НАВИГАЦИОННЫЙ БУЙ

Полезная модель относится к плавучим средствам навигационного ограждения судоходных акваторий и может быть использована для обеспечения безопасности плавания, в том числе автономных и безэкипажных надводных судов.
Известны навигационные буи по патентам RU 20080, МПК B 63B 22/16, опубл.20.10.2001; RU 112149, МПК B 63B 22/16, опубл.10.01.2012; RU 2473449, МПК B 63B 22/16, опубл.27.01.2013; RU 133503, МПК B 63B 22/16, опубл.20.10.2013; RU 143250, МПК B 63B 22/16, опубл.20.07.2014; RU 102588, МПК B 63B 22/16, опубл.27.06.2016; RU 182649, МПК B 63B 22/16, опубл.24.08.2018; RU 182325, МПК B 63B 22/16, опубл.14.08.2018; RU 186495, МПК B 63B 22/16, опубл.22.01.2019 и др. Приведенные устройства предназначены для визуального обозначения и обеспечения безопасности водных путей и содержат: поплавок, надводную часть в виде сигнальной (силуэтной) фигуры, светящийся фонарь, радиолокационный отражатель, внутренний отсек для размещения источника электропитания, балансировочный груз, стабилизатор или балластную емкость в подводной части, якорные цепи и донный якорь.
Общим недостатком известных аналогов является невозможность удаленного мониторинга изменения местоположения буя под воздействием, например, ветроволновых нагрузок, отсутствие какой-либо обратной связи аналогов с береговыми службами или находящимися рядом судами, что требует обязательной прямой видимости буя для обеспечения безопасности плавания.
Известны навигационные или гидрометеорологические буи, содержащие приемник глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) GPS/ГЛОНАСС, соединенный с модулем передачи данных по каналам связи GSM/GPRS/LTE или УКВ (см. патенты RU 2561229, МПК B 63B 22/00, опубл.27.08.2015; RU 162713, МПК B63B22/16, опубл.27.06.2016; RU 177210, МПКG01P 13/00,опубл.13.02.2018; RU 180460, МПК B 63B 51/00, опубл.14.06.2018; RU 2706882, МПК G01S1/08, опубл. 21.11.2019; светодиодный навигационный фонарь с функцией удаленного мониторинга Nonius™ AtoN (http://noniusgroup.ru/products/buoys/) и др.
Недостатки приведенных аналогов заключаются в том, что они передают в береговые центры информации только гидрометеоинформацию или данные о собственном местоположении буя, что является только частью навигационного обеспечения, необходимого для безопасного плавания судов. Особенно это касается автономных или безэкипажных судов, которым для безопасного судоходства требуется дополнительная информация. Также к их недостаткам можно отнести невозможность оперативной передачи информации от навигационного буя непосредственно на судно по радиоканалу (беспроводной связи), минуя береговой центр информации.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемой полезной модели является навигационный буй по патенту RU 202129, МПК B63B22/16, опубл.03.02.2021, выбранный в качестве прототипа.
Прототип содержит: корпус, надводная часть которого выполнена в виде сигнальной (силуэтной) фигуры с надводным рымом для перемещения и установки навигационного буя, подводным рымом для крепления навигационного буя с помощью цепей и якоря к дну акватории, навигационное устройство, блок аккумуляторных батарей, светодиодный излучатель и драйвер для его включения/выключения, ГНСС- (GPS/ГЛОНАСС) приемник, термодатчик, микроконтроллер с интегрированной Wi-Fi-связью, LTE-модем сотовой связи, фотодатчик, интегрированный 9-осевой датчик 3D-положения, датчик температуры воды.
Недостатком прототипа является невозможность точного определения и постоянного контроля уровня воды в районе установки навигационного буя. Уровень воды является важной навигационной характеристикой судоходной акватории, существенно влияющей на безопасность судоходства. Различные физические и естественные явления, такие как паводки, сезонные факторы, осушение или сброс воды из водохранилищ, ветровые сгонно-нагонные явления и др. могут приводить к изменению уровня воды, и в случае его снижения суда не будут иметь необходимого запаса воды под килем, что представляет собой реальную навигационную опасность.
Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение для навигационного буя позволяет расширить его функциональные возможности и достичь нового технического результата – появляется возможность постоянного измерения и контроля уровня воды в районе установки навигационного буя.
Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в навигационном буе, состоящим из корпуса, надводная часть которого выполнена в виде сигнальной (силуэтной) фигуры с надводным рымом для перемещения и установки навигационного буя, подводным рымом для крепления навигационного буя с помощью цепей и якоря к дну акватории, навигационное устройство, блок аккумуляторных батарей, светодиодный излучатель и драйвер для его включения/выключения, ГНСС- (GPS/ГЛОНАСС) приемник, LTE-модем сотовой связи, фотодатчик, интегрированный 9-осевой датчик 3D-положения, датчик температуры воды и микроконтроллер с интегрированной Wi-Fi-связью, входы/выходы которого связаны с электронными интерфейсами всех указанных устройств в отличие от прототипа, навигационный буй в своей подводной части оснащен эхолотом, выход которого соединен с входом микроконтроллера.
Сущность полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей навигационного буя, в том числе возможности выявлять навигационные опасности мореплавания, связанные с недостаточным уровнем воды и передавать информацию об уровне воды в районе (акватории) установки навигационного буя на приближающиеся суда или береговой центр сбора и обработки навигационной информации.
Сопоставление предлагаемого устройства с прототипом показало, что поставленная задача – создание навигационного буя с расширенными функциональными возможностями, а именно – постоянного измерения и контроля уровня воды в районе установки навигационного буя – решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие заявленной полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Возможность получения указанного технического результата осуществляется с помощью устройства, элементы которого находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи.
Предлагаемое устройство навигационного буя поясняется графическими материалами, где на фиг.1 дано схематическое изображение конструкции навигационного буя, на фиг. 2 представлена блок-схема навигационного устройства.
Навигационный буй (фиг.1) содержит: корпус 1, надводная часть которого выполнена в виде сигнальной (силуэтной) фигуры, надводный рым 2 для перемещения и установки навигационного буя, подводный рым 3 для крепления навигационного буя с помощью цепей и якоря к дну акватории, навигационное устройство 4, блок-схема которого приведена на фиг.2, блок аккумуляторных батарей 5, вертикальное сквозное отверстие в буе 6 для размещения термодатчика 7 и электрических проводов, соединяющих датчик с микроконтроллером, эхолот 17, выход которого соединен с микроконтроллером.
Навигационное устройство 4 (фиг.1) жестко закреплено в верхней части навигационного буя при помощи болтового соединения, на фиг.2 представлена его блок-схема, включающая: расположенные в герметичном корпусе 8, светодиодный излучатель 9 (матрица которого выведена наружу), ГНСС- (GPS/ГЛОНАСС) приемник 10, микроконтроллер 11 с интегрированным Wi-Fi, LTE-модем сотовой связи 12, соединенный с микроконтроллером 11 двухсторонней связью, фотодатчик 13, интегрированный 9-осевой датчик 3D-положения 14, в состав которого входят 3-осевой гироскоп, 3-осевой акселерометр и магнитометр, датчик температуры воды 15, и драйвер светодиодного излучателя 16, к входу которого подключен микроконтроллер 11, а к выходу - светодиодный излучатель 9, эхолот 17 (фиг.1) находится в подводной части навигационного буя, его выход соединен с микроконтроллером 11.
Навигационный буй может быть реализован на следующих схемотехнических элементах: корпус 1 буя выполнен из полимерного материала, например, полиэтилена методом ротационного формования, и имеет необходимый силуэт, блок аккумуляторных батарей 5 может быть выполнен в виде кассет литий-ионных или литий-кобальтовых аккумуляторов форм-фактора 18650 или аналогичных изделий.
Герметичный корпус 8 представляет собой литой алюминиевый корпус со степенью защиты IP67, светодиодный излучатель 9 - сборку светодиодов различной мощности и светового спектра. В качестве ГНСС- (GPS/ГЛОНАСС) приемника 10 может быть использован мультисистемный высокоточный навигационный приемник NV08C-RTK производства ООО «НВС Навигационные Технологии» с поддержкой технологии RTK и обеспечивающий сантиметровую точность, используя фазовые измерения сигналов систем спутниковой навигации, в качестве микроконтроллера 11 с интегрированной беспроводной связью Wi-Fi - микроконтроллер ESP32 производства Espressif Systems, в качестве LTE-модема сотовой связи 12 - устройство MIKROTIK WAP LTE KIT производства MikroTik, в качестве фотодатчика 13 - цифровой датчик BH1750 производства Bosch Sensortec и измеряющий фоновое освещение в люксах, в качестве интегрированного 9-осевого датчика 3D-положения 14 - устройство MPU-9250 производства InvenSense, в качестве термодатчика 15 - герметичный цифровой датчик Dallas DS18B20 производства Maxim Integrated, в качестве драйвера светодиодного излучателя 16 - устройства производства российской компании «Трион», в качестве эхолота 17 – устройство производства российской компании НПК «Чайка», например эхолот «Кристалл-40В».
Указанное исполнение навигационного буя позволяет использовать его в качестве средства навигационного ограждения судоходства, в т.ч. для обеспечения безопасности плавания безэкипажных или автономных надводных судов.
Предлагаемый навигационный буй работает следующим образом.
После установки навигационного буя (фиг.1) в заданное место и настройки ГНСС- (GPS/ГЛОНАСС) приемника 10 (фиг.2) на прием сигналов от глобальных навигационных спутниковых систем и передачу их в микроконтроллер 11 для определения местоположения буя, посредством LTE-модема сотовой связи 12 принимаются RTK поправки, например, по протоколу RTCM от сети референцных станций SmartNet Russia, которые поступают в микроконтроллер 11, где обрабатываются и передаются по протоколу NMEA в приемник 10. В микроконтроллер 11 также поступают данные от фотодатчика 13, интегрированного 9-осевого датчика 3D-положения 14, датчика температуры воды 15, где обрабатываются по определенному алгоритму и посредством LTE-модема сотовой связи 12 передаются в береговой центр управления или автоматизированное рабочее место оператора для мониторинга положения навигационного буя и внешних параметров. В микроконтроллер 11 по протоколу NMEA поступают данные от эхолота 17 о глубине под буем, зная точное расположение антенны эхолота 17 в подводной части буя микроконтроллер 11 автоматически рассчитывает уровень воды в районе расположения навигационного буя, данные об уровне воды посредством LTE-модема сотовой связи 12 передаются в береговой центр управления или автоматизированное рабочее место оператора для мониторинга уровня воды в акватории.
В зависимости от времени суток, освещенности и параметров волнения воды, микроконтроллер 11 формирует управляющие сигналы на драйвер светодиодного излучателя 16, который в свою очередь управляет режимом работы светодиодного излучателя 9. При необходимости дополнительного информационного обеспечения плавания автономных или безэкипажных надводных судов, и при их нахождении в зоне действия беспроводной связи навигационного устройства буя, они имеют возможность подключения по широкополосной Wi-Fi-сети непосредственно к микроконтроллеру 11 для получения необходимых данных, поступающих от измерительных датчиков и эхолота.
По сравнению с прототипом предлагаемый навигационный буй имеет новую возможность оперативной передачи данных об уровне воды в районе расположения буя посредством LTE-модема сотовой связи в береговой информационный центр или непосредственно на суда, находящиеся в зоне действия беспроводной связи Wi-Fi-буя, что позволяет предоставлять приближающимся судам дополнительную информацию о навигационно-гидрографической обстановке в цифровом виде.
В дальнейшем, навигационный буй предполагается использовать как средство навигационного ограждения в реальных условиях, в том числе для безэкипажных или автономных надводных судов.
Предлагаемая полезная модель была разработана специалистами ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательских работ. Было произведено моделирование устройства с необходимыми расчетами и изготовлен его физический макет, который был испытан в реальных условиях на реке Нева в зоне тестовой акватории «Беспилотник» и дал хорошие результаты. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».