Нашлемный блок индикации в составе нашлемной системы целеуказания и индикации

изображения

достоинства

недостатки

1

Электронно-лучевая

трубка

Высокая яркость изображения. Узкий спектральный диапазон излучающего экрана.

Большие габаритные размеры и масса. Высокие ускоряющие напряжения

2

Активный электролюминесцентный

дисплей

Высокая разрешающая способность и контраст. Минимальные габаритные размеры и масса. Большой срок службы

Компромиссные решения для обеспечения высокой яркости и необходимого для телевиз. изобр. числа градаций. Широкий спектральный диапазон

3

Автоэлектронный

дисплей

Высокая яркость изображения. Возможность формирования цветного изображения

Высокие ускоряющие напряжения. Технологические сложности производства

4

Светодиодный

дисплей

Высокая яркость изображения Низкие напряжения питания

Высокая потребляемая мощность. Ограниченная разрешающая способность

5

Плазменные

дисплеи

Высокая яркость изображения Большой срок службы

Низкая разрешающая способность

6

Пропускающие

ЖК панели

Высокая разрешающая способность. Возможность формирования цветного изображения

Ограниченный угол обзора. Низкий коэффициент пропускания. Необходимость осветительной системы

7

Отражающие

ЖК панели

Высокая разрешающая способность. Возможность формирования цветного изображения

Ограниченный угол обзора. Ограниченный рабочий температ. диапазон. Необходимость осветительной системы

8

Отражающие дисплеи на основе бинарных микрозеркальных элементов

Высокая разрешающая способность. Возможность формирования цветного изображения высокой яркости

Ограниченный угол обзора. Необходимость габаритной осветительной системы

В качестве наиболее достойного представителя пассивных источников изображения, применяемых в составе НБИ, рассмотрим пропускающую жидкокристаллическую панель, показанную на рис. 1.17. Габаритные размеры и масса пропускающей жидкокристаллической панели практически не отличаются от аналогичных показателей электролюминесцентных дисплеев.

Рис. 1.16. Активный электролюминесцентный дисплей («Planar», USA)

Однако, наличие светодиодного узла подсвета, обладающего высокой мощностью, развивает массу всего излучающего модуля, что наряду с температурными ограничениями по применению сокращает область использования таких устройств.

Рис.1.17. Пропускающая жидкокристаллическая панель (Rockwell Collins, USA).

Завершая обзор разнообразных источников изображения необходимо отметить, что одним из принципиальных недостатков пассивных источников предъявления информации является ограниченность угла обзора при формировании максимально возможной яркости изображения. Это ограничение накладывает специфические требования и к осветительной системе, располагаемой между осветительным модулем и жидкокристаллической панелью, и к проекционной системе канала ввода дополнительной информации. Собственный опыт разработок показывает, что для источников изображения с такими свойствами предпочтительно использование центрированных оптических систем. Из чего следует, что на этапе проектирования при необходимости использования сферического внеосевого элемента совмещения возможно получение ощутимой неоднородности воспринимаемой яркости по полю изображения.

Рассматривая назначение отдельных компонентов НБИ, необходимо отдельно сказать об элементе совмещения каналов прямого наблюдения и канала ввода дополнительной информации. Анализ различных схем построения показывает, что в составе нашлемных модулей применяется три вида элементов совмещения:

· плоские элементы совмещения;

· плоско-сферические элементы совмещения;

· сферические элементы совмещения.

Плоские элементы совмещения наиболее просты в изготовлении, обладают высоким коэффициентом пропускания в канале прямого наблюдения, тривиально учитываются при расчете и проектировании оптической схемы. Однако их эргономические показатели полностью не соответствуют тезисам, сформулированным в разделе 1.2., так как их использование предполагает постоянное нахождение в поле периферического зрения человека физических компонентов и оправ (см. рис.1.2. и рис. 1.3).

Плоско-сферические элементы совмещения свободны от отмеченных недостатков, более эргономичны по сравнению с плоскими элементами, но имеют невысокий коэффициент пропускания в канале ввода дополнительной информации.

Рассматривая сферические элементы совмещения необходимо отметить их принципиальное отличие от двух предыдущих, которое заключается в том, что оптическая схема, содержащая сферический элемент совмещения каналов прямого наблюдения и ввода дополнительной информации, является не центрированной, вследствие внеосевого расположения головного сферического зеркала (элемента совмещения). Это основной недостаток, сопровождающий применение НБИ на основе сферических элементов совмещения, вызывающий дополнительные трудности проектирования, сборки, юстировки и технологического освоения подобных конструкций в серийном производстве. Однако, несмотря на отмеченные недостатки, практически все нашлемные устройства, применяемые в составе КБО самолетов, проектируются на основе сферических элементов совмещения каналов прямого наблюдения и ввода дополнительной информации (см. рис. 1.5, рис. 1.9), что обеспечивает максимальный комфорт восприятия при визуальном анализе изображения, сформированного на экране источника изображения, и внекабинного пространства.

Таким образом, рассмотрены основные элементы нашлемных блоков индикации, определяющие качество изображения и комфорт наблюдения внекабинного пространства и символьно-графического изображения, предъявляемого в канале ввода дополнительной информации. Назначение таких элементов, как нейтральный светофильтр, предназначенный для ослабления яркости от внешнего пространства, и шторка, блокирующая информацию, рассмотрены в разделе 1.6.

Для обоснования технических параметров и характеристик НБИ рассмотрим основные требования, предъявляемые к НБИ, а также основные параметры и характеристики, относящихся по своему назначению к НБИ, приведенные в техническом задании на дипломный проект. В этом разделе необходимо проанализировать и обосновать требования, позволяющие спроектировать оптическую схему НБИ бинокулярного типа.

Для проектирования НБИ, наиболее эффективно решающего сформулированные перед ним задачи, необходимо определить диаметр выходного зрачка оптической системы (ОС) НБИ. Из общих соображений можно предположить, что диаметр выходного зрачка ОС НБИ должен быть равен максимальному диаметру зрачка глаза. Однако возможные перемещения несущего каркаса, возникающие из-за движения кожного покрова головы оператора, приводят к неизбежному виньетированию и потере изображения. Вследствие чего, выходной зрачок необходимо увеличить и принять равным d_зр = 12…14 мм.

Помимо диаметра выходного зрачка ОС НБИ, важнейшим параметром, определяющим топологию построения оптической схемы коллимирующей части, является удаление выходного зрачка от последней поверхности s^/_P. Этот параметр во многом зависит от общей концепции построения оптической схемы НБИ, углового поля ОС, габаритов защитного шлема или несущего каркаса. Поэтому, вследствие разнообразия вариантов построения оптической схемы НБИ, нельзя однозначно задать численное значение удаления выходного зрачка коллимирующей части ОС. Для каждого из возникающих вариантов построения оптической схемы НБИ параметр s^/_P должен учитывать их отличительные особенности и определяться индивидуально, исходя из обеспечения максимального комфорта наблюдения и удобства применения.

Обратимся к вопросу требований, предъявляемых к качественным показателям ОС НИНС. Любое растровое изображение характеризуется значением предельно воспроизводимой пространственной частоты, вычисляемой по формуле:

(1.1)

где _{x,y max} - предельная пространственная частота, воспроизводимая растровым изображением;

T_x,y - период растровой структуры источника изображения.

Вследствие этого, опираясь на опыт расчетов, можно утверждать, что модуль передаточной функции (МПФ) ОС НБИ на пространственной частоте _{x,y max} должен быть не менее МПФ_ОС(_{x,y max}) = 0.5…0.7. Выполнение этого условия в пределах полного углового поля зрения ОС НБИ позволяет эффективно анализировать малоконтрастное изображение, представляемое оператору на предельных пространственных частотах, а также символьно-графическое изображение при высоких яркостях окружающего фона.

Завершая рассмотрение требований, предъявляемых к качественным характеристикам ОС НБИ, необходимо отметить, что выпускаемые сегодня источники изображения обладают как равномерной разрешающей способностью в пределах всего линейного поля зрения, так и малой геометрической дисторсией. Вследствие того, что при расчете ОС можно управлять ее численным значением, необходимо предусмотреть возможность минимизации дисторсии оптической схемы НБИ в целях наиболее комфортного восприятия изображения в канале ввода дополнительной информации, а также повышения точностных параметров НСЦИ.

Таким образом, сформулированы и определены дополнительные параметры, позволяющие в зависимости от задач, решаемых НБИ, разработать рациональную оптическую схему, сочетающую в себе положительные свойства основных элементов.

1.5 Описание и обоснование выбранной конструкции бинокулярного нашлемного блока индикации

В задании на дипломный проект необходимо было обосновать и разработать бинокулярный вариант конструктивного исполнения нашлемного блока индикации (НБИ) с проецированием и коллимацией информационного излучения от двух источников изображения на два глаза пилота. На рис 1.18. представлена объемная модель оптической системы одного канала бинокулярного НБИ, а на рис. 1.19 - структурная оптическая схема оптической системы одного канала бинокулярного НБИ (без плоских зеркал).

Рис 1.18. Объемная модель оптической системы одного канала бинокулярного НБИ

где: 1 - плоско-сферический элемент совмещения, 2 - линзовая проекционная система;

3- дополнительные плоские зеркала; 4 - активный электролюминесцентный дисплей;

5 - выходной зрачок

Рис. 1.19. Структурная оптическая схема оптической системы одного канала бинокулярного НБИ (без плоских зеркал).

Бинокулярный вариант конструктивного исполнения НБИ на основе двух активных электролюминесцентных дисплеев представлен на рис. 1.19.

В описываемой конструкции бинокулярного НБИ применен плоско-сферический элемент совмещения, реализованный на основе двух сферических зеркал, объединенных с единым для двух каналов плоским зеркалом. Закрепление ажурного каркаса, объединяющего отдельные части элемента совмещения, на защитном шлеме осуществляется при помощи узла крепления аналогичного кронштейну, используемому на шлеме ЗШ-7В. Относительное расположение оптических элементов одного канала бинокулярного НБИ показано на рис. 1.20. Плоско-сферические полупрозрачные зеркальные элементы установлены на одноосном шарнире и могут выводиться из поля зрения пилота. При необходимости конструкция предусматривает возможность отсоединения НБИ перед катапультированием. Все конструктивные элементы НБИ размещаются под сферическим обводом радиусом 170 мм. Конструктивная проработка показала возможность уменьшения радиуса обвода, что требует обязательного отсоединения НБИ от шлема перед катапультированием, для введения защитного обтекателя.

Достоинством рассмотренной реализации бинокулярного варианта НБИ является простота ее сопряжения с существующей конструкцией шлема типа ЗШ-7В, вполне традиционные решения, используемые при расчете и проектировании оптической схемы.

Основные недостатки заключаются в следующем:

· плохая защищенность элемента совмещения от бликов, формируемых при нахождении в поле человеческого зрения ярких источников света;

· невысокий коэффициент пропускания элемента совмещения в канале ввода дополнительной информации;

· наличие в угловом поле зрения пилота оправы элемента совмещения каналов наблюдения.

Расчетная масса блока, устанавливаемого на узел крепления защитного шлема, не более 290 г.

Конструктивно все оптические компоненты и активный электролюминесцентный дисплей, являющийся источником изображения, жестко закрепляются на защитном шлеме пилота. Предлагаемая конструкция разработана, исходя из ее размещения на шлеме ЗШ-7В, доработанном в части «ручного» введения двух, размещаемых на одноосном шарнире, оптических сферических компонентов.

Сферический элемент совмещения, устанавливаемый непосредственно перед лицом пилота обеспечивает коллимацию изображения, а сферическое защитное стекло предназначено для ослабления яркости окружающего фона и защищает лицо пилота при катапультировании. Выбранная оптическая схема позволяет при необходимости выполнить модернизацию конструкции в целях обеспечения коллимации информационного потока, формируемого в канале ввода дополнительной информации, на два глаза пилота за счет введения второй проецирующей ветви посредством их сопряжения на общем зеркале, установленном на оси симметрии лица. Разработанная конструкция позволяет осуществить введение в состав НСЦИ бинокулярной системы ночного видения прямого наблюдения, подразумевающей наблюдение усиленного электронно-оптическими преобразователями изображения непосредственно на люминесцентном экране, за счет увеличения массы блока, закрепляемого на шлеме, на 320 г.

Детальная проработка представленных вариантов конструкции НБИ в ходе выполнения эскизного проекта не проводилась, так как по мнению «НПП Звезда» для разрабатываемого объекта применения необходимо применение принципиально нового шлема, потенциально обеспечивающего размещение оптико-электронных комплексов круглосуточного представления обзорной, навигационной и прицельно-пилотажной информации пилоту.

Рис. 1.20. Конструктивная реализация бинокулярного НБИ

1.6 Анализ разработок и варианты основных направлений развития в области построения нашлемных систем целеуказания (НСЦ)

Нашлемная система целеуказания предназначена для определения текущего положения защитного шлема в системе координат объекта применения с последующим расчетом и выдачей углов линии визирования в КБО.

Наибольшее распространение получили оптико-электронные НСЦ, использующие для работы оптическое излучение ИК-диапазона, и магнитные НСЦ, использующие электромагнитные поля различного характера.

В последнее время достаточно часто упоминаются системы целеуказания других типов, построенные на основе малогабаритных гироскопических датчиков, установленных на защитном шлеме, или работающие на принципе лазерной триангуляции. Однако, из-за жестких ограничений, связанных с условиями эксплуатации и особенностями размещения в кабине, применение подобных систем ограничивается в настоящее время стационарными устройствами общего назначения.

Рассмотрим более подробно НСЦ, получившие практическое применение в авиационных нашлемных комплексах целеуказания и индикации.

1.6.1 Принцип действия оптико-электронных НСЦ

Основной алгоритм работы оптико-электронной НСЦ основан на определении устройствами локационными (УЛ), занимающими фиксированное положение относительно объекта применения и друг друга, направлений на специальные излучатели-реперы, расположенные на нашлемной части. Информация, полученная с УЛ, используется вычислительным модулем блока управления для расчета углового положения линии визироания в системе координат объекта применения.

Пространственное сканирование выполняется в УЛ либо механическими устройствами, например, вращающимися зеркальными барабанами в НСЦ «Щель», либо строчно-кадровой разверткой в УЛ, использующих матрицы или линейки на приборах с зарядовой связью.

Питание реперных светодиодов осуществляется импульсным током таким образом, что в течение рабочего цикла последовательно излучает каждый из них. Этим обеспечивается возможность выделения полезного излучения на внешнем фоне и маркировка репера.

В системах, использующих только временную модуляцию излучения реперов без пространственного сканирования чувствительный элемент УЛ воспринимает энергию, как излучающего репера, так и возможных переотражений от элементов конструкции кабины. Для уменьшения влияния солнечной засветки в этих системах применяют узкополосные светофильтры в оптической системе УЛ и реперные светодиоды с повышенной мощностью излучения в согласованном с фотоприемником спектральном диапазоне.

Наряду с этим программа, управляющая работой НСЦ, должна производить сравнительный анализ сигналов УЛ, позволяющий исключить недостоверную информацию, например, от УЛ, «ослепленного солнцем» или случайно затененного рукой летчика.

Наличие пространственного сканирования позволяет исключить информацию от ложных источников, например:

- переотраженных излучений, мощность которых существенно ниже, чем от основных реперов;

- источников, положение которых произвольно изменилось в кадре;

- источника, направление на который от обоих УЛ одинаково.

При использовании в УЛ ПЗС-матриц или линеек весьма эффективным также является сокращение длительности излучения репера с одновременным повышением его пиковой мощности излучения.

Принцип действия оптико-электронной НСЦ рассмотрим на примере отечественных систем «Щель» и НСЦ-Т(они входят в штатное оборудование самолетов МиГ-29 и Су-27).

Обе системы содержат два локационных устройства УЛ-А и УЛ-Б, закрепленные на бортовом коллиматорном авиационном индикаторе (КАИ), и установленное на специальном кронштейне шлема ЗШ-7 малогабаритное нашлемное визирное устройство НВУ-7 (см. рис. 1.21).

Рис. 1.21. Структурная схема оптико-электронной НСЦ.

В корпусе НВУ-7 находится оптическая система, обеспечивающая формирование и проецирование в правый глаз летчика коллимированного изображения прицельной и сигнальной марок. На корпусе НВУ-7 находятся три инфракрасных диода ИД1, ИД2, ИД3, образующие опорный треугольник, стороны которого измеряются с высокой точностью и заносятся в память блока управления НСЦ.

Анализ изменения проекции этого треугольника на определенную базовую плоскость при изменении положения шлема с НВУ-7, выполняемый процессором в блоке управления позволяет определить угловое положение линии визирования НВУ-7 в системе координат объекта применения.

Если летчик совместит изображение прицельной марки с визуально видимой целью, то тем самым будут определены угловые координаты линии визирования на цель в системе координат, связанной с объектом применения.

Рассмотренная система имеет минимальные погрешности определения угловых координат линии визирования вблизи продольной оси ОХ объекта и увеличивающиеся по мере удаления от нее. Так, в центральной зоне ±30° погрешность измерения составляет (30…45) угл. мин., а в пределах всей рабочей зоны ±60° она увеличивается до (90…120) угл. мин.

Уменьшение погрешности определения угловых координат линии визирования и увеличение рабочего диапазона углов возможно за счет увеличения количества реперов и их размещения на большей поверхности шлема, увеличения числа УЛ, с их размещением на элементах конструкции кабины так, чтобы при перемещениях шлема хотя бы два УЛ одновременно наблюдали хотя бы один реперный треугольник. Если учесть, что требования высокой точности определения угловых координат линии визирования при этом не изменяются, неизбежным представляется ужесточение требований к точности размещения реперов на шлеме, установки УЛ на элементах конструкции объекта и минимальных изменений их взаимного расположения при маневрах объекта. Достаточно противоречивый характер этих требований объясняет то, что на практике распространение получили НСЦ с двумя локационными устройствами, которые установлены на боковых сторонах коллиматорного авиационного индикатора (КАИ) или на жесткой ферме, введенной специально в конструкцию кабины.

Следует отметить, что излучение реперных светодиодов, отраженное от стеклянных поверхностей кабины, фонаря и лицевых панелей приборов, создает помехи, влияющие на функционирование ОНВ, вследствие частичного совпадения рабочих спектральных диапазонов. Для уменьшения этого паразитного влияния используется разделение во времени излучения реперов и преобразования ЭОП, однако более радикальным можно считать перенос светодиодов НСЦ в затылочную область шлема и установку УЛ на специальном кронштейне в задней части кабины.

Изложенные материалы позволяют сделать следующие выводы.

1. Оптико-электронные НСЦ обладают высокой точностью, но относительно малыми диапазонами измерений углов линии визирования. Увеличения диапазона и уменьшения погрешности измерения углов линии визирования возможно за счет увеличения количества реперных светодиодов, но при этом значительно усложняется программное обеспечение системы.

2. Оптико-электронные НСЦ чувствительны к мощным солнечным засветкам и переотражению излучения «реперных» светодиодов. Возможно уменьшение влияния солнечных засветок и переотраженного излучения реперных светодиодов за счет:

· применения в НСЦ чувствительных элементов с пространственно-временной модуляцией и соответствующим алгоритмическим анализом полученной информации;

· увеличения количества и «реперных» светодиодов и соответствующего усложнения программно-математического аппарата решения задачи определения угловых координат линии визирования.

1.6.2 Принцип действия электромагнитных НСЦ

Под электромагнитным позиционированием понимается определение пространственного положения шлема как твердого тела, находящегося в известном магнитном поле, относительно неподвижной системы координат по показаниям магнитных датчиков, закрепленных на теле в заданных точках. Привязка к неподвижной системе координат осуществляется посредством вычисления трех угловых координат (углов Эйлера, определяющих вращательное движение твердого тела вокруг мгновенного полюса) и трех пространственных координат (координат полюса, определяющих поступательное движение твердого тела). Учет движения позиционируемого тела осуществляется путем решения стационарной задачи позиционирования с заданной частотой в реальном масштабе времени. Таким образом, определяются как бы «мгновенные снимки» положения твердого тела, следующие друг за другом с заданной частотой.

На рис. 1.22. представлена функциональная схема электромагнитной НСЦ.

Рис. 1.22. Функциональная схема электромагнитной НСЦ

1 - источник рабочего квазипостоянного магнитного поля (ИРП); 2- блок питания ИРП; 3 - блок управления и связи (БУС); 4- устройство измерительное подвижное (УИП); 5 - датчики (генераторы Холла); 6 - предварительный усилитель; 7 - датчик поля Земли; 9 - жесткая платформа (ферма).

В общем случае электромагнитная система позиционирования содержит источник, фиксированный в связанной системе координат объекта, и измерительное устройство, содержащее набор датчиков, размещенное на нашлемном модуле НСЦИ. Источник создает в зоне перемещений шлема магнитное поле с заданными параметрами, а измерительное устройство формирует электрические сигналы, адекватные полю, индуцируемому источником. После преобразований сигналы используются в вычислителе для расчета положения нашлемного модуля в системе координат объекта.

Электромагнитные системы позиционирования условно подразделяются на три типа:

· системы позиционирования переменного тока;

· системы позиционирования постоянного (квазипостоянного) тока;

· системы позиционирования импульсного тока.

В системах первого типа источник может быть выполнен в виде трех взаимно ортогональных катушек с общим магнитным центром, каждая из которых питается переменным током определенной частоты от своего генератора. Рабочие частоты выбираются с учетом электромагнитной обстановки на объекте. Так, например, в одном из макетных образцов были использованы частоты 7.9 и 11 кГц, на которых помехи на объекте были минимальными.

В этих системах датчик конструктивно подобен источнику, но имеет меньшие размеры. С каждой катушки датчика снимаются сигналы трех рабочих частот, индуцируемые соответствующими катушками источника. Далее они разделяются на девять сигналов, усиливаются и передаются в блок управления, где по ним определяется положение нашлемного модуля с датчиком в системе координат объекта применения.

В системах второго типа постоянное магнитное поле создается источником, представляющим собой определенную комбинацию электромагнитов, питание которых осуществляется стабилизированным постоянным током.

Датчиком является размещенная на защитном шлеме группа малогабаритных трехкомпонентных магниточувствительных устройств, например, феррозонда или устройств, работающих на основе эффекта Холла, и измеряющих компоненты магнитного поля источника в нескольких точках одновременно. Сигналы с датчиков усиливаются и передаются в блок управления для решения задачи позиционирования.

Для исключения влияния постоянного магнитного поля Земли в системе предусмотрен отдельный трехкомпонентный датчик, устанавливаемый на объекте в фиксированном положении вдали от источника. Сигналы с этого датчика, зависящие только от положения объекта в пространстве, используются в качестве поправок для вычисления угловых координат линии визирования.

Следует отметить, что в качестве источника рабочего поля может быть теоретически рассмотрено применение набора постоянных магнитов. Очевидным достоинством такого варианта является отсутствие блока питания. Однако оно перекрывается существенными недостатками, связанными с необходимостью экранировки полей рассеяния в нерабочем режиме, невозможностью изменения величины индукции, сложностью реализации большого объема быстродействующих алгоритмов в условиях ограниченных быстродействия и памяти вычислителя вычислительного устройства.

Система импульсного тока занимает как бы промежуточное положение между двумя предыдущими системами: источник аналогичен источнику применяемому в системе переменного тока, а датчик - применяемому в системе постоянного тока.

Работа системы происходит циклами, следующими друг за другом с частотой, определяемой необходимым темпом выдачи информации НСЦ. Каждый цикл состоит из четырех подциклов: в течение первых трех последовательно на каждую из трех катушек источника подаются импульсы тока прямоугольной формы, а в течение четвертого источник полностью обесточивается. При этом вводится задержка на время затухания вихревых токов, возникающих в проводящих конструкциях кабины вследствие переходных процессов и искажающих сигнал на выходе системы.

Датчик в середине каждого подцикла производит измерение магнитного поля так же, как при работе системы постоянного поля. При этом за первые три подцикла измеряют компоненты магнитного поля источника с учетом поля помех, а за четвертый - только поле помех. Сигналы поступают в блок управления, где компоненты поля помех отделяются от полезных сигналов, после чего решается задача позиционирования.

На выбор параметров источника магнитного поля во всех рассмотренных системах, кроме обычных соображений уменьшения габаритов, массы и потребляемой мощности влияют, с одной стороны, стремление обеспечить необходимую разрешающую способность всей системы и улучшить соотношение сигнал/шум на выходе датчика и с другой - недопустимость вредного воздействия на оборудование кабины и на летчика.

Следует особо отметить, что все металлические поверхности кабины объекта искажают переменное магнитное поле источника, в то время как постоянное поле искажается только ферромагнетиками. Для учета влияния оборудования объекта должна производиться специальная процедура измерения карты магнитного поля в рабочем объеме перемещений защитного шлема с датчиками. При этом производится измерение параметров магнитного поля источника в достаточно большом количестве узловых точек с занесением полученных результатов в запоминающее устройство блока управления. Эти данные используются для внесения поправок при решении задач позиционирования. Технология такой процедуры различна для систем различных типов, но сама процедура относится ко всем электромагнитным системам.

В наибольшей степени искажение поля присуще системе первого типа, что объясняется влиянием вихревых токов, индуцируемых переменным магнитным полем источника в металлических деталях кабины. При этом любое самое незначительное изменение интерьера кабины, состава оборудования и даже деформация кабины, возникающая в полете, может внести изменение в пространственное распределение поля источника и вызывать дополнительную ошибку в работе системы. Поэтому в НСЦ переменного тока требуется производить процедуру картографирования поля довольно часто.

НСЦ постоянного тока лишены этого недостатка, так как на них влияют главным образом ферромагнитные материалы. Поэтому результаты картографирования, выполненного один раз, справедливы все время до следующего существенного изменения состава оборудования кабины объекта применения.

Системы третьего типа подвержены влиянию вихревых токов, возникающих в моменты переключения катушек источника. Поэтому для работы могут быть использованы только часть подциклов после завершения переходных процессов. Это ограничивает частоту выдачи информации с выхода системы и ухудшает соотношение сигнал/шум в тракте преобразования сигнала датчика.

Изложенные материалы показывают большое разнообразие электромагнитных систем позиционирования, отличающихся различным характером электромагнитного поля. Предпочтительной среди них является система позиционирования постоянного тока. Следует отметить, что в различных промышленных устройствах, игровых системах, обеспечивающих наблюдение «виртуального пространства», нашли применение различные системы позиционирования, использующие магнитные поля. Однако, в бортовых условиях при воздействии мощных электромагнитных помех, а также воздействии внешних воздействующих факторов, такие системы не способны обеспечить требуемые точностные характеристики.

1.6.3 Принцип действия инерциальных нашлемных системы позиционирования

Рассмотрены некоторые возможные варианты построения нашлемных систем позиционирования (НСП) с использованием микромеханических бесплатформенных инерциальных систем позиционирования (МБИСП) и микромеханических бесплатформенных инерциальных навигационных систем (МБИНС) в режиме курсовертикаль, на основе микромеханических гироскопов (ММГ) и микромеханических акселерометров (ММА).

При исследовании рассматривались следующие схемы построения нашлемных систем ориентации:

1. Микромеханическая бесплатформенная инерциальная система позиционирования на основе бесплатформенного инерциального блока (БИБ);

2. Комплексированная МБИСП с магнитным компасом (МК);

3. Комплексированная МБИСП с оптико-электронной системой позиционирования (ОЭСП).

Блок-схема нашлемной системы позиционирования (НСП) на основе МБИСП-БИБ приведена на рис. 1.23.

Рис. 1.23. Схема НСП на основе МБИСП-БИБ.

где: 1 - каска шлема; 2 - нашлемный модуль; 3 - защитный светофильтр; 4- нашлемная часть МБИСП (БИБ); 5- приборная доска; 6 -самолётная интегрированная навигационная система

На каске защитного шлема 1 установлены нашлемный модуль 2, на котором установлен БИБ 4 нашлемной части МБИСП. Под кожухом нашлемного модуля установлен защитный светофильтр 3. На приборной доске самолёта 5 размещается штатная самолётная интегрированная навигационная система (СИНС).

На рис. 1.24 приведена структурная схема МБИСП на основе БИБ с ММГ и ММА.

Рис. 1.24. Структурная схема МБИСП-БИБ.

4 - бесплатформенный инерциальный блок (БИБ); 7 - трёхосный блок гироскопов;

8 - трёхосный блок акселерометров; 9 - микроконтроллер БИБ; 10 - интерфейс БИБ;

11 - микропроцессор БИСО; 12 - интерфейс БИСО; 13 - микропроцессор НСП;

14 - интерфейс НСП.

В состав БИБ 4 входят трёхосный блок микромеханических гироскопов 7 и трёхосный блок микромеханических акселерометров 8, информация из которых об угловых скоростях и линейных ускорений в аналоговом виде поступает на микроконтроллер 9. В микроконтроллере 9 аналоговые сигналы преобразуются в цифровой вид, с помощью АЦП, и вычисляются приращения углов и кажущиеся скорости в связанной системе координат и через интерфейс 10 поступают в микропроцессор 11 БИСО, где вычисляются углы позиционированияв географической системе координат и через интерфейс 12 поступают в микропроцессор 13 НСП. Информация об угловом положении шлема, углы крена, тангажа и курсового угла относительно строительной системы координат летательного аппарата определяется вычитанием показаний нашлемной МБИСП из показаний угловых координат самолёта, получаемых из самолётной интегрированной навигационной системы 6, и через интерфейс 14 поступают в самолётную систему управления оружием (СУО).

Основными погрешностями МБИСП являются ошибки начальной выставки по курсу (гироскопический курс), ошибки определения углов относительно горизонта и ошибки начальной привязки осей МБИСП и интегрированной самолётной навигационной системы. Причём время выставки МБИСП будет соизмеримо со временем выставки самолётной интегрированной навигационной системы.

Схема построения комплексированной МБИСП с магнитным компасом (МК) приведена на рис. 1.24.

где: 1- каска шлема; 2- нашлемный модуль; 3 - защитный светофильтр; 4 - нашлемная МБИСП; 5 - бортовая самолётная МБИСП; 6 - кожух кабины.

Рис. 1.24. Схема построения комплексированной МБИСП с магнитным компасом.

Как и в первом варианте, на передней части шлема 1 установлен нашлемный модуль 2, под которым размещён защитный фильтр 3, а сверху нашлемного модуля закреплена МБИСП с магнитным компасом.

Структурная схема комплексированной МБИСП с магнитным компасом приведена на рис. 1.25.

Рис. 1.25. Структурная схема комплексированной МБИСП с МК.

где: 4- БИБ; 5 - бортовая самолётная МБИСП; 7 - трёхосный блок ММГ;

8 - трёхосный блок акселерометров; 9 - магнитный компас; 10 - микроконтроллер БИБ;

11 - микроконтроллер БИСО; 12 - интерфейс БИСО; 13 - микропроцессор кабинной МБИСП; 14 - интерфейс внутрикабинной МБИСП

В состав комплексированной МБИСП с МК входят БИБ 4, состоящего из трёхосного блока гироскопов 7 и трёхосного блока акселерометров 8, информация из которых об угловых скоростях и линейных ускорений в аналоговом виде поступает на микроконтроллер 10. В микроконтроллере 10 аналоговые сигналы преобразуются в цифровой вид с помощью АЦП, и вычисляются приращения углов и кажущейся скорости в связанной системе координат. Информация с БИБ 4 и МК 9 поступают в микроконтроллер 11 БИСО, где вычисляются углы позиционирования в географической системе координат и через интерфейс 12 поступают в микропроцессор 13 НСП. Информация об угловом положении шлема, углы крена, тангажа и курсового угла относительно строительной системы координат летательного аппарата определяются вычитанием показаний нашлемного МБИСП с МК из показаний угловых координат самолёта, получаемых из кабиной МБИСП с МК 5 и через интерфейс 14 поступают в самолётную систему управления оружием.

Как показали исследования, основными погрешностями НСП являются ошибки начальной выставки по курсу (магнитный курс), ошибки определения углов относительно горизонта и ошибки начальной привязки осей нашлемной БИСО и кабиной БИСО. Причём время выставки НМБИСП будет соизмеримо со временем выставки СИНС.

1.6.4 Обоснование выбора нашлемной системы целеуказания

Проведенный анализ различных типов систем позиционирования для создания на их основе нашлемных систем целеуказания (НСЦ) показал:

1. Применение магнитной системы позиционирования на современных самолетах связано с серьезными проблемами размещения мощного источника магнитного поля на катапультном кресле или малогабаритных постоянных магнитов на фонаре самолета в непосредственной близости от головы пилота. Проведенные экспериментальные исследования данных технических решений показали:

· конструкция катапультного пилотажного кресла оказывает существенное влияние на магнитное поле в рабочей области перемещений защитного шлема лётчика;

· характер этого влияния неоднороден и различается в зависимости от ориентации кресла относительно магнитного поля Земли;

· штатные наушники в пилотажном защитном шлеме типа ЗШ-7 недопустимо высокое искажение магнитного поля в зоне размещения датчиков магнитного поля, размещенных на шлеме.

В результате для обеспечения требуемых точностных характеристик магнитной системы позиционирования, необходимо исключить все факторы, оказывающие значительное «паразитное» влияние на сформированное магнитное поле в кабине объекта применения. В настоящее время практически невозможно исключить данные факторы.

2. Оптико-электронной системы позиционирования обеспечивают требования по точностным характеристикам, но из-за ограниченного диапазона определения углового положения линии визирования данные системы нецелесообразно использовать в составе НСЦИ, разрабатываемых для современных самолетов.

3. С начала 2000^х годов ведущее зарубежные фирмы приступили к разработке принципиально новых систем позиционирования на основе микромеханических датчиков: микрогироскопах и микроакселерометрах. В 2001 году американской фирмой «Analog Device» была созданы первые в мире полностью интегрированные с электроникой в одном кристалле микромеханический гироскоп и акселерометр и ряд зарубежных фирм («BAE systems» (США), «Elbit» (Израиль) и др.) приступили к разработке различных датчиков, в том числе, систем позиционирования на их основе. В России также ведутся аналогичные разработки микрогироскопов и микроакселерометров и систем позиционирования на их основе. Отличительными особенностями конструкции микромеханических систем позиционирования, которые получили название микромеханическиех бесплатформенныех инерциальныех системы позиционирования (МБИСП), является его минимальные габаритно-массовые характеристики, универсальность, низкая трудоемкость изготовления, высокая помехозащищенность и др. Однако, уровень параметров и характеристик современных отечественных и зарубежных микроакселерометров и микрогироскопов не позволяет создать высокоточные системы позиционирования, обусловленные уводами микроакселерометров.

4. Для обеспечения требуемых точностных параметров перспективно рассмотреть возможность создания гибридной нашлемной системы позиционирования (ГНСП) для НСЦИ. Данная система должна состоять из МБИСП, обеспечивающей измерение положения линии визирования в широком диапазоне углов линии визирования в пространстве, и дополнительной высокоточной оптико-электронной системы, работающей в ограниченном диапазоне углов. При этом основное назначение оптико-электронной системы является списывание ошибок МБИСП.

В дипломном проекте рассмотрены некоторые возможные варианты построения гибридных на основе оптико-электронной системы позиционирования (ОЭСП) и микромеханической бесплатформенной инерциальной системы позиционирования (МБИСП). На рис. 1.26. приведена одна из возможных схем построения ГНСП, а на рис. 1.27. приведена ее функциональная схема.

Рис. 1.26. Схема построения НСП на основе КБИСО-ОЕСО.

где: 1 -каска шлема; 2 - нашлемный модуль; 3 - защитный светофильтр; 4 - светодиоды;

5 - датчики положения; 6 - нашлемная МБИСП; 7 - самолётная интегрированная

навигационная система (СИНС); 8 - поле зрения ДП; 9 - кожух кабины;

10 - панель навигационно-пилотажного комплекса самолёта

На передней части каски шлема 1 установлен нашлемный модуль (НШМ) 2, под кожухом которого размещён откидывающийся защитный фильтр 3. На верхней части НШМ установлены инфракрасные светодиоды 4, входящие в блок ОЭ системы позиционирования (СП). Датчики положения (ДП) 5 могут быть установлены в верхней части кожуха кабины 9, а именно, на раме переплёта остекления. В этом случае обзор датчиками ДП рабочей зоны является более эффективным, особенно при больших положительных углах места шлема. Нашлемная МБИСП 6 устанавливается рядом с центральным светодиодом, а СИНС 7 на приборной панели навигационно-пилотажного комплекса самолёта 10.

Рис. 1.27. Функциональная схема НСП на основе КБИСО и ОЭСП.

где: 4 - светодиоды; 5 - датчики положения; 7 - СИНС; 11 - микроконтроллер БИБ; 12 - интерфейс БИБ; 15 - трёхосный блок ММГ; 16 - трёхосный блок акселерометров; 13 - микропроцессор ОЭСП; 14 - интерфейс ОЭСП.

1.7 Описание, технические параметры и характеристики блока формирования изображения

Структура блока формирования изображений (БФИ) соответствует традиционной структуре устройств обработки изображений (см. рис. 1.28) и включает следующие устройства:

· управляющий процессор;

· контролеры каналов управления;

· процессор формирования изображений;

· преобразователь стандартов;

· контроллеры скоростных каналов.

Управляющий процессор и контроллеры каналов управления организованы в сеть. Каждый контроллер осуществляет прием/передачу по соответствующему каналу (каналам) на физическом уровне предварительную обработку сообщений и пересылку данных в управляющий процессор.

Процессор формирования изображений должен быть построен на основе высокопроизводительных DSP процессоров. Видеоинформация поступает непосредственно на входы процессора по скоростным каналам и обрабатывается в памяти процессора формирования изображений. Дополнительно на нее накладывается графическое изображение, состав которого задается управляющим процессором. Характер обработки изображений также задается управляющим процессором с учетом команд, поступивших по каналам управления. Изображение выводится по каналу RGB в аналоговой форме для отображения и одновременно в цифровой форме в преобразователь стандартов. Преобразователь стандартов выполняет сжатие изображения для вывода его на устройство видеорегистрации.



Рис. 1.28. Структурная схема БФИ.

Для обеспечения функционирования БФИ в различных режимах работы необходимо использование программного обеспечения (ПО) различного назначения. По назначению все ПО, применяемое в БФИ, можно разделить на функциональное и технологическое программное обеспечение.

Функциональное программное обеспечение состоит из следующих программ:

· программы контроллеров каналов управления, обеспечивающие предварительную обработку поступающей информации;

· программы управляющего процессора, обеспечивающие анализ поступающей информации, выбор режима отображения и связанные с данным режимом графические метафайлы;

· программы процессора формирования изображения, включающие в свою очередь:

- программы формирования графических примитивов;

- программы смешивания изображений в различных режимах;

- программа преобразования стандартов и преобразования для вывода изображений на источник изображения НБИ;

- банк графической, цифробуквенной и символьной информации, формирующийся под различные задачи режимов отображения и содержащий как унифицированные примитивы для формирования множества изображений, так и конкретные сложные специализированные изображения (мнемокадры).

На рис. 1.29 приведены информационные мнемокадры, формируемые БФИ для современных самолетов.

Рис. 1.29. Вид информационных кадров НСЦИ

Технологическое программное обеспечение состоит из следующих программ:

· программы подготовки исходных данных для формирования изображений, в частности, преобразования произвольных шрифтов типа «True Type» в таблицы фонтов;

· программы (и аппаратура), обеспечивающие трансляцию, отладку и запись в память аппаратуры разрабатываемых программ (система разработки пользовательских программ).

Выводы по главе 1

1. Обосновано применение бинокулярный способ предъявления информации в нашлемном блок индикации НСЦИ, обеспечивающего комфортные условия и более высокую эффективность восприятия информации при решении при решении летчиком профессиональных задач при боевом применении современного самолета.

2. Обосновано применение гибридного варианта построения системы позиционирования НСЦИ, состоящей из:

· микромеханической бесплатформенной инерциальной системы позиционирования на основе современных микромеханических гироскопов и микромеханических акселерометров, обеспечивающей измерение углового положения защитного шлема пилота в связанной системе координат самолета в соответствии с требованиями, предъявляемыми к современным НСЦИ;

· оптико-электронной системы, обеспечивающей измерение углового положения защитного шлема пилота в связанной системе координат самолета в ограниченном диапазоне углов, а также для списывания ошибок инерциальной системы позиционирования.

4. Разработан бинокулярный нашлемный блок индикации НСЦИ.

5. Разработана функциональная схема гибридной системы позиционирования НСЦИ.

ОПТИЧЕСКАЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

2. Оптическая система бинокулярного блока индикации нашлемной системы целеуказания и индикации

2.1 Технические требования, предъявляемые к НБИ

Основными данными для расчета оптической системы нашлемного блока индикации являются следующие параметры и характеристики:

1. Источник излучения: активная электролюминесцентная панель со спектром длин волн = 0,550 ч 0,6 мкм.

2. Приемник излучения: Глаз с Двых = 12 мм.

3. Угловое поле зрения НБИ:

4. Минимальная разрешающая способность - 20 лин/мм.

2.2 Выбор и обоснование оптической схемы НБИ

Оптическая схема нашлемного блока индикации содержать источник излучения, который должен передавать символьно-графическую информацию, проекционную систему для переноса символьно-графической информации, систему совмещения - для совмещения прямого канала наблюдения с каналом ввода дополнительной информации. Также при проектировании необходимо обеспечить максимальное угловое поле зрения в канале прямого наблюдения. Проекционная система, как следует из приведенного анализа, должна содержать наиболее простые элементы, но в тоже время удовлетворять всем условиям. Система совмещения должна располагаться так, чтобы не закрывать обзор пространства пилоту. Производя габаритный расчет нужно руководствоваться габаритами шлема, так как у шлема есть забрало, которое является так же нейтральным стекло. Наше изделие должно не мешать забралу производить свободное перемещение.

Источник излучения. В качестве источника излучения выберем светящую матрицу, с которой будет поступать символьно-графическая информация. В качестве матрицы будем использовать активную электролюминесцентную панель (PLAVAR24V85166), имеющая следующие параметры:

число активных пикселей: 640(H)x480(V)

размер пикселя, мкм 25 x 25

рабочий размер матрицы, мм 16 x 12

яркость, кд / мІ 2000

Этот дисплей имеет минимальные массогабаритные показатели, но обладает сравнительно широким спектром излучения экрана, что несколько снижает коэффициент пропускания элемента совмещения в канале прямого наблюдения. Несмотря на это, ощутимого ухудшения качества и комфорта наблюдения при этом не наблюдается, что позволяет применять активный электролюминесцентный дисплей в составе НБИ в тех случаях, когда разработчик ограничен массогабаритными показателями.

Приемник излучения. Изображение, полученное после системы совмещения, поступает в глаз. Диаметр выходного зрачка 12 мм. При проектирование НБИ нужно обеспечить комфортность восприятия пространство глазом. Это можно достичь с помощью уменьшения матеиала, который мажет попадать в угловое поле глаза.

Выберем систему совмещения: плоско-сферическую (анализ существующих систем и их достоинства и недостатки были рассмотрены в разделе 1.2).

2.3 Габаритный расчет оптической схемы НБИ

Оптическая схема для габаритного расчета приведена на рис. 2.1.

2.3.1 Принцип работы бинокулярного нашлемного блока индикации

Символьно-графическая информация из активной электролюминесцентной панели (матрицы) с максимальной длинно волны , проходит через проекционную систему.

Проекционная система состоит из:

· двух зеркал, которые ломают линию излучения (эта делается для того, чтобы уменьшить габариты системы и уместить в габариты защитного шлема);

· двух сборок линз, одна из которых несёт силовой эффект, а другая корректирует излучения от первой сборки.

После проекционной системы излучение попадает в окуляр. Окуляр является в данной системе - системой совмещения. Для простоты изделия система совмещения будет состоять из сферического зеркала и полупрозрачной пластины (светоделитель). Система совмещения совмещает информацию прямого канала наблюдения с каналом ввода дополнительной информации.

Символьно-графическая информация отражается от светоделителя и попадает на сферическое зеркало, затем отражается от него и вместе с излучением от канала прямого наблюдения, проходя светоделитель, попадает в глаз. В итоге пилот видит пространство за бортом, а также символьно-графическую информацию, наложенную на это пространство, поступающая с активной электролюминесцентной панели.

Расстояния, приведенные на оптической схеме между сферическим зеркало и глазом выбираются из конструктивных соображений так, чтобы обеспечить минимальные габариты и удобство сборки и обслуживания устройства.

Рис. 2.1. Структурная оптическая схема оптической системы одного канала бинокулярного НБИ, где: 1 - система совмещения; 2 - проекционная система

2.3.2 Габаритный расчет оптической системы нашлемного блока индикации

Задача габаритного расчета сводится к определению величин фокусных расстояний проекционной системы и системы совмещения и их световых диаметров. Для удобства расчетов, рассчитаем систему в обратном ходе лучей (см. рис. 2.2.а.), а потом ее обернем. Примем для расчетов из соображения удобства, минимизации габаритов и т.п. длину всей системы L = 200мм, виньетирование отсутствует. Основными характеристиками являются линейное увеличение , угловое поле в пространстве предметов и диаметр выходного зрачка . Определим их из технических требований к устройству НБИ.

Рис. 2.2.а. Структурная оптическая схема оптической системы одного канала бинокулярного НБИ (без плоских зеркал)

Примем расстояние сферического зеркала от глаза равной 70 мм. Это делается для того, чтобы можно было разместить между ними светоделитель и разместить в габаритах защитного шлема. Если мы возьмем большее расстояние, то тогда мы можем не закрыть нейтральное стекло. Для удобства дальнейшего расчета примем радиус сферического зеркала равным R70 мм. Тогда все лучи падающие на сферическое зеркало и проходящие через центр радиуса будут падать на элемент нормалями. Следовательно, фокусное расстояние системы совмещения будет равно:

Далее определим расстояние до силового элемента. Силовой элемент должен располагаться так, чтобы не закрывал обзор пилоту (он должен видеть пространство) и не выходил за габарит защитного шлема (см. рис.2.3.б.).

Рис. 2.2.б.

Расстояние из расчета будет равно:

А = 28,5 + 56,5 + 24 = 109мм.

Матрицу можно поставить и после силового элемента, но это приведет к тому, что наше изделие будет большое и основная масса изделия будет размещена очень далеко от оси защитного шлема, что приведет к увеличению массы противовеса.

Следовательно общая масса: ЗШ + масса изделия, - будет превышать 2.4 кг, что просто невозможно. Таким образом, для удобства матрица должна располагаться приблизительно на одном уровне с глазом. Для этого мы выберем корректирующий элемент. Расстояние от силового элемента до корректирующего элемента будет равна 40 мм.