Система управления

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для дистанционного управления движением наземными и воздушными объектами. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет реализации функции управления движением перемещающихся объектов. Устройство содержит устройство определения координат, передатчик радиосигналов, приемную часть и излучатель. 7 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для дистанционного управления движением наземными и воздушными объектами.

Прототипом принято устройство для определения координат световых объектов [1], содержащее объектив, передающую телевизионную трубку, блок обработки сигналов, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, генератор линейно нарастающего напряжения, перемножитель, блок сдвига фазы на 90°, генератор синусоидальных колебаний, первый ключ и распределитель импульсов, второй ключ и счетчик витков спиральной развертки. Недостаток прототипа: отсутствует функция управления движением перемещающихся объектов.

Цель изобретения - использовать получаемые текущие координаты светового объекта для управления его движением в пространстве. Техническим результатом является использование получаемых текущих координат объекта для дистанционного управления его движением.

Цель достигается формированием системы управления введением в нее, наряду с устройством определения координат, передатчика радиосигналов, приемной части и излучателя в видимом диапазоне и введением в устройство определения координат зрительной трубы и формирователя кодов управляющих сигналов.

Заявляемая система управления включает /фиг.1/ устройство 1 определения координат, передатчик 2 радиосигналов и расположенные на объекте управления приемную часть 3 и излучатель 49. Устройство 1 определения координат и передатчик 2 радиосигналов на фиг.2, приемная часть на фиг.3, диаграмма направленностей управляющих сигналов на фиг.4, принципиальная схема двухполярного амплитудного детектора на фиг.5, спектр частот передатчика радиосигналов на фиг.6, временные диаграммы работы системы управления на фиг.7.

Устройство 1 определения координат включает /фиг.2/ объектив 4 с соответствующим полем зрения, зрительную трубу 5, передающую телевизионную трубку 6, блок ⊘ 7 обработки сигналов, включающий последовательно соединенные усилитель 8 видеоимпульсов, блок 9 элементов И и шифратор 10, последовательно соединенные генератор 11 тактовых импульсов, делитель 12 частоты, генератор 13 линейно нарастающего напряжения, перемножитель 14 и блок 15 сдвига фазы на 90°, и генератор 16 синусоидальных колебаний, первый ключ 17 и распределитель 18 импульсов, второй ключ 19 и счетчик 20 числа витков спиральной развертки. Зрительная труба 5 /фиг.2/ расположена после объектива 4 и перед передающей телевизионной трубкой 6 и включает последовательно расположенные полупрозрачное зеркало 21, полевую линзу 22 с перекрестием на ней, расположенную в фокальной плоскости объектива 4 и оптическая ось которой перпендикулярна оптической оси объектива 4, прямоугольную призму 23, оборачивающую систему 24 и окуляр 25, оптические оси оборачивающей системы 24 и окуляра 25 перпендикулярны оптической оси полевой линзы 22 и параллельны оптической оси объектива 4.

Устройство 1 определения координат включает формирователь 26 кодов управляющих сигналов /фиг.2/, содержащий генератор 27 синусоидальных колебаний и два идентичных канала, входы кетовых являются первым и вторым информационными входами формирователя 26 кодов управляющих сигналов, а выходы их объединены. Первый канал включает последовательно соединенные первый блок 28 элементов И, первые входы которых являются первым информационным входом блока 26, элемент ИЛИ 29 и первый выходной ключ 30, и первый самоходный распределитель 31 импульсов, второй канал включает последовательно соединенные второй блок 32 элементов И, первые входы которых являются вторым информационным входом блока 26, элемент ИЛИ 33 и второй выходной ключ 34, и второй самоходный распределитель 35 импульсов. Генератор 27 является умножителем частоты 496 кГц × 5=2,48 МГц, подключен к выходу генератора 11 тактовых импульсов, выход его подключен к сигнальным входам выходных ключей 30, 34 и является первым выходом блока 26. Выходы выходных ключей объединены и являются вторым выходом формирователя 26 кодов управляющих сигналов, управляющим входом которого являются объединенные управляющие входы самоходных распределителей 31, 35 импульсов и вход генератора 27 синусоидальных колебаний.

Передатчик 2 радиосигналов включает /фиг.2/ последовательно соединенные генератор 36 несущей частоты, вход которого является входом передатчика 2 радиосигналов и подключен к выходу генератора 27 синусоидальных колебаний, амплитудный модулятор 37, второй вход которого подключен к выходу 2 формирователя 26 кодов управляющих сигналов, и выходной усилитель 38. Приемная часть 3 расположена на корпусе управляемого объекта и включает /фиг.3/ антенну, последовательно соединенные блок 39 приема радиосигнала, усилитель 40 радиочастоты и двухполярный амплитудный детектор 41, синтезатор 42 частот и два канала. Первый канал включает последовательно соединенные первый формирователь 43 импульсов, вход которого подключен к первому выходу двухполярного амплитудного детектора 41, регистр 44 и дешифратор 45, выходы которого являются выходами первого канала. Второй канал включает последовательно соединенные второй формирователь 46 импульсов, вход которого подключен к второму выходу блока 41, регистр 47 и дешифратор 48, выходы которого являются выходами второго канала. На соответствующей плоскости управляемого объекта крепится излучателе 49 /фиг.1/, включающий в зависимости от предназначения объекта один или несколько объединенных светодиодов с яркостью излучения в видимом диапазоне, достаточной для наблюдения его зрением. В качестве сведиодов применяются сверхъяркие светодиоды белого свечения, изготовленным фирмами "Nichia", "Kingbright" [2, с.47]. Передающая телевизионная трубка 6 является малогабаритной и малоинерционной трубкой с диаметром фотокатода 4,5 мм [3, с.419], например ЛИ-407. Генератор 11 тактовых импульсов обеспечивает систему тактовыми импульсами частотой 496 кГц при стабильности частоты в 10^-6.

f_T=1000 Гц × 31_ВИТ × 16=496 кГц,

где: 1000 Гц - частота кадров спиральной развертки,

31 - число витков в спиральной развертке,

16 - число направлений управляющих сигналов в вертикальной плоскости.

Делитель 12 частоты выполняет деление частоты тактовых импульсов на первом выходе 496:1 /1000 Гц/, на втором выходе 16:1 /31 кГц/. Первый ключ 17 в открытом состоянии пропускает импульсы 496 кГц в распределитель 18 импульсов, определяющие разрешение полярного угла в 22,5°. Ключ 19 в открытом состоянии пропускает 31 кГц в 5-разрядный счетчик 20, выполняющий подсчет числа витков в кадре. Генератор 16 синусоидальных колебаний совместно с генератором 13 линейно нарастающего напряжения, перемножителем 14 и блоком 15 сдвига фазы на 90° выполняют спиральною развертку электронного луча в трубке 6 от центра фотокатода против часовой стрелки /фиг.4/. Кадр спиральной развертки содержит 31 виток /в двоичном коде 11111/. Генератор 16 выдает синусоидальные колебания 31 кГц. Генератор 13 формирует линейно нарастающее напряжение частотой 1 кГц. Перемножитель 14 выдает синусоидальные колебания с линейно растущей амплитудой, которые подаются непосредственно на первый управляющий вход трубки 6 и через блок 15 на второй управляющий вход трубки 6, выполняющей сканирование электронным лучом изображения поля зрения объектива 4, проецируемое им через полупрозрачное зеркало 21 на фотокатод трубки 6. Блок 7 обработки сигналов преобразует временные интервалы каждого витка спирали в двоичные коды полярного угла ϕ с разрешением в 22,5°. Усилитель 8 выполняет усиление видеоимпульса с фотокатода трубки 6, формирует его по амплитуде и требуемой длительности. Блок 9 включает 16 элементов И соответственно разрешению в 22,5°. С 16-выходов распределителя 18 импульсы последовательно поступают на вторые входы элементов И блока 9. При совпадении на входе элемента И импульса с блока 18 и видеоимпульса с блока 8 элемент И выдает импульс, поступающий на соответствующий вход дешифратора 10, который соответственно номера элемента И выдает на выход 5-разрядный код величины полярного угла ϕ цели. Первому элементу И_I соответствует код 00001, второму - код 00010, третьему - 00011 и т.д. 16-у - код 10000. За период одной спиральной развертки шифратор 10 выдает один код полярного угла ϕ. Счетчик 20 ведет счет числа витков в развертке до появления видеоимпульса с трубки 6.

В момент сканирования электронным лучом изображения излучателя 49, расположенного на управляемом объекте, сигнал с соответствующего элемента И блока 9 через диод поступает на управляющий вход счетчика 20, выдает из него код радиоуса вектора ρ и обнуляет разряды счетчика 20. Величина полярного угла ϕ представляет направление управляющего сигнала в вертикальной плоскости для корректировки движения объекта, а величина радиоуса вектора ρ означает усилие воздействия в направлении угла ϕ фиг.4. Формируемое коды управляющих сигналов ϕ и ρ сведены в таблицу.

Направления корректировок, по фиг.4	Значения ϕ	Значения ρ
в град °	управ. сигнал в двоич. коде	управляющий сигнал в двоичном коде
1	0	00001	от 00001 до 11111
2	22,5	00010	-"-
3	45	00011	-"-
4	67,5	00100	-"-
5	90	00101	-"-
6	112,5	00110	-"-
7	135	00111	-"-
8	157,5	01000	-"-
9	180	01001	-"-
10	202,5	01010	-"-
11	225	01011	-"-
12	247,5	01100	-"-
13	270	01101	-"-
14	292,5	01110	-"-
15	315	01111	-"-
16	337,5	10000	-"-

Формирователь 26 кодов справляющих сигналов преобразует параллельные коды в последовательные и заменяет в них представление единиц с импульсов на положительные полусинусоиды в кодах ϕ и отрицательные полусинусоиды в кодах ρ. Временные диаграммы работы блока на фиг.7. Замена в кодах представления единиц с импульсов на полусинусоиды позволяет передавать коды ϕ и ρ параллельно одной несущей и в полосе частот, равной только нестабильности несущей частоты, повышается и помехоустойчивость передаваемых сигналов: синусоидальные колебания наименее всего подвержены искажениям при передаче. На первые входы элементов И блока 28 с дешифратора 10 в параллельном виде поступают коды полярного угла ϕ, на первые входы элементов И блока 32 со счетчика 20 в параллельном виде поступают коды радиуса вектора ρ. На вторые входы элементов И обоих блоков поступают последовательно импульсы с выходов самоходных распределителей 31, 35 импульсов. С выходов элементов И импульсы кодов через элементы ИЛИ 29 и 33 поступают на управляющие входы своих выходных ключей 30 и 34. Каждый импульс открывает на время своей длительности 200 нс выходной ключ 30, 34. Выходной ключ 30 в открытом состоянии пропускает одну положительную полусинусоиду моночастоты 2,48 МГц, выходной ключ 34 в открытом состоянии пропускает на выход одну отрицательную полусинусоиду той же частоты. С выхода формирователя 26 кодов управляющих сигналов на второй вход амплитудного модулятора 37 поступают полные и неполные синусоидальные колебания моночастоты 2,48 МГц, которые и являются модулирующим сигналом несущей частоты.

Стабильность частоты генератора 27 синусоидальных колебаний 10^-6. Генератор 36 несущей частоты в передатчике 2 радиосигналов /фиг.2/ является умножителем частоты. Несущая частота принята:

f=2,48 МГц × 15=37,2 МГц, стабильность ее 10^-6.

Спектр амплитудно-модулированного сигнала /фиг.6/ состоит из несущей частоты и двух боковых частот верхней и нижней:

f_B=37,2 МГц + 2,48 МГц = 39,68 МГц,

f_H=37,2 МГЦ - 2,48 МГц = 34,72 МГц. Сама несущая частота и одна из боковых частот в информационном смысле являются избыточными, поэтому в амплитудном модуляторе 37 подавляется несущая /37,2 МГц/ и отфильтровывается ненужная /нижняя/ частота 34,72 МГц. Амплитудный модулятор 37 включает последовательно соединенные кольцевой модулятор и полосовой фильтр [4, с.234], отфильтровывающий нижнюю боковую частоту, кольцевой модулятор подавляет несущую частоту. Блок 37 выдает в выходной усилитель 38 верхнюю боковую частоту 39,68 МГц, которая с информацией кодов сигналов управления излучается в эфир и при стабильности несущей 10^-6 занимает полосу в эфире ±39,68 Гц или 80 Гц. Спектр любой помехи очень широк и на долю 80 Гц полосы придется мизерная часть энергии помехи. Радиосигналы принимаются в приемной части 3 /фиг.3/ блоков 39 приема радиосигналов, который включает входную цепь, усилитель радиочастоты и смеситель. Радиочастотный сигнал поступает на смеситель, сюда же с синтезатора 42 частот /выход 1/ подается частота, равная несущей частоте передатчика 2 радиосигналов, которая необходима для детектирования однополосного сигнала [5, с.146]. Сигнал со смесителя, являющийся выходным сигналом блока 39, поступает на вход усилителя 40 радиочастоты, усиливается в нем до необходимой величины и поступает на вход двухполярного амплитудного детектора 41, выполненного по схеме фиг.5. Диод Д1 выделяет положительную огибающую модулирующего сигнала /фиг.7/. Диод Д2 из модулирующей выделяет огибающие положительных полусинусоид /символы единиц кодов ϕ/, диод Д3 выделяет из модулирующей огибающие отрицательных полусинусоид /символы единиц кодов ρ/. С первого выхода блока 41 продетектированные положительные полусинусоиды частоты 2,48 МГц поступают на вход первого формирователя 43 импульсов, со второго выхода блока 41 продетектированные отрицательные полусинусоиды 2,48 МГц поступают на вход второго формирователя 46 импульсов. Формирователи 43, 46 импульсов выполнены по схеме несимметричного триггера с эмиттерной связью [6, с.209], формирующего прямоугольные импульсы из гармонически изменяющихся сигналов /полусинусоид/. Импульсы имеют одну полярность и длительность, равную длительности импульсов в кодах блока 26. Единицы в кодах опять представляются наличием импульса, нули их отсутствием. Собственная стабильность частоты блока 42·10^-5, подстройка его частоты по фазе к несущей частоте выполняется по импульсам кодов с формирователя 43 импульсов. Синтезатор 42 частот выдает с второго выхода импульсы тактовой частоты 2,48 МГц на первые управляющие входы регистров 44, 47, с третьего выхода импульсы частоты дискретизации кодов 496 кГц на вторые управляющие входы регистров 44, 47. Код ϕ с формирователя 43 импульсов в последовательном виде поступает на информационный вход регистра 44, заполняя его разряды принимает параллельный вид. С регистра 44 код ϕ выдается сигналами дискретизации 496 кГц в дешифратор 45, который имеет по числу направлений корректировок 16 выходов, соответственно значению кода каждый раз с одного из выходов выдается управляющий сигнал ϕ в исполнительный механизм. Код ϕ представляет изменение направления движения объекта, код ρ представляет величину отклонения в этом направлении. Код ρ с формирователя 46 импульсов в последовательном виде поступает в регистр 47, из которого в параллельном виде выдается /синхронно с кодом ϕ/ в дешифратор 48, имеющий соответственно числу витков в развертке 31 выход. Соответственно значению кода ρ с одного из них и выдается справляющий сигнал в исполнительный механизм справляемого объекта.

Работа системы.

Система управления предназначена для дистанционного беспроводного управления наземными подвижными объектами /роботами различного назначения, подъемными кранами на строительстве и в портах/, монипуляторами в лабораториях и подвижными объектами, передвигающимися в воздухе, оснащенные соответствующими исполнительными механизмами. Для отправления работой или направлением движения вправляемого объекта на соответствующее место в нем прикрепляется излучатель 49 и приемная часть 3. Устройство 1 может быть выполнено в шлеме, надеваемом на голову оператора. Передатчик 2 выполняется в отдельном корпусе. Оператор, наблюдая через зрительную трубу 5, наводит перекрестие трубы в конечную точку перемещения объекта, включает питание в системе управления и дает сигнал на пуск управляемого объекта. При пуске объекта включается питание приемной части 3 и запитывается излучатель 49. При входе управляемого объекта в поле зрения объектива 4 с выхода 2 блока 26 /фиг.2/ на второй вход амплитудного модулятора 37 поступают код сигнала ϕ /код величины полярного угла/ и код сигнала ρ /код радиоуса вектора/, являющиеся текущими координатами объекта в поле зрения объектива 4. Управляющие сигналы идут с частотой 1 кГц /один из вариантов/. Полусинусоиды кодов выполняют амплитудную модуляцию несущей частоты. Приемная часть 3 принимает радиосигналы, усиливает их, выполняет двухлолярное детектирование и заменяет представление единиц в кодах с полусинусоид на импульсы. Управляющие сигналы с дешифраторов 45, 48 поступают в исполнительный механизм. В результате справляемый объект наводится на визирную линию "глаз - точка назначения" /фиг.1/.

Временные диаграммы работы системы на фиг.7. Заявляемая система управления может быть применена для дистанционного управления управляемыми объектами в строительстве, в промышленности, в оборонной промышленности и МЧС.

Источники информации

1. Патент №2273048 кл. G06К 9/48, бюл.9 от 27.03.06, прототип.

2. Радио №9, 2004, с.47.

3. Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказнов. Теория оптических систем. М., 1973, с.419, 223, 363.

4. Шумилин М.С. и др. Радиопередающие устройства. М., 1981, с.234, 235.

5. Радиосвязь, вещание и телевидение. Под ред. А.Д.Фортушенко, М., 1981, с.146.

6. Баркан В.Ф, Жданов В.К. Усилительная и импульсная техника. М., 1984, с.209.

Система управления, содержащая устройство определения координат, включающее объектив, передающую телевизионною трубку, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, делитель частоты, генератор линейно нарастающего напряжения, перемножитель и блок сдвига фазы на 90°, генератор синусоидальных колебаний, вход которого подключен к второму выходу делителя частоты, а выход подключен к второму входу перемножителя, выход которого и выход блока сдвига фазы на 90° подключены к первому и второму входам передающей телевизионной трубки, последовательно соединенные первый ключ, сигнальный вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, и распределитель импульсов, последовательно соединенные второй ключ, сигнальный вход которого подключен к второму выходу делителя частоты, и счетчик числа витков спиральной развертки, управляющие входы первого и второго ключей объединены и подключены к первому выходу делителя частоты, и включающее блок обработки сигналов, содержащий усилитель видеосигналов, вход которого подключен к выходу передающей телевизионной трубки, блок элементов И и шифратор, выходы которого являются выходами блока обработки сигналов, выход усилителя видеосигналов подключен в блоке элементов И параллельно к первым входам элементов И, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам распределителя импульсов, выходы элементов И подключены к соответствующим входам шифратора и через диоды объединены и подключены к управляющему входу счетчика числа витков спиральной развертки, отличающаяся тем, что в нее введены передатчик радиосигналов и, размещаемые на управляемом объекте, приемная часть и излучатель, и в устройство определения координат введены зрительная труба, расположенная после объектива и перед телевизионной передающей трубкой, и формирователь кодов управляющих сигналов, зрительная труба включает последовательно размещенные полупрозрачное зеркало, расположенное под углом 45° к оптической оси объектива, полевую линзу с перекрестием на ней, расположенную в фокальной плоскости объектива и оптическая ось которой перпендикулярна оптической оси объектива, прямоугольную призму, оборачивающую систему и окуляр, оптические оси оборачивающей системы и окуляра перпендикулярны оптической оси полевой линзы и параллельны оптической оси объектива, формирователь кодов управляющих сигналов включает генератор синусоидальных колебаний и два идентичных канала, входы которых являются первым и вторым информационными входами формирователя кодов управляющих сигналов, а выходы их объединены, первый канал включает последовательно соединенные первый блок элементов И, первые входы которых являются первым информационным входом формирователя кодов управляющих сигналов, элемент ИЛИ и первый выходной ключ, и первый самоходный распределитель импульсов, выходы которого подключены к вторым входам первого блока элементов И, второй канал включает последовательно соединенные второй блок элементов И, первые входы которых являются вторым информационным входом формирователя кодов управляющих сигналов, элемент ИЛИ и второй выходной ключ, и второй самоходный распределитель импульсов, выходы которого подключены к вторым входам второго блока элементов И, выходы первого и второго выходных ключей объединены и являются вторым выходом формирователя кодов управляющих сигналов, первым выходом которого является выход генератора синусоидальных колебаний, подключенный также к сигнальным входам первого и второго выходных ключей, управляющим входом формирователя кодов управляющих сигналов являются объединенные входы первого и второго самоходных распределителей импульсов и вход генератора синусоидальных колебаний, первый информационный вход формирователя кодов управляющих сигналов подключен к выходам блока обработки сигналов, второй информационный вход формирователя кодов управляющих сигналов подключен к выходу счетчика числа витков спиральной развертки, передатчик радиосигналов включает последовательно соединенные генератор несущей частоты, вход которого подключен к первому выходу формирователя кодов управляющих сигналов, амплитудный модулятор, второй вход которого подключен к второму выходу формирователя кодов управляющих сигналов, выходной усилитель и антенну, приемная часть включает последовательно соединенные антенну, блок приема радиосигналов, усилитель радиочастоты и двухполярный амплитудный детектор, синтезатор частот, первый выход которого подключен к второму входу блока приема радиосигналов, и два канала, первый канал включает последовательно соединенные первый формирователь импульсов, вход которого подключен к первому выходу двухполярного амплитудного детектора, регистр и дешифратор, выходы которого являются первым выходом приемной части, второй канал включает последовательно соединенные второй формирователь импульсов, вход которого подключен к второму выходу двухполярного амплитудного детектора, регистр и дешифратор, выходы которого являются вторым выходом приемной части, первые управляющие входы регистров объединены и подключены к второму выходу синтезатора частот, к третьему выходу которого подключены вторые управляющие входы регистров, а вход синтезатора частот подключен к выходу первого формирователя импульсов, излучатель, закрепляемый на объекте управления, включает один или несколько светодиодов видимого диапазона излучения.