Патент на изобретение №2176967

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМ АППАРАТОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к судостроению, в частности к устройствам управления движением подводными аппаратами с нейтральной плавучестью в вертикальной плоскости. Устройство содержит движители вертикального и горизонтального перемещений, поворотную телекамеру с датчиком угла поворота телекамеры относительно продольной оси подводного аппарата и датчик команд. Первый пороговый элемент выходом соединен с управляющим входом первого ключа. Сумматор своим выходом через последовательно соединенные второй пороговый элемент и логический элемент НЕ подключен к первому, а через третий пороговый элемент – к второму входу логического элемента ИЛИ. Блок взятия модуля своим входом соединен с выходом датчика угла, а выходом – с входом первого порогового элемента и вторым входом сумматора. Достигается расширение функциональных возможностей подводного аппарата. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам управления подводными аппаратами (ПА), а именно к устройствам управления движением ПА с нейтральной плавучестью в вертикальной плоскости.

Известно устройство для управления подводным аппаратом, содержащее движители вертикального и горизонтального перемещений, подключенные соответственно к выходам первого и второго усилителей, телекамеру, установленную с возможностью поворота, блок управления движителями, а также последовательно соединенные синусный функциональный преобразователь, первый блок умножения, первый ключ, выход которого соединен с входом первого усилителя, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь, второй блок умножения, второй ключ, выход которого соединен с входом второго усилителя, первый пороговый элемент, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, последовательно соединенные источник опорного сигнала, сумматор, второй пороговый элемент, логический элемент НЕ, логический элемент ИЛИ, второй вход которого через третий пороговый элемент соединен с выходом сумматора, а выход – с управляющим входом второго ключа, причем вторые входы блоков умножения соединены с блоком управления движителями, а входы синусного и косинусного функциональных преобразователей, первого порогового элемента и второй вход сумматора – с выходом датчика угла поворота телекамеры, последовательно соединенные датчик расстояния, третий ключ, четвертый пороговый элемент и четвертый ключ, последовательно соединенными первым блоком деления, первый и второй входы которого подключены соответственно к входу второго блока умножения и выходу второго источника опорного сигнала, вторым сумматором и пятым ключом, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго блоков деления, а выход – с вторым входом четвертого ключа, третий вход которого соединен с выходом блока управления движителями, а выход – с первыми входами первого и второго блоков умножения, причем первый и второй входы второго блока деления соединены соответственно с входом первого блока умножения и выходом третьего источника опорного сигнала, а второй вход второго сумматора подключен к выходу второго блока деления, последовательно соединенные третий сумматор, пятый пороговый элемент, шестой и седьмой ключи, при этом вторые входы шестого и седьмого ключей соединены с выходом четвертого порогового элемента, а выход седьмого ключа соединен с первым входом четвертого ключа, прямой вход третьего сумматора соединен с выходом датчика команд, а инверсный вход третьего сумматора соединен с выходом пятого ключа (см а.с. СССР N 1408704 МКИ⁴ B 63 H 25/00).

Недостатком данного устройства является то, что оно не может обеспечить подвод подводного аппарата к обнаруженному объекту, если этот объект находится по уровню выше подводного аппарата, то есть в том случае, когда датчик угла вырабатывает отрицательный сигнал, поворачиваясь на угол по часовой стрелке.

Известно также устройство для управления подводным аппаратом, содержащее движители вертикального и горизонтального перемещений, подключенные соответственно к выходам первого и второго усилителей, поворотную телекамеру с датчиком угла поворота телекамеры относительно продольной оси подводного аппарата и датчик команд, последовательно соединенные синусный функциональный преобразователь, первый блок умножения, первый ключ, выход которого подключен к входу первого усилителя, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь, второй блок умножения, второй ключ, выход которого подключен к входу второго усилителя, первый пороговый элемент, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, последовательно соединенные источник постоянного сигнала, сумматор, второй пороговый элемент, логический элемент НЕ, логический элемент ИЛИ, второй вход которого через третий пороговый элемент подключен к выходу сумматора, а выход соединен с управляющим входом второго ключа; причем вторые входы блоков умножения подключены к выходу датчика команд, а входы синусного и косинусного функциональных преобразователей соединены с выходом датчика угла поворота телекамеры (см. а.с СССР N 1205457, МКИ⁴ B 63 G 8/22).

Недостатком прототипа также (как и аналога) является невозможность подхода к объекту, расположенному в водной среде выше подводного аппарата.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение функциональных возможностей подводного аппарата, то есть обеспечение его возможности подхода к обнаруженным объектам, расположенным на любом уровне вертикальной плоскости.

Технический результат, который при этом достигается, выражается в коррекции сигнала (взятии его модуля), вырабатываемого датчиком угла, который в дальнейшем используется для управления движением подводного аппарата в любых направлениях в вертикальной плоскости.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для управления подводным аппаратом, содержащее движители вертикального и горизонтального перемещений, подключенные соответственно к выходам первого и второго усилителей, поворотную телекамеру с датчиком угла поворота телекамеры относительно продольной оси подводного аппарата и датчик команд, последовательно соединенные синусный функциональный преобразователь, первый блок умножения, первый ключ, выход которого подключен к входу первого усилителя, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь, второй блок умножения, второй ключ, выход которого подключен к входу второго усилителя, первый пороговый элемент, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, последовательно соединенные источник постоянного сигнала, сумматор, второй пороговый элемент, логический элемент НЕ, логический элемент ИЛИ, второй вход которого через третий пороговый элемент подключен к выходу сумматора, а выход соединен с управляющим входом второго ключа; причем вторые входы блоков умножения подключены к выходу датчика команд, а входы синусного и косинусного функциональных преобразователей соединены с выходом датчика угла поворота телекамеры, дополнительно введен блок взятия модуля, вход которого соединен с выходом датчика угла, а его выход – со входом первого порогового элемента и вторым входом сумматора.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию “новизна”.

Заявленная совокупность признаков, приведенная в отличительной части формулы изобретения, позволяет подводному аппарату подходить по прямолинейным траекториям к обнаруженным объектам, находящимся как ниже, так и выше этого подводного аппарата.

На чертеже показана блок-схема устройства для управления подводным аппаратом. Блок-схема содержит движитель вертикального перемещения 1, движитель горизонтального перемещения 2, поворотную телекамеру 3, датчик угла поворота телекамеры 4, первый пороговый элемент 5, сумматор 6, источник постоянного сигнала 7, синусный функциональный преобразователь 8, косинусный функциональный преобразователь 9, второй пороговый элемент 10, третий пороговый элемент 11, датчик команд 12, первый блок умножения 13, второй блок умножения 14, логический элемент НЕ 15, логический элемент ИЛИ 16, первый ключ 17, второй ключ 18, первый усилитель 19, второй усилитель 20, блок 21 взятия модуля, объект обнаружения 22.

В устройстве движители 1 вертикального перемещения и 2 горизонтального перемещения подключены соответственно к выходам первого 19 и второго 20 усилителей, поворотная телекамера 3 кинематически связана с датчиком 4 угла поворота телекамеры, выход которого через последовательно соединенные синусный функциональный преобразователь 8, первый блок умножения 13 и первый ключ 17 подключен к входу первого усилителя 19 и через последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь 9, второй блок умножения 14 и второй ключ 18 подключен к входу второго усилителя 20, к первому входу сумматора 6 присоединен источник 7 постоянного сигнала, а выход сумматора 6 через последовательно соединенные второй пороговый элемент 10 и логический элемент 15 НЕ подключен к первому, а через третий пороговый элемент – к второму входу логического элемента 16 ИЛИ, выход которого связан с управляющим входом второго ключа 18, выход датчика 12 команд подключен к вторым входам блоков умножения 13 и 14, вход блока 21 взятия модуля соединен с выходом датчика 4 угла, а его выход – со вторым входом сумматора 6 и через первый пороговый элемент 5 – с управляющим входом первого ключа 17.

Устройство работает следующим образом.

Датчик 4 измеряет текущий угол наклона оси телекамеры 3 по отношению к продольной оси симметрии ПА (угол ), то есть определяется направление прямолинейного движения ПА к обнаруженному объекту 22 (см. фиг. 1). Для того, чтобы ПА осуществил это прямолинейное движение, необходимо, чтобы в единицу времени он перемещался в вертикальном направлении на расстояние, пропорциональное sin, а в горизонтальном направлении – на расстояние, пропорциональное cos, то есть движители 1 и 2 должны создавать тяги, пропорциональные соответственно sin и cos. Если используются винтовые движители, то скорости вращения их винтов также должны быть пропорциональны соответственно sin и cos. Угол может быть больше или меньше нуля. При перемещении телекамеры против часовой стрелки от продольной оси подводного аппарата > 0, а по часовой стрелке < 0.

Функциональные зависимости sin и cos формируются соответственно на выходах функциональных преобразователей – синусного 8 и косинусного 9.

На выходе блоков умножения 13 и 14 формируются соответственно сигналы U_уsin и U_уcos . Причем сигнал U_у задает оператор с помощью датчика команд 12, например, рукоятки с потенциометром или просто потенциометров различных типов. Этот сигнал определяет скорость перемещения ПА по прямолинейной траектории к обнаруженному объекту. Если ключи 17 и 18 замкнуты, то на движители вертикальной и горизонтальной тяг соответственно будут поступать сигналы U_в = K_вU_уsin, U_г = K_гU_уcos. При этом предполагается, что создаваемая движителями тяга прямо пропорциональна величине подаваемого на эти движители сигнала управления. Сигналы U_в и U_г обеспечивают создание движителями соответствующих тяг, которые обеспечивают прямолинейное перемещение ПА к обнаруженному объекту. При этом, как было отмечено ранее, оператор не управляет каждым движителем в отдельности, а лишь задает скорость перемещения ПА по требуемой прямолинейной траектории, что значительно облегчает условия его работы. Коэффициенты K_в и K_г являются соответственно коэффициентами усиления усилителей 19 и 20. Они зависят от гидродинамических свойств ПА при движении его соответственно в вертикальном и горизонтальном направлениях. Устройство обеспечивает качественное управление ПА и при наличии подводных течений. В этом случае оператор, помимо задания скорости движения аппарата по траектории, должен постоянно удерживать обнаруженный объект в поле зрения телекамеры, изменяя угол . При этом движители, соответственно уменьшив или увеличив свои тяги, автоматически обеспечат сближение ПА с объектом. Например, если имеется подводное течение в горизонтальной плоскости в направлении движения аппарата, то горизонтальная скорость движения ПА будет больше запланированной и его реальное перемещение не будет совпадать с намеченной прямолинейной траекторией. Поскольку в этом случае цель начнет выходить из поля зрения телекамеры, то оператор переместит ее против часовой стрелки (если > 0, т.е. цель находится внизу) или по часовой стрелке (если < 0, т.е. цель находится выше подводного аппарата), тем самым автоматически уменьшив тягу горизонтального движителя и увеличив тягу вертикального. В подобной ситуации ПА будет перемещаться по некоторой плавной нелинейной траектории, однако время его перемещения к обнаруженному объекту изменится незначительно. Оператор с помощью задающего устройства сам может изменять скорость перемещения ПА по траектории (сигнал U_у).

Однако если течения значительны, то возникают ситуации, при которых требуется использовать дополнительные элементы, введенные в устройство (см. фиг. 1).

Например, при значительном встречном течении и работе движителей по отмеченному выше методу аппарат при > 0 будет прижиматься к грунту до момента достижения объекта 22. Если рельеф дна содержит существенные неровности, то возможны или потеря объекта из виду, или столкновения аппарата с этими неровностями. То есть при встречном течении угол приближается к нулю. Для того, чтобы избежать подобной ситуации, необходимо отключать движитель вертикального перемещения 1 при некотором критическом (минимально допустимом) значении угла ||. Отключение движителя 1 обеспечивается с помощью первого порогового элемента 5 с характеристикой

где U_1вых, U_1вх – соответственно выходной и входной сигналы порогового элемента 5;
U_1ср – значение входного сигнала, при котором срабатывает пороговый элемент 5 (U_1ср > 0), и первый ключ 17.

Величина сигнала срабатывания (U_1ср) элемента 5 может определяться с учетом рельефа дна и свойств аппарата, характера выполняемых работ и т.д. Она определяется заранее.

Таким образом, если угол || достигнет своего критического значения, то пороговый элемент 5 разомкнет ключ 17. Движитель вертикального перемещения остановится, а встречное течение будет отрабатываться только движителем горизонтального перемещения 2. При этом ПА будет приближаться к объекту по горизонтали. Так как телекамера 3 будет продолжать слежение за объектом, а расстояние между объектом и ПА будет сокращаться, то через некоторое время угол опять станет больше критического, сработает пороговый элемент 5, включая ключ 17 и вновь запуская движитель 1. Это будет продолжаться до тех пор, пока ПА не достигнет объекта 22.

При попутном течении возникает ситуация, при которой ПА может проскочить объект, проходя над ним на некоторой высоте. При этом увеличивается время подхода ПА к цели, так как возникает необходимость возвращения аппарата по горизонтали к объекту 22. Для исключения подобной ситуации в предлагаемое устройство вводят сумматор 6, источник постоянного сигнала 7, второй 10 и третий 11 пороговые элементы, логические элементы 15 НЕ и 16 ИЛИ, а также второй ключ 18. Работа устройства управления в данном случае происходит следующим образом. При попутном течении и предлагаемом методе управления подводный аппарат в определенный момент сближения с объектом будет находиться в положении, когда угол будет близок к 90^o, оставаясь по модулю < 90^o.

В этом случае и течение, и движитель 2 будут способствовать увеличению угла ||. Если при приближении угла || к 90^o не отключить движитель 2, то ПА проскочит объект 22 на большой скорости и для его возвращения понадобится значительное время. Для исключения подобной ситуации полагается, что источник постоянного сигнала 7 вырабатывает напряжение, равное выходному сигналу датчика положения 4 при || = 90^o и совпадающее с ним по знаку. Второй 1 – и третий 11 пороговые элементы имеют соответственно характеристики


где U_iвых, U_2вх – выходные и входные сигналы соответствующих пороговых элементов (i = 2, 3);
U_2ср – значение входного сигнала, при котором срабатывает пороговый элемент 10 (U_2ср < 0).

Выходной сигнал элемента 15 НЕ определяется соотношением

а сигнал на выходе элемента 16 ИЛИ определяется условием

В результате движитель 2 будет остановлен до того, как ПА проскочит объект 22. Последнее следует из того, что элементы 10, 15, 16, 11 с помощью ключа 18 разомкнут цепь управления движителем 2 при приближении угла || к 90^o. Величина U_2ср может определяться скоростью течения, гидродинамическими свойствами аппарата, характером выполняемых работ и т.д. Она определяется заранее.

После отключения движителя 2 движение к объекту 22 будет происходить только под воздействием движителя 1. Если в процессе приближения к объекту угол будет уменьшаться, то вновь элементы 10, 15 и 16 замкнут ключ 18 и тем самым запустят движитель 2. ПА опять будет приближаться к объекту 22 и по горизонтали. Если же течение сместит ПА по горизонтали так, что угол || станет < 90^o, то пороговый элемент 11 замкнет ключ 14 и движитель 2 будет уже вращаться в противоположную по отношению к течению сторону, не давая ПА проскочить объект. Поскольку в данном случае до момента достижения || значения 90^o движитель 2 был отключен, то ПА в момент достижения || величины 90^o будет иметь незначительную горизонтальную составляющую скорости, в основном определяемую величиной попутного горизонтального течения. В результате ПА будет проскакивать объект 22 с незначительной скоростью, которая быстро погасится реверсивным включением движителя 2 за счет сигнала противоположного знака от косинусного функционального преобразователя 9. Если движитель 2 сместит ПА так, что || —> 90^o, то опять разомкнется цепь управления движителем 2. В данном случае горизонтальная составляющая скорости автоматически погасится уже встречным течением.

Переключение второго ключа 18 может повторяться несколько раз в процессе движения ПА к объекту 22. При этом реальный путь движения ПА к цели будет минимальным. Следовательно, минимальным будет и время движения ПА к объекту 22.

Таким образом, рассмотренное устройство работает и при < 0, когда цель (плавающие объекты или объекты, удерживаемые в толще воды на якорях) находится над ПА.

В последнем случае блок 21 взятия модуля ликвидирует отрицательный знак угла для той части устройства, которая предназначена для коррекции работы ПА при наличии течений. При этом основное движение ПА к цели, расположенной выше, как и в прототипе, будет осуществляться с помощью элементов 8, 9, 12-14, 17-20, работы которых при любом знаке не изменятся.

Формула изобретения

Устройство для управления подводным аппаратом, содержащее движители вертикального и горизонтального перемещений, подключенные соответственно к выходам первого и второго усилителей, поворотную телекамеру с датчиком угла поворота телекамеры относительно продольной оси подводного аппарата и датчик команд, последовательно соединенные синусный функциональный преобразователь, первый блок умножения, первый ключ, выход которого подключен к входу первого усилителя, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь, второй блок умножения, второй ключ, выход которого подключен к входу второго усилителя, первый пороговый элемент, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, последовательно соединенные источник постоянного сигнала, сумматор, второй пороговый элемент, логический элемент НЕ, логический элемент ИЛИ, второй вход которого через третий пороговый элемент подключен к выходу сумматора, а выход соединен с управляющим входом второго ключа, причем вторые входы блоков умножения подключены к выходу датчика команд, а входы синусного и косинусного функциональных преобразователей соединены с выходом датчика угла поворота телекамеры, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок взятия модуля, вход которого соединен с выходом датчика угла, а его выход – со входом первого порогового элемента и вторым входом сумматора.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 18.11.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 18-2004

Извещение опубликовано: 27.06.2004