СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ
VISUAL DISPLAY SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области космической тренажерной техники, в частности к устройствам имитации внешней визуальной обстановки в полях зрения оптического визира ВСК (визира специального космического), входящего в состав бортовых средств отечественных пилотируемых космических кораблей, и может найти применение в космических моделирующих стендах и тренажерах.
Известна по материалам журнала «Авиация и космонавтика», 1999 г., №4, стр.27-28 система визуализации [1], имитирующая внешнюю визуальную обстановку в полях зрения визира ВСК (имитатор ИВО ВСК).
Она содержит в своем составе имитатор визира ВСК, который выполнен в виде двухканальной проекционной оптической системы, имеющей лицевой выходной экран наблюдения, состоящий из центральной зоны наблюдения, имитирующей центральную зону наблюдения штатного визира, и восьми периферийных зон наблюдения, равномерно распределенных вокруг центральной зоны, и имитирующих периферийные зоны наблюдения штатного визира.
На центральную зону наблюдения выходного экрана проецируется с помощью оптической системы центрального канала визира, расположенной по оси визира, изображение с входного просветного экрана центрального канала, установленного в плоскости предметов оптической системы центрального канала визира.
На периферийные зоны наблюдения выходного экрана проецируется с помощью восьми одинаковых и симметрично расположенных относительно оси визира оптических систем периферийного канала визира, изображение с восьми входных просветных экранов периферийного канала, установленных в плоскости предметов соответствующей оптической системы периферийного канала визира.
Выходной экран, оптические системы и просветные экраны конструктивно расположены в светонепроницаемом цилиндрическом корпусе и имитируют внутрикабинную часть визира ВСК.
На просветные экраны периферийного канала имитатора визира проецируется с помощью оптического устройства сопряжения периферийного канала и видеопроектора периферийного канала, которые установлены последовательно по оптической оси имитатора визира ВСК, компьютерное изображение внешней визуальной обстановки, формируемое генератором изображения периферийного канала, выход которого электрически подключен к входу видеопроектора периферийного канала, а вход - к моделирующей вычислительной системе.
На просветный экран центрального канала имитатора визира проецируется с помощью зеркала полного отражения, поворачивающего ось проекции на 90 градусов, оптического устройства сопряжения центрального канала и видеопроектора центрального канала, которые установлены последовательно по оптической оси имитатора визира ВСК, компьютерное изображение внешней визуальной обстановки, формируемое генератором изображения центрального канала, выход которого электрически подключен к входу видеопроектора центрального канала, а вход - к моделирующей вычислительной системе.
Видеопроекторы, оптические устройства сопряжения, зеркало поворота оптической оси проекции на 90 градусов и цилиндрический корпус, с расположенными во внутреннем его пространстве выходным экраном, объективами и просветными экранами, конструктивно установлены на единой платформе и образуют имитатор визуальной обстановки ИВО ВСК.
За счет консольного крепления цилиндрического корпуса имитатора визира к платформе, он имеет возможность устанавливаться внутри макета кабины космического корабля на штатном месте кабинной части штатного визира.
Имитатор ИВО ВСК при совместной работе с вычислительной системой стенда, моделирующей динамику движения космического корабля и орбитальной станции, обеспечивает на тренажере в достаточном объеме имитацию внешней визуальной обстановки при моделировании ориентации космического корабля относительно Земли и орбитальной станции, а также сближение и стыковку с орбитальной станцией, при этом полностью имитируется штатная работа визира ВСК (работа его органов ручного управления на лицевой кабинной части) за исключением этапа сближения и стыковки с орбитальной станцией с расстояний до нее от 25 метров и ближе.
В реальных условиях в исходном состоянии оптическая система центрального канала штатного визира ВСК сфокусирована на бесконечность и имеет фиксированные параметры. При этом выходной экран штатного визира, размещенный в подвесе и имеющий возможность линейного перемещения вдоль оптической оси визира, устанавливается космонавтом вручную с помощью многооборотной ручки управления, расположенной на лицевой панели визира, в крайнее положение - введенное в глубину визира, и соответствующее фокусировке визира ВСК на бесконечность. И при выполнении ориентации оси X корабля «СОЮЗ ТМА» и, соответственно визира ВСК, на орбитальную станцию на этапах поиска и сближения с ней, изображение орбитальной станции наблюдается на лицевом экране визира четким («сфокусированным»).
При сближении с орбитальной станцией с расстояния 25 м и ближе на экране визира ВСК наблюдается расфокусировка изображения орбитальной станции, и космонавт в ответ на это начинает вращать многооборотную ручку управления механизмом продольного перемещения экрана визира и выводит экран из глубины визира в направление на себя до момента получения на экране четкого (резкого) изображения.
Процесс постоянной ручной подфокусировки изображения с помощью перемещения выходного экрана идет до момента стыковки.
Выполнение ручной подфокусировки требует определенного профессионализма и навыков и очень важно в реальном полете, поэтому при подготовке космонавтов на тренажере необходимо их обучать этому процессу.
Недостаток известной системы визуализации [1] устраняет система визуализации [2] по патенту RU 2325706 C1 от 13.10.2006 г. (МПК G09B 9/08). Она обеспечивает имитацию режима работы обучаемого экипажа по выполнению операций фокусировки наблюдаемого изображения на экране имитатора визира ВСК на этапах сближения и стыковки с орбитальной станцией на самом ответственном и опасном участке с расстояний до нее от 25 метров и ближе.
Этот результат достигается за счет того, что согласно изобретению [2], система визуализации содержит выходной экран имитатора визира с подвесом линейного перемещения и датчиком контроля его продольного положения, оптически сопряженный с двумя параллельными оптико-проекционными системами, первая из которых - система центрального канала содержит последовательно установленные по оптической оси имитатора визира оптическую систему, просветный экран, отражающее зеркало поворота оптической оси проекции на 90 градусов, оптическое устройство сопряжения, видеопроектор, проецирующий изображение визуальной обстановки на просветный экран, и электрически связанный с генератором изображения центрального канала, а вторая система периферийного канала содержит последовательно установленные по оптической оси имитатора визира восемь оптических систем, равномерно расположенных вокруг оптической системы центрального канала, восемь просветных экранов, оптическое устройство сопряжения, видеопроектор, проецирующий изображение визуальной обстановки на просветные экраны, и электрически связанный с генератором изображения периферийного канала, причем просветный экран центрального канала имитатора, зеркало поворота оптической оси проекции на 90 градусов, оптическое устройство сопряжения центрального канала и видеопроектор центрального канала размещены на дополнительной установочной плате, имеющей возможность линейного перемещения параллельно оптической оси имитатора визира ВСК с помощью дополнительно введенного следящего привода, и, кроме того, в систему визуализации дополнительно введены блок управления приводом, цифроаналоговый преобразователь, блок моделирования режима расфокусировки, блок моделирования параметров сближения и стыковки, блок управления генераторами изображения, аналого-цифровой преобразователь, блок анализа положения экрана имитатора визира, причем выход блока управления приводом подключен к входу привода, а вход блока управления приводом к выходу цифроаналогового преобразователя, вход цифроаналогового преобразователя подключен к выходу блока моделирования режима расфокусировки, первый вход блока моделирования режима расфокусировки подключен к первому выходу блока моделирования параметров сближения и стыковки, второй выход блока моделирования параметров сближения и стыковки подключен к входу блока управления генераторами изображения, первый выход блока управления генераторами изображения подключен к входу генератора изображения периферийного канала, а второй выход блока управления генераторами изображения подключен к входу генератора изображения центрального канала, выход датчика положения выходного экрана подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу блока анализа положения экрана, выход блока анализа положения экрана подключен к второму входу блока моделирования параметров сближения и стыковки.
В этой известной системе визуализации [2] при моделировании сближения и стыковки с орбитальной станцией с расстояний до нее 25 метров и ближе дополнительная установочная плата с размещенными на ней просветным экраном центрального канала, зеркалом поворота оптической оси проекции на 90 градусов, оптическим устройством сопряжения центрального канала и видеопроектором центрального канала линейно перемещается параллельно оптической оси имитатора визира ВСК в направлении к выходному экрану имитатора визира с помощью следящего привода по сигналам управления от блока моделирования режима расфокусировки. Из-за этого происходит расфокусировка изображения орбитальной станции на выходном экране имитатора визира. Для устранения этого обучаемый космонавт также, как и в реальных условиях, начинает вращать многооборотную ручку продольного перемещения выходного экрана и выводит экран из глубины визира в направлении на себя до момента получения на выходном экране четкого (резкого) изображения орбитальной станции. И также, как и в реальных условиях, процесс постоянного подфокусирования изображения с помощью перемещения выходного экрана идет до момента стыковки.
Но у известной системы визуализации [2] имеются существенные недостатки. Эта система визуализации получилась сложной по своим конструктивным признакам. Она содержит два видеопроектора, два устройства оптического сопряжения и отражающее зеркало поворота оптической оси проекции на 90 градусов. И соответственно стоимость ее также существенно большая.
Но известная система визуализации [2] по своему функциональному назначению, по характеристикам выходного изображения и по общим признакам (выходной экран имитатора визира с подвесом линейного перемещения и датчиком контроля его положения, оптически сопряженный с двумя параллельными оптическими системами, первая из которых - система центрального канала содержит последовательно установленные по оптической оси имитатора визира оптическую систему и просветный экран, а вторая - система периферийного канала содержит последовательно установленные по оптической оси имитатора визира восемь оптических систем, равномерно расположенных вокруг оптической системы центрального канала, и восемь просветных экранов, а также установочную плату, имеющую возможность линейного перемещения параллельно оптической оси имитатора визира, привод, блок управления приводом, цифроаналоговый преобразователь, блок моделирования режима расфокусировки, блок моделирования параметров сближения и стыковки, блок управления генераторами изображения, генератор изображения центрального канала, генератор изображения периферийного канала, оптическое устройство сопряжения, видеопроектор, аналого-цифровой преобразователь, блок анализа положения выходного экрана имитатора визира) наиболее близко подходит в качестве прототипа к предлагаемому изобретению, поэтому авторы выбрали ее за прототип.
Предлагаемое изобретение устраняет недостаток известной системы визуализации [2]. Оно существенно проще ее по своим конструктивным признакам и дешевле ее. При этом оно сохраняет объем и качество имитируемой визуальной обстановки и обеспечивает имитацию режима работы обучаемого экипажа по выполнению операции фокусировки наблюдаемого изображения на экране имитатора визира ВСК на этапах - сближения и стыковки с орбитальной станцией с расстояний до нее от 25 м и ближе.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом изобретении используется один видеопроектор и для проекции изображения на просветные экраны используется один проекционный канал.
А это, в свою очередь, достигается тем, что в предлагаемое изобретение дополнительно введен блок сложения изображений от генератора изображения центрального канала и от генератора изображения периферийного канала, на выходе которого формируется один компьютерный сигнал с суммированным изображением центрального и периферийного каналов.
Этот сигнал подается на компьютерный вход одного видеопроектора. И далее с помощью одного устройства оптического сопряжения изображение с видеопроектора проецируется на просветные экраны центрального и периферийного каналов, размещенные в одной плоскости, перпендикулярной оптической оси имитатора визира. При этом просветные экраны имитатора визира, оптическое устройство сопряжения и видеопроектор размещены последовательно по оптической оси имитатора визира на установочной плате, имеющей возможность линейного перемещения параллельно оптической оси имитатора визира с помощью следящего привода.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведена блок-схема системы визуализации. На фиг.2 приведена оптическая схема системы визуализации.
На основании 1 консольно установлен светонепроницаемый цилиндрический корпус 2, который имитирует кабинную часть визира ВСК. В корпусе 2 с лицевой стороны (напротив оператора) установлен в подвесе 3, имеющем возможность продольного перемещения, выходной экран 4, центральная зона которого имитирует центральную зону штатного визира ВСК, а восемь периферийных зон, равномерно распределенных вокруг центральной зоны, имитируют периферийные зоны штатного визира ВСК, при этом внешний вид экрана 4 и характеристики его полностью соответствуют экрану штатного визира ВСК.
За выходным экраном 4 по оптической оси имитатора визира ВСК установлен, как и в штатном визире, линзовый экран 5. За линзовым экраном 5 по оптической оси установлена оптическая система центрального канала 6 и вокруг нее равномерно размещены восемь одинаковых оптических систем периферийного канала 7.
За оптическими системами по оси имитатора визира ВСК в оправе 8, размещенной в плоскости, перпендикулярной оптической оси имитатора визира, установлены просветный экран центрального канала 9 (в предметной плоскости оптической системы 6 центрального канала) и вокруг него система из восьми просветных экранов периферийного канала 10, которые также установлены в предметных плоскостях соответствующих оптических систем периферийного канала 7.
За просветными экранами 9 и 10 по оптической оси имитатора визира ВСК последовательно установлены устройство оптического сопряжения 11 и видеопроектор 12.
Вход видеопроектора 12 электрически подключен к выходу блока сложения изображений 13, входы которого подключены к выходам генератора изображения центрального канала 14 и генератора изображения периферийного канала 15.
Оправа 8 с просветными экранами центрального канала 9 и периферийного канала 10, оптическое устройство сопряжения 11 и видеопроектор 12 размещены на установочной плате 16, имеющей возможность линейного перемещения параллельно оптической оси имитатора визира ВСК с помощью следящего привода 17, конструктивно сопрягающегося с установочной платой 16 с помощью рейки 18, при этом вход привода 17 электрически подключен к выходу блока управления приводом 19, вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 20. В свою очередь вход цифроаналогового преобразователя 20 подключен к выходу блока моделирования режима расфокусировки 21, первый вход которого подключен к второму выходу блока моделирования параметров сближения и стыковки 22, причем первый выход блока моделирования параметров сближения и стыковки 22 подключен к входу блока управления генераторами изображения 23. Второй вход блока моделирования режима расфокусировки 21 подключен к выходу блока анализа положения выходного экрана 24. Вход блока 24 подключен к выходу аналогово-цифрового преобразователя 25, к входу которого электрически подключен выход датчика положения выходного экрана 26, который аналогичен штатному датчику положения выходного экрана и установлен на его штатном месте.
Также на штатном месте - на лицевой панели имитатора визира расположена ручка управления 27 продольным перемещением выходного экрана.
Для повышения эксплуатационных характеристик предлагаемого изобретения возможно конструктивное размещение блока управления приводом 19, цифро-аналогового преобразователя 20 и аналого-цифрового преобразователя 25 в интерфейсной системе 28 моделирующего стенда или тренажера, а блока моделирования режима расфокусировки 21, блока моделирования параметров сближения и стыковки 22, блока управления генераторами изображения 23 и блока анализа положения выходного экрана 24 - в вычислительной системе 29 моделирующего стенда или тренажера. Генераторы изображения центрального канала 14 и периферийного канала 15, а также дополнительный блок сложения изображений 13 могут быть выполнены на базе одного системного блока современного высокопроизводительного компьютера 30.
Предлагаемое изобретение работает следующим образом. В генераторы изображения 14 и 15 системы визуализации с помощью блока управления 23 вводятся исходные данные по направлению осей визирования в пространстве центрального и периферийных каналов визира ВСК, а затем вводятся исходные данные по угловым размерам полей зрения этих каналов.
Далее по сигналам блока управления 23 генераторы 14 и 15 начинают одновременно формировать компьютерным способом сюжеты внешней визуальной обстановки - каждый для своего канала наблюдения. Причем база данных сюжетов имитируемой визуальной обстановки вводится в генераторы изображения заранее.
Выходные виртуальные изображения центрального и периферийного каналов подаются после этого на блок 13 сложения этих изображений в одно суммарное виртуальное изображение. С выхода блока 13 считывается компьютерный сигнал, соответствующий суммированному изображению центрального и периферийного каналов и подается на компьютерный вход видеопроектора 12.
Видеопроектор 12 проецирует изображение с помощью устройства оптического сопряжения 11 на просветный экран центрального канала 9 и на систему просветных экранов периферийного канала 10. Далее с просветного экрана 9 центрального канала изображение перепроецируется с помощью оптической системы центрального канала 6 на выходной экран 4 имитатора визира ВСК на центральную его зону.
С системы просветных экранов периферийного канала 10 изображение перепроецируется с помощью оптических систем периферийного канала 7 на выходной экран 4 имитатора визира ВСК на периферийные его зоны.
Блок 22 моделирования параметров сближения и стыковки в зависимости от режима имитируемого полета определяет дальность до объекта стыковки.
Сигналы управления с блока 22, пропорциональные дальности до объекта стыковки, параллельно вводятся в блок 23 управления генераторами изображения и в блок 21 моделирования режима расфокусировки.
В соответствии с моделируемой дальностью генератор изображения центрального канала 14 формирует изображение орбитальной станции, линейные и угловые размеры которой на экране имитатора визира ВСК соответствуют реальным значениям для данной дальности на экране штатного визира, а генератор изображения периферийного канала формирует изображение визуальной обстановки, окружающее орбитальную станцию и попадающее в поля зрения периферийного канала визира ВСК.
Блок 21 моделирования режима расфокусировки для этой моделируемой дальности формирует с помощью разработанной программы сигнал управления для привода 17. Этот сигнал с выхода блока 21 поступает в цифровой форме на вход цифроаналогового преобразователя 20, где преобразуется в аналоговый вид и поступает далее на вход блока управления 19 приводом 17. Привод 17 под воздействием сигнала управления от блока 19 с помощью приводной рейки 18 перемещает плату 16 с установленной на ней оправой 8, в которой размещены просветный экран 9 центрального канала и система просветных экранов 10 периферийного канала. Также на плате 16 установлены по оптической оси имитатора визира ВСК оптическое устройство сопряжения 11 и видеопроектор 12. Плата 16 перемещается линейно параллельно оптической оси имитатора визира ВСК пропорционально сигналу управления от блока управления 19 на необходимое расстояние.
При этом, при моделировании режимов, когда расстояние до объекта стыковки или наблюдения превышает 25 метров, сигнал с блока 21 соответствует максимальной величине и плата 16 устанавливается с помощью привода 17 в крайнее дальнее положение от оптической системы центрального канала 6 (на максимальное расстояние от оптической системы центрального канала 6). Для того чтобы изображение на лицевом выходном экране имитатора визира ВСК было четким и сфокусированным, оператор, как и в реальных условиях, воздействует на многооборотную ручку управления 27 механизмом линейного перемещения экрана 4 и перемещает его в глубину визира («от себя») в крайнее положение.
При имитации режима сближения с орбитальной станцией с расстояния 25 м и ближе, блок 21 моделирования режима расфокусировки для каждой моделируемой дальности формирует с помощью специальной программы сигнал управления для привода 17. И плата 16 с помощью привода 17 перемещается от крайнего дальнего положения в направлении к оптической системе центрального канала 6 (см. фиг.2) на необходимые расстояния. При этом на выходном экране 4 имитатора визира нарушается четкость наблюдаемого изображения из-за изменения положения просветного экрана центрального канала 9 по отношению к оптической системе центрального канала 6. Тогда оператор, как и в реальных условиях, воздействует на многооборотную ручку управления 27 и перемещает выходной экран 4 имитатора визира в направление «на себя» до момента получения на экране четкого (резкого) изображения. И процесс этот постоянного подфокусирования изображения с помощью ручного воздействия на многооборотную ручку и перемещением выходного экрана идет как и в реальных условиях до момента стыковки.
Таким образом перемещением выходного экрана 4 имитатора визира по отношению к оптической системе центрального канала 6 компенсируются перемещения просветного экрана центрального канала 9 по отношению к той же оптической системе центрального канала 6, сохраняя характеристики изображения по четкости на выходном экране имитатора визира.
В процессе перемещений выходного экрана 4 сигналы с датчика положения выходного экрана 26 поступают на аналого-цифровой преобразователь 25, где преобразуются в цифровую форму и подаются далее на блок 24 анализа положения выходного экрана.
На основе анализа данных по характеру изменения дальности до объекта стыковки (с блока 22) и данных о положении выходного экрана 4 (с блока 24) инструктору предоставляется возможность контроля процесса обучения операторов по выполнению режима операции фокусировки наблюдаемого изображения на лицевом экране имитатора визира ВСК на этапах сближения и стыковки с орбитальной станцией во всем диапазоне расстояний до нее.
Система визуализации по предлагаемому изобретению полностью сохраняет характеристики прототипа и обеспечивает имитацию внешней визуальной обстановки на экране имитатора визира при выполнении режима ориентации пилотируемого космического корабля относительно Земли, а также - при ориентации пилотируемого космического корабля относительно орбитальной станции, сближении и стыковке с ней во всем диапазоне дальности до нее.
К тому же обеспечивается имитация штатной работы космонавта с визиром ВСК (с органами ручного управления визира, установленными на лицевой панели кабинной части визира), в том числе и на самом ответственном участке - при сближении с орбитальной станцией с расстояний до нее от 25 метров и ближе с выполнением режима подфокусировки наблюдаемого изображения на лицевом экране имитатора визира ВСК.
При этом система визуализации по предлагаемому изобретению существенно проще прототипа [2] по конструкции, т.к. содержит в своем составе один видеопроектор и одно устройство оптического сопряжения вместо двух у прототипа. Также у системы визуализации по предлагаемому изобретению отсутствует отражающее зеркало поворота оптической оси проекции на 90 градусов. В связи с этим система визуализации по предлагаемому изобретению существенно дешевле прототипа.
В настоящее время в рамках работ по контракту №040-8633/10 от 25.05.2010 г. с Федеральным космическим агентством по теме ОКР «МКС» (Взор-KMC) на предприятии ФГУП «НИИАО» запланированы работы по созданию действующего образца системы визуализации (имитатора ИБО-ВСК) по предлагаемому изобретению. Работы будут проводиться с использованием задела по системе визуализации [2], учитывая, что технические решения по:
- размещению на установочной плате видеопроектора, устройства оптического сопряжения, оправы с просветными экранами;
- созданию оптических систем перепроекции изображений с просветных экранов на выходной экран визира;
- созданию следящего привода перемещения установочной платы;
- созданию программно-математического обеспечения моделирования режима расфокусировки уже отработаны на действующем экспериментальном образце имитатора ИВО-ВСК из состава стенда по ОКР «Взор-КМ».
Программно-математическое обеспечение сложения изображений генератора изображения центрального канала и генератора изображения периферийного канала в одно выходное изображение также прошло предварительную отработку на стенде ОКР «Взор-КМ».
По результатам изготовления действующего экспериментального образца системы визуализации по предлагаемому изобретению и испытанию его в составе комплексного моделирующего стенда «МКС» (Взор - KMC) планируется внедрение предлагаемого изобретения на комплексных тренажерах для подготовки космонавтов, действующих в ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина» по программе МКС (Международной космической станции).
Источники информации
1. Видеопроекторы на космических тренажерах. - «Авиация и космонавтика», 1999, №4, стр.27-28.
2. Система визуализации. Описание изобретения к патенту RU 2325706 C1 от 13.10.2006 г., G09B 9/08 (прототип).