Система визуализации тренажера боевого летательного аппарата
Система визуализации тренажера боевого летательного аппарата относится к техническим средствам обучения и предназначена для использования в составе тренажера боевого летательного аппарата (истребитель, штурмовик, учебно-боевого самолет, боевой вертолет), оснащенного "индикатором на лобовом стекле". Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что в системе визуализации с проектором и экраном, вычислительной системой для генерации изображений внешней визуальной обстановки и "индикатором на лобовом стекле", включающем электронно-лучевую трубку, сетку, коллиматорную головку и два установленных один над другим светоделителя, в "индикатор на лобовом" стекле введена рассеивающая линза, установленная сверху на оправу коллиматорной головки и зафиксированная на ней скобой, причем часть линзы срезана под углом к оптической оси, верхний и нижний светоделители отклонены от штатного положения на некоторые малые углы так, что плоскости их становятся непараллельными одна другой и кроме того.введены генератор символов, блок синхронизации и коммутации и блок питания низковольтный, первый вход "индикатора на лобовом стекле" соединен с выходом блока питания низковольтного, вход которого соединен с системой имитации бортового питания тренажера, второй вход "индикатора на лобовом стекле" соединен с выходом блока синхронизации и коммутации, вход которого соединен с выходом генератора символов, своим входом соединенного через адаптер интерфейсов с первым выходом вычислительного комплекса тренажера, второй выход вычислительного комплекса тренажера соединен со входом вычислительной системы для генерации изображений внешней визуальной обстановки, выход которой соединен с проектором, проецирующим изображение на экран, а к входу вычислительной системы тренажера подключены выходы органов управления кабины тренажера. Штатная сетка заменена на тренажерную сетку, отличающуюся от штатной линейными размерами, а на обратные стороны светоделителей нанесены просветляющие покрытия.
Предлагаемая полезная модель относится к техническим средствам обучения и может быть применена в тренажере боевого летательного аппарата (истребитель, штурмовик, учебно-боевой самолет, боевой вертолет), оснащенного "индикатором на лобовом стекле".
Известен пилотажный стенд для отработки информационно-управляющего поля кабины перспективных истребителей, изготовленный в 2001 г. по заказу ОКБ Сухого (см. Д.Н.Левин, М.Г.Шапиро Опыт использования пилотажного стенда в интересах отработки управляющего поля кабины перспективного истребителя. Сборник докладов второй научно-технической конференции "Тренажерные технологии и обучение: новые подходы и задачи", Центральный аэрогидродинамический институт им профессора Н.Е.Жуковского, 24, 25 апреля 2003 г., г. Жуковский Московской обл., стр.139-143). В системе визуализации стенда использованы многоканальная проекция изображений визуальной обстановки на цилиндрический экран и "индикатор на лобовом стекле", используемый, как габаритно-весовой макет. При этом вся пилотажно-навигационная и прицельная информация накладывается на изображение внешней визуальной обстановки и они вместе проецируются на экран, а пилот смотрит на экран сквозь светоделительные пластины "индикатора на лобовом стекле".
Недостатком системы визуализации, построенной таким образом, является то, что пилоту не нужно «ловить» одним глазом выходной зрачок оптики, что существенно облегчает его работу при операциях прицеливания и снижает уровень тренированности после обучения на таком тренажере.
Известна система визуализации для стенда моделирования с обзорно-прицельным устройством (см. патент RU 2202829 МПК: G 09 В 9/00, 9/30), включающая экраны широкого и узкого полей и средства создания изображений, а также расположенные между оператором и экраном узкого поля ИЛС ("индикатор на лобовом стекле") и коллимационную оптику. Средства создания изображений включают также направленные на экраны проекторы. Технический результат - исключение параллакса между метками ИЛС и визуализируемыми образами на экране узкого поля.
Недостатком указанной системы является необходимость переаккомодации зрения оператора с бесконечности на конечное расстояние всякий раз, как оператору необходимо увидеть что-то в закабинном пространстве за пределами поля обзора ИЛС. Это создает дополнительную нагрузку на зрительный аппарат пилота во время тренировок, не являющуюся полезной, поскольку при пилотировании реальных летательных аппаратов переаккомодации зрения при обзоре боковой визуальной обстановки не требуется. В реальных условиях такая переаккомодация имеет
место только тогда, когда оператор переводит взгляд с закабинного пространства внутрь кабины (например, на приборы).
Перед авторами стояла задача обеспечить использование в тренажере реально работающего ИЛС и одновременно обеспечить воспроизведение информации ИЛС в плоскости экрана системы визуализации, а не в бесконечности.
В предлагаемой полезной модели эта задача решена за счет того, что в системе визуализации с проектором и экраном, вычислительной системой для генерации изображений внешней визуальной обстановки и "индикатором на лобовом стекле", включающем электронно-лучевую трубку, сетку, коллиматорную головку и два установленных один над другим светоделителя, в "индикатор на лобовом стекле" введена рассеивающая линза, установленная сверху на оправу коллиматорной головки и зафиксированная на ней скобой, причем часть линзы срезана под углом к оптической оси, а верхний и нижний светоделители отклонены от штатного положения на некоторые малые углы так, что плоскости их становятся непараллельными одна другой, кроме того, введены генератор символов, блок синхронизации и коммутации и блок питания низковольтный, первый вход "индикатора на лобовом стекле" соединен с выходом блока питания низковольтного, вход которого соединен с системой имитации бортового питания тренажера, второй вход "индикатора на лобовом стекле" соединен с выходом блока синхронизации и коммутации, вход которого соединен с выходом генератора символов, своим входом соединенного через адаптер интерфейсов с первым выходом вычислительного комплекса тренажера, второй выход которого соединен со входом вычислительной системы для генерации изображений внешней визуальной обстановки, выход которой соединен с проектором, проецирующим изображение на экран, а к входу вычислительной системы тренажера подключены выходы органов управления кабины тренажера. Причем, штатная сетка заменена на тренажерную, отличающаяся от штатной линейными размерами, а на обратные стороны светоделителей нанесены просветляющие покрытия.
Предлагаемая система визуализации тренажера боевого летательного аппарата обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для систем визуализации подобного назначения. Сущность полезной модели поясняется рисунками на фиг.1-7. На фиг.1 представлена структурная схема тренажера в части воспроизведения в выходном зрачке ИЛС пилотажно-навигационной и прицельной информации, а также внешней визуальной обстановки на экране системы визуализации;
на фиг.2 - схема расположения оптических компонент штатного ИЛС;
на фиг.3 - упрощенная оптическая схема коллиматорной головки ИЛС;
на фиг.4 - упрощенная схема оптической системы, обеспечивающей расположение плоскости прямого мнимого изображения у' предмета у относительно выходного зрачка оптики на требуемом удалении 1р.
на фиг.5 - чертеж установки рассеивающей линзы на коллиматорную головку ИЛС;
на фиг.6 - фотография ИЛС на рабочем столике перед экраном с изображением внешней визуальной обстановки, включающим изображение цели;
на фиг.7 - фотография того же изображения, сделанного из выходного зрачка ИЛС. На снимке присутствуют символы пилотажно-навигационной информации, изображение цели накрыто прицельной маркой. Все изображения расположены в одной плоскости - плоскости экрана.
На фиг.1 изображено: система визуализации 1, экран 2, проектор 3, вычислительная система для генерации изображения внешней визуальной обстановки 4, "индикатор на лобовом стекле" 5 (ИЛС), оператор 6, блок питания низковольтный 7, блок синхронизации и коммутации 8, генератор символов 9, органы управления кабины тренажера 10, вычислительный комплекс тренажера 11, адаптер интерфейсов 12, система имитации бортового питания 13. Проектор 3 подключен к выходу вычислительной системы для генерации изображения внешней визуальной обстановки 4, соединенной своим входом со вторым выходом вычислительного комплекса тренажера 11; к первому входу ИЛС 5 подключен выход блока питания низковольтного 7, подключенного своим входом к выходу системы имитации бортового питания 13 тренажера; ко второму входу ИЛС подключен выход блока синхронизации и коммутации 8, подключенного своим входом к выходу генератора символов 9, который своим входом соединен через адаптер интерфейсов 12 к первому выходу вычислительной системы тренажера 11, а к входу ее подключены органы управления кабины тренажера 12.
Оптика штатного ИЛС, как показано на фиг.2, включает установленные параллельно один другому на разной высоте светоделители 14 и 15, коллиматорную головку 16 и зеркало полного отражения 18. Предметом для коллиматорной головки 16 является, в зависимости от режима работы, плоскость изображения на экране электронно-лучевой трубки 19, или плоскость сетки 17с выполненными на ней и подсвеченными оцифрованной шкалой и прицельными перекрестиями. Плоскость предмета А пересекает оптическую ось коллиматорной головки 16 в точке F переднего фокуса, как показано на фиг.3, поэтому коллиматорная головка 16 обеспечивает после себя параллельный ход лучей и оператор видит все изображения шкал, меток, сеток, надписи и пр. спроецированными на бесконечно удаленную плоскость. Поскольку экран 2 удален относительно глаз оператора на конечное расстояние, это не позволяет оператору видеть отчетливо одновременно и изображение внешней визуальной обстановки на экране 2, и информацию в выходном зрачке ИЛС.
Если в оптической системе, представленной на фиг.3, уменьшить отрезок "минус а" между плоскостью НН' оптики и плоскостью предмета AF, то ход лучей после коллиматорной головки вместо параллельного станет расходящимся, а плоскость, в которой строится прямое мнимое изображение
у' предмета у, приблизится к выходному зрачку оптики на конечное расстояние 1р, как показано на фиг.4.
Аналогичный результат может быть получен, если не уменьшать отрезок "минус а", а увеличивать фокусное расстояние f оптики, дополняя коллиматорную головку рассеивающей линзой. Например, для того, чтобы плоскость видимых в выходном зрачке ИЛС изображений шкал, меток, марок и пр. располагалась в тренажере на удалении 3,73 м от выходного зрачка ИЛС, потребовалось дополнить коллиматорную головку линзой минус 0,28 дптр., как показано на фиг.5.
Линза 20- отрицательный мениск со световым диаметром 130 мм и толщиной на оси 9,4 мм, имеет специальную форму, устанавливается на наружной поверхности оправы 22 коллиматорной головки, центрируется относительно оправы и, одновременно, фиксируется скобой 23 с тремя резиновыми прокладками.
На выходе штатного ИЛС, как показано на фиг.2, установлены параллельно один другому два смещенные по высоте светоделителя 14 и 15 (плоско-параллельные стеклянные пластины со светоделительным покрытием) для того, чтобы расширить поле обзора по вертикали и материализовать плоскость, в которой должны находиться глаза пилота при работе с ИЛС.
При рассматривании через штатный ИЛС в параллельных световых пучках изображения, например, сетки, угловая высота которой велика, верхняя и нижняя части изображения сливаются для оператора в единое изображение. Но при рассматривании этого же изображения в расходящихся пучках, что имеет место при дополнении коллиматорной головки рассеивающей линзой, верхняя и нижняя части ранее единого изображения расходятся по вертикали.
Для того, чтобы устранить этот недостаток, а также сохранить неизменным расположение линии визирования ИЛС относительно плоскости, проходящей через верхнюю границу светоделительного покрытия нижнего светоделителя 15 и нижнюю границу верхнего светоделителя 14, приходится нижний и верхний светоделители отклонять от их штатного положения на некоторые малые углы, сделав их непараллельными друг другу. Методика выполнения этой процедуры и методика расчета рассеивающей линзы составляют "ноу-хау" заявителей.
Поскольку обратные поверхности светоделителей 14 и 15 также обладают отражательной способностью, то при работе в расходящихся световых пучках, это вызывает появление второго изображения меньшей, чем у основного, яркости (блик). Для уменьшения яркости бликов на обратные стороны светоделителей наносится просветляющее покрытие.
Дополнение коллиматорной головки 16 рассеивающей линзой 20 уменьшает поперечное увеличение оптической системы и, значит, видимые угловые размеры изображений в выходном зрачке по сравнению со штатными. Например, дополнение коллиматорной головки 16 линзой минус 0,28 дптр. привело к уменьшению поперечного увеличения на 18,89%. Для
того. чтобы компенсировать уменьшение видимых угловых размеров сетки 17, штатная сетка ИЛС заменяется на тренажерную, отличающуюся от штатной линейными размерами. Уменьшение видимых размеров изображений, источником которых является электронно-лучевая трубка 19, компенсируется следующим образом.
Как показано на фиг.1, в заявляемой полезной модели использованы три блока: генератор символов 9; блок синхронизации и коммутации 8 и блок питания низковольтный 7. Это - блоки из состава штатного оборудования, обеспечивающего работу ИЛС на борту летательного аппарата, где на вход генератора символов от бортового цифрового вычислительного комплекса (БЦВК) поступают команды, в которых описаны, в том числе, линейные размеры элементов изображения.
В тренажерах работа БЦВК (как правило, их несколько) летательного аппарата ввиду большой стоимости БЦВК и сложности сопряжения их с вычислительной техникой тренажера обычно эмулируется с помощью программного обеспечения электронных вычислительных машин общего назначения, входящих в вычислительный комплекс тренажера. Поэтому становится возможной программная модификация команд, поступающих на вход генератора символов 9 через адаптер интерфейсов 12 от вычислительного комплекса 11 тренажера, где специальная программа эмулирует команды БЦВК летательного аппарата (в отличие от ситуации, когда в состав вычислительного комплекса тренажера был бы включен штатный БЦВК, программное обеспечение которого аппаратно занесено в микросхемы постоянной памяти, и, вследствие этого, гибкому изменению не подлежит). Уменьшение видимых размеров изображений можно скомпенсировать модификацией полей данных тех команд, подаваемых на вход генератора символов ГС, в которых описаны линейные размеры элементов изображения.
Система визуализации работает следующим образом. Питающие напряжения от системы имитации бортового питания 13 через блок питания низковольтный 7 подаются на первый вход ИЛС 5, на вход генератора символов 9 через разработанный специально для этого адаптер интерфейсов 12 поступает информация от вычислительного комплекса 11 тренажера о расположении и численном наполнении меток и шкал ИЛС 5, с выхода генератора символов 9 на вход блока синхронизации и коммутации 8 поступают сигналы управления изображением ИЛС 5, которые передаются с выхода блока синхронизации и коммутации 8 на второй вход ИЛС 5. Изображения, воспроизводимые при этом на экране электронно-лучевой трубки 19 ИЛС 5, являются предметом для эквивалентной оптической системы, включающей коллиматорную головку 16 и рассеивающую линзу 20, установленную на оправе последней и зафиксированную скобой 23, как показано на фиг.5. Взаимное расположение плоскости предмета и переднего фокуса эквивалентной оптической системы обеспечивает требуемое расположение плоскости прямого мнимого изображения предмета
относительно плоскости выходного зрачка оптики, показанное на фиг.З, когда это изображение совмещено с плоскостью экрана 2.
Внешняя визуальная обстановка, определяемая положением и динамикой летательного аппарата и цели в виртуальном пространстве, моделируемыми вычислительным комплексом 11 тренажера, генерируется вычислительной системой 4 и проецируется на экран 2 проектором 3. Несмотря на то, что ход лучей в выходном зрачке ИЛС 5 не параллельный, а расходящийся, верхняя и нижняя части изображения, строящиеся через верхний и нижний светоделители 14 и 15 ИЛС 5, сливаются в единое изображение, поскольку верхний 14 и нижний 15 светоделители ИЛС 5 отклонены от штатного положения на некоторые малые углы и не параллельны один другому. Адекватность размеров и положения в поле зрения ИЛС 5 изображения сетки ^обеспечивается заменой штатной сетки ИЛС (см. фиг.2) сеткой тренажерной, отличающейся от штатной линейными размерами. Адекватность размеров и положений в поле зрения ИЛС 5 видимых изображений, воспроизводимых электронно-лучевой трубкой 19, обеспечивается следующим образом.
Команды, поступающие в реальных условиях на вход генератора символов от бортового цифрового вычислительного комплекса летательного аппарата, эмулируются в тренажере работой специальной программы в одном из компьютеров вычислительного комплекса 11 тренажера, при этом они модифицированы программно для того, чтобы компенсировать уменьшение поперечного увеличения эквивалентной оптической системы "рассеивающая линза - коллиматорная головка" по сравнению с коллиматорной головкой 16. В результате этого пилотажно-навигационная и прицельная информация, адекватная штатной, воспроизводится оператору в штатно расположенном и имеющем штатный диаметр выходном зрачке оптики и при этом плоскость воспроизводимых через "индикатор на лобовом стекле" изображений совмещается не с бесконечностью, а с плоскостью экрана системы визуализации. Таким образом, изображение в поле ИЛС и за пределами его находится в одной плоскости и переаккомодации зрения оператора при выходе за границы поля ИЛС не требуется.
Предлагаемая система визуализации реализована в ходе создания тренажера вертолета Ка-50 и готовится к проведению предварительных испытаний в составе тренажера.
Таким образом, предлагаемая система визуализации может быть изготовлена и применена в тренажере летательного аппарата, оснащенного ИЛС, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «промышленная применимость».
1. Система визуализации тренажера боевого летательного аппарата, включающая проектор и экран, вычислительную систему для генерации изображений внешней визуальной обстановки и "индикатор на лобовом стекле", включающий электронно-лучевую трубку, сетку, коллиматорную головку и два установленных один над другим светоделителя, отличающаяся тем, что в "индикатор на лобовом стекле" введена рассеивающая линза, установленная сверху на оправу коллиматорной головки и зафиксированная на ней скобой, причем часть линзы срезана под углом к оптической оси, а верхний и нижний светоделители отклонены от штатного положения на некоторые малые углы так, что плоскости их становятся непараллельными одна другой; кроме того, введены генератор символов, блок синхронизации и коммутации и блок питания низковольтный, первый вход "индикатора на лобовом стекле" соединен с выходом блока питания низковольтного, вход которого соединен с системой имитации бортового питания тренажера, второй вход "индикатора на лобовом стекле" соединен с выходом блока синхронизации и коммутации, вход которого соединен с выходом генератора символов, своим входом соединенного через адаптер интерфейсов с первым выходом вычислительного комплекса тренажера; второй выход вычислительного комплекса тренажера соединен со входом вычислительной системы для генерации изображений внешней визуальной обстановки, выход которой соединен с проектором, проецирующим изображение на экран, а ко входу вычислительного комплекса тренажера подключены выходы органов управления кабины тренажера.
2. Система визуализации по п.1, отличающаяся тем, что штатная сетка выполнена в виде тренажерной, которая отличается от штатной линейными размерами.
3. Система визуализации по п.1, отличающаяся тем, что на обратные стороны светоделителей нанесены просветляющие покрытия.
