Устройство для управления подводным аппаратом
Изобретение относится к подводным аппаратам, а именно к системам управления движением этих аппаратов. Целью изобретения является сокращение времени подхода аппарата к объему путем выбора оптимальной траектории движения. Изобретение позволяет осуществлять перемещение подводного аппарата к объекту с максимально возможной скоростью. Устройство дополнительно снабжено датчиком расстояния 21, третьим ключом 22, четвертым пороговым элементом 23, четвертым ключом 24, последовательно соединенными первым блоком деления 25, вторым блоком умножения 14, вторым источником опорного сигнала 26, вторым сумматором 27, пятым ключом 28, вторым блоком деления 29, третьим источником опорного сигнала 30. В результате обеспечивается прямолинейное движение аппарата к объекту с максимальной скоростью, причем только при непосредственном подходе к объекту скорость уменьшается. 1 ил.
Изобретение относится к подводным аппаратам, а именно к системам управления движением этих аппаратов. Целью изобретения является сокращение времени подхода аппарата к объекту путем выбора оптимальной траектории движения. На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства для управления подводным аппаратом. Устройство содержит движители вертикального 1 и горизонтального 2 продольного перемещений, поворотную телекамеру 3 с датчиком положения 4 угла поворота телекамеры относительно продольной оси подводного аппарата, первый пороговый элемент 5, сумматор 6, синусный 8 и косинусный 9 функциональные преобразователи, второй 10 и третий 11 пороговые элементы, блок управления движителями 12, первый блок умножения 13 и второй 14, причем вторые входы блоков умножения 13 и 14 подключены к выходу блока управления 12, а входы синусного 8 и косинусного 9 функциональных преобразователей, первого порогового элемента 5 и второй вход сумматора 6 соединены с выходом датчика угла поворота телекамеры 3; логический элемент НЕ 15, логический элемент ИЛИ 16, первый ключ 17, второй ключ 18, первый 19 и второй 20 усилители. Выход второго ключа 18 подключен к входу второго усилителя 20, а выход первого порогового элемента 5 соединен с управляющим входом первого ключа 17. Второй вход логического элемента ИЛИ 16 через третий пороговый элемент 11 подключен к выходу сумматора 6, а выход соединен с управляющим входом второго ключа 18. Кроме того, устройство содержит последовательно соединенные датчик 21, установленный на аппарате и измеряющий расстояние от аппарата до объекта по направлению продольной оси телекамеры, третий ключ 22, четвертый пороговый элемент 23 и четвертый ключ 24, последовательно соединенные первый блок деления 25, первый и второй входы которого подключены соответственно к входу второго блока умножения 14 и выходу второго источника опорного сигнала 26; второй сумматор 27 и пятый ключ 28, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами первого 25 и второго 29 блоков давления, а выход с вторым входом четвертого ключа 24, третий вход которого подключен к выходу датчика команд 12, а выход к первым входам первого 13 и второго 14 блоков умножения, причем первый и второй входы второго блока деления 29 соединены соответственно с входом первого блока умножения 13 и выходом третьего источника опорного сигнала 30, а второй отрицательный вход второго сумматора 27 подключен к выходу второго блока деления 29. Под цифрой 31 обозначен объект, к которому приближается подводный аппарат. Основной задачей системы управления подводным аппаратом является обеспечение минимального времени подхода к обнаруженному объекту. Исходя из этой задачи целесообразно прямолинейное движение аппарата к цели с максимальной скоростью. Причем только при непосредственном подходе к цели эта скорость должна уменьшаться. На основном же участке пути аппарат должен двигаться по прямолинейной траектории с максимальной скоростью. Устройство работает следующим образом. Датчик положения 4 измеряет текущий угол наклона оси телекамеры по отношению к горизонтальной плоскости (угол РИСУНКИ MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000 Извещение опубликовано: 27.12.2000 
). В результате однозначно определяется направление прямолинейного движения ПА к обнаруженному объекту 31. Для того, чтобы ПА осуществил это прямолинейное движение, необходимо, чтобы в единицу времени он перемещался в вертикальном направлении на расстояние, пропорциональное sin, а в горизонтальном на расстояние, пропорциональное cos, т. е. движителя 1 и 2 должны создавать тяги, пропорциональные соответственно sin, cos. Если используются винтовые движители, то скорости вращения их винтов также должны быть пропорциональны соответственно sin и cos. Функциональные зависимости sin и cos формируются соответственно на выходах функциональных преобразователей: синусного 8 и косинусного 9. На выходе блоков умножения 13 и 14 формируются соответственно сигналы Uу sin и Uуcos. Причем сигнал Uу задает оператор с помощью блок управления движителями 12, например рукоятки с потенциометром или просто потенциометров различных типов. Этот сигнал определяет скорость перемещения ПА по прямолинейной траектории к обнаруженному объекту 31. Если ключи 17 и 18 замкнуты, то на движители 1 и 2 соответственно будут поступать сигналы Ub= Kb
Uуsin, Uг= KгUуcos. При этом предполагается, что создаваемая движителями тяга пропорциональна величине подаваемого на эти движители сигнала управления. Сигналы Ub и Uг обеспечивают создание движителями соответствующих тяг, которые и обеспечивают прямолинейное перемещение ПА к обнаруженному объекту. Следует отметить, что сигналы Ub и Uг имеют ограничения. Оператор не управляет каждым движением в отдельности, а лишь задает скорость перемещения ПА по требуемой прямолинейной траектории, что значительно облегчает условия его работы. Коэффициенты Kb, Kг являются соответственно коэффициентами усилителей 19 и 20, они выбираются в зависимости от гидродинамических свойств ПА при движении его соответственно в вертикальном и горизонтальном направлениях. Предложенное устройство обеспечивает качественное управление ПА и при наличии подводных течений. В этом случае оператор помимо задания скорости движения аппарата по траектории должен постоянно удерживать обнаруженный объект в поле зрения телекамеры, изменяя угол При этом движители 1, 2, соответственно уменьшив или увеличив свои тяги, автоматически обеспечат сближение ПА с объектом 31. Например, если имеется подводное течение в горизонтальной плоскости в направлении движения аппарата, то горизонтальная скорость движения ПА будет больше запланированной и его реальное перемещение не будет совпадать с намеченной прямолинейной траекторией. Поскольку в этом случае цель начнет выходить из поля зрения телекамеры, то оператор переместит ее против часовой стрелки, тем самым автоматически уменьшив тягу горизонтального движителя и увеличив тягу вертикального. В подобной ситуации ПА будет перемещаться по некоторой плавной нелинейной траектории, однако время его перемещения к обнаруженному объекту изменится незначительно. Оператор с помощью задающего устройства сам может изменять скорость перемещения ПА по траектории (сигнал Uу). При значительном встречном течении и работе движителей по отмеченному выше методу аппарат будет прижиматься к грунту до момента достижения объекта 31. Если рельеф дна содержит существенные неровности, то возможны или потеря объекта из виду, или столкновение аппарата с этими неровностями, т.е. при встречном течении угол a приближается к нулю. Для того, чтобы избежать подобной ситуации, необходимо отключить движитель вертикальной тяги 1 при некотором критическом (минимально допустимом) значении угла a Отключение движителя 1 обеспечивается с помощью первого порогового элемента 5 с характеристикой 
где U1вых, U1вх соответственно выходной и входной сигналы порогового элемента 5, U1ср значение входного сигнала, при котором срабатывает пороговый элемент 5 (U1ср>0); и первого ключа 17. Величина сигнала срабатывания (U1ср) элемента 5 может определяться рельефом дна и свойствами аппарата, характером выполняемых работ и т.д. Таким образом, если угол достигает своего критического значения, то пороговый элемент 5 разомкнет ключ 17. Движитель вертикального перемещения 1 остановится, а встречное течение будет отрабатываться только движителем 2. При этом ПА будет приближаться к объекту 31 по горизонтали. Так как телекамера 3 будет продолжать слежение за объектом, а расстояние между объектом и ПА будет сокращаться, то через некоторое время угол a опять станет больше критического, сработает пороговый элемент 5, включая ключ 17 и вновь запуская движитель 1. Это будет продолжаться до тех пор, пока ПА не достигнет объекта 31. При попутном течении возникает ситуация, при которой ПА может проскочить объект, проходя над ним на некоторой высоте. При этом увеличивается время подхода ПА к цели, так как возникает необходимость возвращения аппарата по горизонтали к объекту 31. Для исключения подобной ситуации в предлагаемое устройство вводят сумматор 6, источник опорного сигнала 7, второй 10 и третий 11 пороговые элементы, логические элементы НЕ 15 и ИЛИ 16, а также второй ключ 18. Работа устройства управления в данном случае происходит следующим образом. При попутном течении и предлагаемом методе управления ПА в определенный момент сближения с объектом будет находиться в положении, когда угол a будет близок к 90o, оставаясь <90 = 90
и совпадающее с ним по знаку. Второй 10 и третий 11 пороговые элементы имеют соответственно характеристики: 
где Uiвых, U2вх выходные и входные сигналы соответствующих пороговых элементов (i=2,3). U2ср значение входного сигнала, при котором срабатывает пороговый элемент 10 (U2ср <0).
В результате движитель 2 будет остановлен до того, как ПА проскочит объект 31. Последнее следует из того, что элементы 10, 11, 15, 16 с помощью ключа 18 разомкнут цепь питания движителя 2 при приближении угла к 90o. Величина U2ср может определяться скоростью течения, гидродинамическими свойствами аппарата, характером выполненных работ и т.п. Она определяется заранее. После отключения движителя 2 движение к объекту 31 будет происходить только под действием движителя 1. Если в процессе приближения к объекту угол a будет уменьшаться, то вновь элементы 10, 15 и 16 замкнут ключ 18 и тем самым запустят движитель 2. ПА опять будет приближаться к объекту 31 и по горизонтали. Если же течение сместит ПА по горизонтали так, что угол a станет < 90o, то пороговый элемент 11 замкнет ключ 18, но движитель 2 будет создавать упор в противоположную по отношению к течению сторону, не давая ПА проскочить объект. Поскольку в данном случае до момента достижения a значения 90o движитель 2 был отключен, то ПА в момент достижения величины 90o будут иметь незначительную горизонтальную составляющую скорости, в основном определяемую величиной попутного горизонтального течения. В результате ПА будет проскакивать объект 31 с незначительной скоростью, которая быстро погасится реверсивным включением движителя 2 за счет сигнала противоположного знака от косинусного функционального преобразователя 9. Если движитель 2 сместит ПА так, что a станет < 90o, то опять разомкнется цепь питания движителя 2. В данном случае горизонтальная составляющая скорости автоматически погасится уже встречным течением. Поскольку Ub и Uг имеют ограничения, то в устройстве-прототипе оператору трудно определять предельно возможную скорость перемещения аппарата по каждой координате в зависимости от угла a и формировать требуемое управляющее воздействие. В результате часто возникают ситуации, когда оператор с помощью блока управления 12 задает такое управляющее воздействие, которое при текущем a выводит один из движителей в насыщение. При этом непроизвольно оператор нарушает прямолинейное движение аппарата к объекту, так как нарушаются соответствующие геометрические зависимости (за счет нелинейного насыщения). В результате после ошибки оператору приходится уменьшать управляющий сигнал и вновь выводить подводный аппарат на траекторию прямолинейного движения к объекту. На это тратится время и дополнительная энергия. Для устранения указанных ситуаций оператору приходится работать в некоторой ограниченной области управляющих сигналов, что также снижает быстродействие при движении аппарата к цели. В результате возникает задача автоматического выбора управляющих воздействий на движители 1 и 2, при котором независимо от текущего углового положения a обеспечивалось бы вычисление и подача максимально возможного (в линейной области управления) управляющего воздействия на один из движителей, а управляющее воздействие на другой движитель определялось бы автоматически из условия перемещения аппарата по прямолинейной траектории к объекту. Указанная задача решается с помощью вновь введенных элементов. Действительно, если положить, что сигналы, поступающие с выходов второго 26 и третьего 30 источников опорного сигналов, соответственно равны Uмгакс/Kг и Uмbакс/Kb (где Uмгакс и Uмbакс) соответственно максимально возможные значения входных сигналов движителей горизонтального и вертикального перемещений, при которых еще не наступает насыщение этих движителей), то на выходах первого 25 и второго 29 блоков деления формируются сигналы Uуг и Uуb соответственно, соответствующие допустимым максимальным значениям управляющих воздействий, при которых движители соответственно горизонтального и вертикального перемещений еще не выйдут на насыщение при текущем значении угла
Очевидно, что для прямолинейного перемещения к объекту 31 ни один из движителей не должен входить в насыщение, так как в противном случае не будет обеспечиваться требуемое перемещение по соответствующей координате. В результате для обеспечения прямолинейного перемещения в качестве управляющего должно быть выбрано минимальное из двух вычисленных значений Uуг или Uуb. На выходе сумматора 27 формируется сигнал, равный разности Uуb-Uуг. Если эта разность положительна, то Ueг < Ueb и пятый ключ 28 соединяет выход первого блока деления 25 с входом четвертого ключа 24. В результате на вторые входы блоков умножения 13 и 14 в качестве управляющего подается сигнал Uуг (предельно возможный при текущем для движителей горизонтального перемещения). Если же указанная разность отрицательна, то Ueг > Ueb и пятый ключ обеспечивает подачу на вторые входы блоков умножения 13 и 14 в качестве управляющего сигнала Uуb (предельно возможного при текущем для движителей вертикального перемещения). При таком формировании сигнала Uу будет обеспечено прямолинейное перемещение аппарата к объекту 31. Очевидно, что в описанном алгоритме формирования управляющего сигнала Uу блок управления 12 (ручное управление) должен быть отключен. Отключение блока управления 12 обеспечивается с помощью четвертого ключа 24. Указанный алгоритм управления имеет место при значительных расстояниях между аппаратом и объектом. Это расстояние измеряется с помощью датчика 21 и, если оно становится меньше некоторого наперед заданного значения, то срабатывает четвертый пороговый элемент 23 и ключ 24 соединяет вторые входы блоков умножения 13 и 14 с выходом блока управления 12. В результате осуществляется переход на ручное управление вблизи объекта. Порог срабатывания элемента 23 выбирается заранее, он зависит от пути торможения аппарата, который, в свою очередь, определяется гидродинамическими свойствами этого аппарата и возможной максимальной скоростью его движения. Если в процессе приближения к объекту независимо от расстояния между ним и аппаратом требуется использовать только ручное управление, то выход датчика 21 вручную отключается от входа порогового элемента 23 с помощью ключа 22. В результате независимо от расстояния между аппаратом и объектом выходной сигнал порогового элемента 23 будет равен нулю и четвертый ключ 24 будет соединен с выходом ручного блока управления 12. Если опять требуется перейти на автоматическое управление, то третий ключ 22 замыкается. Таким образом, в результате применения изобретения удалось существенно повысить быстродействие при управлении подводным аппаратом в процессе его подхода к объекту. При этом во время сближения до некоторого расстояния оператор не участвует в управлении аппаратом. Это освобождает оператора для выполнения других работ. Техническая реализация предлагаемого изобретения не вызывает затруднений, так как в нем используются только типовые электроэлементы.
Формула изобретения
