RU110070U1

RU110070U1 - Система автономной посадки беспилотного летающего аппарата на движущееся судно

Info

Publication number: RU110070U1
Application number: RU2011126298/11U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Шаров; Елена Сергеевна Петухова; Михаил Сергеевич Дворяшин; Валерий Владимирович Каманин; Андрей Григорьевич Юрескул
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2011-11-10

Abstract

Система автономной посадки беспилотного летающего аппарата (БПЛА) на движущееся судно, содержащая телевизионную систему самонаведения, связанную с системой управления движением БПЛА, и судовое посадочное оборудование, в состав которого входят захватное приспособление, установленное на выносном конце поворотной кран-балки, и световые маяки, отличающаяся тем, что в состав судового посадочного оборудования входят, по меньшей мере, три световых маяка, первый из которых установлен на кронштейне, стойка которого расположена за пределами зоны тормозного пути БПЛА и отнесена вдоль борта судна вперед относительно стойки кран-балки, на которой установлены второй и третий световые маяки, причем второй и третий световые маяки образуют основание равностороннего треугольника, вершиной которого является проекция первого светового маяка на вертикальную плоскость, проходящую через второй и третий световые маяки при установке кран-балки перпендикулярно борту судна, а в геометрическом центре этого треугольника расположена точка прицеливания, на которую БПЛА наводится посредством телевизионной системы самонаведения, которая содержит телевизионную камеру, блок управления полем зрения, выход которого соединен с управляющим входом телевизионной камеры, блок обработки видеосигнала, блок определения направления на точку прицеливания, блок определения дальности, блок определения параметров качки, блок памяти и блок коррекции направления на точку прицеливания, при этом выход блока определения дальности и выход блока определения направления на точку прицеливания, на котором формируется текущее значение угла поворот�

Description

Полезная модель относится к системам управления посадкой на малотоннажное судно беспилотных летающих (летательных) аппаратов (БПЛА), оснащенных бортовыми электронными устройствами наблюдения, навигации и автоматического управления полетом.

Известна система посадки БПЛА в сеть [1] по патенту РФ №2208555, МПК В64F 1/18, B64C 13/20, G08C 5/02, публикация 20.07.2003 г. В состав системы входит импульсный источник излучения, установленный на БПЛА, и судовое посадочное оборудование, которое включает в себя платформу и вертикальную раму, установленную с возможностью поворота вокруг вертикальной оси. На раме установлены два приемника импульсного излучения, настроенные на частоту источника, установленного на БПЛА, вертикальная посадочная сеть, которая может перемещаться по направляющим, закрепленным на раме, а также тормозное устройство, соединенное с сетью посредством тросов. На конечном участке захода БПЛА на посадку его вводят в зону действия приемников излучения, с помощью которых измеряют угол возвышения и боковое смещение БПЛА относительно центра сети. Далее вычисляют величины отклонений БПЛА от программной траектории захода на посадку и формируют сигналы корректировки траектории, которые передают посредством канала радиосвязи на приемное устройство БПЛА, связанное с системой управления его пространственным положением. При входе БПЛА в сеть ее перемещают по направляющим рамы и гасят кинетическую энергию движения БПЛА за счет вытягивания тросов тормозного устройства. Платформу устанавливают также с возможностью поступательного перемещения по направлению горизонтальной оси, перпендикулярной плоскости сети. На раме дополнительно устанавливают датчик линейного ускорения, дальномер и датчик начала вытягивания тросов тормозного устройства. Вычисляют требуемое значение ускорения поступательного перемещения платформы в направлении вектора горизонтальной составляющей скорости сближения БПЛА с платформой, включают привод поступательного перемещения платформы, с помощью которого поступательно перемещают платформу в этом направлении. С помощью датчика линейного ускорения измеряют текущие значения ускорения и скорости этого перемещения, вычисляют разность текущего и требуемого значений скоростей, управляют этим приводом, стремясь уменьшить указанную разность до нуля, и в момент попадания БПЛА в сеть выключают привод по сигналу от датчика начала вытягивания тросов тормозного устройства.

Недостатками этой известной системы являются сложность и большие габариты посадочного устройства. Кроме этого, данная система посадки не предусматривает стабилизации посадочного устройства при качке судна, в связи с чем высока вероятность пролета БПЛА мимо сети и его попадания в воду или же непосредственно на палубу судна, что приводит к повреждению как БПЛА, так и судового оборудования.

Оборудование для посадки БПЛА [2] по патенту RU №2278060, B64F 1/100, B64F 1/18, публикация 20.05.2006 г., содержит бортовую электронную аппаратуру наведения, наземное посадочное оборудование и посадочную платформу, оснащенную посадочным приспособлением. При заходе БПЛА на посадку выводят его в зону действия наземного посадочного оборудования, по сигналам которого электронной аппаратурой наведения осуществляют наведение БПЛА на посадочную площадку по заданной траектории, обеспечивая снижение скорости его движения и выход в точку механического контакта с посадочным приспособлением, после чего полностью гасят кинетическую энергию БПЛА и высвобождают его из посадочного приспособления. При этом до начала полета приклеивают к нижней части поверхности фюзеляжа БПЛА бортовую ленту-контакт, лицевая сторона которой покрыта петлевыми мононитями, а в составе электронной аппаратуры наведения БПЛА используют систему видеонаведения, выполненную с возможностью визуального распознавания посадочной площадки, оценки текущего расстояния до посадочного приспособления и удержания БПЛА на заданной траектории посадки. В качестве посадочной платформы используют вертикально установленную посадочную платформу-шест, на верхнем конце которой закреплено посадочное приспособление-шар, верхнюю часть поверхности посадочного приспособления-шара оклеивают лентой контактом, лицевая сторона которой покрыта петлевыми мононитями, выполненными с возможностью крючкового сцепления по типу текстильной застежки с петлевыми мононитями бортовой ленты-контакта на фюзеляже БПЛА. В качестве наземного посадочного оборудования используют один или несколько пространственно разнесенных наземных оптических источников излучения, размещаемых на посадочной площадке, по сигналам которых осуществляют самонаведение БПЛА до механического контакта между нижней частью поверхности его фюзеляжа и верхней полусферой посадочного приспособления-шара, а гашение кинетической энергии БПЛА осуществляют за счет упругого отклонения и возвратно-поступательного движения с постепенно уменьшающейся амплитудой верхней части посадочной платформы-шеста.

Недостатком рассмотренного аналога является ограниченная область использования конструкции посадочного приспособления, рассчитанной на малогабаритные изделия (модели БПЛА).

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемой системы, является система управления посадкой БПЛА на малотоннажное судно [3], в состав которой входят судовое посадочное оборудование и установленная на БПЛА телевизионная система наведения, связанная с системой управления движением БПЛА. На фюзеляже БПЛА закреплен фал с шариком на конце. Судовое посадочное оборудование содержит поворотную кран-балку, на выносном конце которой установлено захватное приспособление в виде разомкнутой рамы (направляющих) с карабином, а также курсовой маяк, расположенный в зоне захватного приспособления, и глиссадный маяк, установленный на корме судна со стороны захода БПЛА на посадку.

Посадка БПЛА осуществляется следующим образом. При попадании световых маяков в поле зрения приемной телекамеры БПЛА наводится по их изображению в створ направляющих захватного приспособления, при. пролете над ними попадает своим фалом в карабин захватного приспособления и зацепляется шариком за замок. После этого двигатель БПЛА выключается, и БПЛА повисает за бортом судна. Затем кран-балку поворачивают на 90-180° и освобождают БПЛА от замка.

Недостатком прототипа является то, что наведение БПЛА осуществляется на точку прицеливания, совпадающую с курсовым маяком, который, вследствие этого, может быть поврежден при выполнении посадочного маневра. В результате исключается возможность повторения маневра при пролете БПЛА мимо посадочного устройства. Кроме этого, данная система не учитывает колебаний точки прицеливания из-за качки судна, что не обеспечивает необходимой точности наведения при посадке на движущееся судно.

Техническим результатом полезной модели является повышение точности наведения БПЛА на захватное приспособление в условиях качки судна.

Сущность полезной модели заключается в том, что в системе автономной посадки БПЛА на движущееся судно, содержащей телевизионную. систему самонаведения, связанную с системой управления движением БПЛА, и судовое посадочное оборудование, содержащее световые маяки и захватное приспособление, установленное на выносном конце поворотной кран-балки, в состав судового посадочного оборудования входят, по меньшей мере, три световых маяка, первый из которых установлен на кронштейне, стойка которого расположена за пределами зоны тормозного пути БПЛА и отнесена вперед вдоль борта судна относительно стойки кран-балки, на которой установлены второй и третий световые маяки, причем второй и третий световые маяки образуют основание равностороннего треугольника, вершиной которого является проекция первого светового маяка на вертикальную плоскость, проходящую через второй и третий световые маяки при установке кран-балки перпендикулярно борту судна, а в геометрическом центре этого треугольника расположена точка прицеливания захватного приспособления для телевизионной системы самонаведения, которая содержит телевизионную камеру, блок управления полем зрения, выход которого соединен с управляющим входом телевизионной камеры, блок обработки видеосигнала, блок определения направления на точку прицеливания, блок определения дальности, блок определения параметров качки, блок памяти и блок коррекции направления на точку прицеливания, при этом выход блока определения дальности и выход блока определения направления на точку прицеливания, на котором формируется текущее значение угла поворота линии визирования точки прицеливания, соединены с соответствующими входами блока коррекции направления на точку прицеливания и блока определения параметров качки, выходы которого по сигналам текущих значений амплитуды и периода качки и выход блока определения направления на точку прицеливания, на котором формируется текущее значение угла наклона линии визирования точки прицеливания, соединены с соответствующими входами блока коррекции направления на точку прицеливания, входы которого по сигналам текущих значений углов рысканья и тангажа соединены с соответствующими выходами навигационного устройства, входящего в состав системы управления движением БПЛА, которая содержит также блок расчета углов атаки и скольжения, блок определения модуля скорости и блок формирования сигналов управления положением БПЛА, выходы которого через блок рулевых приводов связаны с соответствующими входами блока рулей БПЛА, при этом входы блока формирования сигналов управления положением БПЛА, на которые поступают скорректированные значения углов поворота и наклона линии визирования точки прицеливания, соединены с соответствующими выходами блока коррекции направления на точку прицеливания, входы, на которые поступают значения коэффициентов передачи контуров управления по углам рысканья, тангажа и крена и значения коэффициентов передачи контуров управления скоростями рысканья, тангажа и крена, соединены с соответствующими выходами блока памяти, входы, на которые поступают текущие значения углов рысканья, тангажа и крена и текущие значения угловых скоростей рысканья, тангажа и крена, соединены с соответствующими выходами навигационного устройства, а входы, на которые поступают текущие значения углов атаки и скольжения, соединены с выходами блока расчета углов атаки и скольжения, входы блока расчета модуля скорости соединены с выходами навигационного устройства, на которых формируются текущие значения продольной, вертикальной и боковой составляющих скорости БПЛА, а его выход соединен с соответствующими входами блока коррекции направления на точку прицеливания и блока расчета углов атаки и скольжения, входы которого по сигналам вертикальной и боковой составляющих скорости, соединены с выходами навигационного устройства, выход телевизионной камеры, на котором формируется текущее значение угла зрения телевизионной камеры в горизонтальной плоскости, соединен с соответствующими входами блока определения направления на точку прицеливания и блока определения дальности, выход, на котором формируется текущее значение угла зрения телевизионной камеры в вертикальной плоскости, соединен с соответствующим входом блока определения направления на точку прицеливания, а выходы телевизионной камеры, на которых формируются сигнал синхронизации по строкам и значение амплитуды опрашиваемого элемента разрешения, соединены с соответствующими входами блока обработки видеосигнала, выходы блока обработки видеосигнала, на которых формируются текущие значения вертикальной и горизонтальной координат первого, второго и третьего маяков, соединены с соответствующими входами блока определения направления на точку прицеливания, кроме этого выход блока обработки видеосигнала, на котором формируется текущее значение вертикальной координаты первого маяка, соединен с соответствующим входом блока управления полем зрения, а выходы, на которых формируются текущие значения горизонтальных координат второго и третьего маяков, соединены с соответствующими входами блока определения дальности и блока управления полем зрения, выходы блока памяти, на которых формируются значения количества элементов разрешения по горизонтали и вертикали между центром кадра и каждым из маяков в случае, когда положение центра треугольника, образованного первым, вторым и третьим световыми маяками, совпадает с центром кадра телевизионной камеры, соединены с соответствующими входами блока определения направления на точку прицеливания, выходы, на которых формируются значения величин среднего квадратичного отклонения амплитуды шума и вероятности ложной тревоги, соединены с соответствующими входами блока обработки видеосигнала, выходы блока памяти, на которых формируются значения количества элементов разрешения в строке и столбце телевизионной камеры, соединены с соответствующими входами блока обработки видеосигнала и блока управления полем зрения, выход, на котором формируется значение коэффициента передачи контура управления полем зрения, соединен с соответствующим входом блока управления полем зрения, а выходы, на которых формируются значение расстояния вдоль кран-балки между вторым и третьим световыми маяками и значение количества элементов разрешения в строке телевизионной камеры, соединены с соответствующими входами блока определения дальности.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - схема размещения системы автономной посадки БПЛА;

фиг.2 - структурно-функциональная схема бортового оборудования БПЛА;

фиг.3 - структурно-функциональная схема блока обработки видеосигнала;

фиг.4 - структурно-функциональная схема блока управления полем зрения телевизионной камеры;

фиг.5 - структурно-функциональная схема блока определения направления на точку прицеливания;

фиг.6 - структурно-функциональная схема блока определения дальности;

фиг.7 - структурно-функциональная схема блока определения параметров качки;

фиг.8 - структурно-функциональная схема блока коррекции направления на точку прицеливания;

фиг.9 - структурно-функциональная схема блока формирования сигналов управления положением БПЛА;

фиг.10 - конструкция кран-балки.

На фиг.1 схемы размещения оборудования системы автономной посадки БПЛА обозначены:

1 - беспилотный летательный аппарат,

2 - судно,

3 - система управления движением БПЛА,

4 - телевизионная система самонаведения,

5 - выдвижной карабин,

6 - кран-балка,

7 - стойка кран-балки,

8 - захватное приспособление,

9 - кронштейн,

10 - стойка кронштейна,

11, 12, 13, 14 - световые маяки с первого по четвертый, соответственно.

Как показано на фиг.1, система автономной посадки БПЛА 1 на судно 2 состоит из бортового оборудования, размещенного на БПЛА, и судового посадочного оборудования, размещенного на судне.

Бортовое оборудование, используемое для управления посадкой БПЛА, содержит телевизионную систему 4 самонаведения и систему 3 управления движением БПЛА. Кроме этого, в нижней части фюзеляжа БПЛА установлен выдвижной карабин 5, который при посадке БПЛА на судно сцепляется с захватным приспособлением 8 судового посадочного оборудования.

В состав судового посадочного оборудования входят захватное приспособление 8, установленное на выносном конце поворотной кран-балки 6, и четыре световых маяка 11, 12, 13, 14.

Первый световой маяк 11 установлен на кронштейне 9, стойка 10 которого вынесена вдоль борта судна вперед за пределы зоны тормозного пути БПЛА и установлена на расстоянии b₂ от стойки 7, на которой закреплена кран-балка 6 с захватным приспособлением 8. Второй и третий световые маяки 12, 13 установлены на кран-балке 6 по бокам захватного приспособления 8, и образуют основание равностороннего треугольника, вершиной которого является проекция первого светового маяка 11 на вертикальную плоскость, проходящую через маяки 12, 13 при установке кран-балки перпендикулярно борту судна. Геометрический центр образованного световыми маяками 11, 12, 13 треугольника является точкой прицеливания (ТП) захватного приспособления, на которую наводится телевизионная система 4 самонаведения. Характерными конструктивными размерами группы маяков 11, 12 и 13, по которым осуществляется наведение БПЛА в точку прицеливания, являются расстояние a ₁ в горизонтальной плоскости между маяками 12 и 13, а также расстояние между маяками 11 и 12, равное 0,5 a ₁. В вертикальной плоскости расстояние между первым маяком 11 и маяками 12 или 13 обозначено b₁.

Четвертый световой маяк 14, установлен на противоположном борту судна относительно местоположения группы маяков 11, 12 и 13 и предназначен для ориентации БПЛА на дальностях, при которых угловое разрешение между отдельными маяками группы неудовлетворительно для выработки сигналов, управляющих полетом БПЛА. Расстояние между маяком 14 и крайним маяком 13 группы обозначено а ₂.

На фиг.2 структурно-функциональной схемы бортового оборудования БПЛА, обозначены:

15 - телевизионная камера,

16 - блок обработки видеосигнала,

17 - блок управления полем зрения,

18 - блок определения направления на точку прицеливания,

19 - блок определения дальности,

20 - блок определения параметров качки,

21 - блок коррекции направления на точку прицеливания,

22 - блок памяти,

23 - навигационное устройство,

24 - блок расчета углов атаки и скольжения,

25 - блок расчета модуля скорости,

26 - блок формирования сигналов управления положением БПЛА,

27 - блок рулевых приводов,

28 - блок рулей БПЛА.

Как показано на фиг.2, в состав системы 3 управления движением БПЛА входят навигационное устройство 23, блок 24 расчета углов атаки и скольжения, блок 25 расчета модуля скорости и блок 26 формирования сигналов управления положением БПЛА, выходы которого через блок 27 рулевых приводов соединены с соответствующими входами блока 28 рулей БПЛА.

Кроме этого, в состав системы 3 управления движением входят блоки, формирующие сигналы управления двигателями БПЛА, которые не имеют непосредственного отношения к существу полезной модели и на фиг.2 не показаны.

Навигационное устройство 23 БПЛА представляет собой систему гироскопических приборов, обеспечивающую определение углового положения БПЛА относительно центра масс и определение перемещения центра масс относительно точки старта БПЛА по координатам X, Y и Z. Выходными параметрами навигационной системы являются:

V_x, V_y, V_z - продольная, вертикальная и боковая составляющие вектора скорости БПЛА, соответственно;

γ_A, ϑ_A, ψ_A - углы крена, тангажа и рысканья БПЛА, соответственно;

ω_x, ω_y, ω_z - угловые скорости крена, рысканья и тангажа, соответственно.

В блоке 24 расчета углов атаки и скольжения производится расчет угла атаки α и угла скольжения β согласно соотношениям:

,

.

В блоке 25 расчета модуля скорости БПЛА осуществляется расчет указанной величины согласно соотношению:

.

Для реализации этих зависимостей входы блока 24 расчета углов атаки и скольжения соединены с выходом блока 25 расчета модуля скорости и с выходами навигационного устройства 23, на которых формируются текущие значения вертикальной и боковой составляющих V_y, V_z скорости, а входы блока 25 расчета модуля скорости соединены с выходами навигационного устройства по сигналам V_x, V_y, V_z.

Выходы блока 24 расчета углов атаки и скольжения, а также выходы навигационного устройства 23, на которых формируются текущие значения углов γ_A, ϑ_A, ψ_A, а также текущие значения угловых скоростей ω_x, ω_у, ω_z, соединены с соответствующими входами блока 26 формирования сигналов управления положением БПЛА. Входы блока 26, на которые поступают значения коэффициентов передачи k_ψ, k_υ, k_γ контуров управления по углам рысканья, тангажа и крена и значения коэффициентов передачи , , контуров управления скоростями рысканья, тангажа и крена, соединены с соответствующими выходами блока 22 памяти.

В состав телевизионной системы 4 самонаведения входят телевизионная камера 15, управляющий вход которой соединен с выходом блока 17 управления полем зрения, а также блок 16 обработки видеосигнала, блок 18 определения направления на точку прицеливания, блок 19 определения дальности, блок 20 определения параметров качки, блок 22 памяти и блок 21 коррекции направления на ТП.

Выход телевизионной камеры 15, на котором формируется текущее значение угла зрения камеры в горизонтальной плоскости, соединен с соответствующими входами блока 18 определения направления на точку прицеливания и блока 19 определения дальности, выход, на котором формируется текущее значение угла зрения в вертикальной плоскости, соединен с входом блока 18 определения направления на точку прицеливания, а выходы, на которых формируются сигнал SS синхронизации по строкам и сигнал νS, определяющий значение амплитуды опрашиваемого элемента разрешения, соединены с соответствующими входами блока 16 обработки видеосигнала.

Выходы блока 16 обработки видеосигнала, на которых формируются текущие значения n_ν1, nν₂ и n_ν3 вертикальных координат и текущие значения n_ψ1, n_ψ2 и n_ψ3 горизонтальных координат первого, второго и третьего маяков 11, 12 и 13, соединены с информационными входами блока 18 определения направления на точку прицеливания. Кроме этого, выход блока 16, на котором формируется текущее значение вертикальной координаты первого маяка, (n_ν1), соединен с входом блока 17 управления полем зрения, а выходы, на которых формируются текущие значения горизонтальных координат второго и третьего маяков (n_ψ2 и n_ψ3), соединены с соответствующими входами блока 17 управления полем зрения и блока 19 определения дальности.

Выход блока 18 определения направления на точку прицеливания (цель), на котором формируется текущее значение ψ_ц угла поворота линии визирования точки прицеливания, и выход блока 19 определения дальности, на котором формируется текущее значение D дальности БПЛА до точки прицеливания, соединены с соответствующими входами блока 21 коррекции направления на точку прицеливания и блока 20 определения параметров качки. Выход блока 18, на котором формируется текущее значение угла наклона υ_ц линии визирования, и выходы блока 20 определения параметров качки, на которых формируются текущие значения амплитуды А_кч и периода Т_кч качки, соединены с соответствующими входами блока 21 коррекции направления на точку прицеливания. Входы блока 21 коррекции направления на точку прицеливания, на которые поступают значения ψ_А и υ_А углов рысканья и тангажа БПЛА, соединены с выходами навигационного устройства 23, а вход, на который поступает значение модуля скорости БПЛА, соединен с выходом блока 25 расчета модуля скорости. Выходы блока 21 коррекции направления на ТП, на которых формируются скорректированные значения θ_ц-кор угла поворота и φ_ц-кор угла наклона линии визирования точки прицеливания, соединены с входами блока 26 формирования сигналов управления положением БПЛА.

Выходы блока 22 памяти, на которых формируются значения n_0ψ1, n_0ψ2, n_0ψ3 количества элементов разрешения по горизонтали и значения n_0υ1, n_0υ2, n_0υ3 количества элементов разрешения по вертикали между центром кадра и маяками 11, 12 13 в случае, когда положение центра треугольника, образованного этими маяками, совпадает с центром кадра телевизионной камеры, соединены с соответствующими входами блока 18 определения направления на точку прицеливания. Выходы блока 22 памяти, на которых формируются значения N_ψ и N_υ количества элементов разрешения в строке и столбце телевизионной камеры, соединены с соответствующими входами блока 16 обработки видеосигнала и блока 17 управления полем зрения, а выход, на котором формируется значение N_ψ, соединен также с соответствующим входом блока 19 определения дальности. Выход блока 22 памяти, на котором формируется значение k_f0ν коэффициента передачи контура управления полем зрения телевизионной камеры, соединен с входом настройки блока 17 управления полем зрения, выходы, на которых формируются сигнал, задающий значение величины среднего квадратичного отклонения амплитуды шума, и сигнал, задающий значение P_ЛТ вероятности ложной тревоги, соединены с соответствующими входами блока 16 обработки видеосигнала, а выход, на котором формируется значение a ₁ расстояния вдоль кран-балки между вторым и третьим световыми маяками 12 и 13, соединен с соответствующим входом блока 19 определения дальности.

На фиг.3 структурно-функциональной схемы блока 16 обработки видеосигнала обозначены:

29 - вычислитель порога обнаружения,

30 - умножитель (×0,5),

31 - блок памяти,

32 - счетчик строк,

33 - блок фиксации считанных строк и обнаруженных маяков,

34, 35 - ключи,

36 - умножитель (×0,5),

37, 38 - блоки вычитания,

39 - блок сравнения (≥2),

40 - делитель

41 - умножитель (×0,9),

42 - ключ,

43 - блок фиксации остатка деления,

44 - ключ,

45 - таймер,

46 - блок сравнения (=0),

47 - блок вычитания,

48 - ключ,

49 - блок сравнения (≤),

50 - ключ,

51 - блок фиксации количества считанных элементов разрешения в строке,

52 - ключ

53 - счетчик элементов разрешения в строке.

Вход блока 16 обработки видеосигнала, на который поступает значение N_υ количества элементов разрешения в столбце телевизионной камеры, через умножитель 36 (на 0,5) соединен с первым входом блока 37 вычитания, второй вход которого и соответствующий вход блока 31 памяти подключены к выходу ключа 35, на котором формируется значение n_υk(нр) вертикальной координаты обнаруженного последним маяка, определяемой количеством элементов разрешения по вертикали между началом развертки (левым верхним углом кадра) телевизионного сигнала и обнаруженным маяком. При этом на выходе блока 37 вычитания формируется значение n_υk вертикальной координаты k-го обнаруженного маяка (k=1, 2, 3), соответствующее количеству элементов разрешения по вертикали между центром кадра и обнаруженным k-м маяком.

Первый вход ключа 35, соединенный с первым входом блока 33 фиксации считанных строк и обнаруженных маяков, подключен к выходу блока 31 памяти, с которого считывается значение вертикальной координаты n_υk-1(нр) предыдущего из обнаруженных маяков относительно начала развертки телевизионного сигнала. Управляющий вход ключа 35 соединен с выходом блока 49 сравнения, а его второй вход соединен с первым выходом блока 33, на котором формируется значение вертикальной координаты обнаруженного k-го маяка (n_υk(нр)=i) соответствующее количеству строк i, считанных в момент обнаружения маяка. Второй вход блока 33, на который поступает текущее значение i количества считанных строк, соединен с выходом ключа 34. Третий вход блока 33, на который поступает значение k порядкового номера предыдущего обнаруженного маяка, и второй его выход, на котором формируется значение (k+1), соединены с соответствующими выходом и входом блока 31 памяти.

Вход блока 16, на который поступает сигнал ss синхронизации по строкам, соединен с управляющим входом ключа 34, первый вход которого и первый вход счетчика 32 строк подключены к выходу блока 31 памяти, с которого считывается текущее значение i количества считанных строк. Второй вход счетчика 32 соединен с выходом блока 31 памяти, на котором формируется сигнал (j=0) окончания считывания элементов разрешения в текущей строке и перехода к считыванию следующей строки, а выход счетчика 32, на котором формируется значение (i+1) номера следующей строки, соединен со вторым входом ключа 34 и с соответствующим входом блока 31 памяти.

Вход блока 16, на который поступает сигнал ss синхронизации по строкам, соединен также с управляющим входом ключа 44, первый вход которого, соединенный со вторым входом блока 43 фиксации остатка деления, подключен к выходу таймера 45, на котором формируется текущий отсчет времени t. Второй вход ключа 44 соединен с шиной нулевого потенциала, а его выход, на котором формируется текущее значение времени t_ss(i) прихода очередного (i-го) импульса синхронизации, соединен с первым входом блока 38 вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока 31 памяти, с которого считывается значение t_ss(i-1) времени прихода предыдущего импульса синхронизации. Выход блока 38 вычитания, на котором формируется значение Т_ss периода генерации сигнала синхронизации по строкам, подключен к первому входу ключа 42, второй вход которого подключен к шине нулевого потенциала, а управляющий вход соединен с выходом блока 39 сравнения (≥2). Первый вход блока 39 сравнения соединен с выходом блока 31 памяти, с которого считывается текущее значение i количества считанных строк, а второй его вход соединен с шиной потенциала, соответствующего значению величины 2.

Выход ключа 42 соединен с первым входом делителя 40, второй вход которого соединен с входом блока 16, на который поступает значение N_ψ количества элементов разрешения в строке телевизионной камеры. Выход делителя 40 соединен с входом умножителя 41 (на 0,9), а выход умножителя, на котором формируется значение Т_cell периода опроса элементов разрешения, через последовательно соединенные блок 43 фиксации остатка деления и блок 46 сравнения (=0) соединен с управляющими входами ключей 50 и 52.

Выход ключа 50 соединен с первым входом блока 49 сравнения (≤), а его вход соединен с входом блока 16 обработки видеосигналов, на который поступает значение vs амплитуды опрашиваемого в данный момент элемента разрешения.

Выход ключа 52 соединен с входом блока 51, в котором количество элементов разрешения в текущей строке, считанных относительно начала развертки телевизионного сигнала, фиксируется в качестве горизонтальной координаты k-го маяка (n_ψk(нр)=j). Первый вход ключа 52, соединенный со счетным входом счетчика 53 элементов разрешения в строке, подключен к выходу блока 31 памяти, с которого считывается значение j количества опрошенных элементов разрешения в текущей строке. Выход счетчика 53 элементов разрешения, на котором формируется значение (j+1), соединен со вторым входом ключа 52 и с соответствующим входом блока 31 памяти.

Входы блока 16, на которые поступают сигналы, задающие значения величин и P_ЛТ соединены с входами вычислителя 29 порога П обнаружения, выход которого соединен со вторым входом блока 49 сравнения (≤). Выход блока 49 сравнения соединен с управляющим входом ключа 48, первый вход которого соединен с выходом блока 31 памяти, с которого считывается значение горизонтальной координаты n_ψk-1(нр) маяка, обнаруженного последним, относительно левого верхнего угла кадра телевизионного сигнала, а второй вход подключен к выходу блока 51 фиксации количества считанных элементов разрешения в текущей строке в качестве горизонтальной координаты маяка. Выход ключа 48, на котором формируется значение n_ψk(нр) горизонтальной координаты обнаруженного в данный момент маяка относительно начала развертки телевизионного сигнала, соединен с соответствующим входом блока 31 памяти и с первым входом блока 47 вычитания, второй вход которого через умножитель 30 (на 0,5) соединен с входом блока 16, на который поступает значение N_ψ количества элементов разрешения в строке телевизионной камеры. Выход блока 47 вычитания образует выход блока 16, на котором формируется значение n_ψk горизонтальной координаты k-го маяка (k=1, 2, 3), которая определяется как текущее количество элементов разрешения по горизонтали между центром кадра и k-м обнаруженным маяком.

На фиг.4 структурно-функциональной схемы блока 17 управления полем зрения обозначены:

54 - делитель,

55, 56 - умножители (×0,8),

57 - сумматор,

58, 59 - блоки вычитания,

60 - блок сравнения (≥),

61 - умножитель,

62 - переключатель,

63 - умножитель.

Входы блока 17, на которые поступают текущие значения n_ψ2 и n_ψ3 горизонтальных координат второго и третьего маяков, соединены с входами сумматора 57, выход которого подключен к первому входу блока 58 вычитания. Второй вход блока 58 вычитания соединен с выходом умножителя 55, вход которого образует вход блока 17, на который поступает значение N_ψ количества элементов разрешения в строке телевизионной камеры.

Вход блока 17, на который поступает значение N_υ количества элементов разрешения в столбце телевизионной камеры, соединен с входом делителя 54, выход которого через второй умножитель 56 соединен со вторым входом блока 59 вычитания, первый вход которого образует вход блока 17, на который поступает текущее значение n_υ1 вертикальной координаты первого маяка.

Выходы блоков 58 и 59 вычитания соединены соответственно с первым входом умножителя 61 и первым входом умножителя 63, а также соединены с первым и вторым входами блока 60 сравнения (≥), выход которого соединен с управляющим входом переключателя 62, а выход переключателя 62 образует выход блока 17, на котором формируется сигнал управления полем зрения телевизионной камеры. Вторые входы умножителей 61 и 63 соединены с входом блока 17, на который поступает значение k_foυ коэффициента передачи контура управления полем зрения, а выходы умножителей 61 и 63 соединены с соответствующими входами переключателя 62.

На фиг.5. структурно-функциональной схемы блока 18 определения направления на точку прицеливания обозначены:

64,…,69 - блоки вычитания,

70, 71 - сумматоры,

72, 73 - делители,

74, 75 - умножители.

Входы блока 18, на которые поступают значение угла зрения телевизионной камеры в вертикальной плоскости и значение N_υ количества элементов разрешения в столбце телевизионной камеры, соединены с входами делителя 72, выход которого соединен с первым входом умножителя 74.

Входы блока 18, на которые поступают текущие значения n_υ1, n_υ2, и n_υ3 вертикальных координат первого, второго и третьего маяков, соединены соответственно с первыми входами блоков 64, 65 и 66 вычитания, вторые входы которых соединены с входами блока 18, на которые поступают значения n_0υ1, n_0υ2, и n_0υ3 количества элементов разрешения по вертикали между центром кадра и теми же маяками в случае, когда центр треугольника, образованного маяками 11, 12 и 13 (точка прицеливания), находится точно в центре кадра телевизионной камеры. Выходы блоков 64, 65 и 66 вычитания соединены с входом сумматора 70, выход которого подключен ко второму входу умножителя 74, а выход умножителя образует выход блока 18, на котором формируется значение υ_ц угла наклона линии визирования точки прицеливания.

Входы блока 18, на которые поступают значение угла зрения телевизионной камеры в горизонтальной плоскости и значение N_ψ количества элементов разрешения в строке телевизионной камеры, соединены с входами делителя 73, выход которого соединен с первым входом умножителя 75.

Входы блока 18, на которые поступают текущие значения n_ψ1, n_ψ2, и n_ψ3 горизонтальных координат первого, второго и третьего маяков, соединены соответственно с первыми входами блоков 67, 68 и 69 вычитания, вторые входы которых соединены с входами блока 18, на которые поступают значения n_0ψ1, n_0ψ2, и n_0ψ3 количества элементов разрешения по горизонтали между центром кадра и теми же маяками в случае, когда центр треугольника, образованного маяками 11, 12 и 13, находится точно в центре кадра телевизионной камеры. Выходы блоков 64, 65 и 66 вычитания соединены с входом сумматора 71, выход которого соединен со вторым входом умножителя 75, а выход умножителя 75 образует выход блока 18, на котором формируется значение ψ_ц угла поворота линии визирования точки прицеливания.

Блок 19 определения дальности, структурно-функциональная схема которого приведена на фиг.6, содержит блок 76 вычитания, первый делитель 77, первый и второй умножители 78 и 79 и второй делитель 80.

Входы блока 19, на которые поступают значение угла зрения телевизионной камеры в горизонтальной плоскости и значение N_ψ количества элементов разрешения на строке телевизионной камеры, соединены соответственно с первым и вторым входами первого делителя 77, выход которого соединен с первым входом умножителя 79, второй вход которого соединен с выходом блока 76 вычитания, входы которого образуют входы блока 19, на которые поступают текущие значения n_ψ2 и n_ψ3 горизонтальных координат второго третьего маяков. Выход умножителя 79 подключен к первому входу делителя 80. Вход блока 19, на который поступает значение a ₁ расстояния вдоль кран-балки между вторым и третьим маяками, соединен с первым входом умножителя 78 (на 0,5), выход которого соединен со вторым входом второго делителя 80, а выход делителя 80 образует выход блока 19, на котором формируется значение D дальности до точки прицеливания захватного приспособления.

На фиг.7 структурно-функциональной схемы блока 20 определения параметров качки обозначены:

81 - умножитель,

82 - блок памяти,

83 - дифференциатор,

84 - таймер,

85 - детектор нуля,

86, 87 - ключи,

88 - блок вычитания,

89 - блок сравнения (≥),

90 - блок вычитания,

91, 92 - делители,

93 - умножитель,

94 - блок определения модуля,

95, 96 - ключи.

Входы блока 20 определения параметров качки, на которые поступают значение ψ_ц угла поворота линии визирования точки прицеливания и значение D дальности до точки прицеливания, соединены с входами умножителя 81, выход которого непосредственно соединен с первым входом ключа 86 и, через последовательно соединенные дифференциатор 83 и детектор 85 нуля соединен с его управляющим входом. Выход ключа 86, на котором формируется максимальное значение Z_{кч max i} величины бокового отклонения в текущем такте вычислений, соединен с соответствующим входом записи блока 82 памяти и с первым входом блока 88 вычитания, второй вход которого и второй вход ключа 86 соединены с выходом блока 82 памяти, с которого считывается максимальное значение величины бокового отклонения (Z_{кч max i-1}), определенное в предыдущем такте вычислений. Выход блока 88 вычитания соединен с входом делителя 92 (на 2), выход которого через блок 94 определения модуля соединен с первым входом ключа 95, второй вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а выход образует выход блока 20, на котором формируется значение А_кч амплитуды качки.

Управляющие входы ключей 95, 96 соединены с выходом блока 89 сравнения (≥2), вход которого соединен с выходом блока 82 памяти, с которого считывается значение i порядкового номера текущего такта вычислений.

К выходу детектора 85 нуля подключен также управляющий вход ключа 87, первый вход которого соединен с таймером 84, а выход, на котором формируется значение момента времени t_{max i}, в который боковое отклонение достигает максимальной величины, соединен с соответствующим входом записи блока 82 памяти и с первым входом блока 90 вычитания, второй вход которого и второй вход ключа 87 соединены с выходом блока 82 памяти, с которого считывается значение t_max.i-1. Выход блока 90 вычитания соединен с первым входом ключа 96, второй вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а выход образует выход блока 20, на котором формируется значение Т_кч периода качки.

Выход ключа 96 соединен также со вторым входом делителя 91, на первый вход которого подается значение величины 2π. Выход делителя 91 соединен с первым входом умножителя 93, второй вход которого соединен с выходом таймера 84, а выход образует выход блока 20, на котором формируется значение φ_кч фазы качки.

На фиг.8 структурно-функциональной схемы блок 21 коррекции направления на точку прицеливания обозначены:

97, 98 - блоки вычитания,

99 - функциональный блок,

100 - умножитель,

101 - делитель,

102 - сумматор.

Входы блока 21, на которые поступают значения угла рысканья ψ_А и угла тангажа υ_А БПЛА, соединены соответственно с первыми входами блоков 97, 98 вычитания, вторые входы которых соединены соответственно с входами блока 21, на которые поступают значения ψ_ц угла поворота и υ_ц угла наклона линии визирования точки прицеливания в системе координат, связанной с БПЛА. Выход первого блока 97 вычитания соединен с первым входом сумматора 102, а выход второго блока 98 вычитания и выход сумматора 102 образуют соответственно выходы блока 21, на которых формируются скорректированные значения угла наклона φ_ц-кор и угла поворота θ_ц.кор линии визирования точки прицеливания в стартовой (земной) системе координат.

Входы блока 21, на которые поступают значение V модуля скорости, значение Т_кч периода качки и значение D дальности, соединены с входами функционального блока 99, в котором вычисляется соотношение

,

а выход блока 99 соединен с первым входом умножителя 100, второй вход которого образует вход блока 21, на который поступает значение А_кч амплитуды качки. Выход умножителя 100 подключен к первому входу делителя 101, второй вход которого соединен с входом сигнала D дальности блока 21, а выход подключен ко второму входу сумматора 102.

На фиг.9 структурно-функциональной схемы блока 26 формирования сигналов управления положением БПЛА, обозначены:

103 - умножитель,

104 - сумматор,

105 - умножитель,

106 - блок вычитания,

107 - сумматор,

108 - блок вычитания,

109 - сумматор,

110, 111, 112 - умножители,

113 - сумматор,

114 - умножитель,

115 - сумматор.

Первый и второй входы умножителя 103 соединены с входами блока 26, на которые поступают значение ω_x угловой скорости крена БПЛА и значение коэффициента передачи контура управления по скорости крена. Первый и второй входы умножителя 105 соединены с входами блока 26, на которые поступают значение γ_A угла крена БПЛА и значение k_γ коэффициента передачи контура управления по углу крена. Выходы умножителей 103 и 105 соединены с входами сумматора 109, выход которого образует выход блока 26 по сигналу , величина которого пропорциональна углу отклонения элеронов БПЛА.

Первый и второй входы умножителя 110 соединены соответственно с входом блока 26, на который поступает значение k_ψ коэффициента передачи контура управления по углу рысканья, и с выходом блока 106 вычитания, первый вход которого соединен с входом блока 26, на который поступает значение ψ_A угла рысканья БПЛА. Второй вход блока 106 вычитания соединен с выходом сумматора 107, входы которого соединены с входами блока 26, на которые поступают значение β угла скольжения и скорректированное значение θ_{ц_кор} угла поворота линии визирования точки прицеливания в стартовой системе координат.

Первый и второй входы умножителя 111 соединены соответственно с входом блока 26, на который поступает значение k_υ коэффициента передачи контура управления по углу тангажа, и с выходом второго блока 108 вычитания, первый вход которого соединен с входом блока 26, на который поступает значение υ_A угла тангажа. Второй вход блока 108 вычитания соединен с выходом сумматора 104, входы которого соединены с входами блока 26, на которые поступают значение α угла скольжения и скорректированное значение φ_ц-кор угла наклона линии визирования точки прицеливания в земной системе координат.

Первый и второй входы умножителя 112 соединены с входами блока 26, на которые поступают значение ω_у угловой скорости рысканья БПЛА и значение коэффициента передачи контура управления по скорости рысканья. Выходы умножителей 110 и 112 соединены с входами сумматора 113, выход которого образует выход блока 26 по сигналу , величина которого пропорциональна углу отклонения рулей направления БПЛА.

Первый и второй входы умножителя 114 соединены с входами блока 26, на которые поступают значение ω_z угловой скорости тангажа БПЛА и значение коэффициента передачи контура управления по скорости тангажа. Выходы умножителей 111 и 114 соединены с входами сумматора 115, выход которого образует выход блока 26 по сигналу σ_B, величина которого пропорциональна углу отклонения рулей высоты БПЛА.

На фиг.10 приведена конструкция кран-балки 6 с захватным приспособлением 8.

Захватное приспособление 8 выполнено в виде разомкнутой рамы 116 из металлического профиля, на открытых концах которой закреплен трос 117, за который зацепляется карабин 5 БПЛА. По бокам рамы 116 установлены световые маяки 12 и 13, образующие основание группы маяков 11, 12, 13, на которую наводится БПЛА. Как показано на фиг.10, вершину треугольника образует проекция первого светового маяка 11, установленного на кронштейне 9, на плоскость кран-балки 6. Точка прицеливания захватного приспособления находится в геометрическом центре треугольника и расположена выше троса 117 захватного приспособления, т.к. телевизионная система 4 самонаведения расположена в носовой части (на уровне строительной оси) БПЛА, а карабин 5 выдвигается из нижней части фюзеляжа.

Стойка 7 кран-балки состоит из неподвижной части 118, жестко связанной с палубой судна, и поворотной части 119, на которой жестко закреплена кран-балка 6. Неподвижная и подвижная части 118, 119 стойки шарнирно связаны посредством подшипников 120. Внутри стойки установлено тормозное устройство, выполненное на основе гидро (пневмо)-цилиндра 121, который жестко закреплен на неподвижной части 118 стойки и связан с подвижной частью 119 посредством зубчатой передачи 122.

Автономная посадка БПЛА 1 на судно 2 осуществляется следующим образом.

На конечном участке траектории возвращения БПЛА к судну осуществляется самонаведение аппарата на захватное приспособление 8 судового посадочного оборудования. В процессе подготовки к приему БПЛА включают световые маяки 11,…,14 и выносят за борт судна захватное приспособление 8, разворачивая кран-балку 6 вокруг стойки 7 и устанавливая ее перпендикулярно борту судна. При этом световые маяки 11, 12 и 13, на которые БПЛА наводится с помощью телевизионной системы 4 самонаведения, образуют в поле зрения телевизионной камеры 15 изображение треугольника, в центре которого расположена точка прицеливания захватного приспособления (см. фиг.1, 10).

Световой маяк 14 используется для ориентации БПЛА на дальностях, при которых угловое разрешение маяков 12 и 13 неудовлетворительно для выработки сигналов, управляющих положением БПЛА.

В процессе наведения БПЛА в точку прицеливания захватного приспособления блок 16 обработки видеосигнала с заданной частотой синхронизации осуществляет обработку сигнала бортовой телевизионной камеры 15 и вычисляет текущие значения координат всех световых маяков в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Для этого из блока 22 памяти на вход блока 16 обработки видеосигнала поступают следующие величины (см. фиг.3):

- σ_ш - величина, определяющая среднее квадратичное отклонение амплитуды шума как 0.655σ_ш;

- Р_лт - заданное значение вероятности ложной тревоги. Задается малой величиной, например, 10^-5-10^-6;

- N_ψ - количество элементов разрешения на строке телевизионной камеры;

- N_ϑ - количество элементов разрешения в столбце телевизионной камеры.

Из телевизионной камеры 15 на вход блока 16 обработки видеосигнала поступают следующие данные:

- ss - сигнал синхронизации по строкам. Уровень сигнала синхронизации по строкам меняется с 0 на 1 в случае, когда количество опрошенных элементов разрешения видеосигнала совпадает с заданным количеством элементов разрешения на строке, т.е. при переходе к считыванию информации со следующей строки;

- vs - значение амплитуды сигнала опрашиваемого в данный момент элемента разрешения;

Логика работы блока 16 следующая.

С помощью таймера 45, ключа 44 и блока 38 вычитания определяют период генерации синхронизирующего сигнала ss. Для этого запоминают значения t_ss(i) текущего времени в момент выработки каждого i-го сигнала синхронизации. Период Т_ss определяют как разность между временем прихода текущего и предыдущего сигнала синхронизации: T_ss=t_ss(i)-t_ss(i-1). Значение T_ss доступно только после выработки хотя бы двух синхронизирующих сигналов ss, т.е. при i≥2. При соблюдении этого условия на выходе блока 39 сравнения формируется сигнал, поступающий на управляющий вход ключа 42, и сигнал T_ss проходит через ключ 42 на вход делителя 40, посредством которого и умножителя 41 определяют период опроса элементов разрешения: . Далее в соответствии с этим периодом в блоках 43, 46, организуется выработка сигнала cs, синхронизирующего опрос элементов разрешения, который поступает на управляющие входы ключей 50 и 52.

При наличии сигнала cs осуществляется считывание значения υs амплитуды опрашиваемого элемента разрешения, которое через ключ 50 поступает на первый вход блока 49 сравнения. Одновременно в счетчике 53 происходит увеличение на единицу значения j считанных элементов разрешения в строке, которое через ключ 52 поступает в блок 51 фиксации количества считанных элементов разрешения в текущей строке. При генерации следующего синхронизирующего сигнала ss происходит обнуление счетчика 53 (j=0), а значение i количества считанных строк в счетчике 32 строк увеличивается на единицу и через ключ 34 поступает в блок 33 фиксации считанных строк и обнаруженных маяков.

В блоке 49 сравнения считанное значение υs сравнивается с пороговым значением П, величина которого определяется в вычислителе 29 порога обнаружения в соответствии с критерием Неймана-Пирсона из решения интегрального уравнения:

,

где u_ш - амплитуда шума.

В случае, если υs≥П, считается, что обнаружен один из маяков. При этом выходной сигнал блока 49 сравнения поступает на управляющие входы ключей 35 и 48, через которые значения i и j, зафиксированные в блоках 33 и 51, поступают на входы блоков 37 и 47 вычитания в качестве вертикальной и горизонтальной координат обнаруженного маяка, определяемых количеством элементов разрешения относительно левого верхнего угла кадра телевизионного сигнала, а значение индекса k обнаруживаемого в данный момент маяка в блоке 33 фиксации считанных строк и обнаруженных маяков увеличивается на единицу.

В блоках 37 и 47 вычитания полученные координаты маяков преобразуются таким образом, чтобы начало отсчета располагалось в центре кадра:

;

k=1, 2, 3.

Вычисленные текущие значения вертикальных и горизонтальных координат наблюдаемых маяков, формируемые на выходах блоков 37 и 47 вычитания, поступают в блок 17 управления полем зрения, в блок 18 определения направления на точку прицеливания и в блок 19 определения дальности.

Блок 17 управления полем зрения (см. фиг.4) формирует сигнал σ_к, управления полем зрения телевизионной камеры, обеспечивающий повышение точности измерения координат наблюдаемых маяков путем минимизации рассогласования между текущим и максимальным значениями вертикальной координаты первого маяка и рассогласования между текущим и максимальным значениями расстояния между вторым и третьим маяками.

Логика работы блока 17 следующая.

Посредством делителя 54 и умножителя 56 вычисляется максимальное значение n_ϑmax для вертикальной координаты первого маяка 11 как 80% от половины количества элементов разрешения в столбце приемного устройства телевизионной камеры:

Посредством умножителя 55 вычисляется максимальное значение расстояния между вторым и третьим маяками 12 и 13 по горизонтали как 80% от количества элементов разрешения на строке телевизионной камеры:

n_ψmax=0,8N_ψ

В блоке 59 вычитания определяется отклонение текущего значения вертикальной координаты первого маяка 11 от ее максимального значения:

Δn_ϑ=n_ϑmах-n_ϑ1.

В блоке 58 вычитания определяется отклонение текущего значения расстояния между вторым и третьим маяками 12 и 13 по горизонтали от его максимального значения:

Δn_ψ=nψ_mах-(n_ψ2+n_ψ3).

Далее вычисляется сигнал управления полем зрения телевизионной камеры σ_k:

В блоке 18 определения направления на точку прицеливания (см. фиг.5) определяются углы наклона и поворота линии визирования точки прицеливания на основе расчета отклонения полученных из блока 16 координат световых маяков 11, 12, 13 от эталонных значений, соответствующих движению БПЛА по «идеальной» траектории, т.е. точно по направлению к точке прицеливания захватного приспособления. Эти эталонные значения n_0ψ1, n_0ψ2, n_0ψ3, n_0ϑ1, n_0ϑ2, n_0ϑ3 координат являются данными полетного задания, поступающими из блока 22 памяти.

Кроме этого, на входы блока 18 из блока 22 поступают значения N_ϑ и N_ψ количества элементов разрешения в столбце и на строке телевизионной камеры, а с выходов телевизионной камеры 15 поступают значения и углов зрения телевизионной камеры в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

При этом в блоках 67, 68 и 69 вычитания вычисляются величины рассогласования Δψ_i между текущими горизонтальными координатами n_ψ1, n_ψ2, n_ψ3 маяков 11, 12, 13, поступающими из блока 16, и поступающими из блока 22 памяти координатами n_0ψ1, n_0ψ2, n_0ψ3, соответствующими расположению центра треугольника маяков в поле зрения телевизионной камеры 15 точно по центру кадра:

Δ_ψi=n_ψi-n_0ψi, i=1, 2, 3.

Затем сумматор 71 вычисляет суммарное значение рассогласования по горизонтали Δψ:

Аналогично в блоках 64, 65, 66 вычисляются величины рассогласования Δϑ_i между текущими вертикальными координатами n_ϑ1, n_ϑ2, n_ϑ3 маяков 11, 12 и 13 и их координатами n_0ϑ1, n_0ϑ2, n_0ϑ3 при расположении центра треугольника маяков в поле зрения телевизионной камеры 15 точно по центру кадра:

Δϑ_i=n_ϑi-n_0ϑi, i=1, 2, 3.

Затем сумматор 70 вычисляет суммарное значение рассогласования по вертикали Δϑ:

Делитель 72 определяет угловой размер одного элемента разрешения в вертикальной плоскости ϑ_n:

,

а делитель 73 вычисляет величину углового размера одного элемента разрешения в горизонтальной плоскости ψ_n:

,

Далее на выходе умножителя 74 формируется значение ϑ_ц угла наклона линии визирования точки прицеливания в связанных с БПЛА координатах, которое определяется как:

ϑ_ц=Δϑ·ϑ_n,

а на выходе умножителя 75 формируется значение ψ_ц угла поворота линии визирования точки прицеливания в связанных с БПЛА координатах, которое определяется как:

ψ_ц=Δψ·ψ_n.

В блоке 19 определения дальности (см. фиг.6) на основе текущих значений горизонтальных координат маяков 12 и 13 осуществляется оценка дальности БПЛА.

Для этого из блока 22 памяти на входы блока 19 определения дальности поступают значение N_ψ количества элементов разрешения на строке телевизионной камеры и значение а ₁ расстояния вдоль кран-балки 6 между вторым и третьим маяками 12 и 13.

Из блока 16 обработки видеосигнала на вход блока 19 поступают текущие значения n_ψ2 и n_ψ3 количества элементов разрешения по горизонтали между центром кадра и маяком 12 и между центром кадра и маяком 13, а из телевизионной камеры 15 на вход блока поступает значение Θ_ψ, угла зрения телевизионной камеры в горизонтальной плоскости.

Делитель 77 блока 16 вычисляет угловой размер одного элемента разрешения в горизонтальной плоскости ψ_n:

Блок 76 вычитания вычисляет расстояние между маяками 12 и 13 по горизонтали как количество элементов разрешения Δn₂₃:

Δn₂₃=n_ψ2-n_ψ3.

Умножитель 79 вычисляет угловое расстояние между 2-ым и 3-им маяками по горизонтали:

Δψ₂₃=Δn₂₃ψ_n,

а затем делитель 80 вычисляет дальность до цели D, которая определяется соотношением:

.

По вычисленным значениям дальности D БПЛА и угла ψ_ц поворота линии визирования в блоке 20 определяются параметры качки судна (см. фиг.7).

Умножитель 81 вычисляет боковое отклонение ΔZ БПЛА от точки прицеливания, которое определяется соотношением:

ΔZ=ψ_цD.

Дифференциатор 83 вычисляет скорость изменения величины ΔZ бокового отклонения:

.

С помощью детектора 85 нуля и ключа 87 определяются моменты времени, в которые величина ΔZ достигает максимума:

t_max _i=t При , i=1,2,…

Здесь t - текущее время.

Текущее значение ΔZ_maxi величины бокового отклонения в момент t_{max i} которое формируется на выходе ключа 86, записывается в блок 82 памяти, а после определения следующего максимума считывается из памяти и поступает в блок 88 вычитания, где определяется разность между текущим и предыдущим максимальными значениями бокового отклонения.

Значение амплитуды качки А_кч формируется на выходе ключа 95 и определяется как:

, i=2, 3,…

Значение периода качки Т_кч формируется на выходе ключа 96 и определяется как:

T_кч=t_maxi-t_max(i-1), i=2,3,…

Значение фазы качки φ_кч формируется на выходе ключа 96 и определяется как:

.

На основе вычисленных значений параметров качки блок 21 коррекции направления на точку прицеливания осуществляет корректировку углов поворота и наклона линии визирования точки прицеливания с учетом бокового и вертикального отклонений захватного приспособления 8, обусловленных качкой (см. фиг.8).

Из навигационного устройства 23 системы 3 управления движением БПЛА на вход блока 21 коррекции направления на точку прицеливания поступают значения ϑ_А и ψ_А углов тангажа и рысканья БПЛА, из блока 25 расчета модуля скорости поступает значение V скорости БПЛА, из блока 19 определения дальности поступает значение D дальности до точки прицеливания, из блока 18 определения направления на точку прицеливания поступают значения ψ_ц и ϑ_ц углов поворота и наклона линии визирования точки прицеливания в координатах, связанных с БПЛА, а из блока 20 определения параметров качки поступают значения А_кч, Т_кч амплитуды и периода бортовой качки судна 2.

При этом блок 98 вычитания вычисляет значение φ_ц угла наклона линии визирования точки прицеливания в земной системе координат:

φ_ц=ϑ_А-ϑ_ц,

которое принимается за скорректированное значение φ_{ц кор} угла наклона линии визирования точки прицеливания в земной системе координат:

φ_ц.кор=φ_ц.

Блок 97 вычитания вычисляет значение θ_ц угла поворота линии визирования точки прицеливания в земной системе координат как:

θ_ц=ψ_А-ψ_ц.

С помощью функционального блока 99, умножителя 100 и делителя 101 вычисляется поправка Δθ_ц к углу θ_ц, обусловленная смещением точки прицеливания вследствие качки, величина которой определяется соотношением:

,

после чего сумматор 102 вычисляет скорректированное значение θ_{ц кор} угла поворота линии визирования точки прицеливания в земной системе координат:

θ_{ц_кор}=θ_ц+Δθ_ц.

Полученные на выходах блока 21 скорректированные значения θ_{ц_кор} и φ_{ц_кор} поступают соответственно на первый вход сумматора 107 и первый вход сумматора 104 в блоке 26 формирования сигналов управления положением БПЛА (см. фиг.9).

На второй вход сумматора 104 поступает значение α угла атаки, а на его выходе формируется программное значение угла тангажа:

ϑ_пр=φ_{ц_кор}+α.

На второй вход сумматора 107 поступает значение β угла скольжения, а его выходе формируется программное значение угла рысканья:

ψ_пр=θ_{ц_кор}+β.

Значение выходного сигнала σ_В, пропорционального углу отклонения рулей высоты, определяется соотношением:

σ_В=k_ϑ(ϑ_A-ϑ_пр)+k_ϑω_z.

Расчет этого значения производится следующим образом. В блоке 108 вычитания вычисляется разность между значением ϑ_A угла тангажа БПЛА, поступающим из навигационного устройства 23, и программным значением угла тангажа с выхода сумматора 104, затем эта разность умножается в умножителе 111 на значение k_ϑ коэффициента передачи контура управления по углу тангажа, поступающее из блока 22 памяти, после чего выходной сигнал умножителя 111 поступает на первый вход сумматора 115. На второй вход сумматора 115 поступает выходной сигнал умножителя 114, в котором вычисляется произведение величины ω_z угловой скорости тангажа, поступающей из навигационного устройства 23, на значение коэффициента передачи контура управления по скорости тангажа, поступающее из блока 22 памяти. Выход сумматора 115 образует выход блока 26 по сигналу σ_B.

Значение выходного сигнала σ_Н, пропорционального углу отклонения рулей направления, определяется соотношением:

σ_н=k_ψ(ψ_A-ψ_пр)+k_ψω_y.

Расчет этого значения производится следующим образом. В блоке 106 вычитания вычисляется разность между значением ψ_A угла рысканья БПЛА, поступающим из навигационного устройства 23, и программным значением угла рысканья с выхода сумматора 107, затем эта разность умножается в умножителе 110 на значение k_ψ коэффициента передачи контура управления по углу рысканья, поступающее из блока 22 памяти, после чего выходной сигнал умножителя 110 поступает на первый вход сумматора 113. На второй вход сумматора 113 поступает выходной сигнал умножителя 113, в котором вычисляется произведение величины ω_у угловой скорости рысканья, поступающей из навигационного устройства 23, на значение коэффициента передачи контура управления по скорости рысканья, поступающее из блока 22 памяти. Выход сумматора 113 образует выход блока 26 по сигналу σ_н.

Значение выходного сигнала σ_Э, пропорционального углу отклонения элеронов, определяется соотношением:

σ_Э=k_yγ+k_yω_x.

Расчет этого значения производится следующим образом. Умножитель 105 вычисляет произведение значения γ_A угла крена, поступающего из навигационного устройства 23, на значение k_y коэффициента передачи контура управления по углу крена, поступающее из блока 22 памяти, а умножитель 103 вычисляет произведение величины ω_x угловой скорости крена на значение коэффициента передачи контура управления по скорости крена. Затем сумматор 109 складывает значения, полученные на выходах умножителей 103 и 105. Выход сумматора 109 образует выход блока 26 по сигналу σ_Э.

Выходные сигналы блока 26 формирования сигналов управления пространственным положением БПЛА поступают на управляющие входы блока 27 рулевых приводов, которые разворачивают соответствующим образом рули 28 БПЛА.

Таким образом, при подлете БПЛА 1 к судну 2 обеспечивается непрерывная корректировка посадочной траектории БПЛА с учетом качки судна, за счет чего повышается точность наведения БПЛА в точку прицеливания захватного приспособления 8.

Перед заключительным этапом посадки из фюзеляжа БПЛА выдвигается карабин 5, который при пролете БПЛА над кран-балкой 6 зацепляется за трос 117, закрепленный на раме 116 захватного приспособления 8 (см. фиг.10). Затем двигатель БПЛА выключается, но прямолинейное движение аппарата еще продолжается, вследствие чего трос натягивается, балка 6 вместе с подвижной частью 119 стойки начинает разворачиваться и приводит в действие гидро-(пневмо) цилиндр 121 тормозного устройства, которое останавливает движение аппарата. После полной остановки кран-балку 6 разворачивают на палубу судна и снимают аппарат.

Таким образом, в процессе автономной посадки БПЛА на движущееся судно телевизионная система самонаведения БПЛА осуществляет оценку колебаний точки прицеливания захватного приспособления, обусловленных качкой судна, что позволяет прогнозировать величину смещения точки прицеливания в двух плоскостях, корректировать значения углов наклона и поворота линии визирования и, тем самым, более точно управлять пространственным положением БПЛА на заключительных этапах полета

Повышение точности наведения БПЛА на точку прицеливания обеспечивается также за счет управления полем зрения телевизионной камеры, обеспечивающего расположение наблюдаемых маяки на определенном расстоянии (10%) от краев зоны, видимой камерой, а также за счет привязки определяемых координат маяков к точке отсчета, расположенной в центре кадра изображения.

Кроме этого, наведение БПЛА в центр изображения геометрической фигуры позволяет разнести световые маяки в пространстве, в частности, выдвинуть первый маяк за пределы зоны торможения БПЛА, а физическую зону сцепления карабина БПЛА с захватным приспособлением разместить так, чтобы при промахе БПЛА маяки не были повреждены и был возможен повторный маневр захода на посадку.

Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемая система может быть изготовлена с учетом приведенного описания и чертежей на основе известных комплектующих изделий и технологического оборудования и использована для автономной посадки БПЛА на малотоннажное судно.

Источники информации

1. Патент РФ №2208555, МПК В64F 1/18, В64С 13/20, G08C 5/02, публикация 20.07.2003 г.

2. Патент КФ №2278060, B64F 1/100, B64F 1/18, публикация 20.05.2006 г.

3. Крейнович Я.Р., Соловьева В.В. Устройство для посадки БПЛА на малотоннажное судно. Сб. статей Вопросы проектирования БПЛА для экологического мониторинга. - С-Пб.: Балтийский государственный технический университет. - 2003 г., с.119-120, прототип.

Claims

Система автономной посадки беспилотного летающего аппарата (БПЛА) на движущееся судно, содержащая телевизионную систему самонаведения, связанную с системой управления движением БПЛА, и судовое посадочное оборудование, в состав которого входят захватное приспособление, установленное на выносном конце поворотной кран-балки, и световые маяки, отличающаяся тем, что в состав судового посадочного оборудования входят, по меньшей мере, три световых маяка, первый из которых установлен на кронштейне, стойка которого расположена за пределами зоны тормозного пути БПЛА и отнесена вдоль борта судна вперед относительно стойки кран-балки, на которой установлены второй и третий световые маяки, причем второй и третий световые маяки образуют основание равностороннего треугольника, вершиной которого является проекция первого светового маяка на вертикальную плоскость, проходящую через второй и третий световые маяки при установке кран-балки перпендикулярно борту судна, а в геометрическом центре этого треугольника расположена точка прицеливания, на которую БПЛА наводится посредством телевизионной системы самонаведения, которая содержит телевизионную камеру, блок управления полем зрения, выход которого соединен с управляющим входом телевизионной камеры, блок обработки видеосигнала, блок определения направления на точку прицеливания, блок определения дальности, блок определения параметров качки, блок памяти и блок коррекции направления на точку прицеливания, при этом выход блока определения дальности и выход блока определения направления на точку прицеливания, на котором формируется текущее значение угла поворота линии визирования точки прицеливания, соединены с соответствующими входами блока коррекции направления на точку прицеливания и блока определения параметров качки, выходы которого по сигналам текущих значений амплитуды и периода качки и выход блока определения направления на точку прицеливания, на котором формируется текущее значение угла наклона линии визирования точки прицеливания, соединены с соответствующими входами блока коррекции направления на точку прицеливания, входы которого по сигналам текущих значений углов рысканья и тангажа БПЛА соединены с соответствующими выходами навигационного устройства, входящего в состав системы управления движением БПЛА, которая содержит также блок расчета углов атаки и скольжения, блок определения модуля скорости и блок формирования сигналов управления положением БПЛА, выходы которого через блок рулевых приводов связаны с соответствующими входами блока рулей БПЛА, при этом входы блока формирования сигналов управления положением БПЛА, на которые поступают скорректированные значения углов поворота и наклона линии визирования точки прицеливания, соединены с соответствующими выходами блока коррекции направления на точку прицеливания, входы, на которые поступают значения коэффициентов передачи контуров управления по углам рысканья, тангажа и крена и значения коэффициентов передачи контуров управления скоростями рысканья, тангажа и крена, соединены с соответствующими выходами блока памяти, входы, на которые поступают текущие значения углов рысканья, тангажа и крена и текущие значения угловых скоростей рысканья, тангажа и крена БПЛА, соединены с соответствующими выходами навигационного устройства, а входы, на которые поступают текущие значения углов атаки и скольжения, соединены с выходами блока расчета углов атаки и скольжения, входы блока расчета модуля скорости соединены с выходами навигационного устройства, на которых формируются текущие значения продольной, вертикальной и боковой составляющих скорости БПЛА, а его выход соединен с соответствующими входами блока коррекции направления на точку прицеливания и блока расчета углов атаки и скольжения, входы которого по сигналам вертикальной и боковой составляющих скорости БПЛА соединены с выходами навигационного устройства, выход телевизионной камеры, на котором формируется текущее значение угла зрения телевизионной камеры в горизонтальной плоскости, соединен с соответствующими входами блока определения направления на точку прицеливания и блока определения дальности, выход, на котором формируется текущее значение угла зрения телевизионной камеры в вертикальной плоскости, соединен с соответствующим входом блока определения направления на точку прицеливания, а выходы телевизионной камеры, на которых формируются сигнал синхронизации по строкам и значение амплитуды опрашиваемого элемента разрешения, соединены с соответствующими входами блока обработки видеосигнала, выходы блока обработки видеосигнала, на которых формируются текущие значения вертикальной и горизонтальной координат первого, второго и третьего маяков, соединены с соответствующими входами блока определения направления на точку прицеливания, кроме этого, выход блока обработки видеосигнала, на котором формируется текущее значение вертикальной координаты первого маяка, соединен с соответствующим входом блока управления полем зрения, а выходы, на которых формируются текущие значения горизонтальных координат второго и третьего маяков, соединены с соответствующими входами блока определения дальности и блока управления полем зрения, выходы блока памяти, на которых формируются значения количества элементов разрешения по горизонтали и вертикали между центром кадра и каждым из маяков в случае, когда положение центра треугольника, образованного первым, вторым и третьим световыми маяками, совпадает с центром кадра телевизионной камеры, соединены с соответствующими входами блока определения направления на точку прицеливания, выходы, на которых формируются значения величин среднего квадратичного отклонения амплитуды шума и вероятности ложной тревоги, соединены с соответствующими входами блока обработки видеосигнала, выходы блока памяти, на которых формируются значения количества элементов разрешения в строке и столбце телевизионной камеры, соединены с соответствующими входами блока обработки видеосигнала и блока управления полем зрения, выход, на котором формируется значение коэффициента передачи контура управления полем зрения, соединен с соответствующим входом блока управления полем зрения, а выходы, на которых формируются значение расстояния вдоль кран-балки между вторым и третьим световыми маяками и значение количества элементов разрешения в строке телевизионной камеры, соединены с соответствующими входами блока определения дальности.