КОМПАКТНАЯ СИСТЕМА РАЗДЕЛЬНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЗОН ПЕРИФЕРИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ И ЗОНЫ ЯСНОГО ЗРЕНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ В ТРЕНАЖЕРЕ Российский патент 2000 года по МПК G09B9/08 G09B9/16 G09G3/00 

Изобретение относится к области тренажеростроения и может быть использовано при создании тренажеров различных транспортных средств.

Известно устройство по патенту США N 5320534 [1]. Оно представляет собой систему визуальной индикации, предназначенную для использования как часть транспортного средства, управляемого пилотом. Система содержит несколько плоских просветных экранов, имеющих каждый форму правильного пятиугольника. Экраны соединены своими сторонами так, что вместе образуют часть додекаэдра. Экраны удалены от глаз пилота на первое расстояние. С внешней стороны додекаэдра установлено несколько "первых" видеопроекторов для проекции первых видеоизображений на соответствующие экраны.

На шлеме пилота установлен индикатор, а система содержит еще два "вторых" видеопроектора, изображения с которых, называемые вторыми, через специальную оптическую систему, врезающую одно изображение (меньшее) внутрь другого (большего), через регулярный оптоволоконный жгут и оптику нашлемного индикатора проецируются в зрачки пилота. Индикатор сфокусирован на такое же "первое" расстояние. Система содержит средство контроля положения головы пилота. Генерация изображений для первых и вторых видеопроекторов осуществляется единым многоканальным средством генерации видеоизображений. При этом изображения для вторых проекторов формируются в соответствии с положением головы пилота и имеют разрешение выше, чем воспроизводимые на экранах. При этом также обеспечивается удаление с просветных экранов изображения, дублирующего воспроизводимое через нашлемный индикатор в центральной части его поля с размерами 20^o по горизонтали на 15" по вертикали, а также оптическое смешивание изображения в остальной части поля индикатора и неудаленного с экранов изображения. Меньшее из этих двух упомянутых полей индикатора окружено большим, а большее окружено изображением на экранах.

Фактически известное устройство реализует неизвестный дотоле способ раздельной визуализации зон периферического зрения и зоны ясного зрения пользователя.

Зона ясного видения визуализируется узкопольным нашлемным индикатором открытого типа, т.е. позволяющим пользователю видеть сквозь оптику индикатора также и окружающий мир. Конструкция индикатора позволяет пользователю беспрепятственно воспринимать периферическим зрением визуальную информацию с экранов, обеспечивающих в совокупности своей большие угловые размеры визуализируемого пространства.

Недостатком известного устройства является узкий диапазон функциональных возможностей, что обусловлено следующими его особенностями:
- значительные габаритные размеры полиэкранной видеопроекционной системы;
- низкое светопропускание оптической системы канала нашлемного индикатора;
- большой вес;
- нестереоскопичность изображения, воспроизводимого для зоны ясного видения пользователя.

Полиэкранная видеопроекционная система, просветные экраны которой образуют додекаэдр (или его часть, как в известном устройстве), способна обеспечить сплошную (без разрывов) визуализацию всего окружающего пользователя пространства (4π стерадиан) или его части.

В известном устройстве она использована для визуализации тренажера одноместного самолета, фонарь кабины которого обеспечивает пилоту большое сплошное угловое поле обзора при собственных (фонаря) малых размерах.

При удалении экранов от расчетной точки зрения пилота на 3,5 фута (1,067 м), как в известном устройстве, сторона такого экрана-пятиугольника имеет длину 0,972 м, высота экрана - 1,496 м, диагональ полного изображения видеопроектора, работающего на такой экран, равна 2,492 м, проекционное расстояние - 3 м при проекционном угле, равном 45^o. Расстояние между двумя видеопроекторами, визуализирующими противоположные экраны, достигает 8,15 м, что вполне сравнимо с диаметром 20-футового купола (6,09 м) купольной системы визуализации.

У большинства транспортных средств кабина водителя (пилота, экипажа) представляет собой конструкцию значительно больших, чем в одноместном самолете, размеров, защищающую людей и приборное оборудование от атмосферных и механических воздействий и снабженную несколькими оконными проемами с остеклением, обеспечивающими часто очень широкие углы обзора по горизонтали при ограниченных углах обзора по вертикали.

В этом случае возможности полиэкранной видеопроекционной системы будут использоваться далеко не полностью, а габаритные размеры такой системы могут достигнуть диаметра 40-футового купола (12,2 м).

В известном устройстве оптическая система, обеспечивающая формирование результирующего нестереоскопического изображения для нашлемного индикатора, передачу его по регулярному оптоволоконному жгуту на шлем и воспроизведение его пользователю через широкоугольный (71,63^o по диагонали) зеркально-линзовый коллиматор с проекционным объективом, наклонным светоделителем и светоделительным покрытием вогнутого сферического зеркала должна иметь коэффициент светопропускания, не превышающий долей процента. Именно поэтому в качестве вторых видеопроекторов в известном устройстве использованы Barco Data 600 со световым потоком 2000 лм. Суммарный вес двух упомянутых проекторов составляет 96 кг. С учетом того, что кабины тренажеров многих транспортных средств размещаются на управляемых подвижных платформах, большой вес используемых видеопроекторов является нежелательным.

И, наконец, для ряда тренажеров (и не только тренажеров транспортных средств) воспроизведение стереоскопического изображения для зоны ясного видения пользователя является насущно необходимым (например, в тренажере боевого вертолета морского базирования, в тренажере автомобиля, в тренажере для стендовой стрельбы). Известное же устройство этого не обеспечивает.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее n плоских устройств воспроизведения с невысоким разрешением изображений для зон периферического зрения пользователя (первых изображений), нашлемный индикатор открытого типа для воспроизведения с требуемым разрешением изображения для зоны ясного зрения пользователя (второго изображения), выполненный на основе зеркального коллиматора и позволяющий пользователю беспрепятственно воспринимать периферическим зрением визуальную информацию из областей пространства, окружающих поле, визуализируемое индикатором, средство измерения положения головы пользователя и многоканальное средство генерации видеосигналов первых и второго изображений, причем выход средства измерения положения головы подключен ко входу средства генерации видеосигналов, соответствующие выходы последнего подключены ко входам устройств воспроизведения первых изображений и ко входу нашлемного индикатора, введены две встроенные в нашлемный индикатор монохромные жидкокристаллические матрицы с установленными в них в качестве наружных покровных стекол оптоволоконными шайбами, наружная поверхность которых имеет форму сферического сегмента и обладает свойством диффузно рассеивать свет, два световода со светодиодами красного, зеленого и синего свечения каждый, подключенными к соответствующим выходам средства генерации видеосигналов изображений, и два вогнутых сферических зеркала, расположенных относительно оптоволоконных шайб так, чтобы фокальные поверхности зеркал совпадали с наружными сферическими поверхностями шайб, образуя для каждого глаза пользователя отдельный зеркальный коллиматор схемы DUOVID [2], причем световоды со светодиодами расположены вплотную к соответствующим матрицам с обратной по отношению к оптоволоконной шайбе стороны матрицы, а плоские устройства воспроизведения первых изображений установлены вплотную к оконным проемам кабины тренажера.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, включающим фигуры 1, 2 и 3. На фиг.1 изображена функциональная схема заявляемой системы визуализации, где:
1 - кабина тренажера;
2 - оконные проемы;
3 - одно из n плоских устройств воспроизведения первого изображения (газоплазменный дисплейный монитор);
4 - пользователь;
Нашлемный индикатор, включающий в себя:
5(6) - жидкокристаллическая матрица правого (левого) канала нашлемного индикатора;
7(8) - светодиод с красными, зелеными и синими светодиодами правого (левого) канала индикатора;
9(10) - оптоволоконная шайба правого (левого) канала индикатора;
11(12) - сферическое зеркало правого (левого) канала индикатора;
13 - глаза пользователя;
14 - средство измерения положения головы пользователя;
15 - датчик средства измерения положения головы пользователя;
16 - средство генерации видеосигналов изображений I и II;
17 - сигналы управления светодиодами;
18 - сигналы управления жидкокристаллическими матрицами индикатора;
19 - сигналы управления устройствами воспроизведения первых изображений.

На фиг. 2 изображена диаграмма обзора, обеспечиваемого пилоту остеклением кабины вертолета, рассчитанной на двух членов экипажа, с нанесенными на нее полями второго (II) и первых (I) изображений. Для сравнения на нее нанесены координаты вершин додекаэдра (точки 1...20), что дает представление о потребном количестве каналов генерации и воспроизведения изображений I в случае использования для их воспроизведения полиэкранной видеопроекционной системы, экраны-пятиугольники которой образуют додекаэдр.

На фиг. 3 изображена упрощенная оптическая схема левого канала нашлемного индикатора, где позиции 6, 8, 10, 12 и 13 аналогичны указанным для фиг. 1.

Кабина 1 тренажера содержит оконные проемы 2, из которых удалены стеклоблоки (фиг. 1). Вплотную к каждому оконному проему кабины установлено плоское устройство 3 воспроизведения одного из множеств n первых изображений для визуализации зон периферического зрения пользователя 4. Входы управления устройств 3 соединены с выходами 19 средства 16 генерации видеосигналов изображений I и II.

Для визуализации зоны ясного зрения пользователя 4 на голову ему надет двухканальный нашлемный индикатор, содержащий две монохромные жидкокристаллические матрицы 5 и 6 с установленными в них в качестве наружных покровных стекол оптоволоконными шайбами 9 и 10. Входы управления матриц подключены к соответствующим выходам 18 средства 16 генерации видеосигналов изображений I и II. Светодиоды красного, зеленого и синего свечения помещены в световоды 7 и 8, расположенные вплотную к матрицам, и подключены к выходам 17 средства 16 генерации видеосигналов изображений I и II.

Наружные поверхности оптоволоконных шайб 9 и 10 имеют форму сферического сегмента, совмещены с фокальными поверхностями двух сферических вогнутых зеркал 11 и 12 и расположены относительно них так, как показано на фиг. 3. Наружные поверхности оптоволоконных шайб 9 и 10 обладают свойством диффузно рассеивать свет. На рабочие поверхности зеркал 11 и 12 нанесено светоделительное покрытие. Нашлемный индикатор содержит также средство 14 измерения положения головы пользователя, датчик 15 которого закреплен на шлеме и подключен ко входу средства 14, а выход средства 14 подключен ко входу средства 16 генерации видеосигналов изображений I и II.

Работает система следующим образом. Видеосигналы 19 первых изображений генерируются многоканальным средством 16 с учетом моделируемой ориентации транспортного средства в связанной с окружающим его пространством системе координат и с учетом расположения соответствующих проемов 2 кабины 1. Воспроизводятся первые изображения устройствами 3, установленными вплотную к соответствующим оконным проемам 2 кабины 1.

Плоскости первых изображений находятся, таким образом, на различных конечных удалениях от глаз пользователя, что не является существенным, поскольку первые изображения не предназначены для того, чтобы пользователь рассматривал их центральным зрением. Периферическое же зрение воспринимает визуальную информацию об ориентации пользователя в пространстве, о наличии движущихся объектов в поле зрения и т.п., независимо от того, на какое конкретное расстояние сфокусированы хрусталики глаз пользователя.

Видеосигналы 18 вторых изображений, воспроизводимых пользователю через нашлемный индикатор и образующих стереопару, генерируются устройством 16 с учетом положения головы пользователя, измеряемого средством 14, датчик 15 которого закреплен на шлеме и подключен к средству 14. Видеосигналы первых изображений модифицируются по сигналам средства 14 таким образом, чтобы часть первого изображения, попадающее в пространство, визуализируемое нашлемным индикатором, гасилась.

Для визуализации зоны ясного зрения пользователя, имеющей угловые размеры 30^o по горизонтали на 22^o по вертикали, на шлеме пользователя установлен индикатор, обеспечивающий раздельную визуализацию левого и правого глаз пользователя и регулирование межцентрового расстояния оптики.

Для воспроизведения видимого второго изображения каждый канал индикатора содержит жидкокристаллическую монохромную матрицу (5 и 6), работающую в проходящем свете, позади которой установлен световод (7 и 8) со светодиодами красного, зеленого и синего свечения, подключенными к соответствующим выходам 17 средства 16 генерации видеосигналов изображений.

Последовательное с частотой 150 Гц воспроизведение на жидкокристаллических матрицах R, G и В - составляющих изображения, подсвеченных светодиодами соответствующего цвета, обеспечивает воспроизведение в индикаторе цветного изображения.

Для сопряжения воспроизводимого матрицами изображения со зрачками глаз 13 пользователя с наименьшими потерями света в качестве наружного покровного стекла в каждой матрице использована оптоволоконная шайба (9 и 10). Наружная поверхность каждой шайбы имеет форму сферического сегмента, обладает свойством диффузно рассеивать свет и сопряжена напрямую с фокальной поверхностью соответствующего вогнутого сферического зеркала (11 и 12), образуя зеркальный коллиматор схемы DUOVID.

При этом пользователь видит в косых параллельных пучках отраженные в зеркалах 11 и 12 и образующие стереопару изображения, воспроизведенные на выходных поверхностях волоконных шайб 9 и 10.

Второе изображение оказывается при этом сфокусированным на бесконечность, что уменьшает утомляемость глаз пользователя.

Наличие заметной границы между коллимированным вторым изображением, обладающим высоким разрешением, и неколлимированным первым, обладающим невысоким разрешением, является вынужденной платой за простоту устройства, малые габариты и вес нашлемного индикатора и, одновременно, высокую разрешающую способность воспроизводимого через него изображения, такой же, впрочем, как и необходимость поворачивать голову с нашлемным индикатором, когда зона центрального зрения пользователя приближается к границе визуализируемого нашлемным индикатором пространства.

Преимуществами заявляемой системы перед известной, расширяющими ее функциональные возможности, являются:
1. Наличие в нашлемном индикаторе двух раздельных каналов визуализации левого и правого глаз, что позволяет воспроизводить стереоизображение;
2. Наличие в нашлемном индикаторе двух внутренних маломощных источников изображений - монохромных жидкокристаллических матриц, вместо двух внешних мощных и тяжелых видеопроекторов у известного устройства, изображение от которых к нашлемной оптике нужно было передавать по регулярному оптоволоконному жгуту. Это позволяет уменьшить вес всей системы;
3. Использование в нашлемном индикаторе для сопряжения изображений со зрачками пользователя двух предельно простых узкопольных (31,6^oх24^o) зеркальных коллиматоров схемы DUOVID, обладающих коэффициентом цветопропускания τ ≈0,008, вместо одного широкоугольного (60^o x 50^o) зеркально-линзового коллиматора с τ ≈ 0,008.

Это увеличивает количество света на выходе индикатора, снижает вес и габариты индикатора;
4. Использование в жидкокристаллических матрицах в качестве наружных покровных стекол оптоволоконных шайб, наружная поверхность которых имеет форму сферического сегмента и обладает свойством диффузно рассеивать свет, что позволяет использовать их в качестве источника видимого изображения в зеркальном коллиматоре схемы DUOVID и тем самым свести к минимуму потери света в оптической системе индикатора;
5. Использование принципа последовательного воспроизведения R, G, B - составляющих цвета, что позволяет обеспечить разрешающую способность индикатора, равную 2,4 угл. мин/пиксел.

6. Использование для воспроизведения первых изображений плоских дисплейных мониторов, установленных вплотную к оконным проемам кабины тренажера, что позволяет уменьшить количество первых изображений по сравнению с полиэкранной видеопроекционной системой, а значит уменьшить число необходимых каналов средства генерации видеосигналов изображений, а также уменьшить габаритные размеры устройства визуализации и вес всей системы;
7. То, что второе изображение является коллимированным, уменьшает утомляемость зрения пользователя, а то, что первые изображения являются неколлимированными, делает менее заметной границу между вторым и первым изображением.

Нанесенные на диаграмму обзора фиг. 3 чертежа координаты вершин 1 ... 20 додекаэдра и соединяющие их ребра наглядно показывают, что в случае использования полиэкранной видеопроекционной системы для визуализации кабины с подобной диаграммой обзора потребовались бы восемь экранов, восемь видеопроекторов с соотношением сторон растра 4:3 и восемь каналов средства генерации видеосигналов изображений, а коэффициент использования суммарной площади изображений видеопроекторов в такой системе визуализации составляет всего 15,7%.

Использование для воспроизведения первых изображений 4-х газоплазменных дисплейных мониторов с размером изображения 42 дюйма по диагонали и соотношением сторон 16:9, установленных вплотную к соответствующим оконным проемам кабины, позволяет уменьшить до 4-х необходимое число каналов средства генерации видеосигналов изображений, уменьшить габаритные размеры системы визуализации и ее стоимость, а коэффициент использования суммарной площади первых изображений в такой системе визуализации превышает 60% и может быть увеличен подбором размеров мониторов.

Таким образом, заявляемое техническое решение обладает, по мнению заявителя, новизной. Анализ известных технических решений в области устройств визуализации авиационных тренажеров позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемой системе и, по мнению заявителя, позволяет признать заявляемое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Источники информации
1. Патент США N 5320534, МКИ5: G 09 B 9/08, 19/16, Монтируемое на шлеме устройство индикации для обеспечения улучшенных условий тренировки и исследований (прототип).

2. Джон С. Филлип. Тренажеры - эффективное средство подготовки летчиков. Пер. с англ. Сборник рефератов и переводов по вопросу имитации внешней визуальной обстановки в космических и авиационных тренажерах. Под ред. А.П. Бебутова. ЦПК им. Ю.А. Гагарина, 1978.

Изобретение относится к области тренажеростроения и может быть использовано при создании тренажеров различных транспортных средств. Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей устройства. Это достигается тем, что в систему дополнительно введены две встроенные в нашлемный индикатор монохромные жидкокристаллические матрицы с установленными в них в качестве наружных покровных стекол оптоволоконными шайбами, наружная поверхность которых имеет форму сферического сегмента и обладает свойством диффузно рассеивать свет, два световода со светодиодами красного, зеленого и синего свечения каждый, подключенными к соответствующим выходам средства генерации видеосигналов изображений, и два вогнутых сферических зеркала, расположенных относительно оптоволоконных шайб так, чтобы фокальные поверхности зеркал совпадали с наружными сферическими поверхностями шайб, образуя для каждого глаза пользователя отдельный зеркальный коллиматор схемы DUOVID, причем световоды со светодиодами расположены вплотную к соответствующим жидкокристаллическим матрицам с обратной по отношению к оптоволоконной шайбе стороны, а плоские устройства воспроизведения первых изображений установлены вплотную к оконным проемам кабины тренажера. 3 ил.

Компактная система раздельной визуализации зон периферического зрения и зоны ясного зрения пользователя в тренажере, содержащая n плоских устройств воспроизведения с невысоким разрешением изображений для зон периферического зрения пользователя (первых изображений), нашлемный индикатор открытого типа для воспроизведения с требуемым разрешением изображения для зоны ясного зрения пользователя (второго изображения), выполненный на основе зеркального коллиматора и позволяющий пользователю беспрепятственно воспринимать периферическим зрением визуальную информацию из областей пространства, окружающих поле, визуализируемое индикатором, средство измерения положения головы пользователя и многоканальное средство генерации видеосигналов первых и второго изображений, причем выход средства измерения положения головы подключен к входу средства генерации видеосигналов, соответствующие выходы последнего подключены к входам устройств воспроизведения первых изображений и к входам нашлемного индикатора, отличающаяся тем, что в нее введены две встроенные в нашлемный индикатор монохромные жидкокристаллические матрицы с установленными в них в качестве наружных покровных стекол оптоволоконными шайбами, наружная поверхность которых имеет форму сферического сегмента и обладает свойством диффузно
рассеивать свет, два световода со светодиодами красного, зеленого и синего сечения каждый, подключенными к соответствующим выходам средства генерации видеосигналов изображений и два вогнутых сферических зеркала, расположенных относительно оптоволоконных шайб так, чтобы фокальные поверхности зеркал совпадали с наружными сферическими поверхностями шайб, образуя для каждого глаза пользователя отдельный зеркальный коллиматор схемы DUOVID, причем световоды со светодиодами расположены вплотную к соответствующим жидкокристаллическим матрицам с обратной по отношению к оптоволоконной шайбе стороны, а плоские устройства воспроизведения первых изображений установлены вплотную к оконным проемам кабины тренажера.