Способ высокоточного целеуказания

 

Изобретение относится к авиации и может быть использовано для высокоточного целеуказания объектов посредством нашлемной системы. Изобретение повышает точность, быстродействие и надежность целеуказания объектов. Сущность изобретения заключается в том, что при поиске объектов посредством поворота шлема управляют поворотом нескольких камер обзора верхней и нижней полусфер, при этом одновременно изменяют коэффициент передачи от углов поворота шлема к углам поворота камер и масштаб изображения. Для предварительного целеуказания сопровождают глазами объект на всем изображении, контролируют положение перекрестия на объекте и нажимают кнопку для автосопровождения цели. Для окончательного целеуказания сопровождают глазами выбранное место на объекте, увеличенное в соответствующем окне, контролируют положение перекрестия на объекте и нажимают кнопку для передачи данных целеуказания в бортовую вычислительную машину.

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано летчиком для высокоточного целеуказания объектов с использованием нашлемной системы целеуказания, управляющей камерами визорных системам. Кроме того, изобретение может быть использовано любым человеком, находящимся в подвижном средстве передвижения (или находящимся на земле), если имеется соответствующее оборудование.

Широко используется способ целеуказания (а следовательно, и устройство для его реализации - нашлемная система целеуказания Щ-ЗУМ-1, разработанное киевским ОКБ "Арсенал" и установленное на самолете МиГ-29), в котором летчик поворотом головы нацеливает на визуально видимый объект сфокусированное в бесконечность перекрестие на закрепленном жестко на шлеме полупрозрачном стекле перед глазом. При этом информация об угловом положении шлема, а значит и линии визирования поступает в бортовой комплекс самолета.

Однако точностные характеристики системы позиционирования шлема в кабине не позволяют обеспечить необходимую точность, быстроту и область целеуказания объектов для широкого круга решаемых задач, в том числе при полном отсутствии или ухудшенной визуальной видимости.

Наиболее близким по технической сущности является способ целеуказания (описанный в американском патенте "Aircraft sighting system", N 5,483,865 от 16 января 1996 г.), реализованный на вертолете, в котором управление камерой переднего обзора (с полем видимости порядка 40^o х 30^o и установленной на стабилизированной платформе в верхней части носа вертолета) осуществляется с помощью поворота шлема летчика, а изображение с нее передается через систему индикации на шлеме непосредственно в глаз. Причем на изображении выделяют окно, в котором получают изображение объекта в увеличенном масштабе с наложенным на него символом целеуказания в виде перекрестия. Способ предполагает использование как телевизионной камеры (с использованием системы улучшения видимости), так и тепловизионной камеры, что обеспечивает его работоспособность в условиях плохой видимости.

Хотя этот способ значительно лучше первого, но также имеет недостаточные точность, быстроту, надежность и размеры области целеуказания.

В обоих способах существенно затруднен поиск объектов, расположенных под ЛА, над головой летчика и в задней полусфере.

Точность и быстрота целеуказания определяются способностью человека отслеживать движением головы движущиеся объекты, что затруднительно в следующих случаях, если: угловые скорости линии визирования на объект либо очень малы, либо чрезмерно велики, что всегда происходит на больших и малых дальностях до объекта; при постоянном коэффициенте передачи от углов поворота шлема к углам поворота камеры всегда возникают случаи, когда летчику неудобно (в силу ограниченности поворота головы и скорости ее поворота) осуществлять обзор задней полусферы, сопровождать объекты с большими угловыми скоростями линии визирования, или наоборот, точно наводить перекрестие на практически неподвижные цели (человек не может в силу физиологических ограничений контролировать положение головы в ЛА с точностью выше, чем 2 угловые минуты); на шлем летчика воздействуют сильные акселерационные воздействия, которые могут быть связаны как с активным маневрированием с большими угловыми ускорениями и перегрузками, так и сильными вибрациями от несущих лопастей вертолета или ветровых возмущений, что приводит к непроизвольным колебаниям шлема, а значит и перекрестия; способ требует, чтобы голова летчика была в четко определенном положении, что может быть неудобным в сложившейся полетной ситуации, так как может затруднить, например, считывание информации с приборной доски; непрерывное вращение головой с высокоточным прицеливанием (достаточно тяжелого шлема с нашлемной системой целеуказания и индикации не менее 1.3-1.8 кг) быстро утомляет летный состав.

При активном маневрировании ЛА на небольших дальностях до объекта целеуказание осуществить практически невозможно.

Технические результаты использования изобретения сводятся к следующему: улучшатся точность и быстрота, расширится область целеуказания объектов обзора (которая практически приблизится к круговому обзору), перемещающихся в широком диапазоне угловых скоростей линий визирования; станет возможным высокоточное сопровождение нескольких объектов несколькими камерами, расположенными сверху и снизу ЛА; будет обеспечено рациональное (удобное или необходимое) положение головы летчика в кабине; сохранится возможность целеуказания в условиях сильных акселерационных воздействий на шлем;
снизится утомляемость летчика;
легко определится момент потери работоспособности летчика по фиксации длительного закрытия его глаз.

В целом этот способ целеуказания окажет положительное влияние на безопасность полета.

Указанные технические результаты достигаются тем, что для поиска объектов используют камеру, управляемую поворотом шлема летчика. Изображение с визорной системы передают в глаз летчика. На изображении выделено окно, в котором изображение объекта получают в увеличенном масштабе с наложенным на него символом целеуказания в виде перекрестия. Шлемом управляют несколькими камерами (расположенными сверху и снизу ЛА) с комплексированием их изображений, обеспечивая этим практически круговой обзор и возможность сопровождения нескольких целей - каждая камера может следить за своим объектом.

В процессе целеуказания оптимальным образом изменяют коэффициент передачи от углов поворота шлема летчика к углам поворота визорной системы и масштаб увеличения изображения, что позволяет осуществлять целеуказание объектов в широком диапазоне угловых скоростей их линий визирования.

Для устранения колебаний увеличенного изображения его автосопровождают и стабилизируют не только электромеханическим, но и электронным способом.

Наведение перекрестья осуществляют с помощью системы отслеживания направления взгляда летчика, либо на всем изображении, либо в окне.

Выдача данных целеуказания в бортовой комплекс осуществляется нажатием кнопки в тот момент, когда перекрестие находится в желаемом месте на объекте.

Основные преимущества достигаются за счет того, что глаза человека обладают способностью точно сопровождать объекты в широком диапазоне угловых скоростей линии визирования. В результате количество движений головы летчика сводится к минимуму, что снизит утомляемость пилота по этой причине. Использование способа предполагает наблюдение за глазами, а значит в случае их закрытия (например, при потери летчиком сознания) возможен переход на автоматическое управление ЛА и бортовым комплексом, что повышает безопасность полета.

Управление визорными устройствами осуществляется с помощью системы позиционирования шлема (например, фирмы GEC для ЛА "Eurofighter"), измеряющей угловую ориентацию шлема и его положение в кабине ЛА оптическим способом на основе пеленгации светящихся диодов на шлеме инфракрасными камерами высокого разрешения) и следящей системы поворота камер на гиростабилизированных платформах.

Дальности до объекта может измеряться с высокой точностью лазерным дальномером, оптическая ось которого параллельна оптическим осям камер.

Высокая точность целеуказания в основном обеспечивается точностью системы отслеживания направления взгляда летчика (0.01 гр. с частотой 250 Гц) на увеличенном стабилизированном изображении объекта, а также точностью измерения углов поворота камеры в пространстве (а не точностью системы позиционирования шлема, как это было на аналоге и прототипе изобретения). Различные системы отслеживания направления взгляда изложены в монографии: Enderle, J. D., The Fast Eye Movement Control System. In: The Biomedical Engineering Handbook, ed. J. Bronzino. CRC Press, Inc., Boca Raton, FL, 1995, Chapter 164, pages 2463-2483, многие из которых основаны на использование инфракрасного источника подсветки глаз и тепловизионной камеры высокого разрешения.

Точность целеуказания возрастает, если увеличивается кратность увеличения изображения объекта в окне при одновременной качественной стабилизации увеличенного изображения объекта не только электромеханическим, но и электронным способом. Однако, если качества стабилизации недостаточно, функцию оптимальной фильтрации колебаний увеличенного изображения объекта выполняют сами глаза.

Камеры визорных систем могут быть различных диапазонов частот, что существенно повышает надежность поиска и автосопровождения объектов.

Наличие камер как вверху, так и снизу ЛА позволяет делать целеуказание объектов в воздухе и на земле одновременно.

Путем поворота головы (а значит и шлема) летчик осматривает закабинное пространство (как нижнюю, так и верхнюю полусферы) через синхронно поворачивающиеся камеры, при этом за счет большого коэффициента передачи от углов ориентации шлема к углам поворота камер углы поворота головы находятся в удобном для летчика диапазоне, что не затрудняет видимость им приборной доски.

После обнаружения объекта летчик сопровождает его глазами (контролируя наложение на него перекрестия) и делает предварительное целеуказание, нажимая в нужный момент кнопку. После этого коэффициент передачи (от шлема к камере) уменьшается, а изображение увеличивается. Летчик повторно выполняет сопровождение объекта глазами и опять в нужный момент нажимает кнопку, "захватывая" объект на автосопровождение до тех пор, пока увеличенное изображение объекта не окажется в окне. Одновременно происходит стабилизация увеличенного изображения в окне. Если не удается полностью устранить колебания объекта, то летчик способен глазами оптимальным образом фильтровать эти колебания. Для окончательного целеуказания летчик сопровождает глазами выбранное место на объекте в окне (контролируя положение перекрестия) и снова нажимает кнопку. По нажатию кнопки данные об объекте передаются в бортовой комплекс ЛА для обработки бортовой вычислительной машиной.

В качестве примера применения изобретения можно привести способ целеуказания объекта для определения его положения относительно ЛА путем высокоточного измерения углов ориентации линии визирования на объект и дальности до него (вдоль линии визирования).

Высокоточное целеуказание в первую очередь необходимо, чтобы дать информацию об объектах другим системам ЛА для взаимодействия с ними.

Для обеспечения безопасности полета выполняют целеуказание летящего объекта, опасного метеообразования или объекта-препятствия на земле, что позволяет своевременно предотвратить столкновение с ними путем выполнения маневра уклонения.

Предлагаемый способ позволяет:
корректировать положения ЛА в пространстве по заранее выбранному ориентиру, координаты которого известны с высокой точностью;
выполнить посадку на специально необорудованные взлетно-посадочные площадки;
выполнить точный выход на объект;
точно сбросить груз;
управлять дистанционно пилотируемым ЛА, двигающимся по линии визирования объекта;
"подсвечивать" объекты различными источниками излучения;
передавать координаты объектов на землю и другим ЛА.

Наибольший эффект от использования изобретения ожидается при решении задач мониторинга пространства в чрезвычайных ситуациях для спасения людей: при стихийных бедствиях, пожарах, наводнениях и т.д.

Формула изобретения

Способ целеуказания, включающий поиск объектов посредством поворота шлема, связанного с камерой и управляющего поворотом последней, передачу изображения от камеры в глаз летчику, выделении на изображении окна, увеличении и стабилизации изображения в окне и наложении на него символа целеуказания в виде перекрестия посредством поворота шлема, отличающийся тем, что посредством поворота шлема управляют поворотом нескольких дополнительно введенных камер обзора верхней и нижней полусфер с одновременным изменением коэффициента передачи от углов поворота шлема к углам поворота камер и масштаба изображения, при этом для предварительного целеуказания сопровождают глазами объект на всем изображении, контролируют положение перекрестия на объекте и нажимают кнопку для автосопровождения цели, а для окончательного целеуказания сопровождают глазами выбранное место на объекте в упомянутом окне, контролируют положение перекрестия на объекте и нажимают кнопку для передачи данных целеуказания в бортовую вычислительную машину.