Трёхсредный мобильный аппарат "этажерка"

Изобретение относится к беспилотным аппаратам, способным функционировать в воздухе, на суше, на поверхности водоема, в толще воды и на дне водоема. Трехсредный мобильный аппарат содержит амфибийный модуль в виде самоходного шасси с энергетической установкой и насосной станцией, а также с сухопутным и водоходным движителями, поплавковый модуль над амфибийным модулем, устройство взаимосвязи поплавкового и амфибийного модулей и систему управления роботом. Аппарат дополнительно снабжен летательным модулем вертикального взлета-посадки вертолетного типа, расположенным в состыкованном состоянии над поплавковым модулем. Грузоподъемность летательного модуля свыше веса остальной части аппарата. Имеется устройство взаимосвязи летательного и поплавкового модулей. Оба упомянутых устройства взаимосвязи модулей выполнены с возможностью независимой друг от друга обратимой расстыковки в эксплуатационных условиях. Обеспечивается повышение технико-эксплуатационных характеристик аппарата за счет расширения его возможностей. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к трехсредным мобильным аппаратам, преимущественно роботам (дронам) с автоматическим, полуавтоматическим и ручным дистанционным управлением по радиоканалу с возможным локальным дублированием по гидроакустическому каналу) научно-исследовательского, военного, специального или гражданского назначений.

Широкое распространение получают не только сухопутные, воздушные и водные робототехнические самоходные транспортные средства, оснащенные различной бортовой аппаратурой (полезной нагрузкой), но и двух- или трехсредные.

Так, к широкому классу вездеходных транспортных средств относятся амфибийные (плавающие) транспортные средства, способные перемещаться как по суше, так и преодолевать водные преграды, главным образом, вплавь при положительной их плавучести, у которых корпус также, как минимум, двухфункционален - выполняет функции несущего элемента шасси, водоизмещающего элемента (с расчетной ватерлинией на уровне корпуса ниже верхних его кромок), и др., при этом емкость корпуса (внутренний его объем) гидроизолируют снизу и предусматривают аварийное устройство откачки воды из указанной емкости [Степанов А.П. Плавающие машины. - М.: Изд-во ДОСААФ, 1975, 192 с. - с. 11, рис. 7, с. 26, рис. 14, с. 181, рис. 105].

Среди аппаратов-аналогов известен сугубо водный дрон с плоской частично водоизмещающей платформой (герметичным корпусом), установленной на ней также плоской солнечной батареей (энергетическая установка) и системой управления внутри платформы, не считая наружной телескопической антенны [Четыре плавающих робота побили мировой рекорд дальности // http://nauka21vek.ru/archives/30273 (Выложено 16.03.2012 г.)].

Однако такое устройство не приспособлено для эксплуатации на суше (собственно, и такой задачи не ставилось).

Кстати, известны и другие водоизмещающие элементы, имеющие положительную плавучесть. В частности: подводно-надводный туристический аппарат с погруженной в воду центральной прозрачной обитаемой капсулой и прикрепленными к ней боковыми поплавками с облицовкой их верхней выпуклой поверхности фотоэлектрическими преобразователями [Подводная лодка Reef Explorer, работающая на солнечных батареях // http://be-active.com.ua/interesting/1028-reef-explorer.html]; стационарная солнечная электростанция, содержащая множество водоизмещающих поплавков типа «бакен», соединенных тросами или иной гибкой связью друг с другом, с якорем и индивидуальными подводными грузами-стабилизаторами [Солнечные батареи Marine Solar Cells на плаву // www.marineinsight.com (Выложено 14.11.2011 г.)].

Однако ни то, ни другое из этих устройств не относится к категории амфибийных аппаратов-роботов научно-исследовательского, военного или специального назначения.

Близким к заявляемому устройству аналогом является вездеходный транспортный аппарат - подвижная научно-исследовательская лаборатория с возможностью ручного дистанционного управления («Луноход»), содержащий самоходное шасси, по крайней мере, с сухопутным движителем (который в принципе может использоваться и как водоходный, но неспециализированно-водоходным, малоэффективным) и несущим корпусом, солнечную энергетическую установку с чашеобразным элементом с вогнутой поверхностью, и поворотно относительно несущего корпуса установленную на несущем корпусе выше его уровня, а также систему управления [Автоматические станции для изучения поверхностного покрова Луны / А.Л. Кемурджиан, В.В. Громов, И.И. Черкасов, В.В. Шварев. - М.: Машиностроение, 1976, 200 с. - С. 108-111].

Однако он выполнен сухопутным (не амфибийным), то есть односредным (поверхность Луны в условиях высокого вакуума). Если в конкретном практическом (и историческом) приложении «Луноход-1» и «Луноход-2» и не «нуждались» в амфибийных свойствах (плавучести, ходкости, маневренности и живучести на плаву) по причине отсутствии воды на Луне, то для других вероятных вездеходных транспортных роботов и, прежде всего, наземных, имя которым легион (научно-исследовательского, военного и специального назначения), отсутствие свойств амфибии может являться весьма существенным недостатком всего робототехнического комплекса.

При этом, в нем, по понятным причинам, отсутствуют аварийное водооткачивающее устройство, гидроизоляция чашеобразного элемента снизу от внутреннего свободного объема несущего корпуса шасси, специализированный водоходный движитель.

Отсюда (по совокупности) - констатация недостаточно высоких технико-эксплуатационных / тактико-технических характеристик аналога в расширительном смысле.

Другим близким к заявляемому устройству по назначению и количеству общих существенных конструктивных признаков аналогом является амфибийное транспортное средство («Автобус-амфибия с ветроэнергетической установкой и солнечной батареей»), содержащее самоходное шасси с универсальным сухопутно-водоходным движителем (колеса с выдвижными лопастями) и несущей рамой, элемент - кузов, солнечную энергетическую установку, установленную на элементе - кузове выше его уровня (на крыше), а также систему управления [RU 2006111355, МПК D60K 1/00, 10.11.2007].

Транспортное средство выполнено амфибийным, с положительной плавучестью и водозащитным исполнением шасси, при сохранении работоспособности транспортного средства в целом на плаву.

Однако оно является двухсредным, что ограничивает его мобильность и оперативность доставки в нужную географическую точку.

Наиболее близким к заявляемому устройству аналогом (прототипом) по назначению и совокупности существенных конструктивных признаков является, по мнению Заявителя, двухсредный мобильный аппарат (робот), содержащий амфибийный модуль в виде самоходного шасси с энергетической установкой и насосной станцией, а также с сухопутным и водоходным движителями, поплавковый модуль над сухопутным модулем, устройство взаимосвязи поплавкового и амфибийного модулей и систему управления роботом [RU 2615808, B60F 3/00, B60K 16/00, 11.04.2017].

В нем невозможны не только отделение амфибийного модуля от поплавкового с целью погружения на большую глубину или на дно водоема (упомянутое устройства взаимосвязи модулей выполнено с постоянной, т.е. не отключаемой в эксплуатации взаимосвязью), но и доставка и/или функционирование в воздушной среде. А при крутых или топких берегах с плохим сцеплением ходовой части, проблематично перемещение аппарата с поверхности земли в водоем и обратно.

Таким образом, известное устройство, принятое за прототип, еще недостаточно совершенно по своим технико-эксплуатационным (тактико-техническим) характеристикам.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении технико-эксплуатационных (тактико-технических) характеристик мобильного аппарата (робота, дрона) за счет расширения его возможностей.

Решение поставленной задачи достигается тем, что мобильный аппарат, содержащий амфибийный модуль в виде самоходного шасси с энергетической установкой и насосной станцией, а также с сухопутным и водоходным движителями, поплавковый модуль над амфибийным модулем, устройство взаимосвязи поплавкового и амфибийного модулей и систему управления роботом, согласно заявляемому изобретению, дополнительно снабжен летательным модулем вертикального взлета-посадки вертолетного типа над поплавковым модулем, с грузоподъемностью свыше веса остальной части робота, устройством взаимосвязи летательного и поплавкового модулей, а оба упомянутых устройства взаимосвязи модулей выполнены с возможностью независимой друг от друга обратимой расстыковки в эксплуатационных условиях.

В порядке решения поставленной задачи заявляемое устройство может характеризоваться следующими совокупностями дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):

- в устройство взаимосвязи поплавкового и амфибийного модулей может быть встроена лебедка с тросово-кабельной гибкой связью указанных модулей, с возможностью регулирования дистанции между ними (это позволяет оперативно и дистанционно изменять/регулировать дистанцию между этими модулями по глубине, расширив тем самым возможности маневрирования и проникновения как на большие, так и на меньшие глубины, в последнем случае речь идет о работе поплавкового модуля, могущего также нести бортовую аппаратуру, на мели в плавающем состоянии; при этом кабельный компонент комплексной тросово-кабельной взаимосвязи обеспечивает сохранение электрической связи между этими модулями - единственной или дублирующей);

- в устройство взаимосвязи поплавкового и летательного модулей может быть встроена лебедка с тросово-кабельной гибкой связью указанных модулей, с возможностью регулирования дистанции между ними (это позволяет сохранять силовую механическую и/или электрическую взаимосвязь поплавкового и летательного модулей при переменной/регулируемой дистанции между этими модулями, то есть высоты зависания летательного модуля над поверхностью воды или земли);

- в каждое из упомянутых устройств взаимосвязи модулей встроена лебедка с тросово-кабельной гибкой связью указанных модулей;

- летательный блок может быть выполнен в виде мультикоптера (это позволяет оптимизировать летные способности заявляемого трехмодульного робота, основываясь на известных преимуществах квадро- и др. мультикоптеров);

- водоходный движитель и насосная станция могут быть конструктивно объединены в единую гидравлическую систему (это позволяет оду и ту же насосную станцию использовать как для откачки забортной воды из полостей аппарата, как это предусмотрено в прототипе, так и в качестве насоса водомета - с использованием последнего в качестве водоходного движителя);

- при любой совокупности конструктивных признаков из приведенных выше, система управления может быть выполнена дистанционной (это позволяет использовать преимущества дистанционных систем управления в приложении к данному устройству робота, что связано с конкретной ситуацией);

- при любой из первых пяти перечисленных совокупностей конструктивных признаков, система управления может быть выполнена полуавтоматической (это позволяет использовать преимущества полуавтоматических систем управления в приложении к данному устройству робота, что связано с конкретной ситуацией);

- при любой из первых пяти перечисленных совокупностей конструктивных признаков, система управления может быть выполнена автоматической (это позволяет использовать преимущества автоматических систем управления в приложении к данному устройству аппарата-робота, что связано с конкретной ситуацией и - назначением и экономической стороной вопроса).

Таким образом, показана причинно-следственная связь между существенными признаками заявляемого устройства и техническим результатом от использования этого устройства.

Среди известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.

Основную изобретательскую идею заявляемого технического решения можно сформулировать, иными словами, так: предлагается модульно-блочная «трехэтажная» структура аппарата (робота, дрона) с полным или, на гибкой взаимосвязи оперативно изменяемой (регулируемой) длины, обратимым отделением модулей друг от друга, с распределением в трехсредном пространстве, с сохранением информационно-управленческой связи по радио-, кабельному- и акустическому каналам.

Соответственно, имеет место «сверхэффект» в патентоведческом понимании этого термина и наличие изобретательского уровня заявляемого технического предложения (неочевидность для специалистов из достигнутого уровня науки и техники).

Заявляемое устройство пояснено на чертежах, где позициями обозначены: 1 - амфибийный модуль (самоходное шасси); 2 - сухопутный движитель (здесь - колесный 6×6); 3 - водоходный движитель (здесь - водомет как часть насосной станции); 4 - поплавковый модуль; 5 - летательный модуль (летательный аппарат вертикального взлета-посадки вертолетного типа (здесь - мультикоптер); 6 - разъемное устройство взаимосвязи модулей 1 и 4; 6н - нижняя часть устройства 6; 6в - верхняя часть устройства 6; 7 - лебедка устройства 6; 8 - гибкая связь лебедки 7 (силовая механическая и/или электрическая); 9 - разъемное устройство взаимосвязи модулей 4 и 5; 9н - нижняя часть устройства 9; 9в - верхняя часть устройства 9; 10 - лебедка устройства 9; 11 - гибкая связь лебедки 10 (силовая механическая и/или электрическая); 12 - винты модуля 5.

Условные обозначения на чертежах и в описании:

WW - поверхность водоема;

WL - действующая ватерлиния аппарата;

F - вектор подъемной силы винтов 12.

На фиг. 1 упрощенно, схематически (блок-схемами) показан трехсредный мобильный аппарат (робот, дрон) «Этажерка», в компактном состоянии на суше, вид сбоку (справа);

на фиг. 2 - то же, при разомкнутом устройстве взаимосвязи и стравленной гибкой связи летательного и поплавкового модулей;

на фиг. 3 - то же, при разомкнутом устройстве взаимосвязи и стравленной гибкой связи амфибийного и поплавкового модулей;

на фиг. 4 - то же, при разомкнутом устройстве взаимосвязи и отсоединенном конце гибкой связи амфибийного и поплавкового модулей;

на фиг. 5 - трехсредный мобильный аппарат (робот, дрон) «Этажерка», в компактном состоянии в воздухе над поверхностью суши и/или водоема, вид сбоку (справа);

на фиг. 6 - трехсредный мобильный аппарат (робот, дрон) «Этажерка», в компактном состоянии на плаву в водоеме, вид сбоку (справа);

на фиг. 7 - то же, при разомкнутом устройстве взаимосвязи и стравленной гибкой связи летательного и поплавкового модулей;

на фиг. 8 - аналогично фигуре 4, но над водой свободным летательным модулем и в воде остальными модулями;

на фиг. 9 - аналогично фигуре 8, но при взаимодействии ходовой части (колес) амфибийного блока с дном водоема;

на фиг. 10 - аналогично фигуре 6, но при полном отделении летательного модуля от остальных модулей.

Трехсредный мобильный аппарат содержит амфибийный модуль 1 в виде самоходного шасси с энергетической установкой (двигатель с источником питания - не показаны) и насосной станцией (фрагмент - см. поз. 3), а также с сухопутным движителем 2 (здесь - колесный 6×6) и водоходным движителем 3 (здесь -водомет 3). Над амфибийным модулем 1 расположен поплавковый модуль 4. Они взаимосвязаны посредством устройства 6 взаимосвязи поплавкового 4 и амфибийного 1 модулей. Устройство 6 выполнено из нижней 6а и верхней 66 частей с возможностью их разъединения/соединения по командам от система управления (СУ) роботом (не показана).

Аппарат дополнительно снабжен летательным модулем 5 вертикального взлета-посадки вертолетного типа, расположенным над поплавковым модулем 4. По сути это, как правило, БПЛА (летающий робот, дрон). Его грузоподъемность превышает вес остальной части аппарата. Модули 5 и 4 взаимосвязаны посредством устройства 9 взаимосвязи летательного 5 и поплавкового 4 модулей. Устройство 9 выполнено из нижней 9а и верхней 96 частей с возможностью их разъединения/соединения по командам от 9 СУ, то есть аналогично устройству 6.

Дальнейшее описание распространяется на частные, рациональные примеры заявляемого устройства.

В устройство 6 (в основном в его верхнюю часть 66) взаимосвязи поплавкового 4 и амфибийного 1 модулей встроена лебедка 7 с тросово-кабельной гибкой связью 8 модулей 1, 4, с возможностью регулирования (от СУ) дистанции между ними.

В устройство 9 взаимосвязи поплавкового 4 и летательного 5 модулей встроена лебедка 10 с тросово-кабельной гибкой связью 11 модулей 4, 5, с возможностью регулирования дистанции между ними.

Наличие лебедок в каком-либо одном устройстве - 6 или 9, следует рассматривать как альтернативный частный пример. Но они могут быть и одновременно, что представляется более предпочтительным как расширение технико-эксплуатационным возможностей.

Гибкая связь 8 и/или 11 может быть только тросовой (это - упрощенный/облегченный вариант предыдущего, когда значение имеет только силовая механическая взаимосвязь).

Летательный блок 5 выполнен в виде мультикоптера (здесь - квадрокоптер, то есть с четырьмя симметрично разнесенными винтами 12).

Водоходный движитель 3 и насосная станция (для откачки из полостей модулей 1 и 4, в общем случае, и/или нагнетания в них забортной воды, конструктивно объединены в единую гидравлическую систему.

В любом из описанных частных примеров система управления может быть выполнена дистанционной, полуавтоматической или автоматической.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Аппарат доставляют к месту его работы, как правило, сперва на том или ином транспортном средстве (наземном, водном, воздушном - не показано), а затем (вторым, основным этапом) - в компактной (при неразъединенных устройствах 6, 9) трехмодульной опции, в полетном режиме за счет подъемной силы F и горизонтальной силы (составляющей силы) летательного модуля 5 (винты 12 вращаются), как это показано на фиг. 5 (горизонтальная сила не показана).

После посадки на сушу (см. фиг. 1) с целью работы на ней или дальнейшего въезда своим ходом в водоем и работы или маскировки там, амфибийный модуль 1, как правило, отсоединяют, посредством устройства 6, от поплавкового модуля 8. При этом летательный модуль 5 однозначно оказывается также отсоединенным от модуля 1, а гибкая связь 8 может быть как отсоединена от части 6а устройства 6, так и оставлена (см. фиг. 3, 4 соответственно). В последнем случае сохраняется возможность силовой механической и, одновременно, электрической и/или оптоволоконной связи между модулями 1 и 4. Дистанция между модулями 1 и 4 по высоте и/или горизонтального взаимного смещения может быть изменена (установлена, отрегулирована) стравливанием гибкой связи 8 вращением лебедки 7.

Сказанное в предыдущем абзаце относится и к взаимосвязи модулей 4 и 5 (применительно к устройству 9 с лебедкой 10).

Частные рабочие опции на суше приведены на фиг. 1-4), однако этим не исчерпывается число возможных сочетаний (остальные опции теперь уже становятся понятны без полного их изображения с комментариями).

Посадка на поверхность WW водоема сразу с воздуха и последующая работа аппарата осуществляется аналогичным образом (см. фиг. 6-10).

При этом поплавкомый модуль 4, как правило, используется по своему основному назначению - в качестве «поплавка» - во-первых, для обеспечения плавучести «мокрой» части аппарата, а во-вторых, для облегчения (дублирования по гидроакустическому каналу) электрической или радиосвязи амфибийного блока (в подводном положении в толще воды или на дне водоема) с летательным модулем 5 (см. фиг. 6-9).

В частности, поднявшийся на висоту стравленной гибкой связи 11 (а то и в два раза большую высоту за счет стравливания обеих гибких связей (11 и 8) при сохранении кабельной электрической связи, - серьезное «подспорье» в проблемах обзорности и качества связи, в том числе с ретрансляторами.

Для продольного перемещения модуля 1 под водой или по дну используют водоходный движитель 3 и/или сухопутный движитель 2. Последний можно использовать, например, для поворота модуля 1. Заглубление или подъем аппарата может осуществляться за счет изменения (насосной станцией) количества воды в полостях «мокрых» модулей.

Эвакуация аппарата с места работы осуществляется в обратной последовательности и производится, по-возможности, в компактной опции.

Возможность практической реализации аппарата обусловлена известностью и промышленной освоенностью всех основных компонентов аппарата - мульти-коптеров, и др. летательных аппаратом вертолетного типа, наземных шасси (в том числе с колесной формулой 6×6 и амфибий), разъемных устройств взаимосвязи твердых тел, лебедок с тросовыми и тросово-кабельными гибкими связями, водометы и др. водоходные движители амфибий, насосы и насосные станции, системы управления дистанционного, полуавтоматического и автоматического.

Не исключены другие устройства (варианты) в рамках заявляемых совокупностей существенных признаков.

Выбор конкретного варианта из предложенных при использовании изобретения зависит от спектра тактико-технических и экономических требований и производится в каждом конкретном случае.

Разработка не претендует на полное замещение такими устройствами близких аналогов. Устройство предназначено для ограниченного применения там, где может дать максимальную эффективность.

Использование изобретения позволяет повысить (улучшить) технико-эксплуатационные (тактико-технические) характеристики мобильного аппарата (робота, дрона) за счет расширения его возможностей.

Аппарат можно рассматривать и как своего рода «мини-мультиагентную» систему (характерную для современного состояния в военной робототехнике). Особенность такой мультиагентной системы - не «стая» и даже не «семья» роботов, а аппарат как совокупность удаляемых на расстояние или обратимо отделяемых полностью модулей при минимальном для множественности их количестве «три».

Предложение назвать аппарат «Этажеркой» обусловлено «трехэтажной архитектурой» конструкции: три блока-модуля расположены один над другим аналогично полкам этажерки.

1. Трехсредный мобильный аппарат, содержащий амфибийный модуль в виде самоходного шасси с энергетической установкой и насосной станцией, а также с сухопутным и водоходным движителями, поплавковый модуль над амфибийным модулем, устройство взаимосвязи поплавкового и амфибийного модулей и систему управления роботом, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен летательным модулем вертикального взлета-посадки вертолетного типа над поплавковым модулем, с грузоподъемностью свыше веса остальной части аппарата, устройством взаимосвязи летательного и поплавкового модулей, а оба упомянутых устройства взаимосвязи модулей выполнены с возможностью независимой друг от друга обратимой расстыковки в эксплуатационных условиях.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в устройство взаимосвязи поплавкового и амфибийного модулей встроена лебедка с тросово-кабельной гибкой связью указанных модулей, с возможностью регулирования дистанции между ними.

3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в устройство взаимосвязи поплавкового и летательного модулей встроена лебедка с тросово-кабельной гибкой связью указанных модулей, с возможностью регулирования дистанции между ними.

4. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в каждое из упомянутых устройств взаимосвязи модулей встроена лебедка с тросовой гибкой связью указанных модулей.

5. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что летательный блок выполнен в виде мультикоптера.

6. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что водоходный движитель и насосная станция конструктивно объединены в единую гидравлическую систему.

7. Аппарат по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что система управления выполнена дистанционной.

8. Аппарат по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что система управления выполнена полуавтоматической.

9. Аппарат по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что система управления выполнена автоматической.