МОТОРНОЕ ПЛАВСРЕДСТВО С УСТРОЙСТВОМ УПРАВЛЕНИЯ
MOTOR WATERCRAFT WITH CONTROL UNIT

Изобретение касается моторного плавсредства с устройством управления и с узлом привода, который содержит приводимый в действие электродвигателем гребной винт, причем электродвигатель, управляющий блок, управление двигателем, управление аккумулятором и аккумулятор расположены в одном корпусе и причем гребной винт расположен в проточном канале в корпусе.
Изобретение далее касается способа эксплуатации устройства управления моторным плавсредством с узлом привода, который содержит приводимый в действие электродвигателем гребной винт, причем электродвигатель, управляющий блок, управление двигателем, управление аккумулятором и аккумулятор расположены в одном корпусе и причем гребной винт расположен в проточном канале в корпусе.
Моторное плавсредство согласно изобретению - это приводимое в движение двигателем плавсредство, которое перемещает управляющего плавсредством человека поверх или под водяной поверхностью. Плавсредство служит для помощи в передвижении для пловца или ныряльщика. Такое плавсредство известно также под названием «мокрой подводной лодки», так как пловец или ныряльщик не сидит в кабине или на транспортном средстве, а находится в контакте непосредственно с водой.
Из документа DE 9006333 известно моторное плавсредство, которое имеет цилиндрический главный корпус, в котором расположены аккумуляторные батареи и прочие управляющие части. В задней части корпуса в кольцеобразном теле размещены как электродвигатель, так и гребной винт. Это плавсредство может служить для перемещения пловца или ныряльщика. Создаваемый электродвигателем и гребным винтом поток попадает при этом в транспортируемого человека.
Другое моторное плавсредство известно из документа WO 01/62347. При этом пользователь лежит на корпусе, и гребной винт в проточном канале приводится в действие питаемым аккумуляторными батареями электродвигателем так, что через проточный канал просасывается водный поток, который проходит противоположно направлению движения моторного плавсредства. Водный поток отстраняется таким образом от пользователя и за счет формы корпуса может проводиться также мимо пользователя. Это облегчает плавание и погружение с таким моторным плавсредством. При этом гребной винт, электродвигатель и блок управления объединены в блок и размещены в проточном канале моторного плавсредства. Это приводит к существенному упрощению в конструкции и управления моторным плавсредством. Размещенные в отделенном корпусе аккумуляторные батареи могут легко сниматься для процесса зарядки и заменяться новым корпусом с заряженными аккумуляторными батареями.
При использовании, согласно назначению, моторное плавсредство подвержено воздействию пресной или соленой воды, температурных колебаний и напора воды. Если устройство предназначается для сдачи в прокат, то нужно учитывать особые меры предосторожности и по-разному обученных пользователей. В частности, нужно в значительной мере избегать сбоев устройства, которые могли бы повредить пользователю.
Задачей изобретения является создание моторного плавсредства упомянутого выше вида, которое на основе его системной архитектуры делает возможной особенно надежную эксплуатацию.
Далее, задачей изобретения является создание способа особенно надежной эксплуатации моторного плавсредства.
В части устройства поставленная задача решается посредством того, что управляющий блок, управление двигателя и управление аккумулятора посредством управляемого коммуникационного устройства выполнены с возможностью объединения данных. Таким образом можно обеспечить то, что передача данных особенно надежна, и может проводиться постоянный контроль системных компонентов и, при необходимости, производиться аварийная остановка.
Если контакты передачи данных и контакты передачи мощности объединены в разъемном высокоамперном штекерном разъеме, то может осуществляться надежное разъемное соединение между управлением аккумулятором и управлением двигателем.
Если управляемое коммуникационное устройство содержит системную шину для обмена данными, то системная архитектура является особенно наглядной, так как во всех компонентах имеются в распоряжении идентичные сигналы и при изменениях они будут одновременно эффективны во всех компонентах.
Если системная шина выполнена как двухпроводная система с двунаправленной раздельной передачей сигнала, то можно достигать надежной передачи данных, несмотря на высокие среднечастотные токи в управлении двигателем и унифицированном узле привода и вызываемые ими электромагнитные помехи.
Могут использоваться экономически целесообразные стандартные детали, если управляемое коммуникационное устройство содержит устройство передачи RS-485.
Если управляющий блок выполнен как задатчик, а управление двигателем и управление аккумулятором как исполнительный модуль, то можно достигать того, что процессор с памятью может вести контроль за потоком обрабатываемых данных и фиксировать прерывание. В случае такой неисправности может осуществляться аварийная остановка.
Если предусмотрен беспроводной интерфейс для обмена данными между устройством управления и устройством сервиса, то может реализоваться защищенный от проникновения воды канал передачи данных.
Особенно выгодная конструктивная форма предусматривает, чтобы беспроводной интерфейс был выполнен как двунаправленный интерфейс инфракрасного излучения или другой оптический интерфейс. Много портативных компьютеров оборудованы таким интерфейсом и таким образом могут применяться для технического управления моторного водного устройства без дополнительного оснащения.
Если для беспроводного интерфейса предусмотрен метод временного уплотнения с переменной временной решеткой для передатчика и приемника, то имеющаяся в распоряжении ширина полосы частот оптимально используется для потока обрабатываемых данных.
Первичная загрузка программ в устройство обработки данных, в управляющий блок и/или управление двигателем, и/или управление аккумулятором, а также восстановление программ делается возможным без дополнительных мероприятий, если для управляемого коммуникационного устройства предусмотрено загружаемое программное обеспечение для передачи данных через беспроводной интерфейс.
Если предусмотрены разрешения на доступ для передачи данных через беспроводной интерфейс, то можно достигать того, что программы защищены против несанкционированного доступа.
Конструктивная форма с возможностями для обученных операторов подгонки эксплуатационных параметров и расширенными правами для персонала сервиса предусматривает, чтобы для доступа к внутренним параметрам, результатам измерения, настройкам и программированию были предусмотрены разрешения на доступ.
Защищенная против некомпетентного вскрытия и/или проникающей воды конструкция предусматривает, чтобы управление двигателем имело по меньшей мере один световой датчик и минимум один водный датчик.
Если управление аккумулятором имеет по меньшей мере один световой датчик и минимум один водный датчик, то моторное плавсредство надежно защищено от электрического сбоя.
Если на устройстве управления расположены водонепроницаемые спрятанные органы управления, то могут осуществляться особые функции, такие как сброс часов арендного срока, без открывания водонепроницаемого корпуса устройства.
Если в управлении аккумулятором предусмотрено акустическое тревожное устройство, то операторы могут оповещаться о критических рабочих режимах, таких как температурный перегрев компонентов или сбой.
Конструкция предназначенного для сдачи в аренду моторного плавсредства особо предусматривает, чтобы в устройстве управления было предусмотрено действующее на унифицированный узел привода устройство учета времени.
Максимальная глубина погружения может подгоняться как под предельно допустимую нагрузку водонепроницаемого корпуса моторного плавсредства, так и к возможностям пользователя, если в устройстве управления расположен по меньшей мере один датчик напора воды.
Другая конструктивная форма управляющего устройства моторного плавсредства предусматривает, чтобы управляющий блок имел по меньшей мере одну рукоятку с датчиком и что датчик состоит из подвижно смонтированного в подшипниках постоянного магнита, который стоит в активной связи с двумя датчиками магнитного поля.
Самоконтроль управляющего устройства и вместе с тем особенно безопасная при функционировании конструкция могут достигаться при том, что для анализа данных сигналов двух датчиков магнитного поля в датчике предусмотрено распознавание ошибок путем образования суммарного сигнала из обоих сигналов датчиков магнитного поля.
Задача, в части способа, решается посредством того, что данные между управляющим блоком, управлением двигателя и управлением аккумулятора переносятся посредством управляемого коммуникационного устройства. Это делает возможным контроль компонентов и вместе с тем особенно надежную эксплуатацию.
Повышения готовности к работе можно достигать за счет взаимозаменяемых аккумуляторов при одновременно надежном режиме работы за счет интеграции аккумулятора и интеллектуального управления аккумулятором, в то время как передача данных и передача мощности производится через разъемный высокоамперный разъем. Таким образом, наряду с передачей мощности, в управление аккумулятором можно переносить программы, а также обмениваться параметрами и данными между управляющим блоком и управлением аккумулятора.
Более надежного режима достигают, в то время как при прерывании или неисправности управляемого коммуникационного устройства более продолжительных, чем три секунды, управление аккумулятором полностью выключает напряжение в высокоамперном разъеме. Таким образом избегают как угрозы для операторов, так и повреждения деталей.
Как электрическая безопасность снаружи, так и защита деталей улучшаются, если при остановленном электродвигателе управление аккумулятора обеспечивает в высокоамперном разъеме максимум 16 вольт при ограничении тока 500 мА.
Отладка, а также решение в случае требований о возмещении ущерба облегчаются, в то время как в устройстве управления аккумулируются сведения диагностирования об экстремальных значениях минимум одного из состояний температуры, электрического тока и напора воды, а также минимум одного из событий вскрытия устройства, проникшей воды, сбоя привода и погрешности датчика.
Если при осуществлении необходимой остановки от управляющего блока по системной шине на управление двигателем посылается команда к остановке электродвигателя и если управляющий блок по системной шине опрашивает частоту вращения электродвигателя, и при этом зафиксирована частота вращения больше нуля, то мощностной каскад управления двигателем выключается, и при зафиксированной после этого частоте вращения больше нуля посредством сигнала необходимого отключения, независимого от системной шины, выключается питающее напряжение управления двигателем, то можно достигать того, что необходимая остановка электродвигателя может приводиться в действие несколькими независимыми мероприятиями и сбой очень невероятен.
Особенно просто управляемая и удовлетворяющая требованиям надежности конструктивная форма предусматривает, чтобы для транспортировки моторного плавсредства при присоединенном зарядном устройстве через управляющий блок подается сигнал на управление аккумулятором, после чего управление аккумулятором проверяет состояние зарядки аккумулятора и при степени зарядки больше, чем 10% максимальной емкости, сигнализирует о погрешности, а при состоянии зарядки меньше, чем 10% максимальной емкости, запускает процесс заряда до 10% максимальной емкости.
Если для транспортировки моторного плавсредства от управляющего блока по системной шине на управление аккумулятором передается команда к переходу в транспортное состояние и управление аккумулятором размыкает рабочее напряжение высокоамперного разъема, и в управлении аккумулятором отключаются от электропитания все компоненты, кроме контроллера безопасности, то можно достигать того, что возможна надежная транспортировка и, тем не менее, сохраняется самоконтроль управления аккумулятором.
Если контроллер безопасности в транспортном состоянии ведет контроль за напряжением и за температурой аккумулятора, а также контролирует световой датчик, то в случае необходимости при недопустимом рабочем режиме аккумулятора, таком как температурный перегрев или угрожающе глубокий разряд, может происходить предупреждение, а также протоколироваться неправомочное вскрытие управления аккумулятора.
Если в транспортном состоянии контроллер безопасности ведет контроль за зарядной муфтой и при соединении с зарядным устройством переводит управление аккумулятором в состояние активного режима, то моторное плавсредство может без дополнительных устройств переключаться из транспортного состояния в состояние активного режима. Выход из транспортного состояния происходит, если напряжение зарядного устройства лежит в пределах допустимой области напряжений.
Изобретение поясняется далее более подробно посредством представленного на чертеже примера выполнения, где показано схематическое представление устройства управления для моторного плавсредства.
Чертеж показывает устройство управления 1 для моторного плавсредства с органом (панелью) 10 управления и управляемое им управление 20 двигателя, которое управляет узлом 30 привода с электродвигателем 31. Управление 20 двигателя и орган 10 управления связаны через высокоамперный разъем 40 с управлением 50 аккумулятора, которое управляет питанием устройства 1 управления от аккумулятора 60 и контролирует его.
Орган 10 управления служит для ввода ходовых команд на предназначенное для надводного и подводного режима работы транспортное средство, а также для выдачи оператору сообщений о состоянии транспортного средства. Далее, он служит для ввода данных для программ и параметров для устройства 1 управления.
Пользователь лежит или стоит на транспортном средстве и держится за левую рукоятку 15 и правую рукоятку 16. Ходовые команды даются через правую рукоятку 16, которая содержит датчик 18 рукоятки. Датчик 18 рукоятки состоит из двух горизонтальных последовательно расположенных в направлении движения датчиков магнитного поля и расположенного поверх них отвесно смонтированного постоянного магнита, который подвешен на листовой пружине и один полюс которого находится над передним в направлении движения датчиком магнитного поля. Для ходовой команды правая рукоятка 16 наклоняется к оператору. Вследствие этого полюс постоянного магнита передвигается от переднего датчика магнитного поля к заднему датчику магнитного поля. При максимальном отклонении он стоит непосредственно над задним датчиком магнитного поля. При описанном перемещении правой рукоятки 16 магнитное поле на переднем датчике магнитного поля непрерывно уменьшается, в то время как на заднем датчике магнитного поля оно непрерывно увеличивается. Оба сигнала подводятся к устройству обработки данных с памятью 14, которое испытывает их на достоверность и выводит из этого ходовые команды. Проверка на непротиворечивость охватывает вычисление меры для общего магнитного поля на обоих датчиках и сравнение с верхними и нижними граничными значениями. Если общее магнитное поле лежит вне предельных значений, то выводится заключение об ошибке и дается распоряжение о необходимой остановке. Далее событие заносится в память устройства обработки данных с памятью 14.
Если оператор перемещает правую рукоятку 16 вперед, то энергоснабжение узла привода 30 и тем самым скорость движения уменьшается. Если оператор отпускает правую рукоятку, то она возвращается в переднюю позицию и энергоснабжение узла 30 привода выключается; это также случается, если оператор непреднамеренно покидает плавсредство.
Для коммуникации с оператором управляющий блок 10 содержит жидкокристаллический дисплей 13. Датчик 17 напора воды служит для контроля глубины погружения устройства. Если превышена устанавливаемая максимальная величина, то узел 30 привода может временно выключаться, так что устройство за счет собственной подъемной силы поднимается на меньшую глубину погружения.
Для особых функций, которые не должны быть доступны оператору, орган управления располагает двумя скрыто расположенными датчиками Холла 11 и 12. Они могут быть расположены, например, слева и справа от жидкокристаллического дисплея 13. Если они активируются соответствующими постоянными магнитами, то так можно, например, сбрасывать часы арендного срока.
Орган 10 управления сообщается с управлением 20 двигателя и управлением 50 аккумулятора через системную шину 43. Из-за электрических помех, возможно появляющихся за счет высоких среднечастотных электрических токов в управлении 20 двигателем, управление 20 двигателем и узел 30 привода пространственно разделены с управляющим блоком 10, и системная шина 43 реализована в двунаправленной раздельной технике передачи сигнала как RS-485. На шине орган 10 управления работает как задатчик, а управление 20 двигателем и управление 50 аккумулятором - как исполнительный модуль. Задатчик посылает команды исполнителю и получает по каждому запросу подтверждение, которое снова содержит первоначальный запрос.
Вследствие этого задатчик может фиксировать, достигла ли команда исполнителя и понималась и обрабатывалась ли правильно. Если задатчик твердо устанавливает погрешность, то он может снова посылать команду или осуществлять меры предосторожности, такие как необходимая остановка.
В органе 10 управления установлен двунаправленный интерфейс 70 инфракрасного излучения. Через него можно снаружи обеспечить доступ к программам в органе 10 управления, управлении 20 двигателем и управлении 50 аккумулятором и при необходимости заносить в память новые программы. Далее, могут считываться параметры из этих блоков, а также и осуществляться запись в них. В устройстве обработки данных с памятью 14 для этого предусмотрено загрузочное программное обеспечение. Там происходит также аутентификация ввода посредством PIN-кода. Разные уровни прав предусмотрены для пользователей, владельцев, сервиса и производителя, которые деблокируют и блокируют доступ к возможностям программирования и данным. Через защищенный PIN-кодом порт также может устанавливаться срок проката для арендного устройства и максимальная глубина погружения. При этом максимальная глубина погружения "пользователя" с его PIN-кодом может переустанавливаться, насколько это допускают границы, установленные "фабричным" PIN-кодом. После установления срока проката заданное время может отсчитываться и таким образом показывать пользователю остающийся срок на жидкокристаллическом дисплее 13. Может быть предусмотрено, чтобы при предварительно заданном остаточном сроке пользования мощность электропривода сокращалась, чтобы дополнительно к индикации сигнализировать пользователю о запросе к возвращению, однако, давать ему возможным возвращение с уменьшенной тягой.
Команды управляющего блока 10 в управление 20 двигателем передаются дальше через регулятор 22 на мощностной каскад 25. За выходным мощностным каскадом 25 идет контроль с температурным датчиком 24, и он защищен от перегрузки. Выходной мощностной каскад 25 связан с узлом 30 привода через передачу 36 мощности и передачу 37 данных.
Частота вращения электродвигателя 31 измеряется посредством датчиков Холла 32, 33 и 34, передается дальше по системной шине 43 и в управляющем блоке 10 сравнивается с заданными значениями устройством обработки данных с памятью 14. В случае отклонения от заданных значений, если, например, вопреки команде по системной шине 43 для сокращения частоты вращения электродвигателя 31 до нуля, частота вращения электродвигателя 31 не возвращается к нулю, все питание управления 20 двигателем может выключаться по сигналу 26 необходимого отключения, который действует независимо от системной шины 43, и таким образом достигается уверенная остановка двигателя.
За температурой электродвигателя 31 идет текущий контроль посредством температурного датчика 35, так что в случае перегрузки может происходить аварийная остановка.
В качестве меры для экономии энергии мощностной каскад 25 может при выключенном приводе полностью выключаться.
Аккумулятор 60 и соответствующее управление 50 аккумулятором могут заменяться, чтобы достигать постоянной готовности устройства. Их присоединение к системной шине производится через высокоамперный разъем 40, который наряду с двумя контактами 42 мощностной передачи содержит два контакта 41 передачи данных. За счет образования системной шины как шины последовательного обмена, являются достаточными два контакта 41 для передачи данных, и может выбираться особенно прочное разъемное соединение только с четырьмя контактами. Аккумулятор 60 связан с управлением 50 аккумулятора посредством передачи 57 мощности и передачи 58 данных. Через передачу 58 данных контроллер 55 безопасности ведет контроль за напряжением аккумулятора и температурой посредством температурных датчиков 61, 62. Контроллер 55 безопасности как при опасности перегрева, так и возможном глубоком разряде выдает предупредительный сигнал через акустическое тревожное устройство 64.
Контроллер безопасности 55 ведет контроль за высокоамперным разъемом 40 на возможное короткое замыкание соленой водой или проводящими предметами. При этом напряжение на мощностных контактах 42 может быть ограничено при остановленном двигателе неопасным значением 16 В и дальше ограничиваться максимальный электрический ток. На практике для ограничения тока оказалось подходящим значение 500 мА. Ходовое напряжение включается, как только пользователь приводит в действие датчик ручки. Затем через управляющий блок проходит команда к включению двигателя.
Контроллер 55 безопасности ведет контроль за высокоамперным разъемом 40 также на прерывание передачи данных по системной шине 43, и при прерывании больше, чем на три секунды, выключает напряжение на мощностных контактах 42.
Управление 20 двигателем и управление 50 аккумулятором содержат водяные датчики 23 и 53, так что при негерметичности блоков это событие может заноситься в память о неисправностях в устройстве обработки данных с памятью 14, и привод может выключаться. При наличии воды в аккумуляторе также вносится запись в памяти аккумуляторного управления, так как аккумулятор может также отдельно приводиться в действие управляющим блоком. В случае проникновения воды подводное плавание может отменяться заблаговременно, прежде чем моторное плавсредство получит большее повреждение. Далее, управление 20 двигателем и управление 50 аккумулятором содержат световые датчики 21 и 52, которые регистрируют вскрытие деталей и делают возможным протоколирование в устройстве обработки данных с памятью 14. При воде в аккумуляторе также вносится запись в память аккумуляторного управления, так как аккумулятор может также отдельно приводиться в действие управляющим блоком.
Некомпетентное вскрытие устройства может таким образом определяться, что может облегчать нахождение причин в случаях повреждений.
Управление 50 аккумулятором может связываться через зарядную муфту 51 с неизображенным зарядным устройством. Если контроллер 55 безопасности фиксирует подходящее зарядное напряжение на контактах зарядной муфты 51, начинается контролируемый от управления 56 зарядом процесс зарядки аккумулятора 60. При этом контроллер 55 безопасности ведет контроль за температурой аккумулятора 60 посредством температурных датчиков 61 и 62. В качестве аккумулятора из-за его высокой емкости находит применение предпочтительно литиево-ионный аккумулятор.
Для воздушной транспортировки высокоамперный разъем 40 должен быть обесточен и состояние заряда аккумулятора 60 может составлять самое большее 10% от максимальной емкости. Для подготовки пользователь при присоединенном зарядном устройстве может через управляющий блок 10 давать сигнал по системной шине 43 в контроллер 55 безопасности. Если в этот момент степень загрузки недопустимо высока, то выдается предупредительный сигнал и пользователь должен разряжать аккумулятор вплоть до допустимой границы. Если состояние заряда менее 10%, то аккумулятор 60 заряжается до 10% его максимальной емкости. Затем контроллер 55 безопасности отключает напряжения питания с мощностных контактов 42 и остальных нагрузок. Остается активным лишь контроллер 55 безопасности, который контролирует напряжение и температуру в аккумуляторе 60, а также световой датчик 52. Устройство 1 управления готово к транспортировке.
По окончании транспортного состояния зарядное устройство снова присоединяется. Если контроллер 55 безопасности фиксирует допустимое зарядное напряжение, он снова активирует компоненты устройства управления 1 и начинает зарядку аккумулятора 60 до заданной емкости.
При такой системной архитектуре можно достигать надежного режима эксплуатации также в критических условиях эксплуатации, таких как электромагнитные помехи, негерметичности в высокоамперном разъеме 40 или в корпусе управления 20 двигателем, или в узле 30 привода, и даже при сбое в системной шине 43.