УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМ АППАРАТОМ Российский патент 2014 года по МПК B63G8/22 B63G8/24 G05D1/08 B63H25/00 

Изобретение относится к подводным аппаратам, а именно к системам управления движением этих аппаратов, и может быть использовано при разработке систем управления подводными аппаратами, обеспечивающих перемещение в направлении обнаруженного объекта.

Известна система непрерывной автоматической стабилизации подводного аппарата в пространстве, защищенная авторским свидетельством СССР №329753, кл. B63G 8/22, 1971. Она содержит подводный аппарат, рукоятку управления, формирователь сигнала управления, усилитель мощности, движитель, интегрирующее звено, магнитный усилитель-сумматор, блок обратной связи и рулевой агрегат.

Признаками, общими с признаками заявляемого устройства, в этом аналоге являются подводный аппарат, рукоятка управления, формирователь сигнала управления, усилитель мощности и движитель.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, достигаемого в изобретении, являются ограниченные функциональные возможности. Дело в том, что этот аналог лишь обеспечивает стабилизацию подводного аппарата в пространстве и не обеспечивает его передвижение в заданном направлении, а тем более по заданному маршруту.

Известно также устройство для управления подводным аппаратом с нейтральной плавучестью, защищенное патентом РФ №1205457, кл. В63 8/22, G05B 11/00, 1994. Оно содержит подводный аппарат, движитель вертикального перемещения, движитель горизонтального перемещения, телекамеру, установленную с возможностью поворота, блок управления движителями, датчик угла поворота телекамеры, обнаруженный объект, два нелинейных функциональных преобразователя, два ключа, три пороговых элемента, сумматор, логические элементы НЕ и ИЛИ, два блока умножения, источник постоянного сигнала и два усилителя.

Все перечисленные элементы этого аналога, кроме сумматора, блоков умножения, второго и третьего пороговых элементов, логических элементов НЕ и ИЛИ и источника постоянного сигнала, входят и в состав заявляемого устройства. Этот аналог, в отличие от первого аналога, не только осуществляет стабилизацию подводного аппарата в пространстве, но и обеспечивает его передвижение в направлении обнаруженного объекта.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, достигаемого в изобретении, является относительно большое время достижения подводным аппаратом обнаруженного объекта. Дело в том, что при больших расстояниях до обнаруженного объекта при движении с приемлемой скоростью на достижение объекта подводным аппаратом уходят значительные затраты времени, увеличение же этой скорости увеличивает риск "проскочить" объект и потерять его сопровождение телекамерой.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является устройство для управления подводным аппаратом, защищенное патентом РФ №1300809, кл. В63Н 25/00, 1985.

Оно содержит движители вертикального и горизонтального перемещений, телекамеру, установленную с возможностью поворота, блок управления движителями, датчик угла поворота телекамеры, обнаруженный объект, два нелинейных функциональных преобразователя, три ключа, три пороговых элемента, датчик расстояния, электронно-управляемый переключатель, три источника опорного сигнала, два блока умножения, два блока деления, логические элементы НЕ и ИЛИ и два усилителя.

Признаками, общими у прототипа и заявляемого устройства, являются подводный аппарат, движители вертикального и горизонтального перемещений, блок управления движителями, датчик угла поворота телекамеры, обнаруженный объект, первый и второй нелинейные функциональные преобразователи, датчик расстояния, ключ, пороговый элемент и электронно-управляемый переключатель.

В этом устройстве предусмотрена возможность перехода с автоматического управления на ручное при уменьшении расстояния до обнаруженного объекта и соответствующего уменьшения скорости сближения подводного аппарата с обнаруженным объектом, сохраняя большую скорость на больших расстояниях. Это позволяет обеспечить в целом приемлемое время подхода подводного аппарата к обнаруженному объекту.

Причиной, препятствующей достижению в прототипе технического результата, достигаемого в изобретении, являются сложность и относительно низкая надежность устройства, обусловленные большим количеством входящих в его состав элементов (три ключа, три пороговых элемента, логические элементы ИЛИ и НЕ, два усилителя, три источника опорного сигнала, два сумматора, два блока умножения и два блока деления).

Еще одной причиной, препятствующей достижению в прототипе технического результата, достигаемого в изобретении, является сложность настройки устройства и подстройки его в процессе работы, обусловленная наличием подводных течений. Их наличие вызывает необходимость переходить на ручное управление и при этом компенсировать скорость перемещения подводного аппарата по горизонтали или по вертикали вплоть до остановки на некоторое время движителей. Эти обстоятельства в конечном итоге снижают скорость сближения подводного аппарата с обнаруженным объектом и увеличивают его отклонение от оптимальной траектории.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение устройства и повышение его надежности и точности.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство для управления подводным аппаратом, защищенное патентом РФ №1300809, дополнительно введен третий нелинейный функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом датчика угла поворота телекамеры, а выход - со вторым сигнальным входом электронно-управляемого переключателя, вторые входы первого и второго нелинейных функциональных преобразователей соединены с выходом электронно-управляемого переключателя, выход первого нелинейного функционального преобразователя соединен со входом движителя вертикального перемещения, выход второго нелинейного функционального преобразователя соединен со входом движителя горизонтального перемещения, первый и второй нелинейные функциональные преобразователи формируют величины, пропорциональные соответственно синусу и косинусу угла α поворота телекамеры, при этом коэффициенты пропорциональности выполнены регулируемыми.

Для достижения технического результата в устройстве управления подводным аппаратом, содержащем движители вертикального и горизонтального перемещений, телекамеру, установленную с возможностью поворота, блок управления движителями, датчик угла поворота телекамеры, обнаруженный объект, в направлении которого постоянно поддерживается направление телекамеры, первый и второй нелинейные функциональные преобразователи, входы которых соединены с выходом датчика угла поворота телекамеры, и последовательно включенные датчик расстояния, вручную коммутируемый ключ, пороговый элемент и электронно-управляемый переключатель, один из сигнальных входов которого подключен к выходу блока управления движителями, вторые входы нелинейных функциональных преобразователей соединены с выходом электронно-управляемого переключателя, выход первого нелинейного функционального преобразователя соединен со входом движителя вертикального перемещения, выход второго нелинейного функционального преобразователя соединен со входом движителя горизонтального перемещения, в устройство дополнительно введен третий нелинейный функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом датчика угла поворота телекамеры, а выход - со вторым сигнальным входом электронно-управляемого переключателя, при этом первый и второй нелинейные функциональные преобразователи формируют величины, пропорциональные соответственно синусу и косинусу угла α поворота телекамеры, коэффициенты пропорциональности выполнены регулируемыми, а третий нелинейный функциональный преобразователь формирует сигнал U_y управления движителями в соответствии с уравнениями:

$$U_y=\min (U_{Г}^y,U_B^y)$$ ,

$$U_{Г}^y=U_{Г}^{\max }\cdot {({К}_{Г}\cdot \cos \alpha )}^{-1}$$ ,

$$U_B^y=U_B^{\max }\cdot {({К}_B\cdot \sin \alpha )}^{-1}$$ ,

где $$U_{Г}^y$$ и $$U_{Г}^{\max }$$ - входной сигнал движителя горизонтального перемещения и его максимально возможное значение;

$$U_B^y$$ и $$U_B^{\max }$$ - входной сигнал движителя вертикального перемещения и его максимально возможное значение;

К_Г и К_B - коэффициенты усиления в каналах управления движителями соответственно горизонтального и вертикального перемещений.

Исследования заявляемого устройства по патентной и научно-технической литературе показали, что совокупность вновь введенного третьего нелинейного функционального преобразователя и новых связей вместе с остальными элементами и связями устройства для управления подводным объектом не поддается самостоятельной классификации. В то же время она не следует явным образом из уровня техники. Поэтому предлагаемое устройство управления подводным объектом следует считать удовлетворяющим критерию «новизна» и имеющим изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема предлагаемого устройства для управления подводным объектом.

Устройство содержит установленные на подводном аппарате 1 движители вертикального 2 и горизонтального 3 (продольного) перемещений, телекамеру 4, выполненную с возможностью поворота, датчик 5 положения угла поворота телекамеры, первый 6, второй 7 и третий 8 нелинейные функциональные преобразователи, блок 9 управления движителями, датчик 10 расстояния, вручную коммутируемый ключ 11, пороговый элемент 12, электронно-управляемый переключатель 13 и обнаруженный объект 14.

Входы движителей 2 и 3 подключены к выходам преобразователей 6 и 7 соответственно. Телекамера 4 кинематически связана с датчиком 5, выход которого соединен с первыми входами преобразователей 6 и 7 и входом преобразователя 8. Вторые входы преобразователей 6 и 7 соединены с выходом переключателя 13, первый сигнальный вход которого соединен с выходом блока 9 управления движителями, а управляющий вход - с выходом порогового элемента 12. Датчик 10, вручную коммутируемый ключ 11 и пороговый элемент 12 включены последовательно.

Датчик 5 измеряет текущий угол α наклона оси телекамеры 4 по отношению к продольной оси симметрии подводного аппарата, то есть определяет направление прямолинейного движения подводного аппарата к объекту 14. Для того чтобы подводный аппарат осуществил это прямолинейное движение к обнаруженному объекту 14, необходимо чтобы в единицу времени он перемещался в вертикальном направлении на расстояние, пропорциональное sinα, а в горизонтальном направлении - на расстояние, пропорциональное cosα. Таким образом, движители 2 и 3 должны создать тяги, пропорциональные соответственно sinα и cosα. Если используются винтовые движители, то скорости вращения их винтов должны быть пропорциональны соответственно sinα и cosα.

Преобразователь 6 формирует сигнал U_в управления движителем 2, пропорциональный sinα:

$$U_B=U_y\cdot \sin \alpha \cdot K_B$$ ,

где α - сигнал с выхода датчика 5, поступающий на первые входы преобразователей 6 и 7;

U_y - сигнал, задающий скорость перемещения подводного аппарата по прямолинейной траектории к обнаруженному объекту; этот сигнал поступает с выхода переключателя 13 на вторые входы преобразователей 6 и 7;

К_B - коэффициент усиления в канале вертикального перемещения подводного аппарата.

Аналогично преобразователь 7 формирует сигнал U_Г управления движителем 3, пропорциональный cosα:

$$U_{Г}=U_y\cdot \cos \alpha \cdot K_{Г}$$ ,

где К_Г - коэффициент усиления в канале горизонтального (продольного) перемещения подводного аппарата.

Преобразователи 6 и 7 выполнены с возможностью регулирования численных значений коэффициентов K_B и K_Г.

Преобразователь 8 формирует сигнал U_y управления движителями в соответствии с уравнениями:

$$U_y=\min (U_{Г}^y,U_B^y)$$ ,

$$U_{Г}^y=U_{Г}^{\max }\cdot {({К}_{Г}\cdot \cos \alpha )}^{-1}$$ ,

$$U_B^y=U_B^{\max }\cdot {({К}_B\cdot \sin \alpha )}^{-1}$$ ,

где $$U_{Г}^y$$ и $$U_{Г}^{\max }$$ - входной сигнал движителя горизонтального перемещения и его максимально возможное значение;

$$U_B^y$$ и $$U_B^{\max }$$ - входной сигнал движителя вертикального перемещения и его максимально возможное значение;

К_Г и К_B - коэффициенты усиления в каналах управления движителями соответственно горизонтального и вертикального перемещений.

Сформированный преобразователем 8 сигнал U_y управления поступает на второй сигнальный вход переключателя 13.

На первый сигнальный вход этого переключателя поступает управляющий сигнал $$U_{у}^{\text{'}}$$ , формируемый в ручном режиме с помощью блока 9 управления движителями (датчика команд), представляющего собой рукоятку с потенциометром (или просто набор потенциометров).

Управление движителями 2 и 3 осуществляется с помощью переключателя 13. Как правило на большом расстоянии от обнаруженного объекта управление движителями 2 и 3 осуществляется в автоматическом режиме путем подачи управляющего сигнала U_у с выхода преобразователя 8 через второй вход переключателя 13 на его выход и далее на вторые входы преобразователей 6 и 7, которые формируют управляющие сигналы U_B и U_Г, непосредственно поступающие на движители 2 и 3 соответственно. Управляющий вход переключателя 13 находится под воздействием последовательно включенных датчика 10 расстояния, ключа 11 и порогового элемента 12. Ключ 11 управляется оператором вручную. При замкнутом ключе 11 на пороговый элемент 12 поступает с выхода датчика 10 сигнал с уровнем, пропорциональным измеряемому расстоянию от подводного аппарата до обнаруженного объекта. В процессе приближения подводного аппарата к обнаруженному объекту расстояние между ними уменьшается настолько, что срабатывает пороговый элемент 12, в результате сигнал на управляющем входе переключателя 13 инвертируется, и его выход подключается к выходу блока 9, в результате чего движители 2 и 3 переходят с автоматического управления на ручное от блока 9.

Следует отметить, что в предлагаемом устройстве у оператора всегда имеется возможность в любое время при необходимости перейти на ручное управление вне зависимости от расстояния до обнаруженного объекта. Для этого необходимо принудительно разомкнуть ключ 11. В этом случае цепь управления переключателем 13 искусственно прервется, управляющий сигнал примет нулевой уровень, и выход блока 9 автоматически подключится к преобразователям 6 и 7.

В предлагаемом устройстве автоматически удерживается угол α наклона антенны в направлении на обнаруженный объект, оператор может точнее учесть подводные течения, регулируя коэффициенты усиления К_Г и К_В в каналах управления движением в требуемых пределах.

Нетрудно видеть, что предлагаемое устройство проще, чем прототип. В нем всего на один нелинейный функциональный преобразователь больше, чем в прототипе, однако в нем втрое меньше пороговых элементов и электронных ключей, полностью отсутствуют логические элементы ИЛИ, НЕ, сумматоры, блоки умножения, блоки деления и источники опорного сигнала. Большая простота устройства обеспечивает ему более высокую надежность. Ориентировочный расчет показывает, что наработка на отказ у предлагаемого устройства на 10÷15% выше, чем у прототипа.

Устройство достаточно легко реализуемо. Вновь введенный нелинейный функциональный преобразователь может быть реализован на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) фирмы «ALTERA» типа МАХ 7000. В качестве остальных элементов предлагаемого устройства могут служить те же элементы, что и соответствующие элементы устройства-прототипа.

Изобретение относится к системам управления движением подводных аппаратов. Устройство содержит установленные на подводном аппарате (1) движители вертикального (2) и горизонтального (3) перемещений, телекамеру (4), выполненную с возможностью поворота, датчик (5) положения угла поворота телекамеры, первый (6), второй (7) и третий (8) нелинейные функциональные преобразователи, блок (9) управления движителями, датчик (10) расстояния, вручную коммутируемый ключ (11), пороговый элемент (12), электронно-управляемый переключатель (13). Повышается надежность и точность подхода подводного аппарата к обнаруженному объекту. 1 ил.

Устройство для управления подводным аппаратом, содержащее движители вертикального и горизонтального перемещений, телекамеру, установленную с возможностью поворота в направлении обнаруженного объекта и постоянного удержания ее в этом направлении, блок управления движителями, датчик угла поворота телекамеры, первый и второй нелинейные функциональные преобразователи, входы которых соединены с выходом датчика угла поворота телекамеры, и последовательно включенные датчик расстояния, вручную коммутируемый ключ, пороговый элемент и электронно-управляемый переключатель, один из сигнальных входов которого подключен к выходу блока управления движителями, отличающееся тем, что вторые входы нелинейных функциональных преобразователей соединены с выходом электронно-управляемого переключателя, выход первого нелинейного функционального преобразователя соединен со входом движителя вертикального перемещения, выход второго нелинейного функционального преобразователя соединен со входом движителя горизонтального перемещения, в устройство дополнительно введен третий нелинейный функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом датчика угла поворота телекамеры, а выход - со вторым сигнальным входом электронно-управляемого переключателя, первый и второй нелинейные функциональные преобразователи формируют величины, пропорциональные соответственно синусу и косинусу угла α поворота телекамеры, при этом коэффициенты пропорциональности выполнены регулируемыми, а третий нелинейный функциональный преобразователь формирует сигнал U_y управления движителями в соответствии с уравнениями:
$$U_y=\min (U_{Г}^y,U_B^y)$$ ,
$$U_{Г}^y=U_{Г}^{\max }\cdot {({К}_{Г}\cdot \cos \alpha )}^{-1}$$ ,
$$U_B^y=U_B^{\max }\cdot {({К}_B\cdot \sin \alpha )}^{-1}$$ ,
где $$U_{Г}^y$$ и $$U_{Г}^{\max }$$ - входной сигнал движителя горизонтального перемещения и его максимально возможное значение;
$$U_B^y$$ и $$U_B^{\max }$$ - входной сигнал движителя вертикального перемещения и его максимально возможное значение;
K_Г и К_B - коэффициенты усиления в каналах управления движителями соответственно горизонтального и вертикального перемещений.