Устройство для управления подводным аппаратом



Устройство для управления подводным аппаратом

 

B63H25/00 - Управление судами: уменьшение скорости хода, осуществляемое иными средствами, чем движители (использование подвижно установленных движителей для управления судном B63H 5/14; использование подвижно установленных забортных двигательно-движительных агрегатов B63H 20/00); динамическая постановка на якорь, т.е. расположение судов с помощью основных или вспомогательных движителей (постановка судов на якорь, кроме динамической, B63B 21/00; устройства для уменьшения килевой и бортовой качки или подобных нежелательных движений судов с помощью реактивных струй или гребных винтов B63B 39/08)

Владельцы патента RU 2536303:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) (RU)

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.

 

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 Uy управления движителями в соответствии с уравнениями:

U y = min ( U Г y , U B y ) ,

U Г y = U Г max ( К Г cos α ) 1 ,

U B y = U B max ( К B sin α ) 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;

КГ и КB - 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 Uв управления движителем 2, пропорциональный sinα:

U B = U y sin α K B ,

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

Uy - 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;

КB - коэффициент усиления в канале вертикального перемещения подводного аппарата.

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

U Г = U y cos α K Г ,

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

Преобразователи 6 и 7 выполнены с возможностью регулирования численных значений коэффициентов KB и KГ.

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

U y = min ( U Г y , U B y ) ,

U Г y = U Г max ( К Г cos α ) 1 ,

U B y = U B max ( К B sin α ) 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;

КГ и КB - коэффициенты усиления в каналах управления движителями соответственно горизонтального и вертикального перемещений.

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

На первый сигнальный вход этого переключателя поступает управляющий сигнал U у ' , 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 Uу 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 UB и UГ, 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 КГ и КВ 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.

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 Uy управления движителями в соответствии с уравнениями:
U y = min ( U Г y , U B y ) ,
U Г y = U Г max ( К Г cos α ) 1 ,
U B y = U B max ( К B sin α ) 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;
KГ и КB - коэффициенты усиления в каналах управления движителями соответственно горизонтального и вертикального перемещений.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к космическим системам (КС) обслуживания спутниковых систем (СС) различного назначения (мониторинга, навигации, связи и др.). Предлагаемая КС содержит средства обслуживания на орбитах базирования, каждой из которых поставлена в соответствие своя область обслуживания.

Группа изобретений относится к информационным спутниковым системам (ИСС) различного назначения, задачи которых в общем аспекте сводятся к обеспечению обзора (непрерывного или периодического) планеты, в частности Земли.

Настоящее изобретение относится в целом к погрузочно-разгрузочным устройствам и в частности к системам и способам, объединяющим данные по зонам обнаружения в дополнительные беспроводные средства дистанционного управления погрузочно-разгрузочными устройствами.

Изобретение относится к устройствам управления для бортовых систем автоматического управления летательными аппаратами с реализацией режимов координированных разворотов.

Изобретение относится к бортовым устройствам для систем автоматического управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА). Техническим результатом является повышение устойчивости процессов управления.

Изобретение относится к системам управления и может быть использовано при разработке систем управления подвижными объектами, обеспечивающих их перемещение по заданной траектории с заданной скоростью в неопределенных средах.

Изобретение относится к области оценки функциональных возможностей движущегося тела или летательного аппарата. Технический результат заключается в оценке траектории подвижного объекта после регистрации события, или при изменении цели, для которого необходимо осуществление угловых перемещений.

Изобретение относится к автоматическому управлению движением транспортных средств вдоль заданного токонесущим проводом направления. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения возможности использования транспортного средства с адресацией мест его остановки.

Изобретение относится к авионике - к приборам сигнализации об опасности сближения с землёй или с высоким препятствием. Технический результат заключается в уменьшении размеров антенны за счет выбора большой рабочей частоты и уменьшении мощности передатчика и чувствительности приёмника.

Изобретение относится к области судовождения. Система содержит приемник (1) спутниковой навигационной системы, задатчик (2) маршрута с выходами заданного сигнала путевого угла (ПУ) и заданного угла φзд угла курса, регулятор (3) угла δзд перекладки руля, рулевой привод (4), регулятор (5) оборотов nзд гребного вала, привод (6) гребного вала, регулятор (7) оборотов nподр, подруливающего устройства, подруливающее устройство (8), блок (9) сравнения, блок (10) разностей, блок (11) коррекции законов управления угла δ перекладки руля, оборотов nзд гребного вала, оборотов nподр подруливающего устройства, блок (12) четырех секторов граничных значений углов положения вектора путевого угла (ПУ), формирователь (13) коэффициентов управления и судно (14), соединенные между собой.

Изобретение относится к области судовождения, а именно к автоматическому управлению движением судна по заданному маршруту. Отказоустойчивая система автоматического управления движением судна содержит датчик руля, датчик угловой скорости, датчик скорости хода, датчик угла курса, задатчик угла курса, сумматор, рулевой привод.

Изобретение относится к судостроению, а именно к подруливающим устройствам судов. Подруливающее устройство содержит два винта, установленные в гондоле на стойке обтекателей в сквозном канале, и приводной двигатель, а также снабжено дополнительными стойками, расположенными на обтекателях по краям гондолы.

Группа изобретений относится к способу автоматического управления судном по курсу и интеллектуальной системе автоматического управления судном по курсу. Способ заключается в том, что в качестве модели объекта управления используют нейросетевую модель объекта управления.

Изобретение относится к системам управления движением подводных аппаратов. Устройство содержит движители вертикального и горизонтального перемещений, телекамеру, установленную с возможностью поворота, датчики угла поворота, сумматоры, источники опорного сигнала, пороговые элементы, синусные и косинусные функциональные преобразователи, блоки умножения и деления, усилители, ключи, логические элементы, датчики расстояния и команд, многоуровневый релейный элемент, блоки взятия модуля.

Изобретение относится к области судовождения, в частности к системам автоматического управления движением судна. Устройство для формирования траектории перевода судна на параллельный курс содержит: задатчик абсолютной величины максимально допустимого сигнала управления, датчик продольной скорости, вычислитель критических параметров траектории перевода судна на параллельный курс, задатчик расстояния смещения параллельного курса от текущего курса, вычислитель изменения путевого угла Δϕ, минимального радиуса Rm допустимого оптимального полиноминального отрезка (ДОЭПО), длины L прямого отрезка между двумя ДОЭПО, датчик координат центра масс судна, вычислитель набора параметров граничных точек первого ДОЭПО, датчик путевого угла, вычислитель выходных параметров элементарных отрезков, задатчик абсолютной величины максимально допустимого сигнала управления, вычислитель набора параметров граничных точек первого ДОЭПО, вычислитель выходных параметров элементарных отрезков.

Изобретение относится к управлению судном при следовании по заданной траектории и касается автоматического управления рулём или другим рулевым средством управления, которым оборудовано судно.

Изобретение относится к водному транспорту. Способ управления заключается в том, что текущее положение траектории сближения определяют в виде прямой линии, которая проходит через две заданные точки на плоскости, текущее положение которых на плоскости в любой заданный момент времени рассчитывают с использованием значений текущих координат носовой и кормовой точек судна-партнера, стоящего на якоре, заданного расстояния между бортами швартующихся судов, заданного положения швартующегося судна относительно судна-партнера, стоящего на якоре, в конечной стадии швартовки и текущего значения длины тормозного пути швартующегося судна, необходимого для перехода его от исходной скорости движения к скорости, равной скорости течения в районе места якорной стоянки судна-партнера в конкретных условиях плавания.

Изобретение относится к управлению движущимся судном при его позиционировании в заданной точке плоскости в заданном направлении. Используют поперечные смещения двух разнесенных по длине объекта точек и продольные отклонения условной точки.

Изобретение относится к водному транспорту и касается управления движением швартующегося судна при выполнении им швартовной операции к судну-партнеру, лежащему в дрейфе.

Изобретение относится к водному транспорту и может быть использовано при управлении траекторией движения судна, выполняющего сложное маневрирование. Способ определения демпфирующих составляющих нормальной гидродинамической силы и момента включает определение текущего значения абсциссы центра вращения, угловой скорости судна, демпфирующих составляющих нормальной гидродинамической силы и ее момента.

Изобретение относится к подводным обитаемым и необитаемым аппаратам с автоматическим и телеуправляемым регулированием, преимущественно тихоходным, используемым для освоения мирового океана.
Наверх