УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ВВОДА ДАННЫХ И ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В НЕОБИТАЕМЫЙ ПОДВОДНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2025 года по МПК H02J50/12 H01F38/14 H02J7/00 

Изобретение относится к устройствам ввода данных и может быть использовано для передачи информации и энергии в необитаемый подводный аппарат (НПА).

Известно устройство бесконтактного ввода данных в приборы управления НПА [Патент РФ 2754160 от 30.08.2021 г.], включающее радиотехническую или оптическую линию связи приборов управления носителя с приборами управления необитаемого подводного аппарата. Защитная шторка предохраняет приемник и передатчик носителя, находящиеся внутри пусковой установки, от агрессивного воздействия среды при эксплуатации НПА.

Недостатками данного устройства являются:

- конструкция механизма защитной шторки, которая создает дополнительный источник неисправностей устройству: выход из строя механизма шторки при ее закрытом положении приведет к невозможности ввода данных, выход из строя механизма шторки при ее открытом положении приведет к повреждению приемно-передающего узла пусковой установки при пуске НПА;

- отсутствие системы подачи электропитания на НПА, что не позволяет вводить данные до его включения и пуска;

- зависимость передаваемого по оптической линии сигнала от оптических свойств воды внутри пусковой установки, а также его загрязненности.

Известно устройство для бесконтактной передачи электроэнергии и информационных сигналов на подводный аппарат [Патент РФ 2744064 от 02.03.2021 г.], состоящее из инвертора, первичной обмотки трансформатора, приемо-передающей первой антенны радиоканала, интерфейса локальной сети первичной стороны устройства с первым блоком цифровой обработки сигналов, информационного канала первичной стороны устройства, расположенных на причальной станции, а также вторичной обмотки трансформатора, выпрямителя, регулятора напряжения, измерительного преобразователя напряжения и тока выпрямителя, интерфейса локальной сети вторичной стороны устройства с соответствующим вторым блоком цифровой обработки сигналов, информационного канала вторичной стороны устройства, расположенных на подводном аппарате.

Недостаток данного изобретения при организации передачи информации в диапазоне частот радиоканала состоит в ограничении дальности взаимодействия станции и подводного аппарата в силу повышенного затухания электромагнитного поля в проводящей среде, при этом сокращение полосы пропускания или снижение используемой частоты в изобретении не предусмотрено. При этом снижение используемых частот радиоканала приведет к увеличению длины антенны, что затруднит ее размещение.

Известно устройство для реализации способа передачи данных от рабочих органов вращающихся узлов и механизмов через воздушный зазор [Патент РФ 2565527 от 20.10.2015 г.], являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее на вращающейся части формирователь импульсного сигнала возбуждения, соединенный с входом первичного контура индуктивно связанных контуров, повторитель кодовых посылок, дифференцирующая цепь и ограничитель на неподвижной части, отделенной от вращающейся части воздушным зазором, вторичный контур индуктивно связанных контуров, выход которого является выходом устройства.

Недостатками данного изобретения являются:

- одиночное использование антенны и трансформатора без резервных блоков, вследствие чего передача электроэнергии и/или информационных сигналов на подводный аппарат станет невозможной при выходе из строя единственной антенны или трансформатора, или при наличии помех на текущей рабочей частоте;

- отсутствие дуплексного режима, а использование информационного канала только в симплексном режиме, при котором возможна только передача информации от первичного контура на вторичный, или в полудуплексном режиме, при котором ответ от первичного или вторичного контура возможен после завершения передачи информационного сигнала. Данные обстоятельства не позволяют производить одновременный двухсторонний обмен данными;

- низкая помехоустойчивость устройства, так как при воздействии внешних помех возможно искажение импульса, вследствие чего переданная информация не будет принята вторичным контуром или будет принята с ошибками.

Задачами предлагаемого изобретения являются повышение функциональности, помехоустойчивости, отказоустойчивости устройства передачи данных.

Указанная задача решается тем, что в устройстве ввода данных и передачи электроэнергии в необитаемый подводный аппарат, содержащем формирователь сигнала возбуждения, повторитель, первичный и вторичный контур индуктивно связанных контуров, новым является то, что первичные контуры для обмена информацией и передачи электроэнергии располагаются в основании, выполненном из непроводящего немагнитного материала, загерметизированного для защиты от внешней среды и находящегося в основном положении с возможностью перехода в резервное положение путем поворота на 90° в одну или другую сторону вокруг собственной оси, при этом индуктивно связные контуры образуются двумя парами первичных и вторичных контуров для передачи и приема электроэнергии, а также двумя парами первичных и вторичных контуров для обмена информацией, каждый из которых включает в свой состав блок подстройки для изменения резонансной частоты и ширины полосы пропускания, контуры для обмена информацией в паре располагаются параллельно друг относительно друга и работают на разных резонансных частотах, а пары контуров располагаются перпендикулярно друг относительно друга одна над другой.

Первичные контуры представляют собой совокупность контуров для обмена информацией и для передачи электроэнергии в пусковой установке носителя, а вторичные контуры - совокупность контуров для обмена информацией и для приема электроэнергии в НПА.

Предлагаемое решение поясняется графическими материалами, где:

на фиг. 1 - размещение первичных и вторичных контуров индуктивно связанных контуров в пусковой установке носителя и в НПА;

на фиг. 2 - взаимное расположение первичных и вторичных контуров в основном положении;

на фиг. 3 – блок-схема устройства ввода данных и проверки узлов НПА в основном положении;

на фиг. 4 - взаимное расположение первичных и вторичных контуров в резервном положении;

на фиг. 5 – блок-схема устройства ввода данных и проверки узлов НПА в резервном положении.

Первичные контуры, а именно первичные конуры для обмена информацией 1-4 и первичные контуры для передачи электроэнергии 5-8, располагаются в основании 9 (фиг. 1), например, в форме диска, выполненном из непроводящего немагнитного материала (например, из композитного материала), находящегося в основном положении (с нулевым углом поворота) и имеющим возможность перехода в резервный режим работы путем поворота на 90° в одну или другую сторону вокруг собственной оси (оси симметрии). Основание размещается в специальной горловине 10 пусковой установки 11 на носителе, и защищается от внешней среды путем герметизации 13. Первичные контуры для обмена информацией 1 и 3, а также первичные контуры для обмена информацией 2 и 4 образуют две пары контуров. Данные контуры в паре располагаются параллельно друг относительно друга и работают на разных резонансных частотах ƒ' и ƒ'', при этом данные пары контуров располагаются перпендикулярно друг относительно друга одна над другой. Первичные контуры для передачи электроэнергии 5 и 7, а также первичные контуры для передачи электроэнергии 6 и 8 образуют пары. Данные контуры в паре располагаются параллельно друг относительно друга, при этом данные пары контуров располагаются перпендикулярно друг относительно друга, образуя форму квадрата (фиг. 2).

Вторичные контуры, а именно вторичные контуры для обмена информацией 14-17 и вторичные контуры для приема электроэнергии 18-21 располагаются в специальной горловине 22 необитаемого подводного аппарата 23 напротив первичных контуров, не имеют возможности поворота и защищаются от внешней среды путем герметизации 13.

Вторичные контуры для обмена информацией 14 и 16, а также вторичные контуры для обмена информацией 15 и 17 образуют две пары контуров. Данные контуры в паре располагаются параллельно друг относительно друга и работают на разных резонансных частотах ƒ' и ƒ'', при этом данные пары контуров располагаются перпендикулярно друг относительно друга одна над другой.

Вторичные контуры для приема электроэнергии 18 и 20, а также вторичные контуры для приема электроэнергии 19 и 21 образуют пары. Данные контуры в паре располагаются параллельно друг относительно друга, при этом данные пары контуров располагаются перпендикулярно друг относительно друга, образуя форму квадрата.

Первичные контуры 1 и 2 могут быть использованы для передачи информации, вторичные контуры 3 и 4 могут быть использованы для приема информации, вторичные контуры 15 и 16 могут быть использованы для передачи информации, вторичные контуры 14 и 17 могут быть использованы для приема информации. Пары первичных и вторичных контуров 1-14, 2-15, 3-16, 4-17, 5-18, 6-19, 7-20, 8-21 образуют индуктивно связанные контуры 24-31.

Все первичные и вторичные контуры для обмена информацией 1-4 и 14-17 включают в свой состав блоки подстройки 32-39. Блоки подстройки в первичных и вторичных контурах аналогичны и содержат набор из n емкостей, индуктивностей и ключей для их включения в цепь первичных и вторичных контуров. Так, резонансные частоты ƒ' и ƒ'' для контуров для обмена информацией в паре могут принимать одно из значений ƒ₁, ƒ₂…ƒ_n, такое, что ƒ'≠ƒ''. Перед изменением параметров аппаратура носителя 40 и аппаратура НПА 51, например, путем добавления к вводимым данным служебной информации о следующих используемых резонансных частотах ƒ' и ƒ'' и полосе пропускания, согласовывают данные параметры. Служебная информация также содержит сведения о текущих используемых резонансных частотах ƒ' и ƒ'' для модуляции. Для изменения данных параметров аппаратура носителя 40 переключает ключи блоков согласования 32-35, а аппаратура НПА 51 переключает ключи блоков согласования 36-39.

Устройство работает следующим образом (фиг. 3). Для обеспечения электроэнергией аппаратуры НПА 51, а также требуемых узлов НПА, проверку которых предполагается проводить, аппаратура носителя через блок переключения 45 подает электроэнергию на первичные контуры 5-8. На выходе вторичных контуров 18-21 на НПА образуется электроэнергия, которая поступает на аппаратуру НПА 51.

Блок переключения 45 представляет собой группу переключателей и используется для коммутации первичных контуров или с аппаратурой носителя 40, формирователями сигналов возбуждения 41,43 повторителями 42, 44 или с резервной аппаратурой 46, формирователями сигналов возбуждения 47, 49 и повторителями 48, 50.

От аппаратуры носителя 40 информация для ввода данных и проверки узлов НПА, а также служебная информация в виде прямоугольных импульсов, параллельно или последовательно поступает на входы формирователя сигналов возбуждения 41 и 43, где производится их модуляция с заданной несущей частотой, равной резонансной частоте ƒ', информация о которой извлекается формирователем сигналов возбуждения из служебной информации. Далее аналоговые сигналы попадают на повторители 42 и 44, усиливаются, и через блок переключения 45 воздействуют на первичные контуры 1 и 2. На выходе вторичных контуров 14 и 15 на НПА образуются сигналы, которые поступает в аппаратуру НПА 51 и обрабатываются.

От аппаратуры НПА 51 информация о вводе данных или проверке узлов НПА, а также служебная информация в виде прямоугольных импульсов, параллельно или последовательно поступают на входы формирователей сигналов возбуждения 52 и 54, где производится их модуляция с заданной несущей частотой, равной резонансной частоте ƒ'', информация о которой извлекается формирователем сигналов возбуждения из служебной информации. Далее аналоговые сигналы попадают на повторители 53 и 55, усиливаются и воздействуют на вторичные контуры 16 и 17. На выходе первичных контуров 3 и 4 на носителе образуются сигналы, который поступают в аппаратуру носителя 40 и обрабатываются.

При выходе из строя одного из первичных или вторичных контуров индуктивно связанных контуров 24, 25 обмен ввод данных и проверка узлов НПА могут осуществляться с помощью индуктивно связанных 26, 27 и наоборот.

При нарушении работы аппаратуры носителя 40, или, например, одного из блоков 41-44, используется резервное положение путем поворота, например вручную оператором, на 90° в одну или другую сторону вокруг собственной оси (например, для основания в форме диска - ось симметрии, походящая через центр) в любом направлении относительно нулевого положения. После поворота блок переключения 45 отключает первичные контуры от аппаратуры носителя 40, формирователей сигналов возбуждения 41, 43 повторителей 42, 44 и коммутирует первичные контуры с резервной аппаратурой 46, формирователями сигналов возбуждения 47, 49 и повторителями 48, 50. Резервная система имеет собственный источник электроэнергии для подачи в НПА и позволяет осуществлять ввод данных и проверки узлов НПА, например, вручную оператором. Резервный режим работы также может быть использован, например, при одновременном выходе из строя первичных контуров 1, 3 и вторичных контуров 15, 17, или при одновременном выходе из строя первичных контуров 2, 4 и вторичных контуров 14, 16. В таком случае обмен информацией в основном режиме окажется невозможен. Путем поворота основания на 90° в одну или другую сторону вокруг собственной оси изменяется взаимное расположение контуров (фиг. 4). Индуктивно связанные контуры для обмена информацией образуются следующими первичными и вторичными контурами: 1-15, 2-14, 3-17, 4-16, а индуктивно связанные контуры для передачи и приема электроэнергии образуются следующими первичными и вторичными контурами: 5-19, 6-20, 7-21, 8-18. Данные пары первичных и вторичных контуров образуют индуктивно связанные контуров 56-63. Таким образом, при повороте основания также обеспечивается параллельный дуплексный обмен информацией с подачи электроэнергии в НПА.

Работа устройства в резервном режиме происходит следующим образом (фиг. 5). Резервная аппаратура 46 через блок переключения 45 подает электроэнергию на первичные контуры 5-8. На выходе вторичных контуров 18-21 на НПА образуется электроэнергия, которая поступает на аппаратуру НПА 51.

От резервной аппаратуры 46 информация для ввода данных и проверки узлов НПА, а также служебная информация в поступает на входы формирователя сигналов возбуждения 47 и 49, где производится их модуляция с заданной несущей частотой, равной резонансной частоте ƒ', информация о которой извлекается формирователем сигналов возбуждения далее аналоговые сигналы усиливаются повторителями 48 и 50, усиливаются, и через блок переключения 45 воздействуют на первичные контуры 1 и 2. На выходе вторичных контуров 15 и 14 на НПА образуются сигналы, которые поступает в аппаратуру НПА 51 и обрабатываются.

От аппаратуры НПА 51 информация о вводе данных или проверке узлов НПА, а также служебная информация поступают на входы формирователей сигналов возбуждения 52 и 54, где производится их модуляция с заданной несущей частотой, равной резонансной частоте ƒ'', информация о которой извлекается формирователем сигналов возбуждения из служебной информации. Далее аналоговые сигналы усиливаются повторителями 53 и 55 и воздействуют на вторичные контуры 16 и 17. На выходе первичных контуров 4 и 3 на носителе образуются сигналы, которые поступают в резервную аппаратуру 46 и обрабатываются.

Вследствие разных используемых параллельно расположенными контурами резонансных частот ƒ' и ƒ'' сигналы, передаваемые от носителя на НПА и обратно не влияют друг на друга, вследствие перпендикулярного расположения пар контуров, сигналы, передаваемые одновременно на одинаковых резонансных частотах ƒ' и ƒ'' также не влияют друг на друга, что позволяет обеспечить одновременный дуплексный ввод данных и проверку узлов НПА. Таким образом, в предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом обеспечивается повышение функциональности устройства.

Наличие возможности изменения резонансной частоты позволяет, например, выбрать другие частотные диапазоны для передачи информации при возникновении помех на текущей резонансной частоте, а возможность изменения ширины полосы пропускания позволяет, например, увеличивать отношение сигнал/шум за счет сужения полосы пропускания. Таким образом, в предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом обеспечивается повышение помехоустойчивости.

Наличие двух пар контуров для обмена информацией, а также двух пар контуров для передачи и приема электроэнергии позволяет производить ввод данных или проверку узлов НПА в случае выхода из строя, например, одного из контуров пары, однако данные процедуры не смогут быть произведены одновременно. В свою очередь, наличие возможности поворота основания на 90° вокруг собственной оси относительно основного положения позволяет подключить первичные контуры к резервной системе, и производить ввод данных с проверкой узлов НПА в случае сбоя в работе информационных систем носителя. Таким образом, в предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом обеспечивается повышение отказоустойчивости устройства передачи данных.

Изобретение относится к устройствам ввода данных и может быть использовано для передачи информации и энергии в необитаемый подводный аппарат (НПА). Техническим результатом изобретения является повышение функциональности, помехоустойчивости, отказоустойчивости устройства передачи данных. Устройство ввода данных и передачи электроэнергии в НПА содержит первичные контуры для обмена информацией и передачи электроэнергии, располагаемые в основании, которое располагается в пусковой установке носителя, выполняется из непроводящего немагнитного материала и герметизируется для защиты от внешней среды. Основание имеет возможность перехода в резервное положение путем поворота на 90° в одну или другую сторону вокруг собственной оси. Также устройство содержит вторичные контуры для обмена информацией и приема электроэнергии, не имеющие возможности поворота, располагаемые в специальной горловине НПА и герметизируемые для защиты от внешней среды. Каждый первичный и вторичный контур для обмена информацией имеет в своем составе блок подстройки для изменения резонансной частоты и ширины полосы пропускания. При этом контуры для обмена информацией в паре располагаются параллельно друг относительно друга и работают на разных резонансных частотах, а пары контуров располагаются перпендикулярно друг относительно друга одна над другой. 5 ил.

Устройство ввода данных и передачи электроэнергии в необитаемый подводный аппарат (НПА), содержащее формирователь сигнала возбуждения, повторитель, первичный и вторичный контур индуктивно связанных контуров, отличающееся тем, что первичные контуры для обмена информацией и передачи электроэнергии располагаются в основании, выполненном из непроводящего немагнитного материала, загерметизированного для защиты от внешней среды и находящегося в основном положении с возможностью перехода в резервное положение путем поворота на 90° в одну или другую сторону вокруг собственной оси, при этом индуктивно связные контуры образуются двумя парами первичных и вторичных контуров для передачи и приема электроэнергии, а также двумя парами первичных и вторичных контуров для обмена информацией, каждый из которых включает в свой состав блок подстройки для изменения резонансной частоты и ширины полосы пропускания, контуры для обмена информацией в паре располагаются параллельно друг относительно друга и работают на разных резонансных частотах, а пары контуров располагаются перпендикулярно друг относительно друга одна над другой.