СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для дистанционного беспроводного управления движением наземными, надводными и воздушными объектами.
Прототипом принята "Система управления" [1], содержащая устройство определения координат и передатчик радиосигналов, приемную часть и излучатель, расположенные на объекте управления. Устройство определения координат включает объектив, зрительную трубу, передающую телевизионную трубку, блок обработки сигналов и формирователь кодов, который содержит генератор синусоидальных колебаний и два канала, каждый из которых включает последовательно соединенные блок элементов И, элемент ИЛИ и выходной ключ, и самоходный распределитель импульсов /СРИ/. Приемная часть содержит блок приема радиосигналов, усилитель радиочастоты, двухполярный амплитудный детектор, синтезатор частот и два канала, каждый из которых включает формирователь импульсов, регистр и дешифратор. Излучатель из светодиодов белого свечения и крепится на корпусе управляемого объекта. Недостатки прототипа: подвержен световым помехам от других источников излучения в поле зрения объектива, такие же системы управления, работающие рядом, создадут радиопомехи друг другу /одна несущая частота/, и недостаточное разрешение координат: 16 направлений при 31 значении на каждом, т.е. 496 местоположений в поле зрения объектива.
Цель изобретения - увеличение разрешения координат, исключение влияиния световых помех и радиопомех на надежность управления объектом.
Техническими результатами являются увеличение разрешения при получении координат в 500 раз /500×500/, исключение световых помех вводом в излучатель светодиодов с красным, зеленым и синим светофильтрами и исключение радиопомех введением в приемную часть блока выбора частоты.
Сущность изобретения в том, что в систему управления, содержащую устройство определения координат, передатчик радиосигналов и размещаемые на объекте управления приемную часть и излучатель, вводятся в устройство определения координат датчик координат, в приемную часть - блок выбора частоты, и в излучатель вводятся светодиоды с красным светофильтром, с зеленым светофильтром и с синим светофильтром.
Заявляемая система управления на фиг.1 и содержит устройство 1 определения координат, передатчик 2 радиосигналов, приемную часть 3 и излучатель 4.
п
от
от
о
от
о
З
выд
З
выд
от
З
о
от
З
о
Устройство 1 определения координат и передатчик 2 радиосигналов на фиг.2, приемная часть на фиг.3, получение координат излучателя в поле зрения объектива на фиг.4, схема двухполярного амплитудного детектора на фиг.5, спектр амплитудно-модулированного сигнала на фиг.6, временные диаграммы работы системы управления на фиг.7. Устройство 1 определения координат содержит /фиг.2/ объектив 5 с соответствующим полем зрения, зрительную трубу 6, датчик 7 координат, включающий матрицу ПЗИ 8 - прибор с зарядовой инжекцией по технологии Foveon ХЗ из трехслойного датчика КМОП [2 с.552, 3 с.832 рис.21. 12] с оптическим разрешением 500×500, фоточувствительная сторона матрицы ПЗИ 8 расположена после зрительной трубы 6 в фокальной плоскости объектива 5, первый элемент И 9, первый и второй входы которого подключены к двум соответствующим выходам матрицы ПЗИ 8, второй элемент И 10, один вход которого подключен к третьему выходу матрицы ПЗИ 8, второй вход подключен к выходу элемента 9, импульсный усилитель 11, вход которого подключен к выходу второго элемента И 10, содержит последовательно соединенные генератор 12 тактовых импульсов 12,5 МГц, делитель 13 частоты и первый ключ 14, второй 15, третий 16, четвертый 17, пятый 18 и шестой 19 ключи, первый элемент 20 задержки импульса строки на половину периода строки /20 мкс/, второй элемент 21 задержки импульса кадра на первую половину периода кадра /10 мс/, первый вычитающий девятиразрядный счетчик 22 импульсов, первый счетчик 23 импульсов, второй вычитающий счетчик 24, второй девятиразрядный счетчик 25 импульсов. Первый счетчик 23 импульсов и второй вычитающий счетчик 24 импульсов - восьмиразрядные. Выходы со второго по девятый разрядов первого вычитающего счетчика 22 импульсов и выходы с первого по восьмой разрядов первого счетчика 23 импульсов поразрядно объединены и вместе с выходом первого разряда первого вычитающего счетчика 22 импульсов /знак минус/ являются первыми первым-девятым выходами датчика координат 7. Выходы со второго по девятый разрядов второго счетчика 25 импульсов и выходы с первого по восьмой второго вычитающего счетчика 24 импульсов поразрядно объединены и вместе с выходом первого разряда /знак минус/ второго счетчика 25 импульсов являются вторыми первым-девятым выходами датчика координат 7. Первым управляющим выходом является третий выход 12,5 МГц делителя 13 частоты, вторым управляющим выходом датчика координат 7 является выход импульсного усилителя 11. Устройство 1 определения координат включает формирователь 26 кодов, включающий генератор 27 синусоидальных колебаний 112,5 МГц /12,5 МГц ×9/ и два идентичных канала, входы которых являются первым и вторым информационными входами формирователя 26 кодов, а выходы их объединены. Первый канал включает последовательно соединенные первый блок 28 элементов И, которых девять штук, первый элемент ИЛИ 29 и первый выходной ключ 30, и первый самоходный распределитель 31 импульсов /СРИ/, второй канал включает последовательно соединенные второй блок 32 элементов И, которых девять штук, второй элемент ИЛИ 33 и второй выходной ключ 34, и второй СРИ 35. Генератор 27 синусоидальных колебаний подключен к первому управляющему выходу датчика 7 координат и формирует из тактовых импульсов синусоидальные колебания 112,5 МГц, поступающие на сигнальные входы выходных ключей 30, 34, выходы которых объединены и являются вторым выходом устройства 1 определения координат, первым выходом которого является выход /112,5 МГц/ генератора 27 синусоидальных колебаний. Входы U первого СРИ 31 и второго СРИ 35 объединены и подключены к второму управляющему выходу датчика 7 координат. Первый выход 50 Гц делителя частоты 13 подключен параллельно к управляющему входу U первого ключа 14, к входу второго элемента 21 задержки, к первому управляющему входу U шестого ключа 19, к входам с первого по пятый и седьмому разрядов второго вычитающего счетчика 24 импульсов и к второму управляющему входу U второго счетчика 25 импульсов, второй выход 25 кГц делителя 13 частоты подключен параллельно к сигнальному входу первого ключа 14, к управляющему входу U второго ключа 15, к первому управляющему входу пятого ключа 18, к входам с первого по шестой и восьмому разрядов первого вычитающего счетчика 22 импульсов, к входу первого элемента 20 задержки, к второму управляющему входу U первого счетчика 23 импульсов и к сигнальным входам шестого 19 и четвертого 17 ключей. Третий выход 12,5 МГц делителя 13 частоты подключен параллельно к сигнальным входам второго ключа 15, третьего 16 и пятого 18 ключей и является первым управляющим выходом датчика 7 координат. Счетный вход первого вычитающего счетчика 22 импульсов подключен к выходу пятого ключа 18, счетный вход первого счетчика 23 импульсов подключен к выходу третьего ключа 16, счетный вход второго вычитающего счетчика 24 импульсов подключен к выходу шестого ключа 19, счетный вход второго счетчика 25 импульсов подключен к выходу четвертого ключа 17. Вторые управляющие входы U ключа 16 и ключа 18 через диод и управляющие входы U первого вычитающего счетчика 22 импульсов и первого счетчика 23 импульсов объединены и подключены к выходу импульсного усилителя 11. Вторые управляющие входы U ключа 17 и ключа 19 через диод и управляющие входы U второго вычитающего счетчика 24 импульсов и второго счетчика 25 импульсов подключены к выходу импульсного усилителя 11. Выходы ключей 14 и 15 подключены к соответствующим входам 25 кГц и 12,5 МГц матрицы ПЗИ 8. Выход первого элемента 20 задержки подключен к первому управляющему входу U третьего ключа 16, к второму управляющему входу U пятого ключа 18 и к управляющему входу U первого вычитающего счетчика 22 импульсов, выход второго элемента 21 задержки подключен к первому управляющему входу U ключа 17, к второму управляющему входу U шестого ключа 19, к входу первого разряда /знак минус/ второго счетчика 25 импульсов и к управляющему входу U второго вычитающего счетчика 24 импульсов. Зрительная труба 6 /фиг.2/ расположена после объектива 5 и перед датчиком координат 7 и включает последовательно расположенные полупрозрачное зеркало 36, расположенное под углом 45° к оптической оси объектива 5, полевую линзу 37 с перекрестием на ней, расположенную в фокальной плоскости объектива 5, и оптическая ось которой перпендикулярна оптической оси объектива 5, прямоугольную призму 38, оборачивающую систему 39 и окуляр 40. Оптические оси оборачивающей системы 39 и окуляра 40 перпендикулярны оптической оси полевой линзы 37 и параллельны оптической оси объектива 5. Передатчик 2 радиосигналов /фиг.2/ включает последовательно соединенные генератор 41 несущей частоты, вход которого подключен к первому выходу устройства 1 определения координат /первому выходу формирователя 26 кодов/, амплитудный модулятор 42, второй вход которого подключен к второму выходу устройства 1 определения координат /второму выходу формирователя 26 кодов/, и выходной усилитель 43.
Приемная часть 3 расположена в корпусе управляемого объекта и включает /фиг.3/ антенну, введенный блок 44 выбора частоты, последовательно соединенные блок 45 приема радиосигналов, усилитель 46 радиочастоты и двухполярный амплитудный детектор 47, синтезатор 52 частот и два канала, первый канал включает первый формирователь 48 импульсов, вход которого подключен к первому выходу двухполярного амплитудного детектора 47, и первый регистр 50, выходы которого являются первыми выходами приемной части /координата Х/, второй канал включает второй формирователь 49 импульсов, вход которого подключен к второму выходу двухполярного амплитудного детектора 47, и второй регистр 51, выходы которого являются вторыми выходами приемной части /координата У/. Регистры 50, 51 девятиразрядные, сигнал с первого разряда регистров представляет знак минус координаты, отсутствие сигнала в первом разряде - знак плюс координаты. Коды координат Х, У являются управляющими сигналами для исполнительных механизмов, корректирующих направление перемещения управляемого объекта. Излучатель 4 крепится на заднем торце корпуса объекта и включает три сверхъярких светодиода белого излучения: один имеет красный светофильтр, второй - зеленый светофильтр, третий - синий светофильтр. Для повышения яркости излучателя вместо одного светодиода можно применять несколько светодиодов под светофильтром одного цвета». Яркость излучателя должна соответствовать дальности управления объектом.
-6
Генератор 12 тактовых импульсов обеспечивает устройство 1 определения координат тактовыми импульсами со стабильностью 10:
т
f=50 Гц×500×500=12,5 МГц,
где 50 Гц - частота сканирования матрицы ПЗИ, частота, кадров,
500 - число строк сканирования /в кадре/, разрешение по координате У,
500 - число отсчетов в строке, разрешение по координате Х.
Делитель 13 частоты выдает: на первом выходе частоту 50 Гц /250000:1/, на втором выходе частоту 25 кГц /500:1/, на третьем выходе 12,5 МГц /1:1/. Первый ключ 14 открывается на длительность кадра 20 мс  передним фронтом импульса 50 Гц и закрывается задним фронтом импульса. В открытом состоянии ключ 14 пропускает на первый вход матрицы ПЗИ 8 для считывания координаты У импульсы 25 кГц. Второй ключ 15 открывается передним фронтом импульса 25 кГц на длительность строки 40 мкс  и закрывается его задним фронтом, в открытом состоянии ключ 15 пропускает на второй вход матрицы ПЗИ 8 импульсы 12,5 МГц для считывания заряда с пиксела матрицы в строке [3 с.832, рис.21, 12]. Объектив 5 создает трехцветное изображение излучателя 4 в трех слоях матрицы ПЗИ 8, при отсутствии одного из цветов в изображении с одного из элементов И 9, 10 /фиг.2/ не будет сигнала, не будет и сигнала с импульсного усилителя 11. Только при наличии трех цветов от источника излучения на выходе импульсного усилителя 11 будет импульс, что обеспечивает исключение световых помех. Сигнал с выхода импульсного усилителя 11 закрывает ключи 16, 17, 18, 19 и выдает из соответствующих вычитающего счетчика импульсов и счетчика импульсов коды координат Х и У. При выдаче кодов счетчики 22, 23, 24, 25 обнуляются. Считывание сигнала в матрице ПЗИ 8 идет в строках слева направо /фиг.4/, а строк в кадре - сверху вниз. Коды координат X во второй и третьей четвертях формируются от - 250 к нулю, в первой и четвертой четвертях от нуля к 250.
Формирование координаты Х.
от
выд
С открытием импульсом 25 кГц ключа 18 в разряды первый-шестой и в восьмой первого вычитающего счетчика 22 импульсов сигналом U заносится код 111111010 /первая единица знак минус/, а импульсы 12,5 МГц, поступающие с ключа 18, вычитаются из занесенного кода в течение первой половины периода строки 0-20 мкс, так формируются коды -Х от -250 до 0 во второй и третьей четвертях. По окончании первой половины периода строки с элемента 20 задержки следует импульс, закрывающий ключ 18 и обнуляющий первый вычитающий счетчик 22 импульсов, и открывается ключ 16. Импульсы 12,5 МГц теперь поступают в первый счетчик 23 импульсов, который суммирует их во второй половине периода строки 20-40 мкс, так формируются коды +Х с нуля по 250 /11111010/ в первой и четвертой четвертях поля зрения. С приходом сигнала U с импульсного усилителя 11 выдается код Х с первого вычитающего счетчика 22 импульсов или из первого счетчика 23 импульсов, в зависимости от того, в какой четверти поля зрения находится изображение излучателя 4.
Формирование координаты У.
Коды координат У в первой и второй четвертях /Фиг.4/ формируются от 250 к нулю, в третьей и четвертой четвертях от нуля к -250 /111111010/. Передний фронт импульса кадра 50 Гц открывает ключ 19 и при этом в первый-пятый и седьмой разряды второго вычитающего счетчика 24 импульсов заносится код 11111010, а поступающие в счетчик 24 импульсы 25 кГц вычитаются из занесенного кода, так формируются коды У от 250 к нулю в первой и второй четвертях, т.е. в первой половине периода кадра с 0 по 10 мс. По окончании первой половины кадра сигнал с выхода второго элемента 21 задержки закрывает ключ 19, заносит сигнал в первый разряд /знак минус/ второго счетчика 25 импульсов и открывает ключ 1 7. Импульсы 25 кГц подсчитываются вторым счетчиком 25 импульсов, так формируются коды У с нуля по -250 /111111010/ в третьей и четвертой четвертях поля зрения. С приходом сигнала с импульсного усилителя 11 он выдает код
координаты У из второго вычитающего счетчика 24, если изображение излучателя 4 в первой и второй четвертях, или из второго счетчика 25 импульсов, если изображение излучателя 4 в третьей и четвертой четвертях поля зрения. Счетчик 25 импульсов обнуляется передним фронтом каждого импульса 50 Гц кадра.
Работа формирователя 26 кодов, фиг,2.
п
от
Формирователь 26 кодов преобразует параллельные коды в последовательные и заменяет в них представление единиц с импульсов на положительные полусинусоиды в кодах координат X и на отрицательные полусинусоиды в кодах координат У. Временные диаграммы работы на фиг.7. Замена импульсов на полусинусоиды позволяет передать коды X и У на одной из боковых частот несущей частоты и в узкой полосе, определяемой нестабильностью несущей частоты. На первые входы элементов И блоков 28, 32 поступают параллельные коды координат X и У синхронно, на вторые входа элементов И этих блоков поступают последовательно импульсы девяти разрядов с СРИ 31, СРИ 35, запускаемые в работу сигналом пуска U с импульсного усилителя 11. С выходов элементов И блоков 28, 32 импульсы кодов через элементы ИЛИ 29, 33 последовательно поступают на управляющие входы U выходных ключей 30, 34, открывая их на время своей длительности 8,9 нс .
м
H
вб
выд
-6
-6
-5
Выходной ключ 30 в открытом состоянии пропускает одну положительную полусинусоиду моночастоты 112,5 МГц с генератора 27. Выходной ключ 34 пропускает одну отрицательную полусинусоиду той же частоты. С выходов выходных ключей 30, 34 на второй вход U амплитудного модулятора 42 поступают полные или неполные синусоиды моночастоты 112,5 МГц, являющиеся модулирующим сигналом несущей частоты. Генератор 41 несущей частоты умножает частоту 112,5 МГц на 15: f=112,5 МГц × 15=1687,5 МГц со стабильностью 10. Амплитудный модулятор 42 включает последовательно соединенные кольцевой модулятор и полосовой фильтр [4 с.234]. Сама несущая частота и одна из ее боковых частот в информационном смысле являются избыточными, поэтому в амплитудном модуляторе 42 кольцевой модулятор подавляет несущую частоту 1687,5 МГц, а полосовой фильтр отфильтровывает ненужную верхнюю боковую частоту f=1687,5+112,5=1800 МГц. Используется нижняя боковая частота 1575 МГц /1687,5 МГц-112,5 МГц/. Нижняя боковая частота с информацией кодов координат X, У поступает в выходной усилитель 43 передатчика 2 радиосигналов и излучается в эфир, при стабильности 10 занимает полосу в эфире ± 1575 Гц /или 3150 Гц/. В приемной части 3 /фиг.3/ в блоке 44 выбора частоты переключателем устанавливается соответствующее напряжение [5 с.86-87] настройки, которое поступает в блок 45 приема радиосигнала [5 c.132-134] и в синтезатор 52 частот. Радиосигналы принимаются антенной, поступают в блок 45 приема радиосигналов, являющийся селектором каналов с электронной настройкой с блока 44. Блок 45 включает входную цепь, усилитель радиочастоты со смесителем и полосовой фильтр [5 с.132]. Радиочастотный сигнал поступает на первый вход смесителя блока 45, на второй вход смесителя подается несущая частота с выхода синтезатора 52 частот, которая необходима для детектирования однополосного сигнала [6 с. 146]. Сигнал со смесителя, являющийся выходным сигналом блока 45, усиливается в усилителе 46 радиочастоты до необходимой величины и поступает на вход двухполярного амплитудного детектора 47, выполненного по схеме на фиг.5. Диод Д1 выделяет положительную огибающую модулирующего сигнала /фиг.7, диагр.9/, диод Д2 из модулирующей выделяет огибающие положительных полусинусоид /символы единиц кодов X/, диод Д3 из модулирующей выделяет огибающие отрицательных полусинусоид /символы единиц кодов У/. С первого выхода блока 47 продетектированные положительные полусинусоиды частоты 112,5 МГц поступают на вход первого формирователя 48 импульсов, со второго выхода блока 47 продетектированные отрицательные полусинусоиды 112,5 МГц поступают на вход второго формирователя 49 импульсов. формирователи 48, 49 импульсов выполнены по схеме несимметричного триггера с эмиттерной связью [7 с.209] и Формируют прямоугольные импульсы из полусинусоид. Импульсы имеют одну полярность и длительность, равную длительности в кодах формирователя 26 кодов. Единицы вновь представляются наличием импульса, нули их отсутствием. Собственная стабильность частоты синтезатора 52 частот 10, точная подстройка его частоты к несущей частоте передатчика 2 выполняется по импульсам с формирователя 48 импульсов. Синтезатор 52 частот выдает: с первого выхода синусоидальные колебания соответствующей несущей частоты на второй вход блока 45 приема радиосигналов, со второго выхода импульсы тактовой частоты 112,5 МГц на первые /тактовые/ управляющие входы регистров 50, 51, с третьего выхода сигналы U выдачи 50 Гц координат с регистров 50, 51. Код координаты X с формирователя 48 импульсов в последовательном виде поступает на информационный вход первого регистра 50, заполняя его разряды, принимает параллельный вид. Код координаты У с формирователя 49 импульсов поступает в последовательном виде на информационный вход второго регистра 51, заполняя его, принимает параллельный вид. С регистров 50, 51 координаты X, У синхронно выдаются с частотой 50 Гц управляющими сигналами в исполнительные механизмы /рулевые машинки [8 с.18, 19], цифровые шаговые электродвигатели, струйные пневматические устройства, [9 с.400-404]/. Координаты X, У представляют положение излучателя 4 относительно центра перекрестия поля зрения объектива 5 и являются цифровыми управляющими сигналами для исполнительных механизмов, корректирующих направление перемещения /полета/ управляемого объекта.
Работа системы управления.
Система управления осуществляет дистанционное беспроводное управление наземными, надводными или воздушными подвижными объектами в пределах видимости оператором излучения излучателя 4. Зрительная труба 6 с объективом 5 выполняются вместе в форме, удобной для расположения зрительной трубы у глаза оператора, который через зрительную трубу наводит ее перекрестие в точку доставки управляемого объекта. Перед управлением оператор устанавливает в блоке 44 /фиг.3/ частоту, которой является несущая частота /1687,5 МГц в данном случае/, включает питание в системе управления, наводит перекрестие зрительной трубы 6 на точку доставки объекта и запускает объект /или дает сигнал на пуск объекта/. При входе объекта в поле зрения объектива 5 /фиг.1/ датчик 7 координат с частотой 50 Гц выдает текущие координаты X, У объекта в амплитудный модулятор 42 в передатчике 2 радиосигналов, выдающий радиосигналы кодов X, У в приемную часть 3 /фиг.1/. Приемная часть принимает радиосигналы, детектирует их, преобразует представление единиц в кодах с полусинусоид в импульсы, код координаты X поступает в регистр 50, код координаты У поступает в регистр 51, с регистров коды координат синхронно выдаются в исполнительные механизмы, корректирующие направление перемещения объекта в точку назначения. Предлагаемая система управления выполняет управление объектом с разрешением в поле зрения 250000 /500×500/ и исключает влияние световых и радиопомех на надежность и точность управления.
Источники информации
1. Патент РФ II 2332699 кл.G05В 15/00 бюл. №24 от 27.09.09, прототип.
2. Мураховский В.И. Устройство компьютера. М., 2003, с.552.
3. Колесниченко О.В., Шишигин И.В. Аппаратные средства PC. 5-е изд, СПб, 2004, с.832, рис.21.12.
4. Шумилин и др. Радиопередающие устройства. М., 1981, с.234-235.
5. М.А.Бродский. Телевизоры цветного изображения. Справочное пособие. Минск, 1988, с.132, 134, с.86-87.
6. Радиосвязь, вещание и телевидение. Под ред. А.Д.Фортушенко, М., 1981, с.146.
7. В.Ф.Баркан, В.К.Жданов, Усилительная и импульсная техника, М., 1981, с.209.
8. Журнал "Техника молодежи" №№6, 7, 8, 10, 2007, у всех с.18, 19.
9. Справочник по средствам автоматики, под ред. В.Э.Низэ и И.В.Антика, М., 1983, с.400-404.