GR20180100341A - Μεθοδος υποβρυχιας πλοηγησης και συστημα εφαρμογης της - Google Patents

Abstract

Η επινόηση αναφέρεται σε μέθοδο υποβρύχιας πλοήγησης καθώς και σε σύστημα εφαρμογής της μεθόδου. Με την παρουσιαζόμενη μέθοδο, ο δύτης γνωρίζει πάντοτε τη σχετική θέση του, όπως αυτή ορίζεται στο επίπεδο σε σχέση με το αρχικό σημείο κατάδυσής του. Για την εφαρμογή της μεθόδου είναι απαραίτητη η συνεχής μέτρηση της πίεσης, μέσω αισθητήρων πίεσης (100), της θερμοκρασίας μέσω αισθητήρα θερμοκρασίας(101), καθώς και η χρήση πυξίδας (103) και γυροσκοπίου (102) για τη μέτρηση της σχετικής διεύθυνσης κίνησης.

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

ΜΕΘΟΔΟΣ ΥΠΟΒΡΥΧΙΑΣ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ

ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΗΣ

ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ

Η εφεύρεση αναφέρεται στο πεδίο της τεχνικής των μεθόδων πλοήγησης και σε σύστημα εφαρμογής της και πιο συγκεκριμένα σε μέθοδο πλοήγησης που εφαρμόζεται υποβρυχίως.

ΤΟ ΙΣΤΟΡΙΚΟ ΤΗΣ ΕΦΕΥΡΕΣΕΩΣ

Η αποκαλυπτόμενη στην παρούσα εφεύρεση μέθοδος υποβρύχιας πλοήγησης και το σύστημα εφαρμογής της δεν έχουν αποκαλυφθεί στην προηγούμενη τεχνολογία.

Είναι γνωστό ότι το νερό είναι 400 φορές πιο πυκνό από τον αέρα. Εξαιτίας και του φαινομένου της διάθλασης κάθε ηλεκτρομαγνητικού κύματος που μεταφέρεται μέσα στο νερό, η εκπομπή και η λήψη σήματος μέσω του Παγκοσμίου Συστήματος Στιγματοθέτησης, ή GPS όπως είναι ευρύτερα γνωστό, είναι αδύνατη μετά από τα πρώτα 1 έως 3 μέτρα υποβρυχίως. Το γεγονός αυτό, αναγκάζει κάθε δύτη να είναι πρακτικά ’’τυφλός” στην πλοήγηση σε κάθε κατάδυση. Μέχρι σήμερα το πρόβλημα της υποβρύχιας πλοήγησης λύνεται εν μέρει με την χρήση πυξίδας, που όμως αποτελεί μια ιδιαίτερα αναποτελεσματική μέθοδο. Το πρόβλημα πηγάζει από το γεγονός ότι η πυξίδα δεν είναι σε θέση να μετρά αποστάσεις ή ταχύτητα, με αποτέλεσμα ενώ ο δύτης γνωρίζει την κατεύθυνση κίνησης, να μη γνωρίζει την ακριβή απόσταση την οποία διήνυσε. Περαιτέρω η πυξίδα δεν είναι ευαίσθητη στα επικρατούντα ρεύματα της θάλασσας και δεν μπορεί να τα απεικονίσει αποτελεσματικά. Όπως είναι προφανές η μη επιτυχής πλοήγηση υποβρυχίως είναι εξαιρετικά επικίνδυνη για τον δύτη, ιδίως για τους λιγότερο έμπειρους.

Συστήματα τα οποία μπορεί να επιτρέπουν την επιστροφή του δύτη, στο αρχικό σημείο κατάδυσης, ενδέχεται να περιλαμβάνουν πρόσδεσή του σε κάποιο σκοινί, αλλά προφανώς παρουσιάζουν ομοίως μειονεκτήματα, καθώς δεν παρέχουν απόλυτη ελευθερία. Εξάλλου, για διάφορους λόγους, το σκοινί μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα και να θέσει τον δύτη σε κίνδυνο και συνεπώς καλό είναι να αποφεύγονται.

Αποτελεί έτσι αντικείμενο της παρούσης εφευρέσεως να αντιμετωπίσει πλεονεκτικά τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα και ελλείψεις της προηγούμενης τεχνολογίας, προτείνοντας μια μέθοδο υποβρύχιας πλοήγησης και ένα σύστημα εφαρμογής αυτής.

Περαιτέρω αντικείμενο της παρούσης εφευρέσεως είναι να προσφέρει μια συσκευή αυτόνομης υποβρύχιας πλοήγησης, χωρίς τη χρήση εξωτερικών καλωδίων GPS ή τη χρήση GPS βάρκας.

Περαιτέρω αντικείμενο της παρούσης εφευρέσεως είναι να προσφέρει μία μέθοδο η οποία εφαρμόζεται από τη συσκευή για να κατευθύνει το δύτη υποβρυχίως.

Πλεονέκτημα της επινόησης αποτελεί το γεγονός ότι επιτρέπει την επιστροφή του δύτη στην αρχική θέση κατάδυσης, ανεξάρτητα από την απόσταση και τη διεύθυνση που αυτός έχει διανύσει.

Περαιτέρω αντικείμενο της εφευρέσεως αποτελεί η παρουσίαση μιας συσκευής υποβρύχιας πλοήγησης, η οποία αποτελείται από υπάρχοντα υλικά και εξαρτήματα, τα οποία συνδυάζονται με μη προφανή τρόπο και η οποία δε διαθέτει μεγάλο όγκο ή βάρος, διευκολύνοντας τους δύτες στη χρησιμοποίησή της.

Αυτά και έτερα αντικείμενα, χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα της εφευρέσεως θα γίνουν εμφανή στην εν συνεχεία αναλυτική περιγραφή.

ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΣΧΕΔΙΩΝ

Η εφεύρεση θα καταστεί εμφανής στους εξειδικευμένους στην τεχνική με αναφορά στα συνοδευτικά σχέδια στα οποία απεικονίζεται με ενδεικτικό, μη περιοριστικό τρόπο.

Το Σχήμα 1 παρουσιάζει σε ενδεικτική απεικόνιση τις ασκούμενες δυνάμεις κατά τη διεύθυνση κίνησης ενός δύτη.

Το Σχήμα 2 παρουσιάζει σε τομή ενδεικτική απεικόνιση του εσωτερικού του συστήματος υποβρύχιας πλοήγησης και των τμημάτων που το αποτελούν.

Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται σε ενδεικτική κάτοψη το σύστημα υποβρύχιας πλοήγησης.

ΛΕΠΤΟΜΕΡΗΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΤΙΜΩΜΕΝΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Αναφερόμενοι τώρα στα συνοδευτικά σχέδια θα περιγράψουμε ενδεικτικές εφαρμογές της μεθόδου υποβρύχιας πλοήγησης και του συστήματος εφαρμογής αυτής, ώστε να καταστεί κατανοητός ο τρόπος λειτουργίας και τα πλεονεκτικά χαρακτηριστικά τους.

Κάθε στερεό που κινείται εντός ρευστού, δέχεται μία δύναμη αντίστασης του μέσου FA. Η δύναμη αυτή επιδρά αντίθετα στην κίνησή του και σύμφωνα με τον νόμο του Stoke, στα ρευστά με τυρβώδη ροή, η δύναμη αυτή δίνεται από την εξίσωση:

FA = 1/2 ρf Cd - A - U2d (1)

όπου ρf είναι η πυκνότητα του ρευστού, Cd η σταθερά αντίστασης, Α η επιφάνεια και ud η ταχύτητα του στερεού. Οι σταθερές δύνανται να είναι γνωστές, καθώς πρόκειται για κατασκευαστικά μεγέθη, ενώ η πυκνότητα του νερού, λόγω σύστασης στη διάρκεια μιας κατάδυσης παραμένει σταθερή. Η δύναμη FAασκεί στην επιφάνεια μια πίεση ΡA, ίση με ΡΑ= FA/A , οπότε ο νόμος του Stoke μετασχηματίζεται στην εξίσωση:

PA= - pf Cd-1/2 U2d (2)

Παρόλα αυτά στην ανοιχτή θάλασσα, η αντίδραση της κίνησης δεν είναι η μόνη δύναμη που ασκείται σε ένα στερεό σώμα. Μαζί με τη δύναμη της αντίδρασης υπάρχει και η δύναμη του υδάτινου ρεύματος, FC, που ασκείται στο σώμα με τυχαία ένταση και υπό τυχαία γωνία. Άρα ένας δύτης, κατά την διεύθυνση της κίνησής του, δέχεται δύο δυνάμεις, Σχ, 1 σε μία τυχαία γωνία θ. Η δύναμη FCμετατοπίζει τον δύτη σε απόσταση ανάλογη της έντασης και της γωνίας θ. Η σχετική ταχύτητα του δύτη ως προς το ρεύμα δίνεται από τη σχέση (2), γεγονός που σημαίνει πως η μέτρηση της διανυόμενης απόστασης από τον δύτη υποβρυχίως μπορεί να γίνει μόνο αν γνωρίζουμε τις δύο αυτές συνισταμένες ταχύτητες. Περαιτέρω πρέπει να ληφθεί υπ’ όψιν πως η πίεση στο σημείο που βρίσκεται ο δύτης εξαρτάται από το βάθος του. Η πίεση σε κάποιο βάθος h δίνεται από την εξίσωση:

Ph= Pf<.>g . h (3)

όπου g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας. Η ατμοσφαιρική πίεση αγνοείται, καθώς υποβρυχίως παραμένει σταθερή και γνωστή. Το τελευταίο φυσικό μέγεθος που πρέπει να ληφθεί υπ’ όψιν είναι η σχέση πυκνότητας και θερμοκρασίας νερού. Εξαιτίας του βάθους και της εποχής η θερμοκρασία του νερού μεταβάλλεται. Η θερμοκρασία νερού στις καταδύσεις μπορεί να ξεκινά από τους 0 °C και να φτάνει στους 40 °C. Στις θερμοκρασίες αυτές η πυκνότητα του νερού μεταβάλλεται κατά 0,5%, από 0,9998 gr/cm στους 0 °C σε 0,9957 gr/cm<3>στους 40 °C.

Για την εφαρμογή της μεθόδου καθίσταται προφανές ότι πρέπει κανείς να διαθέτει τιμές μέτρησης της πίεσης, τιμές θερμοκρασίας, τιμές γωνιακής μετατόπισης καθώς και τη θέση ως προς τον μαγνητικό βορρά, σε κάθε τυχαία στιγμή. Για τον λόγο αυτό το σύστημα εφαρμογής της υποβρύχιας πλοήγησης αποτελείται από αισθητήρες πίεσης (100), Σχ. 2, από αισθητήρα θερμοκρασίας (101), από γυροσκόπιο (102) για τη μέτρηση 3 γωνιών στον χώρο και από αισθητήρα πυξίδας (103). Ενδεικτικά οι αισθητήρες πίεσης (100) είναι οκτώ, τοποθετημένοι ανά 45°, Σχ. 3, για να λαμβάνουν μετρήσεις σε εύρος 360°, χωρίς αυτό να απαγορεύει τη χρήση περισσότερων ή λιγότερων αντίστοιχων αισθητήρων.

Το πρόβλημα που επιζητά να επιλύσει η μέθοδος είναι η επιστροφή του δύτη κάθε φορά στο αρχικό σημείο κατάδυσής του, έστω σημείο Ο. Το σημείο αυτό ορίζεται από συντεταγμένες σε 3 διαστάσεις (OX, Oy, Oz). Έστω ότι η συντεταγμένη του βάθους είναι μηδενική τη στιγμή της κατάδυσης, καθώς ο δύτης βρίσκεται στην επιφάνεια της θάλασσας. Η έναρξη των μετρήσεων γίνεται τη χρονική στιγμή to = 0, στο σημείο Ο. Αν υπάρχουν περισσότεροι του ενός, αισθητήρες μέτρησης της πίεσης (100), ανά 45°, θα υπάρχουν 8 διαφορετικές μετρήσεις πίεσης, οι οποίες στο πρώτο δευτερόλεπτο θα είναι Ρ(1)ο, Ρ(2)0, Ρ(3)0, ..., Ρ(8)0- Ομοίως θα υπάρχει μέτρηση T0για τη θερμοκρασία, Ω0θα είναι η τιμή της γωνίας για την πυξίδα ως προς τον Βορρά και Ψ0= 0 θα είναι η γωνία του γυροσκοπίου, όντας κάθετη στον δύτη, πράγμα που σημαίνει πως ο δύτης κολυμπά σε οριζόντια θέση. Έστω ένα δευτερόλεπτο μετά, τη χρονική στιγμή t1= 1, οι τιμές θα έχουν αλλάξει σε Ρ(1)1, Ρ(2)1, Ρ(3)1, ..., Ρ(8)1για την πίεση, Τι για τη θερμοκρασία, Ω]για τη γωνία και Ψι=0, αν ο δύτης συνεχίζει να κολυμπά σε οριζόντια θέση. Από την θερμοκρασία παρατηρείται ότι η πυκνότητα του νερού έχει αλλάξει σε

ρf,1 ~ ρf,2<.>Τ1/Τ0 (4)

Οι αισθητήρες πίεσης καταγράφουν το άθροισμα της υδροστατικής πίεσης, της κίνησης και του ρεύματος ταυτόχρονα, χωρίς όμως να είναι γνωστό ποιος αισθητήρας κατέγραψε την αντίστοιχη πίεση. Με δεδομένο πως πρόκειται για διανυσματικά μεγέθη, η ελάχιστη τιμή από τις αντίστοιχες Ρ(1), Ρ(2), Ρ(3), ..., Ρ(8) δείχνει το μέτρο της υδροστατικής πίεσης. Συνεπώς η κανονικοποίηση των πιέσεων με την Pminθα δώσει ένα νέο πακέτο μετασχηματισμένων μετρήσεων, όπου

Ρ( 21 = P(i)1 - Pmin (5)

Η τιμή Ρ(1)<2>1 δείχνει την πίεση λόγω κίνησης, αλλά και μία συνιστώσα λόγω υδάτινου ρεύματος. Συνεπώς απαιτείται κανονικοποίηση των τιμών P(i)<2>1 από -90 έως 90 σε σχέση με την τιμή Ρ(1). Αυτό σημαίνει πως οι νέες τιμές θα είναι

P(2)<3>1 = Ρ(2)<2>1 - Ρ(2)<2>1<.>cos (r2) = Ρ( 2)<2>1 - Ρ(2)<2>1<.>sin(45°) =

P(2)<2>1 - 0,7071<.>Ρ( 2)<2>1 (6)

όπου r2είναι η γωνία μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου αισθητήρα, που λόγω διάταξης και αριθμού αισθητήρων είναι 45°. Με τον ίδιο τρόπο η Ρ(3)<3>1 = Ρ(3)<2>1,

η Ρ(4)<3>1 = Ρ(4)<2>1,

η Ρ(5)<3>1 = P(5)<2>1

η P(6)<3>1 = Ρ (6)<2>1

η Ρ(7)<3>1 = Ρ(7)<2>1 και

η Ρ(8)<3>1 = Ρ(8)<2>1 · cos(r8), όπου r8= 315°

Το προκύπτον πακέτο λύσεων Ρ(i)<3>1 παρουσιάζει μια μεγίστη τιμή πίεσης, έστω Pmax, η οποία δείχνει το μέτρο πίεσης του ρεύματος και αφού γνωρίζουμε τον αισθητήρα από τον οποίο προέρχεται γνωρίζουμε και την κατεύθυνση του ρεύματος. Αν υποτεθεί ότι η πίεση του ρεύματος προέρχεται από τον αισθητήρα 2, η συνιστώσα της πίεσης στον Ρ(1)<3>1 θα δίνεται από τον τύπο

P(1)<3>1 = P(1)<2>1 - Pmax<.>cos(θ) (7)

Από τις σχέσεις (2) και (7) προκύπτει πως την χρονική στιγμή t1ισχύει ότι

όπου το ρf,1 δίνεται από την σχέση (4).

Ο υπολογισμός της πίεσης του ρεύματος Pc= Pmax. Γνωρίζοντας όμως ήδη ποιος αισθητήρας μετρά την πίεση, μπορούμε κάθε χρονική στιγμή να μετράμε και την απόλυτη κατεύθυνση του δύτη από την πυξίδα σε γωνία αζιμουθίου i για κάθε ti. Άρα αν τη στιγμή t1η γωνία 1=90, τότε η

γωνία θ ορίζεται ως

με να είναι η γωνία των δύο αισθητήρων την συγκεκριμένη χρονική στιγμή.

Μετά από μικρό αριθμό μετρήσεων θα προκόψει ο μέσος όρος των θ, ήτοι θ, καθώς και ο μέσος όρος των Pmax, δηλαδή Pmax, οπότε μπορεί κανείς να γνωρίζει πλήρως το ρεύμα. Αναλύοντας την εξίσωση (8) βρίσκει κανείς την ταχύτητα του ρεύματος ως

Αναφορικά με τη θέση του δύτη, οφείλει πάντοτε να λαμβάνεται υπόψη η σχετική του θέση σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο, που μελετάται. Η κίνηση του δύτη σε μη παράλληλο επίπεδο, αλλά υπό γωνία Ψ, μετασχηματίζει την τελική ταχύτητα κίνησης σε

Οποιαδήποτε χρονική στιγμή tj, η σχετική θέση του δύτη ως προς το σημείο Ο είναι Φ1Φχ1,Φy1) με

Φx1 = (ud— uc<.>sin(0))<.>cos (Ω1) ± uc<.>cos (Θ)<.>cos (Ω1) (12)

και

Τα ± στις εξισώσεις (12), (13) προκύπτουν από τη σχετική κατεύθυνση του ρεύματος σε κάθε κατάδυση. Γνωρίζοντας τα Φx,1και Φy,1, μπορεί να υπολογιστεί η σχετική θέση και γωνία του σημείου Φι από το Ο. Με την ίδια επαγωγική λογική υπολογίζονται τα Φ2, Φ3, Φ4για, κάθε χρονική στιγμή.

Το σύστημα εφαρμογής της μεθόδου υποβρύχιας πλοήγησης οφείλει εκτός από αισθητήρες πίεσης (100), θερμοκρασίας (101), πυξίδας (103) και γυροσκόπιο (102), να διαθέτει μητρική κάρτα (104) για τη λειτουργία του απαραίτητου λογισμικού που βασίζεται στη συγκεκριμένη μέθοδο και που λαμβάνει σήματα εισόδου από τους αισθητήρες, καθώς και οθόνη πολλαπλών ενδείξεων (105), κατάλληλη για υποθαλάσσια χρήση, που θα ενημερώνει τον δύτη με τα απαραίτητα στοιχεία για την πλοήγησή του. Τέτοια στοιχεία εκτός από τη σχετική του θέση μπορεί να περιλαμβάνουν ενημερώσεις για το βάθος, τη θερμοκρασία, την ατμοσφαιρική πίεση. Εξυπακούεται πως το σύστημα διαθέτει σύστημα τροφοδοσίας, μέσω μπαταριών (106), για να λειτουργεί απρόσκοπτα καθώς και κουμπί ενεργοποίησης και απενεργοποίησής του (107).

Στο σημείο αυτό σημειώνεται ότι η περιγραφή της επινόησης πραγματοποιήθηκε με αναφορά σε ενδεικτικά παραδείγματα εφαρμογής, στα οποία δεν περιορίζεται. Συνεπώς οποιαδήποτε μεταβολή ή τροποποίηση σε ό,τι αφορά τη μεθοδολογία υπολογισμού των μεταβλητών και τα εξαρτήματα κατασκευής και συναρμολογήσεως της συσκευής, εφ όσον δεν αποτελούν νέο εφευρετικό βήμα και δεν συντελούν στην τεχνική εξέλιξη του ήδη γνωστού θεωρούνται εμπεριεχόμενα στους σκοπούς και στις βλέψεις της παρούσης επινοήσεως.

Claims (2)

ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. Μέθοδος υποβρύχιας πλοήγησης και σύστημα εφαρμογής της, χαρακτηριζόμενη από τον υπολογισμό της σχετικής θέσης Φi ενός δύτη σε σχέση με μία αρχική θέση αναφοράς Ο, μέσω επαναληπτικών υπολογισμών τιμών πίεσης, θερμοκρασίας, γωνιακής μετατόπισης καθώς και της θέσης του δύτη ως προς τον μαγνητικό βορρά, σε κάθε τυχαία στιγμή.

2. Σύστημα υποβρύχιας πλοήγησης, χαρακτηριζόμενο από το ότι αποτελείται από τουλάχιστον ένα αισθητήρα πίεσης (100), τουλάχιστον ένα αισθητήρα θερμοκρασίας (101), τουλάχιστον ένα γυροσκόπιο (102) και μία πυξίδα (103), που μετρούν τα αντίστοιχα μεγέθη και τα οποία επεξεργαζόμενα από μητρική κάρτα (104) αποτυπώνουν σε οθόνη (105) τη σχετική υποβρύχια θέση Φi ενός δύτη σε σχέση με μία αρχική θέση Ο.