Устройство для управления подводным аппаратом с нейтральной плавучестью

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМ АППАРАТОМ С НЕЙТРАЛЬНОЙ ПЛАВУЧЕСТЬЮ, 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, отличающееся тем, что, с целью уменьшения времени подхода к обнаруженному объекту, в него введены 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 первого порогового элемента и второй вход сумматора соединены с выходом датчика угла поворота телекамеры.

Изобретение относится к устройствам управления подводными аппаратами (ПА), а именно к устройствам управления движением ПА с нейтральной плавучестью в вертикальной плоскости. Целью изобретения является уменьшение времени подхода ПА к обнаруженному объекту. Блок-схема устройства 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. 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 соединен с первым входом сумматора 6, через последовательно соединенные синусный функциональный преобразователь 8, первый блок умножения 13 и первый ключ 17 подключен к входу первого усилителя 19, через последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь 9, второй блок умножения 14 и второй ключ 18 подключен к входу второго усилителя 20, через первый пороговый элемент 5 подключен к управляющему входу первого ключа 17, к второму входу сумматора 6 присоединен источник 7 постоянного сигнала, а выход сумматора 6 через последовательно соединенные второй пороговый элемент 10, 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. Устройство работает следующим образом. Датчик 4 измеряет текущий угол наклона оси телекамеры 3 по отношению к продольной оси симметрии ПА (угол α ), то есть определяется направление прямолинейного движения ПА к обнаруженному объекту 21 (см. чертеж). Для того, чтобы ПА осуществил это прямолинейное движение, необходимо, чтобы в единицу времени он перемещался в вертикальном направлении на расстояние, пропорциональное sin α а в горизонтальном направлении на расстояние, пропорциональное cos α т.е. движители 1 и 2 должны создавать тяги, пропорциональные соответственно sin α и cos α Если используются винтовые движители, то скорости вращения их винтов также должны быть пропорциональны соответственно sin α и cos α Функциональные зависимости sin α и cos α формируются соответственно на выходах функциональных преобразователей синусного 8 и косинусного 9. На выходе блоков умножения 13 и 14 формируются соответственно сигналы U_y x xsin α и U_y ^. cos α Причем сигнал U_д 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 К_в ^. U_y ^. sin α U_гК_г ^. U_y ^. cos α 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 и 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 К_в и К_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 α 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, 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_y). Однако если течения значительны, то возникают ситуации, при которых требуется использовать дополнительные элементы, введенные в устройство управления (см. чертеж). Например, при значительном встречном течении и работе движителей по отмеченному выше методу аппарат будет прижиматься к грунту до момента достижения объекта 21. 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 α приближается к нулю. Для того, чтобы избежать подобной ситуации, необходимо отключать движитель вертикального перемещения 1 при некотором критическом (минимально допустимом) значении угла α Отключение движителя 1 обеспечивается с помощью первого порогового элемента 5 с характеристикой U_1вых= при 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 α 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 α 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 21. 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 21. 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 α близок к 90^о, оставаясь < 90^о. В этом случае и течение и движитель 2 будут способствовать увеличению угла α Если при приближении угла α к 90^о не отключить движитель 2, то ПА проскочит объект 21 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 α 90^о и совпадающее с ним по знаку. Второй 10 и третий 11 пороговые элементы имеют соответственно характеристики U_2вых= при U_3вых= при где U_iвых, U_2вх выходные и входные сигналы соответствующих пороговых элементов (i2, 3); U_2ср значение входного сигнала, при котором срабатывает пороговый элемент 10 (U_2ср < 0). Выходной сигнал элемента 15 НЕ будет определяться соотношением U_{не вых}= при а сигнал на выходе элемента 16 ИЛИ будет определяться условием U_{или вых}= при В результате движитель 2 будет остановлен до того, как ПА проскочит объект 21. Последнее следует из того, что элементы 10, 15, 16, 11 с помощью ключа 18 разомкнут цепь управления движителем 2 при приближении угла α к 90^о. 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 21 будет происходить только под действием движителя 1. Если в процессе приближения к объекту угол α будет уменьшаться, то вновь элементы 10, 15 и 16 замкнут ключ 18 и тем самым запустят движитель 2. ПА опять будет приближаться к объекту 21 и по горизонтали. Если же течение сместит ПА по горизонтали так, что угол α станет α < 90^о, то пороговый элемент 11 замкнет ключ 14 и движитель 2 будет уже вращаться в противоположную по отношению к течению в сторону, не давая ПА проскочить объект. Поскольку в данном случае до момента достижения α значения 90^одвижитель 2 был отключен, то ПА в момент достижения α величины 90^обудет иметь незначительную горизонтальную составляющую скорости, в основном определяемую величиной попутного горизонтального течения. В результате ПА будет проскакивать объект 21 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 α станет 90^о, 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 21. При этом реальный путь движения ПА к цели будет минимальным. Следовательно, минимальным будет и время движения ПА к объекту 21.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМ АППАРАТОМ С НЕЙТРАЛЬНОЙ ПЛАВУЧЕСТЬЮ, содержащее движители вертикального и горизонтального перемещений, подключенный соответственно к выходам первого и второго усилителей, поворотную телекамеру с датчиком угла поворота телекамеры относительно продольной оси подводного аппарата и датчик команд, отличающееся тем, что, с целью уменьшения времени подхода к обнаруженному объекту, в него введены 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 первого порогового элемента и второй вход сумматора соединены с выходом датчика угла поворота телекамеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1

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

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---