СИСТЕМА ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ СУДНОМ

Полезная модель относится к авиационной технике, а именно: к бортовому оборудованию воздушных судов.
Уровень техники.
Известны системы пространственной ориентации пилотов воздушных судов и отображения навигационной и полетной информации с помощью вычислительных комплексов, вырабатывающих по сигналам датчиков авиационных приборов двумерные символы, характеризующие пространственное, угловое положение и составляющие скорости воздушного судна относительно земли, и визуализирующие расчетную траекторию с отображением информации на электронный дисплей, лобовое стекло кабины пилота, прозрачную панель перед лобовым стеклом кабины пилота или наголовный модуль (US 4454496, RU 2173660). Способ визуализации расчетной траектории с помощью маркеров, представляющих собой развернутую в перспективе последовательность рамок, перпендикулярных расчетной траектории и расположенных по ее оси, известен как «небесный туннель» («tunnel-in-the-sky»). Изображение небесного туннеля может накладываться на основной полетный дисплей (Primary flight display, PFD, см. фиг.1) или на дисплей системы синтетического зрения (Synthetic Vision System, SVS, см. фиг.2)
Недостатками известных систем является наличие большого количества двухмерной знакографической информации (угловое положение, высота, скорость воздушного судна), рассеивающей внимание пилота и требующей от него ментальной конвертации символьной информации в адекватное представление об окружающей обстановке и состоянии полета а также проблемы отображения и восприятия трехмерных объектов на двумерном плоском дисплее. При использовании электронного дисплея SVS, имеются также проблемы рассеивания внимания, затрат времени для аккомодации зрения пилота при переключении внимания от пространства за кабиной на дисплей и обратно, согласования секторов обзора и масштабов изображения реального мира и дисплейной картинки.
Технической задачей предлагаемой полезной модели состоит в создании системы отображения информации для управления воздушным судном, обеспечивающей пространственную ориентацию пилотов воздушных судов, лишенной указанных недостатков.
Близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату является известная система формирования в пространстве траектории воздушного судна и отображения ее пилотам и зрителям с помощью условных виртуальных объектов, продемонстрированный в авиашоу Rocket Racing League (http://www.membrana.ru/articles/technic/2010/04/27/130400.html). Для пилотов использовался комплекс, содержащий наголовный модуль, имеющий систему позиционирования, позволяющую определять линейные координаты положения воздушного судна в пространстве и угловые координаты положения головы пилота, и связанный с ним компьютер. Наголовный модуль выполнен в виде шлема (Elbit Systems Targo Racer), на щиток которого отображаются двумерные проекции трехмерных маркеров в виде серии виртуальных объектов - плоских рамок, задающих траекторию полета. Данный способ не обеспечивает стереоскопического восприятия объемных рамок «небесного туннеля», что снижает эффективность пространственной ориентации.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является система пространственной ориентации пилотов воздушных судов при посадке, описанная в патенте на полезную модель РФ 107515. Данная полезная модель включает формирование виртуальной посадочной глиссады с использованием комплекса, содержащего наголовный модуль, систему позиционирования, включающую средство определения трех линейных и трех угловых координат положения воздушного судна в пространстве, связанный с ней компьютер и модуль памяти с координатами посадочных глиссад, отличающийся тем, что наголовный модуль представляет собой очки смешанной реальности с призмами для вывода на прозрачные стекла очков стереопар виртуальных объектов - маркеров посадочной глиссады, система позиционирования связана с компьютером, генерирующим стереопары виртуальных объектов - маркеров посадочной глиссады для очков смешанной реальности. Существенным отличием предлагаемой полезной модели является то, что маркеры расчетной траектории формируются в виде объемных трехмерных рамок, которые располагаются в пространстве вдоль линии горизонта, что позволяет пилоту легче и быстрее визуально определять угловое и пространственное положение воздушного судна относительно данных маркеров.
Раскрытие полезной модели.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в повышении эффективности пространственной ориентации пилотов.
Указанный технический результат достигается тем, что система для пространственной ориентации пилотов воздушных судов состоит в отображении полетной информации и расчетной траектории совмещенных с реальной или виртуальной картиной окружающего пространства, причем совмещение происходит с помощью комплекса дополненной реальности, состоящего из наголовного модуля, включающего прозрачные стерео очки дополненной реальности с двумя прозрачными микродисплеями и системы позиционирования, обеспечивающей определение трех линейных координат положения точки наблюдения и трех угловых координат положения линии наблюдения в пространстве, и компьютера, в реальном времени генерирующего и передающего на микродисплеи очков дополненной реальности стерео видеоизображение. Полетная информация может быть дополнена отображением расчетного прогноза положения или траектории воздушного судна в виде трехмерных объектов. Расчетная траектория отображается в виде серии трехмерных виртуальных объектов - объемных рамок, трассирующих траекторию полета (см. фиг.3), которые располагаются в пространстве вдоль линии горизонта. Стереоскопическое восприятие объемных рамок позволяет пилоту с высокой точностью визуально оценивать угловые координаты воздушного судна, при этом он не испытывает дополнительной нагрузки при ментальной конвертации символьной информации в адекватное представление об окружающей обстановке и состоянии полета.
Хорошо заметные характеристики отображения рамок (цвет, форма, анимационные эффекты и т.п.) могут быть различными, и являться условными обозначениями соответствия характеристик полета расчетным (например, красный цвет - превышение требуемой скорости полета). Размеры, степень прозрачности и частота отображения рамок вдоль траектории определяются удобством визуального восприятия. Дополнительно могут отображаться границы допустимых отклонений от расчетной траектории, в этом случае «Небесный тоннель» может быть отождествлен с визуальным представлением трубки допустимых траекторий.
Для получения линейных координат в системе позиционирования применяется сертифицированный для выполнения посадок компактный приемник глобальных навигационных систем повышенной точности GLONASS/GPS/SBAS (например, Garmin GTN 625). Угловые координаты положения головы пилота вырабатываются включенным в наголовный модуль датчиком ориентации.
Существенным отличием предлагаемой полезной модели от описанного в разделе «Уровень техники» наиболее близкого аналога (патент РФ 107515) является то, что маркеры расчетной траектории формируются в виде объемных трехмерных рамок, которые располагаются в пространстве вдоль линии горизонта и имеют хорошо различимые пространственные размеры и положение, что позволяет пилоту, наблюдая их в стерео 3D режиме, с высокой точностью визуально оценивать угловые координаты воздушного судна. Наряду с маркирующими траекторию рамками фиксированного размера предлагается также отображать границы допустимых отклонений от расчетной траектории, формируя визуальное представление трубки допустимых траекторий. Отличием предлагаемой полезной модели является то, что цвет, форма, анимационные эффекты и другие визуальные особенности маркеров имеют значение и отображают отклонения параметров полета от расчетных, являясь для пилота интуитивно понятными подсказками к удержанию воздушного судна на расчетной траектории с заданными характеристиками. Кроме того, существенным отличием является использование приемника GLONASS/GPS/SBAS в качестве источника линейных координат, поскольку приемники GLONASS/GPS в настоящее время не обеспечивают требуемой для ряда авиационных применений точности.
Краткое описание иллюстраций.
Фиг.1. Пример отображения небесного туннеля на основном полетном дисплее воздушного судна (Primary flight display, PFD). Иллюстрация из публикации: Design of Tunnel-in-the-Sky Display and Curved Trajectory. Kohei Funabiki (Japan Aerospace Exploration Agency), 24th International Congress of the Aeronautical Sciences, 2004.
Фиг.2. Пример отображения небесного туннеля на дисплее системы синтетического зрения (Synthetic Vision System, SVS). Иллюстрация из публикации: Curved and steep approach flight tests of a lowcost 3d-display for general aviation aircraft. Sachs G., Speri R., Sturhan I. (Institute of Flight Mechanics and Flight Control, TU Munchen, Germany), 25th International Congress of the Aeronautical Sciences. Hamburg, Germany, 2006.
Фиг.3. Предлагаемая система отображения прогноза положения ВС и объемных 3D маркеров расчетной траектории.
Осуществление полезной модели
Осуществление предлагаемой системы пространственной ориентации пилотов воздушных судов заключается в следующем.
В компьютер поступают данные о положении и скорости воздушного судна в пространстве из системы позиционирования и данные о пространственных координатах контрольной точки траектории и параметрах подхода к ней. На основе этих данных компьютер рассчитывает реальную траекторию движения воздушного судна. Параметры расчетной траектории также могут быть рассчитаны заранее и храниться в модуле памяти компьютера. Компьютер генерирует стереопары трехмерных виртуальных объектов - маркеров прогноза положения или траектории воздушного судна, объемных маркеров-рамок расчетной траектории, знакографические символы другой полетной информации и выводит их на прозрачные микродисплеи стерео очков дополненной реальности (см. фиг.3). Также на очки может выводиться имеющаяся в памяти компьютера или доступная через каналы связи аэронавигационная информация и сведения о других воздушных судах, находящихся в зоне полета (например, получаемые из системы ADS-B). В условиях ограниченной видимости дополнительно может выводиться стереоизображение трехмерной модели поверхности земли и наземных объектов в зоне полета.
Для осуществления предлагаемой полезной модели может быть использован автономный мобильный компьютер, имеющий карманные размеры. Очки смешанной реальности представляют собой прозрачные стекла, либо проекторы изображения на сетчатку глаза, которые выводят стереопару трехмерных объемных изображений виртуальных объектов, сформированных компьютером. Пилот видит их вместе с окружающим пространством, при этом стерео эффект позволяет не просто накладывать объекты на фон, а позиционировать их в пространстве. При перемещении точки наблюдения и повороте линии наблюдения (точка наблюдения перемещается вместе с воздушным судном, линия наблюдения может меняться независимо) виртуальные объекты остаются в пространстве «на своем месте», пилот видит их, как если бы это были реальные объекты, к которым можно приближаться, удаляться, осматривать их с разных сторон. В качестве прозрачных очков смешанной реальности могут быть использованы соответствующие очки, выпускаемые промышленностью, например, STAR 1200 компании «Vuzix», снабженные встроенным датчиком ориентации, позволяющим определять три угловых координаты положения линии наблюдения в пространстве. Линейные координаты точки наблюдения можно получать, используя компактный приемник глобальных навигационных систем повышенной точности GLONASS/GPS/SBAS (например, Garmin GTN 625), сертифицированный для авиационного применения.
В силу прозрачности очков пилот сохраняет визуальный контроль над ситуацией, но одновременно видит маркеры прогноза положения или траектории воздушного судна, маркеры расчетной траектории, объемные стереоизображения которых меняются в соответствии с движением воздушного судна, что обеспечивается посредством использования данных системы позиционирования. Выполнение полета внутри «небесного туннеля» с удержанием воздушного судна в трубке допустимых траекторий обеспечивает безошибочное следование расчетной траектории при любой видимости.
Использование предлагаемой полезной модели за счет стереоскопического воспроизведения маркеров расчетной траектории в виде объемных трехмерных рамок обеспечивает повышение точности и надежности пространственной ориентации пилотов и выполнение ими безошибочных маневров независимо от метеоусловий и условий видимости, в том числе при посадке. Таким образом, удается решить проблему пространственной ориентации пилотов, потеря которой является причиной ряда крупных авиакатастроф. Предлагаемая полезная модель реализуется как компактное, умещающееся в кармане пилота техническое решение, не зависящее от бортовой сети питания, что повышает его надежность.