СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ

СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ
Предполагаемая полезная модель относится к области авиационной техники, в частности, к устройствам имитации внешней визуальной обстановки в полях зрения лобового остекления макета кабины самолёта, и может найти применение в авиационных моделирующих стендах и тренажёрах.
В настоящее время большинство авиационных моделирующих стендов и специализированных тренажёров содержат в своём составе систему визуализации, имитирующую внешнюю визуальную обстановку. В материалах Census: civil simulators 1 приведены сводные данные о тренажёрах основных авиакомпаний и учебных центров мира и их краткие характеристики, в том числе, данные о типах систем визуализации, которыми оснащены эти тренажёры. По этим данным наиболее совершенными системами визуализации, создаваемыми в последние годы, являются MaxVue +/180, ESIG 3800/180, Vital 9/180, ChromaView +/180. Эти системы широкоугольные, коллимационные и нецентрированные, типа «Вайде (WIDE) и позволяют формировать изображение внешней визуальной обстановки в широких полях зрения - от 150 до 180 градусов по горизонтали и примерно 30-40 градусов по вертикали с возможностью одновременного наблюдения его командиром (левым пилотом) и правым пилотом в лобовом, угловом и боковом остеклении макета кабины гражданского самолёта. При этом, изображение визуальной обстановки наблюдается командиром и вторым пилотом из бесконечности как и в реальных условиях. Эти системы содержат в своём составе широкоугольное сферическое зеркало большой кривизны и специальный просветный экран, оптически сопряжённые друг с другом и установленные снаружи макета кабины самолёта перед остеклением. Па экран проецируется с нескольких видеопроекторов (от трёх до пяти в зависимости от имитируемого поля зрения по горизонтали) изображение внешней визуальной обстановки, формируемое генератором изображения компьютерным способом, причём каждый видеопроектор электрически сопряжён с соответствующим каналом генератора изображения. Эти системы технически сложные и существенно дорогие и применяются в основном в составе комплексных тренажёров учебных центров.
7МПК G 09 В 9/08
Известен отечественный серийный комплексный тренажёр самолёта ЯК - 42 (КТС ЯК - 42, 412.00.551) производства ППО «ЭРА, г. Пенза. Он оснащён макетно - телевизионной системой визуализации, обеспечивающей имитацию внешней визуальной обстановки в полях зрения левого и правого лобового остекления - для левого пилота (командира) и для правого пилота. Такая система визуализации содержит два аналогичных узкоугольных (с полем зрения 42 градусов по горизонтали и 28 градусов по вертикали) центрированных оптических коллимационных устройства (типа ОКУ - 61) коллиматора 2. Эти коллиматоры установлены снаружи макета кабины самолёта, при этом, один установлен перед левым лобовым остеклением, а второй - перед правым лобовым остеклением, в направлении на оси визирования соответственно левого и правого пилота. (Поэтому иногда такие системы визуализации называют - «двухоконные). В качестве устройств воспроизведения изображения в этих коллиматорах применены телевизионные устройства (типа ВУ - 5.032 из состава телевизионной системы «Полоса), экраны кинескопов которых оптически сопряжены со сферическими зеркалами коллиматоров. Для этой цели предприятием изготовителем телевизионной системы «Полоса (ПО «Электрон, г. Львов) разрабатывались и изготавливались телевизионные устройства специальной конструкции, позволяющей устанавливать кинескоп внутри коллиматора, а электронную часть размещать вне коллиматора. Телевизионные устройства этой системы визуализации электрически сопряжены с одной передающей телевизионной камерой, считывающей изображение с макета местности. Эта система визуализации имеет существенные недостатки - помимо ограничений по диапазонам имитируемых высот и района местности, имеет небольшую яркость выходного изображения (порядка 10 - 15 кд/м), недостаточную его чёткость (порядка 500 телевизионных линий) и предполагает необходимость производства специальных телевизионных приёмников.
Несмотря на недостатки аналогичных макетно - телевизионных систем визуализации ими были оснащены и другие серийно выпускаемые предприятием ППО «ЭРА (г. Пенза) тренажёры, например, КТС ТУ - 154, КТС ИЛ - 86 и др. с последующей заменой телевизионной системы «Полоса на цветную телевизионную систему «Растр - цвет.
Известна отечественная компьютерная система визуализации «Альбатрос 3, 4 разработки и изготовления Пензенского завода «Эра и Пензенского конструкторского бюро моделирования. Эта система состоит из генератора изображения и цветной растровой системы воспроизведения, сопрягающейся с аналогичным коллиматором (типа ОКУ - 61), как и в предыдущей системе визуализации. Она существенно снимает ограничения по диапазону имитируемых высот и району местности (имитируемый район земной поверхности у неё - до 370 х 370 км), но имеет те же недостатки по яркости и чёткости выходного изображения.
-2Известен пилотажный тренажёр лётчика самолёта ТУ 154 - М 5, представленный в 1993 году Пензенским конструкторским бюро моделирования на салоне «МАКС - 1993. В составе этого тренажёра использовалась система визуализации, в которой оптико - коллимационное устройство сопрягалось с дисплеем персонального компьютера. Дисплей использовался в качестве устройства воспроизведения изображения. Генератор изображения выполнялся на базе персонального компьютера типа IBM PC. Эта система визуализации также имеет существенные недостатки по яркости выходного изображения (те же 10 - 15 кд/м).
Известны по данным Census: civil simulators 1 зарубежные системы визуализации SPl/2w, N6000/2w, SPlT/2w, Vital IV/2w и другие, которые также относятся к так называемым «двухоконным системам, обеспечивающие имитацию внешней визуальной обстановки в авиационных тренажёрах в полях зрения левого и правого лобового остекления макета кабины. Они содержат одноканальные или двухканальные генераторы изображения, формирующие изображение внешней визуальной обстановки электронным способом средствами машинной графики, и два узкоугольных (с полем зрения примерно 40 градусов по горизонтали и 30 градусов по вертикали) центрированных оптических коллимационных устройства коллиматора. При этом, один коллиматор обеспечивает изображением левого оператора (командира), а другой - правого. В качестве устройств воспроизведения изображения в них используются электронно - лучевые трубки (кинескопы) мониторов. Эти системы имеют те же существенные надо статки по яркости выходного изображения (10-15 кд/м).
Вышеперечисленные узкоугольные центрированные коллиматоры (и отечественные, и зарубежные) имеют существенную особенность - для получения качественного выходного изображения экранная часть электронно -лучевых трубок телевизионных устройств или компьютерных мониторов, используемых в  качестве устройств воспроизведения изображения в коллиматорах, должна иметь сферическую форму, оптически сопрягаемую со сферическим зеркалом коллиматора. А в последнее время наметилась мировая тенденция производства телевизионных устройств и компьютерных мониторов с плоским экраном, которые не сопрягаются с такими коллиматорами.
Известна тренажёрная система визуализации ТСВ - 1 6, представленная предприятием ФГУП ПИИ Авиационного Оборудования на салоне «МАКС - 2003. Она содержит компьютерный генератор изображения и узкоугольное (с полем зрения примерно 41 градусов по горизонтали и 29 градусов по вертикали) центрированное оптическое коллимационное устройство - коллиматор. В качестве устройства воспроизведения изображения в этой системе используется просветный экран необходимой кривизны, устанавливаемый в фокальной поверхности сферического зеркала коллиматора, и на который проецируется имитируемое
изображение внешней визуальной обстановки с видеонроектора. При этом, видеопроектор по цепям видеосигнала электрически связан с генератором изображения. Эта система визуализации обеспечивает высокую яркость (около 200 кд/м) и чёткость (разрешение не менее 1024 х 768 элементов) полноцветного выходного изображения, наблюдаемого оператором из бесконечности, как и в реальных условиях. Она предназначена для использования в составе авиационных и авиационно - космических тренажёров и моделируюш;их стендов. Но эта система визуализации с учётом её возможностей по имитируемым полям зрения (41 градус по горизонтали и 29 градусов по вертикали) может обеспечить имитацию внешней визуальной обстановки в полях зрения только одного «окна, например, левого или правого лобового остекления макета кабины самолёта.
В то же время при создании некоторых моделирующих стендов или специализированных тренажёров с меньшим кругом задач, чем на комплексных тренажёрах, например при отработке пилотажно навигационного оборудования гражданского самолёта, необходима и достаточна одновременная имитация внешней визуальной обстановки в полях зрения левого и правого лобового остекления макета кабины самолёта.
Одним из вариантов обеспечения на тренажёре или моделирующем стенде имитации внешней визуальной обстановки в полях зрения левого и правого лобового остекления макета кабины самолёта - является использование двух комплектов системы визуализации ТСВ - 1, при этом, первый комплект системы визуализации обеспечивал бы имитацию внешней визуальной обстановки в поле зрения левого лобового остекления макета кабины самолёта, а второй комплект - в поле зрения правого лобового остекления макета кабины самолёта. Но такой вариант предполагает наличие двух коллиматоров, двух просветных экранов, двух видеопроекторов, двух генераторов изображения и стоимость его будет соответственно в два раза выше стоимости одной системы визуализации ТСВ - 1. Имеется возможность сокращения затрат на такой вариант системы визуализации за счёт использования одного генератора изображения вместо двух (экономия от использования одного генератора составит около 700 долларов USA), который в этом случае подключается параллельно к двум видеопроекторам аналогично вышеуказанным отечественным макетно - телевизионным системам визуализации , у которых один канал формирования изображения и два устройства отображения изображения. Но у этих систем визуализации имеется недостаток. В этих системах визуализации ось визирования канала формирования изображения, как правило, сориентирована в пространстве по оси, лежащей в плоскости симметрии моделируемого летательного аппарата (в плоскости ХОУ). Изображение внешней визуальной обстановки с канала формирования изображения подаётся затем на устройства воспроизведения изображения левого и правого коллиматоров, которые установлены по осям визирования соответственно левого и правого пилотов. И они наблюдают со
своих рабочих мест в полях зрения соответственно левого и правого лобового остекления макета кабины самолёта одно и то же изображение внешней визуальной обстановки, центр которого лежит в плоскости симметрии моделируемого летательного аппарата, хотя сами они смещены относительно неё на величину примерно 525 мм. Левый - влево, а правый вправо. Поэтому изображение внешней визуальной обстановки в полях зрения левого и правого лобового остекления макета кабины самолёта, формируемое такими системами визуализации, не соответствует в полной мере изображению, наблюдаемому пилотами в реальном полёте. Несоответствие это вынужденное и определено оно из - за экономии средств на приобретение второго канала формирования изображения. При использовании таких систем визуализации з итывается ещё и то, что при имитации полёта на больших высотах, наблюдаемые объекты в полях зрения лобового остекления, как в реальных условиях, так и на тренажёре, находятся на большом удалении от наблюдателей и несоответствие в положении линии визирования левого или правого пилотов и линии визирования изображения, формируемого одним каналом формирования изображения такой системы визуализации, незначительное и не оказывает никакого влияния на качество обучения на тренажёре. При имитации же стояночной высоты и руления по взлётно - посадочной полосе (ВПП), наблюдаемые объекты (разметка ВПП) в полях зрения лобового остекления, как в реальных условиях, так и на тренажёре, находятся на небольшом удалении от наблюдателей и расстояние между пилотами в кабине самолёта становится соизмеримо с расстоянием от пилотов до наблюда;емых объектов. Поэтому несоответствие в положении линии визирования левого или правого пилотов и линии визирования изображения, формируемого одним каналом формирования изображения такой системы визуализации, при имитации стояночной высоты и руления по ВПП становится уже заметным и доходит примерно до 3 градусов (в угловой мере, приведённой к полю зрения лобового остекления). Из - за той же экономии средств на приобретение второго канала формирования изображения это несоответствие при использовании таких систем визуализации допускают, хотя оно и оказывает свое отрицательное влияние на обучение экипажей.
Несмотря на то, что одна система визуализации ТСВ - 1 не может обеспечить на тренажёре или моделирующем стенде имитацию внешней визуальной обстановки в полях зрения и левого, и правого лобового остекления макета .кабины самолёта, она по своему функциональному назначению, по характеристикам выходного изображения и по общим признакам (коллиматор, просветный экран, видеопроектор, генератор изображения) ближе других стоит к предлагаемому изобретению, и авторы выбрали её за прототип.
лобового остекления макета кабины самолёта на тренажёре или моделирующем стенде при минимальных затратах.
Указанная цель достигается тем, что коллиматор со своим просветным экраном известной системы визуализации установлен снаружи макета кабины самолёта в направлении оси визирования левого пилота. И в систему визуализации дополнительно введены второй аналогичный коллиматор также со своим просветным экраном. Установлен дополнительный коллиматор снаружи макета кабины самолёта, но в направлении оси визирования правого пилота. А видеопроектор системы визуализации установлен между коллиматорами на равном удалении от экранов в направлении проекции на них. К тому же, в систему визуализации также дополнительно введено полупрозрачное зеркало, установленное под углом примерно 45 градусов к оптической оси видеопроектора, разделяющее световой поток от видеопроектора на два направления - канала, направленных по оптической оси видеопроектора у первого канала, и под углом 90 градусов к первому каналу - у второго. Также в систему визуализации дополнительно введены три зеркала с полным отражением, причём первое и второе зеркала введены в первый канал и расположены они последовательно одно за другим между полупрозрачным зеркалом и экраном первого коллиматора. При этом, первое зеркало установлено под углом примерно 45 градусов к оптической оси первого канала, а второе зеркало установлено также под углом примерно 45 градусов к оптической оси первого канала, и с возможностью обеспечения направления проекции изображения параллельно оптической оси видеопроектора на первый экран. Третье зеркало введено во второй канал и расположено оно между полупрозрачным зеркалом и вторым экраном. Это зеркало установлено под углом примерно 45 градусов к оптической оси второго канала, с возможностью обеспечения направления проекции изображения параллельно оптической оси видеопроектора на экран второго коллиматора.
Предполагаемая полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена схема установки коллиматоров у макета кабины самолёта. На фиг. 2 приведена схема установки просветных экранов в коллиматорах. На фиг. 3 приведена схема проекции изображения от видеопроектора на просветные экраны.
Перед макетом кабины самолёта 1 снаружи у левого лобового остекления 2 установлен первый коллиматор 3. При этом, оптическая ось коллиматора направлена по оси визирования левого пилота (командира). Также снаружи перед макетом кабины самолёта 1 у правого лобового остекления 4 установлен второй коллиматор 5. При этом, оптическая ось его направлена по оси визирования правого пилота. В фокальных поверхностях сферических зеркал 6 и 7 каждого из коллиматоров 3 и 5 установлены просветные экраны 8 и 9. Причём, первый просветный экран 8 установлен в первом коллиматоре 3, а второй экран 9 - во втором коллиматоре 5.
Видеопроектор 10 установлен между коллиматорами 3 и 5 на равном удалении от экранов 8 и 9 в направлении проекции на них. Под углом примерно 45 градусов к оптической оси видеопроектора 10 установлено полупрозрачное (с пропусканием - примерно 50% и отражением - примерно 50%) зеркало 11, разделяющее световой поток от видеопроектора 10 на два направления - на первый канал (для левого коллиматора 3), направленный по оси видеопроектора 10, и на второй канал (для правого коллиматора 5), направленный примерно на 90 градусов к оптической оси первого канала. За полупрозрачным зеркалом 11 установлено под углом примерно 45 градусов к оптической оси видеопроектора 10 первое зеркало 12 с полным отражением, ломающее ось проекции первого канала. Последовательно за зеркалом 12 установлено под углом примерно 45 градусов к оптической оси второго канала второе зеркало 13 с полным отражением, повторно ломающее ось проекции изображения первого канала и направляющее его на первый просветный экран 8. Под углом примерно 45 градусов к оптической оси второго канала между полупрозрачным зеркалом 11 и просветным экраном 9 установлено третье зеркало 14 с полным отражением, также ломающее ось проекции изображения и направляющее его на второй экран 9. Пространство между видеопроектором 10 и коллиматорами 3 и 5 закрыто светозащитным корпусом 16. Видеопроектор 10 имеет регулировочные подвижки для юстировки. Такие же регулировочные подвижки имеют зеркала 11, 12, 13, 14 и экраны 8 и 9.
Предполагаемая полезная модель работает следующим образом. Сначала в генератор изображения системы визуализации вводятся исходные данные по направлению линии визирования наблюдателя (в данном случае, например, по оси, лежащей в плоскости симметрии моделируемого летательного аппарата - в плоскости ХОУ) и по углам обзора средства наблюдения (по углам обзора переднего левого 2 или правого 4 лобового остекления при наблюдении через них из рабочей точки зрения - РТЗ соответственно левого или правого оператора). В данном случае это исходное значение составляет - 33 градуса по вертикали и 47 градусов по горизонтали (см. ниже). Затем генератор изображения 15 начинает формировать компьютерным способом средствами машинной графики изображение внешней визуальной обстановки для заданного средства наблюдения. Видеосигналы с генератора изображения 15 передаются по цепям электрической связи на видеопроектор 10 системы визуализации. Видеопроектор 10 проецирует сформированное изображение на полупрозрачное зеркало 11, которое разделяет его на два одинаковых. Первое изображение с помощью зеркал 12 и 13 передаётся на первый просветный экран 8, установленный в фокальной поверхности сферического зеркала 6 левого коллиматора 3. Второе изображение с помощью зеркала 14 передаётся на второй просветный экран 9, установленный в фокальной поверхности сферического зеркала 7 второго (правого) коллиматора 5. Операторы из
состава экипажа наблюдают со своих рабочих мест в полях зрения левого и правого лобового остекления макета самолёта имитируемое изображение внешней визуальной обстановки. Изображение наблюдается операторами из бесконечности как и в реальных условиях.
Предполагаемая полезная модель устраняет и недостаток вышеуказанных систем визуализации, имеющих один канал формирования изображения (например, одну передающую телевизионную камеру - в макетных системах, или один генератор изображения - в компьютерных системах) и два канала отображения изображения (два коллиматора) - по некоторому несоответствию линий визирования изображения, наблюдаемого пилотами в полях зрения левого и правого лобового остекления макета кабины самолёта линиям визирования изображения, наблюдаемого в реальном полёте.
Это достигается на этапе оптической юстировки зеркал, входящих в состав предполагаемой полезной модели. Для левого канала отображения изображения это достигается с помощью одноразового ручного дополнительного разворота зеркала 13 против часовой стрелки относительно своего нулевого положения вокруг оси, перпендикулярной оптической оси проекции первого канала, на угол, обеспечивающий перемещение изображения по экрану 8 в поперечном направлении вправо на необходимую величину (примерно 3 градуса). Для правого канала отображения изображения это достигается с помощью одноразового ручного дополнительного разворота зеркала 14 по часовой стрелки относительно своего нулевого положения вокруг оси, перпендикулярной оптической оси проекции второго канала, на угол, обеспечивающий перемещение изображения по  экрану 9 в поперечном направлении влево на ту же необходимую величину. Для того чтобы экраны 8 и 9 были полностью заполнены проецируемым изображением с учётом дополнительных разворотов зеркал 13 и 14, в генератор изображения предполагаемой полезной модели вводятся уточнённые исходные данные по углам обзора средств наблюдения по горизонтали - 47 градусов, которые содержат 41 градус поля зрения левого или правого лобового остекления (соответствующие полям зрения коллиматоров по горизонтали), а также 3 градуса запаса слева для обеспечения дополнительного разворота зеркала 13 и 3 градуса запаса справа для обеспечения дополнительного разворота зеркала 14. В связи с тем, что видеопроектор выдаёт изображение в телесном угле с соотношением ширина - высота как 4 к 3, то в генератор изображения 10 предлагаемой системы визуализации вводятся уточнённые исходные данные и по углам обзора средств наблюдения по вертикали - 33 градуса. Затем генератор изображения передаёт сформированное изображение на видеопроектор, который проецирует его с помощью зеркал 11, 2, 13, 14 на соответствующие экраны 8 и 9. Коллиматоры 3 и 5 отображают это изображение как бы из бесконечности в полях зрения соответственно левого
и правого лобового остекления макета самолёта, и пилоты из состава экипажа наблюдают со своих рабочих мест сюжеты имитируемого изображения внешней визуальной обстановки, которые отличается друг от друга по направлению линии визирования, как и в реальном полёте. Т.е. с помощью дополнительных разворотов зеркал 13 и 14 в предполагаемой одноканальной (по наличию одного генератора изображения) полезной модели имеется возможность достижения таких характеристик выходного изображения внешней визуальной обстановки, которые получаются при использовании двух каналов формирования изображения, чем и подтверждается экономия от неприменения второго генератора изображения.
В настояш,ее время на предприятии ФГУП «НИИАО разработана эскизная конструкторская документация на предполагаемую полезную модель, изготовлен действуюш;ий макетный образец и проведены его испытания.
Испытания действующего макетного образца предполагаемой полезной модели показали возможность обеспечения с её помощью имитации внешней визуальной обстановки в полях зрения левого и правого лобового остекления макета кабины самолёта на моделирующем стенде при минимальных затратах (на два коллиматора, на два просветных экрана, на один видеопроектор вместо двух и на один генератор изображения вместо двух).
Изображение внешней визуальной обстановки в полях зрения левого и правого лобового остекления макета кабины самолёта, формируемое предполагаемой полезной модели, обладает высокими характеристиками яркость его составляет около 100 кд/м, что вдвое меньше, чем у системы визуализации, выбранной за прототип, но существенно выше, чем у вышеуказанных отечественных и зарубежных «двухоконных систем визуализации. Чёткость изображения составляет не менее 1024 х 768 элементов изображения. Эти характеристики достигнуты при использовании в составе предполагаемой полезной модели видеопроектора типа SANYO, модели PLC - XW20. И они могут быть ещё улучшены за счёт применения видеопроекторов с более высокими характеристиками. Источники информации: 1.Census: civil simulators. Журнал Flight International, 410 March, 2003, стр.32 - 49.
3.Система визуализации «Альбатрос.
Информационный лист (проспект - реклама) авиасалона «МАКС - 95.
4.Компьютерная система визуализации «Альбатрос. Информационный лист (проспект - реклама) авиасалона «МАКС - 95.
5.Пилотажный тренажёр.
Информационный лист (проспект - реклама) авиасалона «МАКС - 93.
6.Тренажёрная система визуализации ТСВ - 1 (одноканальная, однооконная) -прототип..
Информационный лист (проспект - реклама) авиасалона «МАКС - 2003.