УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМ АППАРАТОМ

Полезная модель относится к подводным аппаратам, а именно к системам управления движением этих аппаратов, и может быть использована при разработке систем управления подвижными 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 заявляемой полезной модели, 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 полезной модели, 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 заявляемой полезной модели устройства для управления подводным аппаратом. 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 полезной модели, 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 заявляемой полезной модели (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 заявляемой полезной модели 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 полезной модели, 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 полезной модели, являются сложность настройки устройства и подстройки его в процессе работы, обусловленные 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 создание полезной модели, 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.
y
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 U управления движителями в соответствии с уравнениями:
,
,
,
где  и  - входной сигнал движителя горизонтального перемещения и его максимально возможное значение;
и  - входной сигнал движителя вертикального перемещения и его максимально возможное значение;
и  - 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».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства для управления подводным объектом.
Устройство содержит установленные на подводном объекте 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 а 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 sin α, а в горизонтальном направлении - на расстояние, пропорциональное cos α. Таким образом, движители 2 и 3 должны создать тяги, пропорциональные соответственно sin α и cos α. Если используются винтовые движители, то скорости вращения их винтов должны быть пропорциональны соответственно sin α и cos α.
Преобразователь 6 формирует сигнал U% управления движителем 2, пропорциональный sin α:
B
y
В
U=U·sin α·К,
где α - сигнал с выхода датчика 5, поступающий на первые входы преобразователей 6 и 7;
y
U - 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;
В
К - коэффициент усиления в канале вертикального перемещения подводного аппарата.
Г
Аналогично преобразователь 7 формирует сигнал U управления движителем 3, пропорциональный cos α:
Г
y
Г
U=U·cos α·К,
Г
где К - коэффициент усиления в канале горизонтального (продольного) перемещения подводного аппарата.
В
Г
Преобразователи 6 и 7 выполнены с возможностью регулирования численных значений коэффициентов К и К.
y
Преобразователь 8 формирует сигнал U управления движителями в соответствии с уравнениями:
,
,
где  и  - входной сигнал движителя горизонтального перемещения и его максимально возможное значение;
и  - входной сигнал движителя вертикального перемещения
и его максимально возможное значение;
и  - коэффициенты усиления в каналах управления движителями соответственно горизонтального и вертикального перемещений.
y
Сформированный преобразователем 8 сигнал U управления поступает на второй сигнальный вход переключателя 13.
y
На первый сигнальный вход этого переключателя поступает управляющий сигнал U, формируемый в ручном режиме с помощью блока 9 управления движителями (датчика команд), представляющего собой рукоятку с потенциометром (или просто набор потенциометров).
y
B
Г
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 U 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 U и U, 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.
Г
В
В предлагаемом устройстве автоматически удерживается угол α наклона антенны в направлении на обнаруженный объект, оператор может точнее учесть подводные течения, регулируя коэффициенты усиления Κ и К 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. Бóльшая 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.