Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ШЛЕМА ПИЛОТА И УСТРОЙСТВО НАШЛЕМНОЙ СИСТЕМЫ ЦЕЛЕУКАЗАНИЯ И ИНДИКАЦИИ

Изобретения относятся к области измерительной техники, в частности - к системам ориентации и навигации, а также могут быть использованы при определении и выдаче в системе координат объекта угловых координат линии визирования наблюдаемой цели, сопровождаемой поворотом головы оператора.

Известна (см., например, рекламный проспект НСЦ-Т Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Санкт-Петербургское опытно-конструкторское бюро «Электроавтоматика» имени П.А. Ефимова») нашлемная система целеуказания НСЦ-Т. Система состоит из нашлемного визирного устройства, двух локационных устройств и бортовой центральной вычислительной машины БЦВМ90-607. НСЦ-Т обеспечивает в условиях непосредственной видимости цели выдачу в самолетной систем координат информации о положении ЛВЦ в зоне, ограниченной конусом с плоским углом при вершине 60°, ограниченной по углу места до минус 15°. Предусмотрены ручная и автоматическая регулировка яркости коллимированных изображений прицельной и сигнальной марок, формируемых в поле зрения правого глаза оператора. Информационный обмен с ЦВМ комплекса осуществляется по двум каналам последовательного кода (по одному каналу приема и одному каналу передачи информации), в соответствии с ГОСТ 18977-79 и РТМ 1495-75 (интерфейс Arinc-429). Конструкция НСЦ-Т позволяет обеспечить в эксплуатации требуемые точности без котировочных работ.

Недостатком системы является ограниченность диапазона углов целеуказания и значительные погрешности по каждой координате при углах более 45°. Система также обладает невысокой скоростью выдачи данных и большими значениями габаритно-массовых характеристик.

Данные недостатки были частично исправлены в известной нашлемной системе целеуказания и индикации HMS/D Top Owl (фирмы THALES). В состав системы входит система позиционирования, состоящая из антенны и приемника, базовый шлем с соединителем, блок реперных устройств, пульт управления, электроблок, дисплейный модуль, модуль усиления изображения, модуль связи и защитный козырек. Система работает с шинами данных летательных аппаратов (ЛА) по интерфейсам MIL-STD-1553 Databus и Arinc-429. Система отображает на дисплее пространственное положение (тангаж, крен и рыскание), воздушную скорость ЛА, высоту полета ЛА, вертикальную скорость ЛА, курс ЛА и высоту по радиовысотомеру. Позиционирование осуществляется с помощью антенны, улавливающей изменение электромагнитного поля кабины.

Недостатком этой системы является ее сложность и дороговизна. Более того, требуется крайне сложный подготовительный процесс картографирования. Любое изменение конфигурации кабины влечет за собой необходимость проведения нового картографирования кабины в виду изменения магнитных характеристик кабины. Также не допускается расположение в пределах указанной зоны металлических, электропроводящих или магнитопроводящих материалов. Для картографирования используется специальное оборудование, в т.ч. робот и стойка управления приводами. В процессе картографирования участвуют и заказчик и поставщик оборудования, результаты готовы лишь через длительное время. Также предъявляются многочисленные требования к экранированию и заземлению системы.

Известны способ и следящая система для определения положения и ориентации подвижного объекта в трехмерной рабочей зоне ограниченных размеров, включающий создание в рабочей зоне магнитного поля, получение эталонных значений его компонент путем предварительного магнитного картографирования рабочей зоны, регистрацию текущих компонент магнитного поля, определение величины магнитного поля Земли и вычисление координат объекта, отличающийся тем, что указанное магнитное поле в рабочей зоне создают постоянным и несимметричным относительно выбранных осей координат в пределах рабочей зоны, регистрацию текущих компонент магнитного поля осуществляют одновременно посредством по меньшей мере шести однокомпонентных подвижных датчиков, размещенных на объекте, при этом величину создаваемого магнитного поля динамически регулируют в зависимости от перемещений объекта, достигая поддержания усредненного по всем датчикам значения магнитного поля на заданном уровне, магнитное поле Земли определяют постоянно и учитывают его при определении координат объекта путем включения дополнительного алгебраического уравнения в систему уравнений для подвижных датчиков, решаемую относительно трех линейных и трех угловых координат объекта, кроме того, направление создаваемого в рабочей зоне магнитного поля периодически переключают на обратное, вычисляют полуразности измеренных значений до и после переключения для каждого датчика и направления, по которым вычисляют координаты объекта, а полусуммы измеренных значений до и после переключения для каждого датчика и направления используют для контроля правильности картографирования и определения магнитного поля Земли (патент России N 2197013, МПК G05D 1/00, 09.11.2000).

Недостатком данной системы является ее сложность и трудоемкость картографирования, необходимость экранирования и заземления системы.

Известна система целеуказания, содержащая вычислительное устройство, соединенное со средством оптического сканирования, выполненном в виде видеокамеры, объектив которой направлен в лицо летчика, и прицельный маркер с меткой в виде перекрестия, расположенный со стороны лица летчика на уровне его глаз, отличающаяся тем, что вычислительное устройство состоит из соединенного своими входами с выходами видеокамеры многоканального блока приема и предварительной обработки информации, соединенного своим выходом с входом блока распознавания и деления образов, на выходах которого установлены блоки индексации образов, своими выходами соединенные с входами блока определения координат шлема и блока определения координат лица летчика, блок определения координат шлема выходом соединен с входом блока определения координат метки на прицельном маркере, а блок определения координат лица летчика - с блоком определения координат центра зрачков летчика, блоки определения координат метки на прицельном маркере и определения координат центра зрачков летчика выходами соединены с входами блока распределения информации, который своим выходом соединен с входом блока формирования линии визирования, а он своим выходом соединен с входом блока формирования линии прицеливания и выдачи команд, блок формирования линии прицеливания и выдачи команд выходами соединен с входами системы управления авиационного оружия, при этом блоки индексации образов соединены с блоком распределения информации (патент России N 2294513, МПК F41G 3/22, 30.06.2005).

Недостатком данной системы является ее дороговизна и низкая надежность из-за сложности подсистемы распознавания образов.

Известна нашлемная система целеуказания, прицеливания и индикации, содержащая устройство отображения видеоинформации, коллиматор, узел вывода изображения видеоинформации в поле зрения глаза летчика, корпус с реперными излучателями, размещенный на шлеме, при этом шлем снабжен щитком-фильтром, установленным с возможностью перемещения, оптико-локационные блоки, оптически сопряженные с реперными излучателями, и электронный блок с вычислительным устройством, она снабжена дополнительным корпусом, в котором размещены устройство отображения видеоинформации, выполненное в виде микродисплея, и коллиматор, а узел вывода изображения видеоинформации жестко соединен с дополнительным корпусом, при этом дополнительный корпус установлен с возможностью поворота и фиксации относительно корпуса с реперными излучателями и сопряжения его профильной поверхности с кромкой щитка-фильтра (патент России N 2321813, МПК F41G 3/22, B64D 7/00, 28.03.2007).

Недостатком данной системы является усложнение конструкции и габаритов шлема, что снижает надежность системы.

Известны способ и нашлемная система для определения линейных и угловых координат шлема оператора в кабине летательного аппарата по координатам размещенных на шлеме элементов реперных точек, в которых на шлеме оператора в реперных точках дополнительно размещают не менее трех нашлемных ультразвуковых приемников, а в кабине над шлемом оператора в разнесенных точках с известными координатами в связанной системе координат кабины - не менее трех ультразвуковых излучателей, при этом в непосредственной близости от шлема оператора в точке с известными расстояниями до каждого ультразвукового излучателя размещают, по крайней мере, один ультразвуковой приемник корректирующего канала, осуществляют излучение и прием импульсных ультразвуковых сигналов, измеряют время задержки сигналов от каждого ультразвукового излучателя до каждого нашлемного ультразвукового приемника и время задержки сигналов от каждого ультразвукового излучателя до ультразвукового приемника корректирующего канала и с помощью вычислительной машины рассчитывают расстояния от каждого нашлемного ультразвукового приемника до каждого ультразвукового излучателя, по которым определяют линейные и угловые координаты шлема оператора (патент России N 2357184, МПК F41G 3/22, 13.08.2007).

Недостатком данной системы, принятой в качестве прототипа, является невысокая точность измерения, низкое быстродействие из-за сложности взаимодействия большого количества излучателей и приемников, громоздкость оборудования, сложность настройки и калибровки системы.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения и увеличение быстродействия прибора при обеспечении определения и выдачи угловых координат линии визирования наблюдаемой цели, сопровождаемой поворотом головы оператора. Обеспечивается простая установка системы в кабину, быстрое включение и выставка (настройка и калибровка) системы. Повышается безопасность полета и удобство пилотирования. Преимущественно устройство предполагается использовать в вертолетах.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения ориентации шлема пилота, включающем определение с помощью вычислительной машины линейных и угловых координат шлема, посредством беспроводной связи чувствительных преобразователей, установленных на шлеме и в кабине, в качестве чувствительного преобразователя на шлеме используют микромеханический бесплатформенный инерциальный блок (МБИБ), содержащий наномеханические гироскопы (НМГ) с автоэлекронной эмиссией, сначала осуществляют начальную привязку системы координат микромеханического бесплатформенного инерциального блока к системе координат летательного аппарата (ЛА), для чего определяют углы поворота координатных осей системы координат МБИБ до их совпадения с осями системы координат ЛА и фиксируют значения этих углов в памяти вычислительной машины, а в процессе определения линейных и угловых координат шлема вводят сигнал МБИБ в вычислительную машину, вычисляют средние значения угловых скоростей, абсолютное и относительное пространственное положение шлема и, при необходимости, корректируют его в соответствии с заданными алгоритмами коррекции сигнала.

Кроме того, обмен данными между чувствительными преобразователями осуществляют посредством радиосигнала.

Кроме того, коэффициенты коррекции сигнала, используемые в упомянутых алгоритмах коррекции определяют на стадии заводской калибровки МБИБ и НМГ.

Для устройства указанный технический результат достигается тем, что в устройстве нашлемной системы целеуказания и индикации, содержащем чувствительные преобразователи, установленные на шлеме пилота и в кабине ЛА, связанные с вычислителем, чувствительный преобразователь на шлеме пилота выполнен в виде жестко закрепленных в зоне его визирного устройства радиоинтерфейса и нашлемного МБИБ, содержащего наномеханические гироскопы (НМГ) с автоэлекронной эмиссией, а чувствительный преобразователь в кабине ЛА - в виде расположенного в блоке индикатора его лобового стекла вычислителя, представляющего собой модуль, содержащий микроконтроллер и приемо-передатчик радиоинтерфейса.

Изобретения поясняются чертежами.

На фиг.1 показана общая схема построения нашлемной системы целеуказания и индикации на основе нашлемного микромеханического бесплатформенного инерциального блока (МБИБ).

На фиг.2 представлено изображение механической сетки.

На фиг.1 приведены позиции:

1 - каска шлема;

2 - нашлемный модуль;

3 - защитный светофильтр;

4 - кожух кабины;

5 - нашлемный МБИБ на основе НМГ;

6 - источник питания;

7 - радиоинтерфейс МБИБ;

8 - нашлемное визирное устройство;

9 - визирная метка;

10 - блок индикатора лобового стекла (ИЛС);

11 - кнопка управления «начало отсчета»;

12 - кнопка управления «захват цели»;

13 - изображение механической сетки на ИЛС;

14 - панель навигационно-пилотажного комплекса (НПК) летательного аппарата;

15 - микроконтроллер НСО;

16 - приемо-передатчик радиоинтерфейса микроконтроллера НСО;

17 - изображение цели на лобовом стекле.

На передней части каски шлема 1 фиг.1 установлен нашлемный модуль (НШМ) 2, под кожухом которого размещен откидывающийся защитный фильтр 3. На верхней части НШМ установлено нашлемное визирное устройство 8 с визирной меткой 9. Нашлемный МБИБ 5 устанавливается рядом с нашлемным визирным устройством 8 на шлеме летчика 1. Рядом с нашлемным МБИБ 5 устанавливаются источник питания 6 и радиоинтерфейс 7. На верхней части кожуха кабины 14 установлен блок индикатора лобового стекла (ИЛС) 10 с кнопками управления 11 («начало отсчета») и 12 («захват цели»), а также изображение механической сетки 13 (фиг.2). Информация с нашлемного МБИБ 5 посредством радиоинтерфейса 7 и приемо-передатчика 16 поступает в микроконтроллер НСО 15, размещенный в блоке ИЛС 10.

На фиг.2 представлено изображение механической сетки. Механическая сетка отображается на индикаторе лобового стекла.

Включение нашлемной системы целеуказания и индикации (НСЦИ) проводится перед полетом, время включения системы не превышает нескольких десятков секунд. В процессе работе с НСО пилот совмещает визирную метку 9 нашлемного визирного устройства 8 с изображением механической сетки 13 на ИЛС 10 и нажимает кнопку управления 11 («начало отсчета»), удерживая в этом положении не менее 0,1 с, после чего отпускает. При совмещении визирная метка должна попасть во внутреннюю область 18 круга 19 на фиг.2. При этом информация об угловых скоростях ω_xi, ω_yi, ω_zi от микроконтроллера МБИБ 5 поступает в микроконтроллер НСО 15 посредством радиосигнала, передаваемого от радиоинтерфейса 7 в приемо-передатчик радиоинтерфейса микроконтроллера НСО 16. На основе полученных значений, а также значений углов, передаваемых штатной курсовертикалью летательного аппарата, вычисляются средние значения начальных угловых скоростей и линейных ускорений на интервале начала отсчета (от момента нажатия кнопки до момента отжатия).

Вычисленные значения сохраняются в оперативной памяти микроконтроллера НСО 15 и используются в дальнейшем процессе работы системы. Далее пилот наводит визирное устройство 7 на цель и совмещает визирную метку 8 с изображением цели на лобовом стекле 17.

Вычисление значений угловых скоростей в МБИБ осуществляется по формуле 2.

, ,

где ω_ξi, °/с - угловая скорость по оси ξ={x, y, z},

Ugξ_i, В - значение выходного напряжения гироскопа,

, В - среднее значение нулевого напряжения гироскопа (на интервале начала отсчета),

Kgξ, В/°/с - значение масштабного коэффициента гироскопа.

Вычисленные значения текущих угловых скоростей передаются с помощью радиосигнала в микроконтроллер НСО, расположенный в блоке ИЛС.

Вычисление приращений углов и кажущихся скоростей выполняется по формуле 4.

, ,

, , ,

где , ° - приращение угла по оси ξ за время Т,

, ° - приращение кажущейся скорости по оси ξ за время Т,

Т, с - такт опроса.

После того, как пилот захватил цель, он нажимает кнопку 12 «захват цели». Абсолютные углы крена, курса и тангажа γ_Σ, ψ_Σ, ϑ_Σ шлема вычисляются интегрированием угловых скоростей по времени в соответствии с формулой 5.

; ;

где t₀ - момент времени, соответствующий началу отсчета,

t₃ - момент времени, соответствующих захвату цели.

Для вычисления относительного пространственного положения шлема γ_шл, ψ_шл, ϑ_шл необходимо вычесть из полученных углов углы тангажа, крена и курса ЛА в соответствии с формулой 6.

γ_шл=γ_Σ-γ_с; ψ_шл=ψ_Σ-ψ_с;

где γ_с, ψ_c, ϑ_с - углы крена, курса и тангажа, выдаваемые штатной курсовертикалью летательного аппарата.

В процессе вычислений может проводится коррекция значений с учетом тренда нулевого сигнала, возможно применение программных фильтров, обеспечивающих повышение точности измерений и компенсацию системных погрешностей.

Повышение точности измерения и быстродействия устройства достигается за счет использования НМГ в составе МБИБ, у которых значение дрейфа нулевого сигнала на порядок меньше, чем у гироскопов с емкостными преобразователями и увеличения частоты измерения. В начале работы осуществляют начальную привязку системы координат микромеханического бесплатформенного инерциального блока к системе координат ЛА, для чего определяют углы поворота координатных осей системы координат МБИБ до совпадения относительно системы координат ЛА и фиксируют их значения в памяти вычислительной машины. В процессе определения линейных и угловых координат шлема вводят сигнал МБИБ в вычислительную в машина и корректируют его в соответствии с разработанными алгоритмами коррекции сигнала. Коэффициенты, используемые в данных алгоритмах определяются на стадии заводской калибровки изделия. Использование радиоинтерфейса позволяет повысить безопасность полета и удобство пилотирования. Кроме того, в процессе работы используется информация штатной курсовертикали летательного аппарата.

Использование вычислителей с высокочастотным процессорным ядром и быстродействующим АЦП обеспечивает повышение общего быстродействия системы.

Таким образом, предлагаемыми изобретениями получен технический результат, заключающийся в повышении точности измерения, уменьшение массово-габаритных характеристик и увеличение быстродействия прибора при обеспечении определения и выдачи угловых координат линии визирования наблюдаемой цели, сопровождаемой поворотом головы оператора. Обеспечивается простая установка системы в кабину, быстрое включение и выставка системы. Повышается безопасность полета и удобство пилотирования.