Визир специального комплекса ВСК-4ТИ в тренажерном исполнении для моделирования фокусировки изображения на космическом тренажере транспортного пилотируемого корабля

Полезная модель относится к области тренажерной техники и предназначена для применения в космических тренажерах и моделирующих стендах пилотируемых космических аппаратов (ПКА) при подготовке космонавтов к работе с оптическим визиром специального комплекса (ВСК-4) транспортного пилотируемого корабля (ТПК), обеспечивающая контроль при построении ориентации ТПК, а также стыковки и расстыковки ТПК с МКС.
Для обеспечения отработки космонавтом-оператором профессиональных навыков работы с ВСК-4 необходимо, чтобы тренажерный вариант визира ВСК-4ТИ совместно с другими частями системы имитации внешней визуальной обстановки (СИВВО) тренажера ТПК обеспечивал формирование и отображение управляемого в реальном масштабе времени цветного динамического изображения внешней визуальной обстановки, соответствующего условиям наблюдения в визире ВСК-4 ТПК «Союз-МС» в полете, в том числе в части моделирования процесса фокусировки изображения в визире.
Имеется ряд патентов, посвященных системам имитации внешней визуальной обстановки тренажеров: U1, G09B 9/08, 2004; RU 44403, U1, G09B 9/08, 2004; RU 2325706, C1, G09B 9/08, 2006; RU 2299471, С2, G06T 17/00, 2005.
Несмотря на разную целевую направленность рассмотренных устройств, их общим недостатком является отсутствие технической возможности моделирования изображения объектов земной поверхности, соответствующего условиям их обнаружения, распознавания и регистрации с использованием бортовых средств наблюдения ПКА.
Известна система визуализации - патент RU 2325706, C1, G09B9/08, 2006, предназначенная для применения в космических моделирующих стендах и тренажерах. Эта система обеспечивает имитацию внешней визуальной обстановки в полях зрения оптического визира ВСК, входящего в состав бортовых средств отечественных космических ТПК. Технические принципы построения тренажерного варианта визира ВСК-4Т из указанного патента не могут быть использованы для решения задачи моделирования фокусировки изображения в визире специального комплекса космического тренажера ТПК, поскольку ВСК-4Т не имеет перемещающихся в процессе работы оптических элементов, влияющих на фокусировку изображения, т.е. изображение в визире сфокусировано на всех этапах полета, что не соответствует реальной работе ВСК-4 в процессе полета транспортного пилотируемого корабля «Союз-МС». Согласно [«Оптико-визуальные приборы транспортного пилотируемого корабля «Союз-МС», Учебное пособие ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина» 2015, с. 15]: с 30-40 метров при сближении ТПК с орбитальной станцией возникает необходимость фокусировать изображение цели на экране, с помощью рукоятки «ЭКРАН» визира ВСК-4.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является известный прототип - устройство оптического сопряжения (УОС) визира специального комплекса комплексного тренажера (КТ) ТПК «Союз-МС» - ТДК7СТ №3 [УОС ВСК КТ «Союз-ТМА» (ТДК7СТ №3), Руководство по эксплуатации СТИК.791493.018 РЭ, ООО «АВИАКОМ», 2004]. УОС ВСК, принимаемое за прототип, представляет собой изделие, включающий в себя: визир ВСК-4Т1 с опорой, основание с подставкой, платформа для размещения элементов УОС и видеопроектора, устройство оптического сопряжения имитатора визуальной обстановки визира ВСК-4. Основной задачей УОС ВСК является представление космонавту-оператору изображения внешней визуальной обстановки, сформированного системой компьютерной генерации изображений (СКГИ) с целью обучения его работе с визиром ВСК-4.
Принятое за прототип изделие обеспечивает передачу инструктору информации о положении рукояток «ЭКРАН» и «ЦЕНТР СВЕТОФ». Эта информация от изделия поступает через устройство сопряжения и обмена в вычислительную систему космического тренажера. Вычислительная система космического тренажера, обработав полученную информацию, пересылает ее в СКГИ, которая формирует сигнал для проектора УОС ВСК ТДК7СТ №3.
Недостатком принятого за прототип изделия является невозможность полноценного моделирования процесса фокусировки изображения в УОС ВСК ТДК7СТ №3. При перемещении рукоятки «ЭКРАН» снимается сигнал положения рукоятки пропорциональный параметра механически связанного с ней потенциометра. С введением перемещающейся линзы при вращении рукоятки «ЭКРАН» вводится дополнительно компенсирующий сигнал о положения линзы. Так же отсутствует информация для инструктора о работе оператора со шторкой от рукоятки «ШТОРКА» и периферийным светофильтром (далее «Светофильтр») от рукоятки «СВЕТОФИЛЬТР ПЕРИФЕР».
Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности моделирования процесса фокусировки изображения визиром ВСК-4ТИ в зависимости от положения линзы выходного экрана (рукояткой «ЭКРАН») и дальности до объекта (на участке до 40 метров), а также обеспечение информацией инструктора о положении шторки от рукоятки «ШТОРКА» и светофильтра от рукоятки «СВЕТОФИЛЬТР ПЕРИФЕР».
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является расширение функциональных возможностей тренажеров пилотируемых космических аппаратов при подготовке космонавтов к решению задач с использованием ВСК-4 в качестве основного визуального средства при ручном управлении движением ТПК «Союз МС», который достигается тем, что в известное устройство введены компенсатор фокусировки изображения для центрального поля, компенсатор фокусировки изображения для периферийных полей; блок управления компенсаторами фокусировки, а в выходной экран введены перемещающаяся линза, датчик положения шторки выходного экрана, датчик положения светофильтра выходного экрана.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, включающим фигуру 1. На фигуре 1 приведена функциональная схема взаимодействия составных частей космического тренажера с визиром специального комплекса в тренажерном исполнении ВСК-4ТИ для моделирования фокусировки изображения на космическом тренажере транспортного пилотируемого корабля, которая поясняет процесс моделирования фокусировки изображения, формируемого с целью обучения операторов работе с ВСК-4.
Функциональная схема взаимодействия составных частей космического тренажера с визиром ВСК-4ТИ, представленная на фигуре 1, содержит: систему компьютерной генерации изображений 1; монитор инструктора 2; проектор 3; светоделитель 4; компенсатор фокусировки изображения для центрального поля 5; компенсатор фокусировки изображения для периферийных полей 6; блок управления компенсаторами фокусировки 7; выходной экран 8; перемещающаяся линза 9; шторка выходного экрана 10; светофильтр выходного экрана 11; рукоятка положения линзы выходного экрана 12; рукоятка положения шторки выходного экрана 13; рукоятка положения светофильтра выходного экрана 14; датчик положения линзы выходного экрана 15; датчик положения шторки выходного экрана 16; датчик положения светофильтра выходного экрана 17; устройство сопряжения и обмена космического тренажера 18; вычислительную систему космического тренажера 19.
Система компьютерной генерации изображений (СКГИ) 1 предназначена для компьютерной генерации полноцветных, текстурированных, управляемых в реальном масштабе времени по командам от вычислительной системы тренажера изображений трехмерных динамических сюжетов внешней визуальной обстановки. Для визира ВСК-4ТИ формируется одно совмещенное изображение для центрального и периферийных полей. Входит в структуру космического тренажера ТПК «Союз-МС». Представляет собой аппаратно-программный комплекс, стандартно выпускаемый промышленностью. На вход его поступают сигналы от вычислительной системы (ВС) 14, а с первого выхода на проектор 3 и со второго выхода на монитор инструктора 2.
Монитор инструктора 2 предназначен для воспроизведения изображения внешней визуальной обстановки для контроля за действиями оператора на пульте контроля и управления космического тренажера ТПК «Союз-МС». Представляет собой устройство отображения информации, монитор выполнен жидкокристаллический, стандартно выпускаемый промышленностью. Видеоинформация на монитор поступает со второго выхода СКГИ 1.
Проектор 3 предназначен для создания методом геометрической проекции действительного изображения внешней визуальной обстановки, сформированного в СКГИ 1. Представляет собой оптический прибор, стандартно выпускаемый промышленностью. На вход его поступают сигналы от СКГИ 1, а с выхода к светоделителю 4.
Светоделитель 4 предназначен для разделения светового потока от проектора 2 для центрального поля (ЦП) и восьми периферийных полей (ПП) визира ВСК-4ТИ. Представляет собой полупрозрачную зеркальную поверхность, стандартно выпускаемая промышленностью. На вход его поступает световой сигнал от проектора 2, а с первого выхода световой сигнал на компенсатор фокусировки 5, со второго выхода на компенсатор фокусировки 6.
Компенсатор фокусировки изображения 5 для ЦП предназначен для компенсации фокусировки изображения для ЦП при перемещении линзы выходного экрана. Представляет оптико-механический блок, стандартно выпускаемый промышленностью. На его первый вход поступает световой сигнал от светоделителя 4 и на второй вход управляющий сигнал от блока управления компенсаторами фокусировки 7, а с выхода световой сигнал передается оператору на выходной экран 8.
Компенсатор фокусировки изображения для периферийных полей 6 предназначен для компенсации фокусировки изображения для ПП при перемещении линзы выходного экрана. Представляет собой оптико-механический блок, стандартно выпускаемую промышленностью. На его вход 1 его поступает световой сигнал от светоделителя 4 и на вход 2 управляющий сигнал от блока управления компенсаторами фокусировки 7, а с выхода световой сигнал передает оператору на выходной экран 8 визира ВСК-4ТИ.
Блок управления компенсаторами фокусировки 7 предназначен для приема информации о положении перемещающейся линзы 9 выходного экрана 8 и выдачи управляющих сигналов на компенсаторы фокусировки 5 и 6. Представляет собой микроконтроллер с программным кодом, стандартно выпускаемый промышленностью. На вход его поступает сигнал от датчика положения линзы выходного экрана 15, а с выхода управляющие сигналы на компенсаторы фокусировки 5 и 6.
Выходной экран 8 предназначен для представления оператору выходного совмещенного изображения внешней визуальной обстановки в ЦП и ПП, а так же для его обучения работе с органами управления ВСК-4. На выходном экране размещено: перемещающаяся линза 9; шторка выходного экрана 10; светофильтр выходного экрана 11; рукоятка положения перемещающейся линзы выходного экрана 12; рукоятка положения шторки выходного экрана 13; рукоятка положения светофильтра выходного экрана 14; датчик положения линзы выходного экрана 15; датчик положения шторки выходного экрана 16; датчик положения светофильтра выходного экрана 17. Представляет собой линзу, выпускается предприятиями космической отрасли. На вход его поступают световые сигналы от компенсаторов фокусировки 5 и 6, а с первого выхода от датчика положения линзы выходного экрана 15 на блок управления компенсаторами фокусировки 7, со второго выхода от датчика положения линзы выходного экрана 15 на устройство сопряжения и обмена космического тренажера 18, с третьего выхода от датчика положения шторки выходного экрана 16 на устройство сопряжения и обмена космического тренажера 18, с четвертого выхода от датчика положения светофильтра выходного экрана 17 на устройство сопряжения и обмена космического тренажера 18.
Перемещающая линза 9 предназначена для формирования светового потока совмещенного изображения в ЦП и ПП. Представляет собой стекло, выпускается предприятиями космической отрасли. Получает световые сигналы от компенсаторов фокусировки 5 и 6, механически связана с датчиком положения линзы выходного экрана 15 через рукоятку положения линзы выходного экрана 12.
Шторка выходного экрана 10 предназначена для ограничения яркости изображения на выходном экране ВСК-4ТИ. Представляет собой устройство для ограничения светового потока, выпускается предприятиями космической отрасли. Получает световые сигналы от компенсаторов фокусировки 5 и 6, механически связана с датчиком положения шторки выходного экрана 16 через рукоятку положения шторки выходного экрана 13.
Светофильтр выходного экрана 11 предназначен для устранения засветки периферийного поля выходного экрана от солнца. Представляет собой устройство для подавления солнечного спектра, выпускается предприятиями космической отрасли. Получает световые сигналы от компенсаторов фокусировки 5 и 6, механически связан с датчиком положения светофильтра выходного экрана 17 через рукоятку положения светофильтра выходного экрана 14.
Рукоятка положения линзы выходного экрана 12 предназначена для воздействия оператором на перемещающуюся линзу 9 и передачи механического воздействия на датчик положения линзы выходного экрана 15. Представляет собой деталь для механического соединения линзы выходного экрана 9 и датчика положения линзы выходного экрана 15, выпускается предприятиями космической отрасли.
Рукоятка положения шторки выходного экрана 13 предназначена для воздействия оператором на шторку 10 и передачи механического воздействия на датчик положения шторки выходного экрана 16. Представляет собой деталь для механического соединения шторки выходного экрана 10 и датчика положения шторки выходного экрана 16, выпускается предприятиями космической отрасли.
Рукоятка положения светофильтра выходного экрана 14 предназначена для воздействия оператором на светофильтр 11 и передачи механического воздействия на датчик положения светофильтра выходного экрана 17. Представляет собой деталь для механического соединения светофильтра выходного экрана 11 и датчика положения шторки выходного экрана 17, выпускается предприятиями космической отрасли.
Датчик положения линзы выходного экрана 15 предназначен для формирования электрического сигнала положения перемещающейся линзы выходного экрана 9 от рукоятки положения линзы выходного экрана 12. Датчик представляет собой резистор переменного сопротивления, стандартно выпускаемый промышленностью. Механически связан с перемещающейся линзой выходного экрана 9 через рукоятку положения линзы выходного экрана 12. Передает сигналы на блок управления компенсаторами фокусировки 7 и в устройство сопряжения и обмена космического тренажера 18.
Датчик положения шторки выходного экрана 16 предназначен для формирования электрического сигнала положения шторки выходного экрана 10 от рукоятки положения шторки выходного экрана 13. Датчик представляет собой резистор переменного сопротивления, стандартно выпускаемый промышленностью. Механически связан со шторкой выходного экрана 10 через рукоятку положения шторки выходного экрана 13. Передает сигналы в устройство сопряжения и обмена космического тренажера 18.
Датчик положения светофильтра выходного экрана 17 предназначен для формирования электрического сигнала положения светофильтра выходного экрана 11 от рукоятки положения светофильтра выходного экрана 14. Датчик представляет собой резистор переменного сопротивления, стандартно выпускаемый промышленностью. Механически связан со светофильтром выходного экрана 11 через рукоятку положения светофильтра выходного экрана 14. Передает сигналы в устройство сопряжения и обмена космического тренажера 18.
Устройство сопряжения и обмена космического тренажера 18 предназначено для приема сигналов от датчиков положения выходного экрана 8 и преобразования их в цифровой вид. Входит в структуру космического тренажера ТПК «Союз-МС». Представляет аналого-цифровое устройство, стандартно выпускаемое промышленностью. На вход его поступают сигналы от датчиков положения 15, 16, 17 выходного экрана 8, а с выхода сигналы поступают в вычислительную систему (ВС) космического тренажера 19.
Вычислительная система (ВС) космического тренажера 19 выполняет обработку цифровых сигналов, соответствующих датчикам положения 15, 16, 17 выходного экрана 8 и формирование управляющих сигналов для СКГИ 1 с учетом расположения объектов в моделируемой внешней визуальной обстановки. Входит в структуру космического тренажера ТПК «Союз-МС». Представляет аппаратно-программный комплекс, стандартно выпускаемый промышленностью. На вход ее поступают сигналы от УСО космического тренажера 18, а с выхода сигналы поступают в СКГИ 1.
Функционирование устройства происходит следующим образом.
В процессе проведения тренировки СКГИ 1 по командам от ВС космического тренажера 19 в реальном масштабе времени формирует трехмерные динамические сюжеты внешней визуальной обстановки для нескольких средств наблюдения тренажера. Одним из таких средств наблюдения является тренажерный вариант визира ВСК-4 - визир специального комплекса в тренажерном исполнении ВСК-4ТИ для моделирования фокусировки изображения на космическом тренажере транспортного пилотируемого корабля. СКГИ генерирует изображение для центрального поля с наложением изображения для периферийных полей.
С выхода формирователя изображений видеосигнал поступает на вход HDMI проектора 3. Проектор 3 воспроизводит изображение внешней визуальной обстановки и проецирует его на светоделитель 4.
Светоделитель 4 обеспечивает формирование двух потоков изображения от проектора 3 для центрального поля и периферийных полей ВСК-4ТИ. Соотношение силы света при разделении светового потока выбирается после расчета всей оптической схемы визира специального комплекса в тренажерном исполнении ВСК-4ТИ для моделирования фокусировки изображения на космическом тренажере транспортного пилотируемого корабля.
От светоделителя 4 разделенные световые потоки поступают на вход компенсатора фокусировки изображения для центрального поля (ЦП) 5 и компенсатора фокусировки изображения для периферийных полей (ПП) 6. Компенсаторы 5 и 6 представляют собой оптико-механические блоки. Для управления фокусом компенсаторов применяются приводы высокой точности, управляемые блоком управления компенсаторами фокусировки 7.
Блок управления компенсаторами фокусировки 7 обеспечивает параллельный расчет параметров управления отдельно для каждого компенсатора фокусировки изображения 5 и 6 на основании информации, поступающей от датчика положения линзы выходного экрана 15.
Линейное перемещение линзы выходного экрана 8 при вращении рукоятки «ЭКРАН» не приводит к расфокусировке и геометрическим искажениям изображения в ЦП и ПП. Это достигается применением компенсаторов фокусировки изображения 5 и 6. В штатном ВСК-4 вращение рукоятки «ЭКРАН» приводит к расфокусировке изображения при расстоянии до цели менее 40 метров.
Моделирование процесса фокусировки изображения в визире специального комплекса в тренажерном исполнении ВСК-4ТИ для моделирования фокусировки изображения на космическом тренажере транспортного пилотируемого корабля производится средствами СКГИ 1 по командам от ВС космического тренажера 19.
Аналоговый сигнал от датчика положения перемещающейся линзы 15 поступает на вход УСО космического тренажера 18. Происходит оцифровка данного сигнала с последующей передачей в ВС космического тренажера 19.
Рассчитанный параметр фокусировки передается от ВС космического тренажера 19 в СКГИ 1 для применения к генерируемому изображению эффекта «расфокусировки».
Аналоговые сигналы от датчика положения шторки 16 и датчика положения светофильтра 17 поступают на вход УСО космического тренажера 18. Происходит оцифровка данных сигналов с последующей передачей в ВС космического тренажера 19.
В зависимости от параметров сигналов датчиков положения перемещающейся линзы 15, шторки 16 и светофильтра 17 формируются команды в ВС 19 и передаются в СКГИ 1. В СКГИ 1 на выходное изображение накладываются объекты, соответствующие размерам и положению физических объектов в ВСК-4ТИ. Данное изображение для контроля за действиями оператора подается на монитор инструктора 2.
Преимуществами предлагаемой схемы моделирования процесса фокусировки изображения в визире специального комплекса в тренажерном исполнении ВСК-4ТИ для моделирования фокусировки изображения на космическом тренажере транспортного пилотируемого корабля перед известной, расширяющими ее функциональные возможности, являются:
1. Использование в визире ВСК-4ТИ перемещающейся линзы 9 и компенсаторов фокусировки изображения 5 и 6 для предоставления оператору реального изображения на выходном экране.
2. Представление инструктору информации положения шторки и светофильтра для контроля инструктором за действиями оператора.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает устранение недостатков известной схемы построения тренажерных вариантов визира ВСК-4 космического тренажера транспортного пилотируемого корабля, а ее использование позволяет расширить функциональные возможности тренажеров пилотируемых космических аппаратов при подготовке космонавтов к решению задач с использованием визира ВСК-4.