ИМИТАТОР ВИЗУАЛЬНОЙ ОБСТАНОВКИ АВИАЦИОННОГО ТРЕНАЖЕРА

Предполагаемое изобретение относится к авиационному тренажеростроению.
Имитатор визуальной обстановки (ИВО) входит в состав авиационного тренажера и обеспечивает обучаемому видимость имитируемой местности и объектов через остекление кабин тренажеров.
Изображение местности и объектов меняется в соответствии с имитируемыми движениями летательного аппарата относительно пролетаемой местности и видимых через остекление кабины других объектов, например, самолета - заправщика.
Для обеспечения обучаемому пилоту правильных навыков визуального пилотирования, в том числе при дозаправке топливом в полете, необходимо, чтобы в ИВО правильно учитывались особенности зрительной системы, в том числе бинокулярность зрения [1, стр. 97-100; 2, стр. 31-32].
При имитации полета над местностью, а также взлета и посадки пилот видит через остекление кабины пролетаемую местность и объекты на расстояниях десятки, сотни и тысячи метров.
Для зрительной системы это практически соответствует бесконечности, так как расстояние между зрачками глаз несоизмеримо мало по сравнению с расстоянием до видимых объектов.
В этом случае угол конвергенции (угол схождения зрачков на рассматриваемом объекте) будет нулевым, (зрачки смотрят параллельно) и разность изображений на сетчатках глаз (диспорантность) будет отсутствовать.
Для этих режимов имитируемых полетов достаточно изображение перенести в бесконечность (сделать его коллимированным).
Известны ИВО, применяемые в пилотажных и комплексных авиационных тренажерах, в которых обеспечивается имитация взлета, полета по маршруту и посадке. [1, стр. 98-99;2, стр. 31-32].
Как видно из рисунка [2, стр. 31-32], такой ИВО содержит компьютерный генератор изображения (ГКИ), на вход которого подаются сигналы от имитатора динамики движения (вычислителя тренажера), а выход подсоединен к устройству отображения визуальной информации (УОВИ).
В этом ИВО УОВИ содержит оптико-коллимационное устройство (ОКУ), обеспечивающее перенос всего изображения в бесконечность.
Такой ИВО обеспечивает в составе тренажера правильный учет особенностей зрительной системы и, как следствие, привитие правильных навыков пилотирования в режимах, когда пилот наблюдает местность и объекты удаленными на десятки, сотни и тысячи метров.
Как в реальном полете, разность изображений на сетчатках обоих глаз отсутствует, а угол схождения зрачков нулевой (глаза смотрят параллельно).
Однако ИВО с УОВИ, содержащем ОКУ без стереоскопии, не обеспечивает правильный учет бинокулярности зрения при имитации видимости близко расположенных объектов, например, при имитации дозаправки топливом в полете, когда необходимо визуально определить дальности и скорости движения объектов, находящихся на расстоянии2-10 метров.
Для правильного учета бинокулярности зрения при рассматривании близко расположенных объектов необходимо каждому глазу давать свое изображение, соответствующее видимости каждым глазом близко расположенных объектов, чтобы угол схождения зрачков глаз (угол конвергенции) и разность изображений на сетчатках глаз (диспарантность) соответствовали дальности до наблюдаемого объекта [3, стр. 33-34].
При визуальной дозаправке топливом в полете, пилот одновременно видит близко и далеко расположенные объекты. Так штанга на заправляемом самолете крепится на его фюзеляже и видна на расстоянии 2-5 метров, а самолет - заправщик может наблюдаться с расстояний в сотни и тысячи метров.
Для обучения дозаправке топливом в полете, как правило, применяются специализированные тренажеры со стереоскопическим ИВО [1, стр. 99-100; 3, стр. 34]. В этих тренажерах основное внимание уделяется правильной имитации видимости близко расположенных объектов.
В стереоскопических ИВО для каждого глаза формируется свое изображение, учитывающее видимость имитируемых объектов каждым глазом с учетом базы глаз (расстояние между зрачками) и расстояния до видимых объектов.
Каждый глаз получает свое двухмерное изображение пространства, а два двухмерных изображения обеспечивают формирование головным мозгом наблюдателя (обучаемого) трехмерного (стереоскопического) образа видимых объектов, используемого для управления имитируемым летательным аппаратом. Для наблюдения стереоизображения в этих тренажерах используются специальные очки, обеспечивающие разделение изображений для каждого глаза.
Известен ИВО со стереоскопическим изображением, который по совокупности общих существенных признаков наиболее близок к заявляемому ИВО и который принимается за прототип [3, стр.34].
Этот ИВО содержит компьютерный генератор стереоизображения, включающий два КГИ (для каждого глаза свой); два видеопроектора с устройствами сепарации изображения, экран, на который проектируется изображения с видеопроекторов, специальные очки для разделения изображения для каждого глаза.
Как на всех авиационных тренажерах, на вход компьютерного генератора стереоизображения поступают сигналы с вычислителя тренажера.
Обучаемый в тренажере использует наблюдаемое на экране изображение для управления имитируемым полетом путем воздействия на органы управления, что приводит к изменению сигналов с вычислителя тренажера,
поступающих на вход компьютерного генератора стереоизображения. Соответственно меняются сигналы на входе видеопроекторов и изображение на экране, которое использует обучаемый для управления имитируемым полетом.
Недостатком данного ИВО является его низкая эффективность при обучении задачам взлета-посадки, полетам над местностью и боевому применению по визуально видимым надземным и воздушным целям, то есть задачам обучения на комплексных авиационных тренажерах. При обучении этим задачам характерным является то, что местность и объекты на ней пилот должен видеть на расстоянии десятки, сотни и тысячи метров. На этих дальностях расстояния между глазами и величина перемещения головы обучаемого во время «полета» несоизмеримо малы по отношению к дальности до видимых объектов и изображение на сетчатках глаз одинаковые и не меняются при линейных перемещениях головы. В прототипе экран расположен близко (2-3 м) и линейные перемещения головы приводят к изменению изображения на сетчатках глаз, что не обеспечивает получение головным мозгом информации, адекватной получаемой в реальном полете, а опыт создания тренажеров показал необходимость обеспечения этой адекватности во всех типах тренажеров. Кроме того, при перемещении головы наблюдателя (обучаемого) появляется погрешность в определении положения объектов, имитируемая дальность до которых отличается от дальности до экрана. При перемещении головы обучаемого не обеспечивается также изменение ракурса видимости близко располагаемых имитируемых объектов, что существенно, например, при имитации заправки топливом в полете.
Для обеспечения правильного восприятия в тренажерах местности и объектов, видимых на больших расстояниях, широко применяют УОВИ с коллимированным, то есть удаленным в бесконечность, изображением [1, стр. 98-99]. Однако для решения задач дозаправки топливом в полете и других, где наиболее важным является правильное восприятие близкорасположенных объектов применяют стереоскопические УОВИ [3-прототип], характерным конструктивным элементом которого является наличие отражательного экрана большого размера, располагаемого на близком (2-3 м от обучаемого) расстоянии. Эта конструктивная особенность традиционных стереоскопических ИВО не только имеет вышеуказанные недостатки, но и не позволяет использовать их в тренажерах с кабинами для двух пилотов, т.к. не позволяет двум пилотам наблюдать одно общее изображение. Например, при имитации взлета ось взлетно-посадочной полосы (ВПП) должна наблюдаться пилотами совмещенной с осью имитируемого самолета, т.е. находится перед пилотом.
На фигуре 3 показано, что при проектировании изображения ВПП на экран совмещенного по оси с положением левого пилота, правый пилот будет наблюдать ось ВПП не перед собой, а слева. В реальном полете оба пилота видят практически одно и тоже, и самолет может пилотировать любой из них, что необходимо обеспечить и на тренажерах.
Одно общее изображение на экране использовать для обоих пилотов нельзя, что видно из фигуры 3. Если экран разделить и каждому пилоту подавать свое изображение, то углы обзора по горизонтали сократятся до недопустимо малых размеров. Причем чем дальше экран от наблюдателей (пилотов), тем эти углы будут меньше.
Приближение экрана, например, вплотную к кабине позволит увеличить углы обзора, но приводит к усилению несоответствия конвергенции и диспорантности и их изменениям при движении головы наблюдателя, делая их недопустимыми для привития на тренажере правильных навыков пилотирования.
В УОВИ с ОКУ изображение отнесено в бесконечность и поэтому такое УОВИ может устанавливаться вплотную к остеклению кабины, что позволяет получить большие углы зрения по горизонтали каждому пилоту, например, до 45° на один канал, обеспечивая привитие правильных навыков при обучении на тренажере.
1
2
На фигуре 4 показана схема расположения углов обзора двух пилотов относительно экрана. Из нее видно, что при углах λ левого пилота и λправого пилота (изображение на экране соответственно А-А' и В-В') на экране изображения накладываются в центральной части друг на друга (точки В-А'), а для этих же углов обзора при установке УОВИ с ОКУ каждый пилот видит только свое изображение, которое соответствует видимости с места каждого пилота.
Предлагаемый ИВО предназначен для обучения на одном тренажере как задачам визуальной дозаправки топливом в полете, в том числе с кабинами для двух пилотов, так и задачам взлета-посадки, полета над местностью, и обучения другим задачам, связанным с наблюдением местности и объектов на больших расстояниях.
Указанный технический результат достигается тем, что имитатор визуальной обстановки, содержащий компьютерный генератор стереоскопического изображения, подключенный к сигналам вычислителя тренажера, два видеопроектора с устройствами сепарации изображения, подключенных к выходам компьютерного генератора стереоскопического изображения, экран, на который проектируется изображение с видеопроекторов, и устройство приема изображения, дополнительно содержит ОКУ, фокальная поверхность которого совмещена с рабочей поверхностью экрана, и оптическое устройство получения соосного изображения, установленное между проекторами и экраном.
Оптическое устройство получения соосного изображения может быть выполнено, например, из 2-х зеркал, одно из которых - на отражение, а второе - полупрозрачное.
Сферический экран, совмещаемый с фокальной поверхностью ОКУ, имеет малые габариты (менее 1 метра по диагонали) и возможность получения неискаженного изображения при проектировании на него изображения с
близкого расстояния двумя видеопроекторами достигнута за счет введения оптического устройства получения соосного изображения.
Устройство приема изображения выполнено или в виде очков для разделения изображения для каждого глаза (стереоочков) - так же, как и в прототипе, или в виде стереоочков, снабженных блоком выработки сигналов положения головы обучаемого, выход которого подключен к генератору стереоскопического изображения. Введение блока выработки сигналов положения головы наблюдателя обеспечивает изменение ракурса видимости близкорасположенных объектов и устраняет погрешность в восприятии объектов за счет перемещения головы наблюдателя при перенесении плоскости с изображением в бесконечность.
Данное конструктивное решение ИВО обеспечивает правильное восприятие зрительной системой как близко, так и далеко расположенных объектов и, как следствие, позволяет использовать данный ИВО в комплексных тренажерах, для решения всех задач, связанных с визуальным пилотированием, включая дозаправку топливом в полете. Возможность правильного восприятия стереоскопических изображений близко расположенных объектов (2-1 Ом) при удалении плоскости с изображением на бесконечность подтверждена и теоретическими расчетами [4, стр. 177]. Это конструктивное решение позволяет имитировать стереоскопическое изображение и для двух пилотов.
В процессе проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации не было обнаружено устройства, совокупность существенных признаков которого обеспечивает технический результат, достигаемый заявляемым изобретением.
Заявляемое изобретение представляет техническое решение, являющееся новым, промышленно применимым и имеющим изобретательский уровень.
На фигуре 1 изображены блок-схема имитатора визуальной обстановки заявляемого тренажера с устройством приема изображения, выполненного в виде стереоочков; на фигуре 2 - то же, с устройством приема изображения, выполненного в виде стереоочков с блоком выработки сигналов положения головы обучаемого; на фигуре 3 - схема расположения пилотов относительно экрана на отражение; на фигуре 4 - схема расположения углов обзора двух пилотов относительно экрана. Фигуры 3 и 4 не являются иллюстрацией заявляемого изобретения, а служат лишь для демонстрации недостатков прототипа.
Имитатор визуальной обстановки содержит компьютерный генератор стереоскопического изображения 1, вход которого подключен к вычислителю тренажера, а выходы -к входам видеопроекторов 2 и 3 с устройствами сепарации изображения, экран 4, рабочая поверхность которого совмещена с фокальной поверхностью оптико-коллимационного устройства (ОКУ) 5, при этом перед экраном 4 установлено оптическое устройство получения соосного изображения 6. Имитатор визуальной обстановки снабжен также устройством приема изображения 7, выполненного или, как в прототипе, в виде стереоочков 8 для разделения изображения с видеопроекторов 2 и 3 для левого и правого глаза (фиг.1), или в виде стереоочков 8, снабженных блоком 9 выработки
сигналов положения головы обучаемого, выход которого подключен к генератору 1 стереоскопического изображения (фиг.2). Оптическое устройство 6 выполнено, например, из двух зеркал, одно из которых - 10 - выполнено зеркальным, а другое - 11 - полупрозрачным.
Элементы 2, 3, 4, 5, 6 и 7 представляют собой стереоскопическое устройство отображения визуальной обстановки с ОКУ (УОВИ с ОКУ). Для тренажеров с двумя пилотами необходимо установить, соответственно 2 компьютерных генератора 1 и два стереоскопических УОВИ с ОКУ.
Имитатор визуальной обстановки работает следующим образом:
От вычислителя тренажера подаются сигналы на компьютерный генератор стереоскопического изображения 1, а с его выходов - видеосигналы на видео проекторы 2 и 3. Световые потоки с изображением с выходов видеопроекторов 2 и 3 поступают на оптическое устройство получения соосного изображения 6, и это соосное изображение поступает на просветный экран 4, рабочая поверхность которого совмещена с фокальной поверхностью ОКУ 5. Оптическое изображение с ОКУ 5 наблюдается обучаемым через устройство приема изображения 7 в виде стереоочков 8, которое решает задачу разделения изображения с ивдеопроекторов 2 и 3 левого и правого глаза (фиг.1), однако может дополнительно формировать сигналы, определяющие положение головы наблюдателя с помощью блока 9 выработки сигналов положения головы обучаемого и выдавать эти сигналы в компьютерный генератор 1 стереоскопического изображения, который по этим сигналам корректирует изображение с учетом положения головы обучаемого (фиг.2).
Сигналы от вычислителя тренажера характеризуют положение имитируемого летательного аппарата в пространстве. Компьютерный генератор 1 содержит базу данных о местности и видимых объектах, положение наблюдателя, величины углов обзора внешней обстановки через остекление кабины, расстояние между глазами и другую информацию, необходимую для компьютерной генерации в реальном времени видимого изображения каждым глазом.
В соответствии с сигналами от вычислителя тренажера компьютерный генератор 1 вырабатывает видеосигналы для данного момента времени, поступающие на входы видеопроекторов 2 и 3, соответственно для одного и другого глаза наблюдателя. Выходные сигналы с помощью устройств сепарации изображения, входящих в состав видеопроекторов 2 и 3, разделяются на изображения для левого и правого глаз. Эти изображения поступают на вход оптического устройства 6 для получения соосного изображения, которое объединяет их в один световой поток, поступающий на экран 4. Оптическое устройство 6 может состоять из двух зеркал. В этом случае световой поток от видеопроектора 3 поступает на правое зеркало 10 оптического устройства 6 и от него на левое полупрозрачное зеркало 11, с которого отражается на экран 4, а световой поток от видеопроектора 2 проходит сквозь левое полупрозрачное зеркало 11 и так же поступает на экран 4.
С экрана 4 объединенный световой поток поступает на оптико-коллимационное устройство 5, которое переносит это изображение в бесконечность. Обучаемый наблюдает это изображение через устройство приема изображения, например, в виде стереоочков 8, разделяющих это изображение для каждого глаза. Каждый глаз видит изображение со своего видеопроектора 2 или 3.
При работе ИВО в составе тренажера обучаемый, глядя на имитируемое изображение, воздействует на органы управления имитируемого летательного аппарата. Изменение положения органов управления приводит к изменению входных сигналов компьютерного генератора 1. Таким образом, система ИВО работает в замкнутом контуре управления.
Оптико-коллимационное устройство 5 может иметь, например, полупрозрачное и сферическое зеркала. Такие ОКУ широко применяются в системах ИВО авиационных тренажеров. Стереоочки 8 могут быть поляроидными, а блок 9 выработки сигналов положения головы может содержать точечный источник излучения, например, светодиод, закрепляемый на очках 8, и видеокамеру, механически соединенную с кабиной, например, с сидением пилота таким образом, чтобы при перемещении головы обучаемого с очками точечный источник излучения оставался в поле зрения камеры.
Именно совокупность существенных признаков, реализуемая в предлагаемом ИВО, обеспечивает получение заявляемого технического результата, выражающегося в обеспечении возможности применения этого ИВО в комплексных тренажерах, в том числе с двумя пилотами, для обучения на этом тренажере взлету, полету с видимостью местности, посадке и заправке топливом в полете.
Источники информации
1. Сборник научных трудов «Проблемы и перспективы голографии и оптикоэлектроники в системах визуализации (материалы, элементы, устройства, системы)». Госкомитет СССР по кинематографии, ЦООНТИ по кинематографии, 1989 г., стр. 95-100 (УДК 612.843.7.001.57.002.5)
2. Журнал корпорации «Аэрокосмическое оборудование», «Мир авионики», №4, 2002 г., стр. 31-32
3. Журнал корпорации «Аэрокосмическое оборудование» «Мир авионики», №3, 2002 г., стр. 33-34.
4. Валюс Н.А. «Стерео: фотография, кино, телевидение», М., «Искусство», 1986 г., 177 стр.