МОБИЛЬНЫЙ ВИДЕОНАБЛЮДАТЕЛЬ

Предлагаемая полезная модель относится к области информационного обеспечения человека, представляет собой объединение видеопередающего устройства и транспортного средства и предназначена для получения информации автономным, неуправляемым и экономичным способом
Известно использование блока видеоаппаратуры с беспилотного летательного аппарата см., например, патент на изобретение RU 2466909 С2, МПК В64С 39/10 и В64В 1/24, приоритет 08.12.2010,: « Беспилотный летательный аппарат, блок видеоаппаратуры для него и катапульта для его запуска» или беспилотный летательный аппарат "Элерон" Беспилотная авиация, спецвыпуск INTERPOLYTEX, 2010 стр.18-19.
Наиболее близкий БЛА, кроме видеоаппаратуры, содержит маршевый двигатель, систему дистанционного управления, парашюта для окончания полета, а так же использует стартовое устройство (катапульта) для начала полета.
Недостатки упомянутых БЛА.
Для применения БЛА необходимо: подготовить БЛА и стартовое устройство (катапульту или ускоритель) к началу полета, запустить маршевый двигатель БЛА, произвести запуск БЛА в полет, управлять движением БЛА в процессе полета и получением информации от видеаппаратуры в процессе полета, привести БЛА в район посадки, выполнить посадку БЛА и выполнить обслуживание БЛА и катапульты после их применения. Основным этапом применения БЛА для наблюдения является этап получения информации, а все остальные этапы являются вспомогательными и соподчиненные основному этапу. В тоже время, все приведенные этапы применения БЛА как основной, так и вспомогательный имеют собственную трудоемкость и в совокупности, суммарно полностью загружают работой не менее одного специально подготовленного человека-оператора. Кроме того интересующую информацию оператор получает не сразу после старта БЛА а спустя некоторое время в связи с удаленность точки старта от района наблюдения. По оценкам самих разработчиков БЛА в современных условиях время от старта до получения первого изображения превышает 10 минут. В тоже время в динамичных ситуациях для наблюдателя значимость ситуационной информации возрастает с уменьшением расстояния от него и уменьшается или обесценивается в зависимости от времени задержки в ее получении.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является уменьшение времени, трудоемкости и стоимости получения информации
Техническим результатом является мобильный, автономный, необслуживаемый, неуправляемый видеонаблюдатель.
Указанный технический результат достигается применением движителя в виде твердотельного двигателя, как самого эффективного, заменяющего стартовый и маршевый двигатели и исключающий применение катапульты, исключения всех вспомогательных этапов движения (старт, полет до точки наблюдения, полет до места посадки и т.д.), исключения управления в процессе движения (принцип "пустил и забыл"), исключения всех видов предполетного и послеполетного осмотров и обслуживания и применения видеонаблюдателя без вспомогательного персонала.
Движение мобильного видео наблюдателя (МВН) состоит только из двух этапов движения: одного стартового набора высоты и одного основного, безмоторного, с тормозом спуска в виде парашюта или планирующего устройства или без торможения спуска. Повторное использование МВН не предусматривается.
Конструктивная схема устройства мобильного видеонаблюдателя представлена на фиг.1
Видеонаблюдатель представляет собой последовательное соосное соединение между собой трех отсеков (модулей) различного функционального назначения. Один (1) предназначен для уменьшения скорости снижения МВН, т.е. является тормозом спуска. В зависимости от варианта применения это парашют или устройство планирования на стартовой позиции оба в транспортном положении. В транспортном положении тормоз спуска имеет форму цилиндра с одной стороны переходящей в сферу, а с другой стороны круг, ортогональный продольной оси или с каждой стороны по кругу ортогональному продольной оси.
Другой (2) функциональный модуль предназначен для получения и передачи видеоизображения бесконтактного запуска движителя и питания видеопередатчика во время применения. Это аппаратный отсек с видеопередатчиком и батарейным источником электроэнергии. В транспортном положении модуль имеет форму цилиндра с одной стороны переходящей в сферу, а с другой стороны круг, ортогональный продольной оси или с каждой стороны по кругу ортогональному продольной оси.
Третьим (3) функциональным модулем является твердотопливный, реактивный двигатель, тоже цилиндрической формы с четырьмя стабилизаторами (4), расположенными вдоль по образующим цилиндра, как правило, по направлению полета занимает третье место. Концы стабилизаторов выступают за наружный срез сопла двигателя, заканчиваются в ортогональной продольной оси устройства плоскости и используются для установки на них видеонаблюдателя при вертикальном старте.
Для обоснования свойства мобильности МВН при вертикальном старте его модель движения в вертикальной плоскости можно представить в виде
где: Р - сила тяги двигателя, например, твердотельного
m - масса МВН
mg - сила веса
1
x - высота
2
x - скорость изменения высоты
- сила аэродинамического сопротивления
Упростим модель, пренебрегая аэродинамическим сопротивлением и приводя обе части уравнения к единице массы до вида:
Введем управления
и представим уравнение (2) с учетом введенных обозначений (3) в виде
Интегрирование уравнений (4) дает следующий результат
1
2
где - c, c - постоянные величины интегрирования уравнений
1
2
Исключение времени t из уравнений (5), приводит к соотношению (6) между высотой x и скоростью x движения МВН
1
2
которое, при постоянных по величине управлениях u для активного, (при работающем двигателе) участка и u для пассивного участка (после окончания работы двигателя), представляет фазовый портрет подъема МВН на высоту с за минимально возможное время подъема или решение задачи оптимального быстродействия по отношению к другим типам аппаратов с иным видом движения.
Более детализированный, приведенного выше процесса доказательства решения задачи об оптимальном быстродействии для динамической модели вида (4) можно увидеть в литературе [Л.С. Понтрягин и др. Математическая теория оптимальных процессов, М, Наука, 1983; стр.29]
2
1
Для первого, активного, участка с=0, т.к. он начинается из неподвижного состояния c=0 и нулевого расстояния относительно точки старта c=0
1
Постоянная величина интегрирования с для второго, пассивного, участка движения определятся из конечного, вновь неподвижного, положения объекта x=c (так называемых условий трансверсальности) по окончании подъема
и имеет вид
2
Учет аэродинамического сопротивления формой модели (1) несколько усложняет определение постоянной интегрирования (9), но не изменяет общей картины происходящих процессов, количества активных и пассивных участков, оптимальности по быстродействию МВН и т.д., что позволяет обойтись без ее более подробной детализации. На фиг.2 для сравнения приведены результаты математического моделирования фазовых портретов как модели (1) (нижняя траектория), так и модели (2) (верхняя траектория). По горизонтальной оси откладывается скорость движения x в м/сек. А по вертикальной оси высота подъема в метрах.
1
2
Рассмотрение пассивного участка траектории (8) показывает практическую возможность управления результирующей высотой подъема МВН за минимальное время через высоту подъема x и достигнутую скорость движения x в конце первого, активного, участка (7).
Реализация активного участка возможна:
2
1
- либо с помощью наземных огнестрельных или катапультных средств, способных разогнать движущееся средство до значительных скоростей х при больших ускорениях но, как следует из выражения(7), при достаточно малых перемещениях x,
- либо с помощью двигателя в составе движущегося средства, с одновременным получением необходимой скорости и значительно большего перемещения, при существенно меньших ускорениях, аэродинамических потерях и прочностных требованиях к конструкции МВН.
Автор считает, что в случае с МВН второй способ подъема предпочтительнее.
1
Выше показано, что для реализации подъема МВН за минимальное время управление силовое воздействие u должно быть постоянным по величине, что наиболее просто реализуется применением твердотельного реактивного двигателя с электрическим запалом или любым другим двигателем, располагающим постоянной тягой требуемой величины в течение необходимого отрезка времени.
На приложении фиг.3 схематически показано применение заявленного устройства.
Оператор устанавливается МВН в т.1 на поверхность, на которой возможно его устойчивое вертикальное положение, включает бортовое электрическое питание и посылает радиокоманду старт. Происходит запуск двигателя и подъем МВН по траектории 7. Траектория подъема состоит из двух участков: активный участок набора высоты с работающим двигателем и пассивный участок набора максимально возможной высоты после отключения двигателя. После окончания работы двигателя он может быть отделен (8) от МВН, в атмосфере предпочтительно в окрестности точки перехода к снижению. В момент представленном на чертеже переходе от подъема к снижению оператор 3 на своем мониторе увидит объект 4, находящийся за пределами прямой видимости из-за складки рельефа местности 5. Длительность наблюдения оператором 3 объекта 4 зависит от скорости снижения видеопередатчика 2. Границы угла зрения видеокамеры-9. Время снижения МВН может быть существенно увеличено применением средств торможения спуска типа парашют или средства планирования, но при этом время наблюдения ситуации даже без применения средств торможения спуска представляется вполне достаточным для передачи видеоизображения с последующей его обработкой средствами оператора.