УЛЬТРАЗВУКОВАЯ НАШЛЕМНАЯ СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к технике акустических нашлемных систем позиционирования и может быть применена в устройствах, где используются данные о трех координатах положения и трех углах ориентации головы оператора, преимущественно в нашлемных системах целеуказания и индикации летательных аппаратов.
Нашлемная система целеуказания и индикации (НСЦИ) - обязательная принадлежность современных боевых самолетов и вертолетов. Она предназначена для автоматического определения направления на выбранную оператором (пилотом) цель с одновременной индикацией знакографической и сюжетной информации на фоне наблюдаемой им внешней обстановки. Входящая в состав НСЦИ система позиционирования (СП) должна иметь высокую точность и быть безопасной для пилота.
Из известных на сегодняшний день механических, акустических, оптико-электронных и электромагнитных СП два последних вида получили наибольшее распространение (О.Филатов, В.Солдатенков. Электромагнитая система позиционирования для нашлемной системы целеуказания и индикации ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, вып. №5/2003. С.62-67). Примером оптико-электронной СП может служить система, использующая инфракрасные (ИК) излучающие диоды, определенным образом размещенные на шлеме, и приемники излучения, жестко закрепленные в кабине летательного аппарата. Положения диодов и приемников точно определены и записаны в память вычислителя. Анализ сигналов приемников, синхронизированных с последовательной работой излучающих диодов, проводимый вычислителем, позволяет определить линейные и угловые координаты шлема в связанной системе координат объекта (RU 2216705 С2, оп. 20.11.2003; RU 2168151 С1, оп. 27.05.2001). Оптико-электронные СП относительно просты, но обладают сравнительно низкой точностью и малыми рабочими углами. Основной же недостаток таких СП - чувствительность к солнечным засветкам и отражению излучения ИК диодов, которую снижают применением приемников с пространственно-временной модуляцией и алгоритмическим анализом полученной информации, а также увеличением числа ИК диодов на шлеме и приемников в кабине и соответствующим усложнением программно-математического аппарата.
Более современными и точными признаны электромагнитные системы позиционирования. В общем случае электромагнитная СП содержит источник рабочего поля, фиксированный в системе координат объекта, и датчик, размещенный на шлеме. Электромагнитные СП подразделяются на СП переменного тока, СП импульсного (квазипостоянного) магнитного поля и СП постоянного магнитного поля. Применение СП переменного тока (частотой 10-12 кГц) ограничено сильным влиянием вихревых токов, наводимых в электропроводящих элементах интерьера кабины. Лучшие результаты получены при использовании импульсного магнитного поля, когда вихревые токи успевают затухнуть перед выполнением каждого измерения. Однако эти системы подвержены влиянию ферромагнитных материалов, искажающих картину поля. В случае СП на постоянном магнитном поле влияние ферромагнитных элементов предлагается устранять по результатам предварительного картографирования поля источника в зоне перемещения шлема, что является сложной технической задачей.
Акустические системы позиционирования на ультразвуковых волнах в кабине летательного аппарата считаются неработоспособными вследствие:
акустических помех от работающего двигателя, достигающих 120 дБ;
зависимости скорости ультразвуковых волн от температуры и давления;
помех в виде отражений от деталей интерьера кабины.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по технической сущности является оптико-электронная система позиционирования, входящая в систему целеуказания (RU 2216705 С2, оп. 20.11.2003), в которой расчет линейных и угловых координат шлема оператора обеспечивает вычислитель по координатам размещенных на шлеме оператора элементов реперных точек. Указанной оптико-электронной СП присущ общий недостаток систем такого типа - чувствительность к солнечным засветкам и отражениям излучений ИК диодов.
Задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается в создании нашлемной системы позиционирования, работающей в диапазоне ультразвуковых волн.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящей полезной модели заключается в обеспечении высокой точности определения
координат шлема оператора и уменьшении массы элементов системы, устанавливаемых на шлеме.
Поставленная задача с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что ультразвуковая нашлемная система позиционирования, включающая вычислитель, содержит не менее трех ультразвуковых излучателей, размещенных в кабине над шлемом оператора в разнесенных точках с известными координатами в связанной системе координат кабины, не менее трех нашлемных ультразвуковых приемников, размещенных в реперных точках, и не менее одного ультразвукового приемника корректирующего канала, размещенного в непосредственной близости от шлема пилота с известными расстояниями r [i] до каждого i - го ультразвукового излучателя, мультиплексор, формирователь сигналов, синхронизатор, демультиплексор, усилитель сигналов нашлемных приемников, схему АРУ, измеритель времени задержки сигналов нашлемных приемников, усилитель сигналов корректирующего канала и измеритель времени задержки сигналов корректирующего канала, при этом первый выход синхронизатора соединен с входом синхронизации мультиплексора, с входом синхронизации демультиплексора, с первым входом измерителя времени задержки сигналов нашлемных приемников и с первым входом измерителя времени задержки сигналов корректирующего канала, второй выход синхронизатора соединен с входом формирователя сигналов, выход которого соединен с сигнальным входом мультиплексора, раздельные выходы которого соединены с ультразвуковыми излучателями, выходы нашлемных ультразвуковых приемников соединены с раздельными входами демультиплексора, выход которого через последовательно соединенные усилитель сигналов нашлемных приемников и схему АРУ, соединен с вторым входом измерителя времени задержки сигналов нашлемных приемников, выход которого соединен с первым входом вычислителя, выход ультразвукового приемника корректирующего канала соединен через усилитель сигналов корректирующего канала с вторым входом измерителя времени задержки сигналов корректирующего канала, выход которого соединен с вторым входом вычислителя, выход которого является выходом устройства.
Технический результат в ультразвуковой нашлемной системе позиционирования достигается также тем, что:
система содержит четыре крестообразно расположенных ультразвуковых излучателя, четыре крестообразно расположенных нашлемных ультразвуковых приемника и ультразвуковой приемник корректирующего канала, размещенный на заголовке кресла оператора;
система содержит два ультразвуковых приемника корректирующего канала, расположенных симметрично относительно шлема;
вычислитель выполнен с возможностью вычисления расстояния R[i,J] от каждого j - го нашлемного ультразвукового приемника до каждого i - го ультразвукового излучателя из соотношений
,
где:  - текущая скорость распространения ультразвуковых сигналов в корректирующем канале;
T[i,j] - время задержки сигналов от i-го ультразвукового излучателя до j-го нашлемного ультразвукового приемника;
TKK[i] - время задержки сигналов от i-го ультразвукового излучателя до ультразвукового приемника корректирующего канала
r[i], - расстояния от ультразвукового приемника корректирующего канала до i - го ультразвукового излучателя,
и расчета по найденным расстояниям R[i,j] координат нашлемных ультразвуковых приемников.
Технический результат в настоящей полезной модели обеспечивается:
в части борьбы с помехами в виде шумов от работающего двигателя и отражений - выбором частоты излучаемого ультразвукового сигнала и дальнейшей обработкой принятого сигнала;
в части исключения зависимости точности позиционирования от изменения скорости распространения ультразвукового сигнала и вибраций - наличием корректирующего канала;
в части идентификации излучателей - использованием временного метода разделения, при котором ультразвуковые излучатели посылают импульсные сигналы поочередно.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - структурная электрическая схема системы;
на фиг.2 - временные диаграммы работы системы;
на фиг.3 - интервал наблюдения сигнала в одном из нашлемных ультразвуковых приемников;
на фиг.4 - рисунок, поясняющий выделение характерной точки переднего фронта сигнала.
На фиг.1 обозначены:
1, 2, 3, 4 - ультразвуковые излучатели;
5 - мультиплексор;
6 - формирователь сигналов;
7 - синхронизатор;
8, 9, 10, 11 - нашлемные ультразвуковые приемники;
12 - ультразвуковой приемник корректирующего канала (КК);
13 - демультиплексор;
14 - усилитель сигналов нашлемных приемников;
15 - схема АРУ;
16 - измеритель времени задержки сигналов нашлемных приемников;
17 - усилитель сигналов корректирующего канала;
18 - измеритель времени задержки сигналов корректирующего канала;
19 - вычислитель.
Для измерения шести координат шлема - трех линейных и трех угловых (азимут, угол места и крен) минимальное количеств ультразвуковых излучателей, размещаемых в кабине, и нашлемных ультразвуковых приемников, размещаемых в реперных точках, должно быть равно трем. Однако, для того, чтобы обеспечить одновременное освещение ультразвуковыми излучателями не менее трех нашлемных ультразвуковых приемников, а следовательно и измерение координат шлема оператора летательного аппарата в возможном диапазоне углов его перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, требуются, как показала практика, четыре излучателя и четыре нашлемных приемника, расположенные крестообразно. Крестообразное или близкое к нему размещение излучателей и нашлемных приемников приводит также к повышению точности при решении навигационной задачи. В других случаях может потребоваться использование дополнительных излучателей и/или приемников.
Описание работы системы произведем при использовании четырех ультразвуковых излучателей, четырех нашлемных ультразвуковых приемников, и одного ультразвукового приемника КК.
В этом случае нашлемная система позиционирования содержит (см. фиг.1) ультразвуковые излучатели 1...4, размещенные в кабине над шлемом пилота в разнесенных точках с известными координатами в связанной системе координат, нашлемные ультразвуковые приемники 8...11, размещенные в реперных точках, и ультразвуковой приемник 12 корректирующего канала, жестко закрепленный в непосредственной близости от шлема пилота с известными расстояниями r[i] до каждого i-го излучателя.
Первый выход синхронизатора 7 соединен с входом синхронизации мультиплексора 5, с входом синхронизации демультиплексора 13, с первым входом измерителя 16 времени задержки сигналов нашлемных приемников и с первым входом измерителя 18 времени задержки сигналов корректирующего канала. Второй выход синхронизатора 7 соединен с входом формирователя 6 сигналов, выход которого соединен с сигнальным входом мультиплексора 5, раздельные выходы которого соединены с ультразвуковыми излучателями 1...4. Выходы нашлемных ультразвуковых приемников 8...11 соединены с раздельными входами демультиплексора 13, выход которого через последовательно соединенные усилитель 14 сигналов нашлемных приемников и схему АРУ 15, соединен с вторым входом измерителя 16 времени задержки сигналов нашлемных приемников, выход которого соединен с первым входом вычислителя 19. Выход приемника 12 КК соединен через усилитель 17 сигналов КК с вторым входом измерителя 18 времени задержки сигналов корректирующего канала, выход которого соединен с вторым входом вычислителя 19, выход которого является выходом устройства.
0
Блок 6 обеспечивает формирование электрических сигналов в виде последовательности импульсов, временная расстановка которых приведена на фиг.2. Сформированные сигналы через мультиплексор 5 поступают поочередно на ультразвуковые излучатели 1...4, которые поочередно с заданным интервалом Т излучают импульсные ультразвуковые сигналы с длительностью от 4 до 12 периодов частоты излучения. Указанная длительность сигнала обеспечивает выделение характерной точки переднего фронта сигнала при измерении его временных задержек.
Для преодоления помех от работающего двигателя при позиционировании шлема оператора в кабине летательного аппарата необходимо использовать частоты ультразвуковых сигналов выше спектра шумов и вибраций, вызванных работой двигателя. Спектр шумов вертолетных и самолетных двигателей простирается до 10 кГц. Однако затухание ультразвуковых волн (УЗВ) при распространении, выраженное в дБ/км, имеет квадратичную зависимость от частоты (В.К.Иофе, А.А.Янпольский. Расчетные графики и таблицы по электроакустике. Госэнергоиздат, 1954. 523 с.). По данным этого источника, затухание УЗВ на частоте 100 кГц равно 1 дБ/м, а на частоте 1 МГц - уже 100 дБ/м. Следовательно, реальной верхней границей возможных частот УЗВ при типовых расстояниях между излучателями и приемниками порядка 1 м следует считать 600 кГц, при которой коэффициент затухания равен 36 дБ/м.
Затухание УЗВ в диапазоне частот 40-600 кГц наряду с отрицательными последствиями в виде энергетических потерь играет и сугубо положительную роль для борьбы с отражениями от деталей интерьера кабины.
Таким образом, выбор частоты УЗВ из диапазона 40-600 кГц и дальнейшая обработка приятых сигналов решает проблему борьбы с шумами двигателя и отражениями.
Излученные ультразвуковые сигналы принимают с помощью четырех нашлемных ультразвуковых приемников 8...11. Временная расстановка сигналов на выходе нашлемных приемников приведена на фиг.2, где обозначения ПРМ1...ПРМ4 соответствуют нашлемным приемникам 8...11, соответственно. Принятые сигналы с помощью демультиплексора 13 объединяют в общую последовательность, которая после усиления в усилителе 14 и автоматической регулировке усиления схемой 15 АРУ, подается на второй вход измерителя 16, где измеряют время задержки сигналов T[i,j] от каждого j-го излучателя 1...4 до каждого j-го нашлемного приемника 8...11. Излученные ультразвуковые сигналы принимают также приемником 12 КК, по которым в блоке 18 измеряют время задержки сигналов TKK[i] от каждого i-го излучателя 1...4 до приемника 12 КК (см. фиг..2).
min
mах
Интервал наблюдения от τ до τ (см. фиг.3) определяется рабочей зоной нахождения шлема, которая определяет минимальное и максимальное расстояние от него до каждого из излучателей, расположенных в кабине.
min,
m0
пор1
m0
m0
min
m0
max
пop2
max
max
прим
зад
прим
С целью однозначности измерений и устранения помех в виде шумов и отраженных сигналов, время задержки сигнала измеряют по характерной точке переднего фронта полезного сигнала, для выделения которой на интервале 0...τ свободном от полезных сигналов (см. фиг.3), измеряют максимальный уровень U помех в виде шумов и отраженных сигналов и устанавливают значение первого порога U=(1,5...2)U (см. фиг.4). Находят первое пересечение принятого сигнала с первым порогом (на временной оси - Т, фиг.4). Превышение первого порога может быть обусловлено практически только полезным сигналом, так как он проходит от ультразвукового излучателя к приемнику по кратчайшему пути, тогда как путь отраженных сигналов от того же излучателя всегда больше. Наличие же отраженных сигналов на интервале 0...τ обусловлено излучением в предшествующие периоды, и их амплитуды существенно меньше амплитуды полезного сигнала, так как они проходят более длинный путь. Затем от момента времени Т находят максимум принятого сигнала U, по которому устанавливается второй порог U=(0,5...0,65)U. Пересечение сигнала с вторым порогом в окрестности U дает примерное положение характерной точки Т сигнала, точное значение которой Т ищется как ближайшее пересечение сигнала с нулевым уровнем левее T.
По измеренному времени задержки сигналов в вычислителе 19 рассчитывают текущую скорость  распространения ультразвуковых сигналов в корректирующем канале в каждом периоде излучения, по формуле (2)
=(r[i]/TKK[i]).
Затем рассчитывают расстояния от каждого j-го нашлемного приемника до каждого i-го излучателя по формуле (1),
R[i,j]=T[i,j].
При использовании для расчета расстояний R[i,j] текущей скорости  распространения ультразвуковых сигналов, измеренной в корректирующем канале, исключается влияние на точность измерения расстояний таких факторов как вибрации излучателей, воздушные потоки в кабине, изменение температуры и давления.
Для полной компенсации влияния указанных факторов приемник 12 КК должен располагаться в центре шлема. Поскольку это невозможно, так как приемник 12 КК должен быть жестко закреплен с известными расстояниями до излучателей, его следует располагать как можно ближе к шлему пилота. Наиболее предпочтительным местом его расположения в кабине можно считать заголовник кресла пилота или прикрепленную к спинке кресла специальную штангу. Можно использовать не один приемник КК, а несколько. Например, два приемника КК, расположенные симметрично относительно шлема, будут иметь фазовый центр в центре шлема, то есть исполнять роль виртуального приемника, находящегося в центре шлема.
Совокупность расстояний R[i,j] от каждого j-го нашлемного приемника 8...11 до каждого i-го излучателя 1...4 позволяет решить в вычислителе 19, в связанной системе координат кабины, навигационную задачу определения в дальномерной системе по известным координатам излучателей координат реперных точек, в которых размещены нашлемные приемники. Затем по координатам реперных точек в вычислителе 19 рассчитывают линейные и угловые координаты шлема пилота.
В качестве ультразвуковых излучателей и нашлемных приемников могут быть использованы, например ультразвуковые датчики фирмы Murata: МА40Е8-2 - ультразвуковой приемопередатчик, MA40E7R - ультразвуковой приемник, MA40E7S - ультразвуковой излучатель (сайт производителя: Murata Manufactoring Co., Ltd., http://www.murata.com). Вес ультразвукового датчика не превышает 5 грамм.
В заявляемой ультразвуковой системе на шлеме пилота требуется размещение только нашлемных приемников 8...11, что приводит к существенному уменьшению веса аппаратуры, размещаемой на шлеме пилота.
Оценка точности ультразвуковой систем позиционирования была проведена на макете системы, изготовленной в соответствии с заявляемым изобретением и размещенной в кабине вертолета. При работающих двигателях вертолета в диапазоне углов 0...90° по азимуту и 0...60° по тангажу и крену максимальная ошибка определения угловых координат шлема не превышала 20 угловых минут.
Таким образом, ультразвуковая нашлемная система позиционирования, выполненная в соответствии с настоящей полезной моделью, обеспечивает
получение высокой точности определения координат при уменьшении массы элементов системы, устанавливаемых на шлеме.
Заявляемая полезная модель может быть использована в нашлемных системах целеуказания и индикации летательных аппаратов, а также при создании систем робототехники, а именно устройств, определяющих положение рабочего органа манипуляторов, а также систем управления, где используются данные о разворотах головы оператора, систем визуализации тренажеров на основе нашлемного индикатора и систем виртуальной реальности.