит оболочку аэростата, привязной трос, связующий элемент, прикрепленный к оболочке аэростата, к которому через верхний опорный элемент, карданный шарнир с двумя степенями свободы и нижний опорный элемент присоединена платформа с установленными на ней полезной нагрузкой, наземную станцию управления, а также средства связи для передачи команд управления. Полезная нагрузка выполнена с возможностью кругового вращения по азимуту вокруг вертикальной оси нижнего опорного элемента с помощью электрического мотора, управляемого электронным блоком управления, в котором размещены датчики скорости и ускорения для измерения движения. Верхний опорный элемент снабжен разборным фиксирующим замком, к которому снизу прикреплен поворотный узел крепления, жестко присоединенный к горизонтально расположенному верхнему диску. К нижней поверхности верхнего диска пристыкована верхняя вилка карданного шарнира, внутри которой на первой оси кардана размещено кольцо кардана. Внутри кольца кардана на второй оси кардана, расположенной перпендикулярно первой оси кардана, помещена штанга кардана. Нижний конец штанги кардана присоединен к нижнему опорному элементу. К одному вертикальному элементу вилки кардана со стороны двух противоположных боковых поверхностей в нижней их части прикреплены верхние концы двух дополнительно установленных амортизаторов. Нижние концы амортизаторов присоединены к кронштейну амортизаторов, расположенному на нижнем опорном элементе таким образом, что в исходном положении амортизаторы расположены вертикально и параллельно друг другу. Достигаются повышение стабильности получаемых изображений, повышение точности юстировки камер наблюдения и их направления на интересующие объекты для непрерывного слежения за ними, а также упрощение конструкции устройства. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата, содержащий оболочку аэростата, наполненную газом легче воздуха, привязной трос, верхний конец которого прикреплен к оболочке аэростата, а нижний конец присоединен к наземным средствам подъема и спуска аэростата, связующий элемент, прикрепленный к оболочке аэростата, к которому через верхний опорный элемент, карданный шарнир с двумя степенями свободы и нижний опорный элемент присоединена платформа с установленными на ней полезной нагрузкой, выполненная с возможностью кругового вращения по азимуту вокруг вертикальной оси нижнего опорного элемента с помощью электрического мотора, управляемого электронным блоком управления, в котором размещены датчики скорости и ускорения для измерения движения, наземную станцию управления, а также средства связи для передачи команд управления с наземной станции управления на привязной аэростат и получения данных от сенсоров полезной нагрузки привязного аэростата на наземной станции управления, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности получаемого в процессе наблюдения изображения, повышения точности юстировки, упрощения и ускорения процедуры сборки и подготовки комплекса воздушного наблюдения к работе, верхний опорный элемент снабжен разборным фиксирующим замком, к которому снизу прикреплен поворотный узел крепления, жестко присоединенный к горизонтально расположенному верхнему диску, к нижней поверхности которого пристыкована верхняя вилка карданного шарнира, внутри которой на первой оси кардана размещено кольцо кардана, внутри которого на второй оси кардана, расположенной перпендикулярно первой оси кардана, помещена штанга кардана, нижний конец которой присоединен к нижнему опорному элементу, а к одному вертикальному элементу вилки кардана со стороны двух противоположных боковых поверхностей в нижней их части прикреплены верхние концы двух дополнительно установленных амортизаторов, нижние концы которых присоединены к кронштейну амортизаторов, расположенному на нижнем опорном элементе таким образом, что в исходном положении амортизаторы расположены вертикально и параллельно друг другу.

2. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата по п.1, отличающийся тем, что в состав полезной нагрузки включены телевизионная камера и тепловизионная камера, размещенные на противоположных концах одного прикрепленного к противоположным боковым поверхностям корпуса полезной нагрузки с помощью подшипников горизонтального вала, за счет вращения которого с помощью электрического шагового привода, снабженного средствами включаемой и отключаемой гиростабилизации оси наблюдения этих камер перемещаются по углу места.

3. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата по п.1 или 2, отличающийся тем, что круговое вращение телевизионной и тепловизионной камер полезной нагрузки вокруг вертикальной оси нижнего опорного элемента осуществляется с помощью электрического шагового привода, снабженного средствами включаемой и отключаемой гиростабилизации.

4. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата по п.1, отличающийся тем, что средства связи аэростата с наземной станцией управления выполнены в виде радиотехнической системы связи с установкой приемопередатчиков с антеннами на аэростате и на наземной станции управления.

5. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата по п.1, отличающийся тем, что приемопередатчик на наземной станции управления выполнен многоканальным, что позволяет управлять одновременно несколькими аэростатами с помощью одной станции управления и принимать информацию воздушного наблюдения одновременно от нескольких аэростатов на одной наземной станции управления.

6. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата по п.1, отличающийся тем, что наземная станция управления снабжена двумя дисплейными устройствами отображения информации, на одном из которых выводится цифровая карта местности в зоне воздушного наблюдения, а на втором отображается информация воздушного наблюдения.

7. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата по п.1, отличающийся тем, что в компьютер наземной станции управления введен алгоритм, позволяющий одновременно выводить на один дисплей изображение информации воздушного наблюдения от нескольких аэростатов.

8. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата по п.1, отличающийся тем, что, с целью исключения потери аэростата в случае обрыва привязного троса, указанный комплекс снабжен средствами аварийной посадки аэростата, выполненными в виде командной радиолинии, передатчик которой установлен на наземной станции управления, а приемник - на связующем элементе аэростата, и электрически управляемым клапаном для выпуска гелия, установленным на оболочке аэростата.

9. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата по п.1, отличающийся тем, что он размещен на автономных мобильных платформах, снабженных собственными средствами погрузки и разгрузки.

10. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата по п.1, отличающийся тем, что снаружи установлен влагонепроницаемый мягкий защитный кожух, верхний конец которого закреплен под поворотным узлом крепления с помощью хомута, а нижний конец прикручен к нижнему опорному элементу.