УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ АВИАЦИОННОГО ТРЕНАЖЕРА Российский патент 2006 года по МПК G09B9/08 

Предлагаемое изобретение относится к авиационному тренажеростроению, в частности к устройствам имитации визуальной обстановки (ИВО).

Имитатор визуальной обстановки входит в состав авиационного тренажера (AT) и обеспечивает обучаемому с помощью устройств отображения визуальной информации (УОВИ) видимость имитируемой местности и объектов через остекление кабин тренажеров. В специализированных тренажерах для обучения визуальной дозаправки топливом в полете обучаемый пилот наблюдает через остекление кабины тренажера, например имитируемый самолет-заправщик, с устройствами для заправки (шланг, конус и др.), линию горизонта, пролетаемую местность, облака и т.д.

При обучении дозаправки топливом в полете основное внимание уделяется обеспечению привития правильных навыков визуального пилотирования и взаимодействия с самолетом-заправщиком и устройствами для дозаправки вблизи самолета-заправщика, когда расстояния до объектов взаимодействия малы (от 2 метров).

Если в тренажере визуальная дозаправка в воздухе не имитируется, то пилоты видят местность и объекты только на больших расстояниях.

В этом случае достаточно создать в тренажере условия видимости в бесконечности.

УОВИ тренажеров должны учитывать особенности зрительной системы, в том числе бинокулярность зрения [1, стр.94-100, 2, стр.31-32].

Для правильного учета бинокулярности зрения при рассматривании близко расположенных объектов необходимо каждому глазу давать свое изображение, соответствующее видимости каждым глазом этих объектов, чтобы угол схождения зрачков (угол конвергенции) и разность изображений на сетчатках глаз (диспарантность) соответствовали дальности до наблюдаемого объекта или его частей [3, стр.33-34].

Для обеспечения этого соответствия в специализированных тренажерах для обучения дозаправке топливом в полете применяют ИВО со стереоскопическими УОВИ [1, стр.99-100; 3, стр.34].

В стереоскопических УОВИ для каждого глаза формируется свое изображение, например, с помощью стереопроектора, 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 обучаемого трехмерного (стереоскопического) образа видимых объектов, используемого для управления имитируемым летательным аппаратом.

В частном случае, когда на тренажере нужно создать условия видимости только в бесконечности (например, когда на тренажере обеспечивается обучение визуальному пилотированию при взлете, полетам над местностью и посадке без обучения заправки в воздухе), также можно применять имитатор визуальной обстановки со стереоскопическим изображением.

В этом случае база глаз несоизмеримо мала по сравнению с расстоянием до видимой местности и объектов, глаза должны смотреть параллельно и изображения на сетчатках глаз должны быть одинаковые, что можно обеспечить за счет сдвига изображения для каждого глаза на экране на величину базы глаз [1, стр.99-100].

Для наблюдения стереоизображения в тренажерах используются специальные очки, обеспечивающие видимость каждым глазом только своего изображения.

Наибольшее распространение получили видеопроекционные стереоскопические системы, использующие устройства сепарации (разделения) изображений с помощью поляроидных пленок или светоклапанных устройств разделения изображений по кадрам или полям [4, стр.23-25; 5, стр.191-193; 6, стр.179-180; 7, стр.11-16].

При сепарации изображений с помощью поляроидных пленок для левого и правого глаз перед объективами видеопроекторов и в очках размещаются поляроиды с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации или с круговой поляризацией с взаимно противоположными направлениями вращения, что обеспечивает попадание изображения в каждый глаз только со своего видепроектора.

В известных стереосистемах вещательного телевидения при сепарации изображений для каждого глаза с помощью светоклапанных устройств работа этих устройств синхронизируется с кадровой частотой телевидения [6, стр.179-180].

В телевизионных системах с чересстрочной разверткой изображение передается по кадрам и полям.

Кадр состоит из двух полей с четными и нечетными строками. С помощью светоклапанных устройств, управляемых синхронизировано с кадровой разверткой телевидения, можно, например, в один глаз подавать изображение с четными строками, а в другой с нечетными, соответственно разделив и на передающей части изображения для левого и правого глаз по четным и нечетным строкам.

Однако при этом происходят потеря разрешающей способности по вертикали для каждого глаза в 2 раза и появление мельканий изображения, так как частота мельканий уменьшается в 2 раза и становится меньше частоты слияния мельканий.

В замкнутых телесистемах мелькания можно устранить удвоением частоты кадровой развертки. Однако при таком разделении изображения во времени на общем экране для обучаемых не может проецироваться больше двух разных изображений.

Известен ИВО со стереоскопическим изображением [3, стр.34], устройство отображения визуальной информации которого по совокупности общих существенных признаков наиболее близко к заявляемому и которое принимается за прототип.

Это УОВИ содержит блок стереоскопического видеопроектирования в виде двух видеопроекторов с устройствами сепарации изображения для каждого глаза, экран, на который проектируется изображение с видеопроекторов, очки с устройствами сепарации изображения (в частности, с поляроидами) для разделения изображений для каждого глаза. На вход УОВИ поступают сигналы с генератора изображения тренажера.

Обучаемый на тренажере использует наблюдаемое на экране стереоизображение для управления имитируемым полетом путем воздействия на органы управления. Это воздействие приводит к изменению сигналов, поступающих на компьютерные генераторы изображения, и, соответственно, к изменению видеосигналов, поступающих на вход проекторов, и изменению изображения на экране, которое использует обучаемый для управления имитируемым полетом.

Недостатком принятого в качестве прототипа УОВИ является невозможность имитации с его помощью взлета-посадки, полета над местностью и дозаправки самолетов в случае, когда в кабине, как минимум, два пилота, т.к. разные изображения для каждого из них невозможно проектировать на один общий экран. Это связано с тем, что расстояние между пилотами 1-1.5 метра и близко расположенные объекты (заправочная штанга, шланг с конусом и др.) они видят в реальном полете по-разному. Так как экран расположен на расстоянии 2-3 метра от обучаемых, а при обучении дозаправке необходимо обеспечить углы обзора каждому обучаемому порядка 50-80° по горизонтали, то каждому обучаемому нужно давать свое стереоскопическое изображение со своего стереопроектора, соответствующее видимости внешних объектов с его местоположения. Проецирование изображений на общий экран одновременно для каждого обучаемого невозможно, т.к. на среднюю часть этого экрана попадут изображения, как минимум двух стереопроекторов, например, при обучении двух пилотов. Но в заправке самолета может участвовать еще и бортинженер, которому также может понадобиться изображение, видимое с его местоположения, что тем более делает невозможным одновременное проецирование на экран изображения, соответствующего реальной видимости внешних объектов с местоположения каждого обучаемого.

Предлагаемое УОВИ предназначено для обучения задачам взлета-посадки, полета над местностью и визуальной дозаправке в воздухе N-го числа обучаемых (как минимум, двух пилотов, но возможно и дополнительных членов экипажа).

При этом обеспечивается возможность давать каждому обучаемому на общем экране свое стереоскопическое изображение с учетом особенностей зрительной системы и соответствующее реальным условиям полета, а также возможность одновременного обучения нескольких членов экипажа, что позволяет тем самым вырабатывать в процессе обучения правильные навыки управления летательным аппаратом и взаимодействия членов экипажа.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве отображения визуальной информации авиационного тренажера, содержащем блок стереоскопического видеопроектирования с устройствами сепарации изображения для каждого глаза обучаемого, экран для проецирования изображения с блока стереоскопического видеопроектирования и стереоочки с устройствами сепарации изображения для каждого глаза обучаемого, блок стереоскопического видеопроектирования содержит по одному стереоскопическому видеопроектору для каждого из N-го числа обучаемых, а все устройства сепарации изображения снабжены светоклапанными устройствами разделения изображения, для управления которыми в УОВИ введен блок управления. Выход его соединен с входами всех светоклапанных устройств разделения изображения, при этом он выполнен с возможностью обеспечения подачи сигналов открытия изображения заданной длительности для каждого обучаемого, например, длительностью подачи сигналов открытия изображения каждому обучаемому обратно пропорционально их числу.

Отличительными признаками предлагаемого УОВИ от прототипа является установка для каждого обучаемого своего стереопроектора и обеспечение одновременного проектирования изображения с них на один общий экран с разделением видимости изображения для каждого обучаемого с помощью блока управления и устройств сепарации изображений.

В процессе проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации не было обнаружено решений, совокупность существенных признаков которых обеспечивала бы возможность одновременного обучения всем задачам двух и более обучаемых на одном тренажере со стереоскопическим УОВИ, учитывая при этом особенности зрительной системы каждого обучаемого. Заявляемое УОВИ является новым, промышленно применимым и имеющим изобретательский уровень.

На фиг.1 изображена блок-схема заявляемого устройства отображения визуальной информации авиационного тренажера; на фиг.2 - временная диаграмма управления светопропусканием светоклапанных устройств разделения изображения для двух обучаемых; на фиг.3 - то же, для трех обучаемых; на фиг.4 - блок-схема УОВИ, при обеспечении в тренажере создания условий видимости только в бесконечности.

Для тренажеров, обеспечивающих имитацию близко (2-10 м) и далеко расположенных объектов, например для обучения визуальной дозаправке топливом в полете, взлету, полетам по маршруту и посадке, применимо УОВИ авиационного тренажера, блок-схема которого изображена на фиг.1.

Устройство отображения визуальной информации авиационного тренажера содержит блок стереоскопического видеопроектирования 1, состоящий из N-го числа проекторов 2, 3, 4 стереоскопического изображения, по одному для каждого обучаемого (на фиг.1 - для троих обучаемых). Каждый стереопроектор 2, 3, 4 содержит по два видеопроектора 5 - для каждого глаза обучаемого, со светоклапанными устройствами 6 разделения изображения между обучаемыми и поляроидными устройствами 7 сепарации изображения для каждого глаза обучаемых. Стереоскопические видеопроекторы 2, 3, 4 со светоклапанными устройствами 6 и поляроидными устройствами 7 представляют собой блок стереоскопического видеопроектирования 1, на вход которого поступают сигналы от компьютерных генераторов изображения тренажера, учитывающих местоположение каждого обучаемого относительно имитируемых объектов наблюдения.

Световые потоки от всех стереоскопических видеопроекторов 2, 3, 4 поступают на общий экран 8, изображение на котором обучаемые (наблюдатели) 1Н, 2Н, 3Н видят поочередно через стереоскопические очки 9. Очки 9 содержат светоклапанные устройства 10 разделения изображения для каждого обучаемого и поляроидные устройства 11 сепарации изображения для каждого глаза. При этом зона видимости первого обучаемого - 1В, второго - 2В, 3-го - 3В.

Эти зоны могут накладываться, т.е. иметь общие участки для нескольких обучаемых (на фиг.1 показано наложение 2-х участков).

Для управления поочередным пропусканием светового потока с частотой не менее частоты слияния мельканий для каждого обучаемого 1Н, 2Н, 3Н УОВИ содержит блок управления 12 для открытия изображения, выход которого соединен со входами всех светоклапанных устройств 6 и 10.

Поляроидные устройства 7 в каждом стереопроекторе 2, 3, 4 и 11 в каждых стереоскопических очках 9 выполнены, например, с взаимно перпендикулярным направлением поляризации, что обеспечивает сепарацию изображения для каждого глаза. Светоклапанные устройства 6 и 10 выполнены, например, с помощью управляемых "ЖК" ячеек, которые по электрическому сигналу могут из прозрачных делаться непрозрачными или наоборот.

Возможность поочередного предъявления информации нескольким обучаемым с помощью светоклапанных "ЖК" ячеек практически без потери разрешающей способности и без появления мельканий реализована благодаря использованию т.н. компьютерного телевидения и применению видеопроекторов с формированием изображения без электронного луча, имеющего прямые и обратные ходы, а изображение на выходе видеопроекторов имеется постоянно и обновляется построчно.

Устройство отображения визуальной информации авиационного тренажера работает следующим образом.

На вход блока стереоскопического видеопроектирования 1 поступают сигналы с компьютерных генераторов изображения тренажера, которые учитывают положение обучаемых относительно имитируемых близко и далеко расположенных объектов (например, окружающего пространства при взлете, полете над местностью и посадке самолета-заправщика, шланга с конусом, в который должен попасть штангой заправляемый самолет и др.). Каждый стереоскопический видеопроектор 2, 3, 4 выдает изображения отдельно для каждого глаза своего обучаемого, и через светоклапанные устройства 9 и поляроидные устройства 10 световые потоки с изображениями поступают на общий экран 8.

Открытие для одного из обучаемых светоклапанных устройств 6 (в стереопроекторе) и 10 (в стереоочках) происходит одновременно по сигналу от блока управления 12, при этом устройства 6 и 10 для всех других обучаемых заперты. Обучаемые 1Н, 2Н, 3Н через стереоочки 9 на экране 8 наблюдают, таким образом, каждый свое стереоизображение и, используя это изображение, выполняют положенные им действия по пилотированию и заправке топливом заправляемого летательного аппарата. Результаты этих действий через вычислитель тренажера изменяют сигналы на входе компьютерных генераторов изображения, что приводит к изменению соответствующих сигналов на входе стереоскопических видеопроекторов 2, 3, 4, и, следовательно, к изменению изображений на экране 8.

Использование компьютерного телевидения и применение видеопроекторов с формированием изображения без электронного луча с прямыми и обратными ходами обеспечивает с помощью светоклапанных "ЖК" ячеек возможность в течение одного периода времени Т поочередно предъявлять разным обучаемым изображения со своих стереопроекторов.

Примеры временных диаграмм управления светопропусканием показаны на фиг.3 и 4, где:

Т - один период,

Т_о - время открытого (видимого) изображения,

Т_з - время закрытого изображения.

Если УОВИ (фиг.2) предназначено для двух обучаемых (левый и правый пилоты) и содержит два стереопроектора, проектирующих изображение на общий экран, а каждый пилот должен видеть изображение только со своего стереопроектора, то за один период времени Т разные изображения должны увидеть по очереди левый и правый пилот

Время Т=l/n, сек,

n - принятая частота мельканий изображения, которая должна быть больше частоты слияния мельканий. Например, в кино n=48, в широковещательном телевидении n=50.

При двух обучаемых (наблюдателях) Т=Т_о+Т_з, где, например, Т_о=1/2Т. Т_о - время открытия стереопроектора и очков, например, для правого обучаемого, а в это время второй стереопроектор и очки у второго обучаемого закрыты, а через время Т/2 открывается второй стереопроектор и очки второго обучаемого, а 1-й стереопроектор и очки первого обучаемого закрываются. Чем больше обучаемых, тем меньше время наблюдения изображениях каждым обучаемым в каждом периоде Т. При этом имеет место потеря яркости изображения.

Однако современные видеопроекторы имеют высокую яркость и возможно с достаточной для обучения яркостью создавать изображения на общем экране для двух, трех и более обучаемых.

В большинстве случаях для тренажеров с кабинами для двух пилотов достаточно давать изображение только этим пилотам, т.е. двум обучаемым. В отдельных случаях может понадобиться давать изображение, соответствующее координатам 3-х обучаемых (фиг.3).

Практически необязательно время Т делить поровну для каждого обучаемого.

Если нам необходимо одному из обучаемых дать более яркое изображение или экран расположен так, что к одному из обучаемых отраженного от экрана света попадает меньше, то можно предусмотреть возможность для этого обучаемого увеличить время наблюдения изображения за счет уменьшения времени других в течение периода Т.

Управление светоклапанными устройствами может осуществляться, например, напряжением определенной величины, поступающим на время открытия соответствующего светоклапанного устройства.

Важно, чтобы было выполнено условие T_o1+Т_о2+...+T_oN≤Т, т.е. сумма времени открытия всех стереопроекторов в течение одного периода Т не должна превышать времени этого периода.

Сформировать такое напряжение технически не предоставляет труда, и устройство может быть реализовано, например, с применением мультивибраторов.

При этом работу блока управления 12 не нужно связывать (синхронизировать) ни с работой генераторов изображения, ни с работой видеопроекторов 5, как это требуется при использовании широковещательного телевидения.

Когда на тренажере не требуется имитация видимости близко расположенных объектов, например, должна имитироваться видимость окружающего пространства перед лобовым остеклением кабины при взлете, полете над местностью и посадке, то изображения, видимые каждым пилотом, расположенным в кабине тренажера, будут одинаковыми и должны восприниматься удаленными в бесконечность.

Однако в стереоскопических УОВИ используется экран, расположенный на малом расстоянии, например 2-5 метров.

Это приводит к необходимости смещения изображения на экране, например, для каждого обучаемого пилота на величину расстояния между сидениями пилотов, а для каждого глаза обучаемого - на величину базы глаз.

В этом случае могут использоваться для каждого глаза обоих пилотов одинаковые изображения, сдвинутые на экране на величины базы глаз и расстояния между пилотами. Сдвиг глаз может быть осуществлен, например, за счет поворота осей видеопроекторов 5.

Однако количество стереопроекторов сохранится по одному стереопроектору для каждого обучаемого, так как для обеспечения восприятия бесконечности нужно обеспечить параллельное положение линий визирования зрачков (нулевой угол конвергенции) и одинаковые изображения на сетчатках глаз (нулевая диспарантность) каждому обучаемому.

Блок-схема УОВИ для такого авиационного тренажера изображена на фиг.4.

В отличие от УОВИ, блок-схема которого изображена на фиг.1, в блок-схеме УОВИ на фиг.4 блок стереоскопического видеопроектирования 1 содержит стереоскопические видеопроекторы, например, 2 и 3, которые проектируют изображения на общий экран 8 с учетом расположения соответственно обучаемых 1Н и 2Н относительно экрана 8. При этом на все видеопроекторы подается один и тот же сигнал от генератора изображения.

В остальном УОВИ для такого авиационного тренажера такое же и работает так же, как изображенное на фиг.1.

Предлагаемое устройство отображения визуальной обстановки авиационного тренажера, независимо от задач обучения, за счет разделения по времени проецирования изображения на общий экран для каждого из N-го числа обучаемых позволяет на одном тренажере с общим экраном обучать нескольких человек одновременно, что соответствует реальным условиям полета на летательном аппарате, при этом учитываются особенности зрительного восприятия с каждого места каждого обучаемого. Все это позволяет значительно расширить функциональные возможности авиационных тренажеров и качественно улучшить приобретенные в процессе обучения навыки управления летательным аппаратом и навыки взаимодействия членов экипажа.

Источники информации

1. Сборник научных трудов "Проблемы и перспективы голографии и оптико-электроники в системах визуализации (материалы, элементы, устройства, системы)", Госкомитет СССР по кинематографии, ЦООНТИ по кинематографии, 1989 г., стр.94-100 (УДК 612.843.7.001.57.002.5).

2. Журнал корпорации "Аэрокосмическое оборудование", "Мир авионики", 2002 г., №4, стр.31-32.

3. Журнал корпорации "Аэрокосмическое оборудование", "Мир авионики", 20002 г., №3, стр.33-34.

4. Г.В.Момчев. "Стереотелевизионные устройства отображения информации", М.: "Радио и связь", 1983 г., стр.23-25.

5. Н.А.Валюс. "Стереофотография, кино, телевидение", М.: "Искусство", 1986 г., стр.191-193.

6. П.В.Шмаков, К.Т.Колин, В.Е.Джакония. "Стереотелевидение", М.: "Связь", 1968 г., стр.179-180.

7. Журнал "Техника кино и телевидения", 2001 г., №8, стр.11-16.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в авиационных тренажерах, в частности в устройствах имитации визуальной обстановки. Устройство содержит экран для проецирования изображения, блок стереоскопического видеопроектирования и стереоочки, снабженные каждый своими устройствами сепарации изображения для каждого глаза обучаемого. Блок стереоскопического видеопроектирования содержит по одному стереоскопическому видеопроектору для каждого из N-го числа обучаемых. Все устройства сепарации изображения дополнительно снабжены светоклапанными устройствами разделения изображения, входы которых соединены с выходом блока управления, выполненного с возможностью обеспечения подачи сигналов открытия изображения заданной длительности каждому обучаемому. Технический результат заключается в возможности одновременного обучения нескольких членов экипажа при создании для каждого из обучаемых своего стереоскопического изображения, отвечающего особенностям зрительной системы и реальным условиям полета. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство отображения визуальной информации авиационного тренажера, содержащее экран для проецирования изображения, блок стереоскопического видеопроектирования и стереоочки, снабженные каждый своими устройствами сепарации изображения для каждого глаза обучаемого, отличающееся тем, что блок стереоскопического видеопроектирования содержит по одному стереоскопическому видеопроектору для каждого из N-го числа обучаемых, при этом все устройства сепарации изображения дополнительно снабжены светоклапанными устройствами разделения изображения, входы которых соединены с выходом блока управления, выполненного с возможностью обеспечения подачи сигналов открытия изображения заданной длительности каждому обучаемому.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления выполнен с возможностью обеспечения длительности подачи сигналов открытия изображения каждому обучаемому обратно пропорционально их числу.