Патент на изобретение №2216705
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СИСТЕМА ЦЕЛЕУКАЗАНИЯ
(57) Реферат: Изобретение относится к области специального оптического приборостроения, в частности к системам дистанционного определения ориентации подвижных объектов, и может быть использовано при создании систем робототехники, а именно устройств, определяющих положение рабочего органа манипуляторов, а также систем управления, где используются данные о разворотах головы оператора, систем визуализации тренажеров на основе нашлемного индикатора, систем виртуальной реальности и т.п. Технический результат – повышение точности и удобства при эксплуатации. Система целеуказания оператора содержит размещенные на шлеме оператора N реперных источников излучения, где N ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() – большой суммарный габаритный размер и масса оборудования на защитном шлеме, когда оптический блок вывода индикации и реперные элементы разнесены по поверхности защитного шлема, а точность их взаимной увязки обеспечивается за счет ужесточения требований к конструкции шлема; – использование двух оптико-локационных блоков, каждый из которых состоит из нескольких узлов, объединенных в единую конструкцию и определяющих данные пространственного положение реперных точек (источников излучения), что обеспечивает определение ориентации защитного шлема, но только при развороте защитного шлема в сторону оптико-локационного блока, т.е. в системе предусматривается использование не менее двух комплектов оптико-локационных блоков. Размещение реперных элементов (реперных излучателей) на боковых частях защитного шлема приводит также к необходимости установки оптико-локационных блоков на боковых частях кабины летательного аппарата, которые не имеют жесткой привязки к системе координат летательного аппарата, например фонарь кабины, что усложняет взаимную юстировку. Задача заявляемого технического решения: создание оптико-электронной нашлемной системы целеуказания с малогабаритным нашлемным узлом (реперно-индикаторной сборкой), обеспечивающей возможность его установки на стандартный защитный шлем летчика, при этом сама система должна иметь возможность установки на летательный аппарат с упрощенной схемой привязки к системе координат летательного аппарата. Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что реперные элементы конструктивно совмещены с оптическим блоком индикации (размещаются непосредственно на его корпусе), что обуславливает минимальные габаритно-весовые параметры реперно-индикаторной сборки, размещаемой на защитном шлеме, а оптико-локационный блок, выполненный в виде двух разнесенных на некоторое расстояние узлов, устанавливается перед летчиком. В связи с использованием одного оптико-локационного блока, каждый из узлов которого определяет только часть данных, необходимых для определения координат реперных точек, повышаются требования к точности установки этих узлов и к апертуре излучения реперных источников (ее расширению), при этом необходимая работоспособность системы обеспечивается за счет проведения корректировки параметров установки оптико-локационных блоков и выходных сигналов ориентации подвижного объекта, а также обеспечения модуляции реперного излучения. Геометрическая схема измерения ориентации подвижного объекта, когда реперные точки расположены в плоскости, к которой его вектор ориентации расположен под известным углом ![]() ![]() xi=zi ![]() ![]() ![]() ![]() откуда ![]() Уравнение плоскости Ax+Bу+Cz+D=0, в которой находятся реперные точки Ni, может быть записано через координаты точек Ni в отсчетной системе координат: ![]() В этом случае, раскрывая определитель по первой строке, имеем: ![]() ![]() ![]() т.е. ![]() где ![]() Так как вектор ![]() ![]() ![]() Поставленная задача по созданию системы с новыми потребительскими параметрами решается за счет того, что в системе нашлемного целеуказания, содержащей размещенные на защитном шлеме летчика элементы реперных точек, формирующих данные ориентации защитного шлема, и оптический блок индикации с оптическим узлом вывода изображения индикации в поле зрения летчика, а также размещенные вне шлема средство оптической локации и блок формирования сигналов целеуказания, элементы реперных точек, не менее 3-х, размещены в единой конструктивной сборке с оптическим блоком индикации в плоскости, нормаль к которой ориентирована под известными углами к вектору ориентации шлема и оптическим осям оптического блока индикации, кроме того, фотоприемные узлы средства оптической локации размещаются в зоне, расположенной вблизи оси симметрии пространственной фигуры, сформированной зоной обзора оператора, например летчика, при изменении положения шлема в процессе функционирования системы, при этом блок формирования сигналов целеуказания дополнен блоком коррекции сигналов целеуказания, а система целеуказания дополнена блоком корректирующих поправок сигналов целеуказания. Блок формирования сигналов целеуказания содержит последовательно соединенные блок коррекции сигналов целеуказания, выполненный как блок коррекции данных реперных точек, блок определения координат реперных источников и блок расчета сигналов целеуказания. При исполнении блока коррекции сигналов целеуказания как блока коррекции данных расчета сигналов целеуказания блок формирования сигналов целеуказания содержит последовательно соединенные блок определения координат реперных источников и блок расчета сигналов целеуказания. Блок корректирующих поправок сигналов целеуказания содержит узел ввода поправок, узел хранения поправок. Блок формирования сигналов целеуказания содержит генератор модуляции реперных источников оптического излучения частотой fN, а также фазоимпульсный селектор сигналов оптической локации. Фотоприемные узлы средства оптической локации установлены с использованием оптической головки индикатора лобового стекла так, что зона локации совмещена с зоной расположения элементов реперных точек, а оси локации ориентированы относительно оптических осей оптической головки индикатора. Фотоприемные узлы средства оптической локации размещены на оптической головке индикатора лобового стекла с помощью кронштейна, в котором посадочные места для крепления его блоков выполнены регулируемыми с обеспечением их разворотов до заданного совмещения зоны локации оптического средства с зоной расположения элементов реперных точек, при этом обеспечивается контроль расположения системы координат локации с оптическими осями оптической головки индикатора лобового стекла. Оптический блок индикации с элементами реперных точек размещен на шлеме посредством кронштейна, который крепится к шлему, а посадочное место для установки оптического блока индикации выполнено регулируемым с возможностью его перемещений в направлениях, обеспечивающих совмещение зоны вывода индикации с полем зрения летчика. Элементы реперных точек снабжены иммерсионными линзами, в фокальной поверхности которых установлены сами элементы. Элементы реперных точек выполнены в виде точечных источников излучения, например ИК-диодов, а средство оптической локации выполнено в виде фотоприемного углоизмерительного блока. Средство оптической локации содержит фазоимпульсный селектор сигналов локации и генератор модуляции реперных источников оптического излучения частотой fN, Элементы реперных элементов выполнены в виде фотодетекторов, а средство оптической локации выполнено в виде блока сканирования световыми пучками пространства расположения реперных фотодетекторов. Элементы реперных точек выбирают исходя из условия их модулирования одной частотой fN, причем фаза частоты модуляции каждого элемента реперных точек разнесена на величину выбираемую из условия: ![]() ![]() фиг.1 – блок-схема существующего устройства; фиг. 2 – геометрическая схема измерения ориентации подвижного объекта с использованием трех реперных точек, размещаемых на лобной части защитного шлема; фиг.3 – блок-схема реализации устройства; фиг. 4 – вариант выполнения кронштейна установки оптико-локационного блока; фиг. 5 – возможная импульсная диаграмма модуляции и селекции реперных излучателей. Блок-схема одного из вариантов построения предлагаемой системы целеуказания, которая представлена на фиг.3, содержит размещаемые на защитном шлеме 1 три реперные метки – реперные точки (РТ) 2, в качестве которых применены источники излучения, и оптический узел 3, размещаемые на борту самолета два оптико-электронные локационные узлы 4 и 5, блок формирования данных локации 6, блок формирования сигналов целеуказания 7, который содержит блок 8 определения координат реперных точек, блок 9 расчета сигналов целеуказания, блок коррекции 10 сигналов целеуказания, а также блок корректирующих поправок 11. Оптико-электронные локационные узлы 4 и 5 совместно с блоком формирования данных локации 6 являются составными частями средства оптической локации 12, причем оптико-электронные локационные узлы 4 и 5 (датчики средства оптической локации) размещаются на оптической головке индикатора 13 (индикатора лобового стекла – ИЛС), который является стандартным средством оборудования кабины многофункциональных самолетов. Размещаемые на защитном шлеме 1 реперные метки 2 и оптический блок сблокированы в единый нашлемный реперно-индикаторный узел 14. Узел 6 формирования данных локации РТ содержит генератор модуляции 15 (блок синхронизации), фазоимпульсный селектор 16 сигналов оптической локации. Блок корректирующих поправок 11 содержит в своем составе узел ввода корректирующих поправок 17, узел хранения корректирующих поправок 18. Блок коррекции 10 сигналов целеуказания из состава блока формирования сигналов целеуказания 7 содержит в своем составе узел 19 коррекции данных расчета координат РТ и узел 20 коррекции данных расчета сигналов целеуказания. Узел 19 коррекции данных расчета координат РТ может быть выполнен с использованием сумматоров 21, 22 и узла 23 хранения данных коррекции данных (углов-пеленгов) для расчета координат РТ 2 (оперативное запоминающее устройство). Количество сумматоров устанавливается в зависимости от количества датчиков средства оптической локации и принятой схемы обработки информации. Блок коррекции 10 сигналов целеуказания может содержать только узел 19 коррекции данных расчета координат РТ либо только узел 20 коррекции данных расчета сигналов целеуказания. Выходы оптико-локационных узлов 4 и 5 соединены через фазоимпульсный селектор 16 блока формирования данных локации РТ с входом узла коррекции 10 сигналов целеуказания из состава блока 7 формирования сигналов целеуказания. При этом выходы фазоимпульсного селектора 16 соединены в узле 19 коррекции данных расчета координат РТ с первыми входами сумматоров 21 и 22 соответственно, вторые входы которых соединены с выходом узла хранения корректирующих поправок 18, вход которого соединен с выходом узла ввода корректирующих поправок 17 блока корректирующих поправок 11. Выходы сумматоров 21 и 22, а также выход узла 18 хранения корректирующих поправок соединены через блок 23 хранения данных коррекции с входами узла расчетов координат реперных источников 8, выход которого через блок 9 расчета сигналов целеуказания (параметров ориентации подвижного объекта) соединен совместно с соответствующим выходом узла 18 хранения корректирующих поправок с входом узла 20 коррекции данных расчета координат целеуказания, выход которого является выходом системы. Генератор модуляции 15 соединен с реперными точками (излучателями) 2 и фазоимпульсным селектором 16. В данной системе целеуказания предусмотрена коррекция сигналов целеуказания как за счет выполнения коррекции данных, поступающих от средства оптической локации при определении координат РТ (блок 19), так и выполнения коррекции рассчитанного сигнала целеуказания (блок 20). При построении системы с коррекцией сигналов целеуказания только по выходному сигналу в ней будет использован только блок 20. Реперно-индикаторный блок 14 устанавливается на шлем 1 с помощью кронштейна 24, который крепится к защитному шлему, при этом посадочное место 25 для установки сборки выполняется регулируемым с обеспечением перемещений в направлениях, обеспечивающих совмещение зоны вывода индикации с полем зрения летчика. Оптико-локационные узлы 4 и 5 устанавливаются на оптической головке индикатора 13 с помощью кронштейнов 26, на которых посадочные места 27 для крепления оптико-локационного блока выполняются регулируемыми с обеспечением разворотов узлов 4 и 5 до заданного совмещения направления осей системы координат оптико-локационного блока с направлением оптических осей визирной головки, ориентированных в свою очередь относительно системы координат самолета, в которой производится отсчет сигналов целеуказания. В качестве реперных источников 2 могут быть использованы ИК-диоды, которые имеют большое быстродействие, что позволяет осуществлять модуляцию их излучения. Для расширения апертуры излучения ИК-диоды устанавливаются в фокальной поверхности иммерсионных линз. Оптико-локационные узлы 4 и 5 могут быть выполнены как с использованием координатно-чувствительных фотоприемных узлов, так и на основе оптической схемы, формирующей узкое мгновенное поле зрения дискретного фотоприемника, которым сканируется пространство возможных положений реперных источников. Сканирование осуществляется за счет разворота зеркальной призмы. Узел регулировки 27 кронштейна 26 установки оптико-локационных узлов 4 и 5 (фиг.4) может быть выполнен с использованием опорной переходной детали 28, опорная поверхность которой выполнена в виде полусферы, опирающейся на полусферическую выемку в опоре 29. Обе эти детали имеют сквозное отверстие, через которое проходит установочный штырь 30 корпуса оптико-локационного узла. Генератор модуляции 15, блоки 7 формирования сигналов целеуказания и 11 корректирующих поправок могут быть выполнены с использованием стандартных средств электронной и вычислительной техники. Импульсная диаграмма работы системы, построенной с использованием оптико-локационных узлов на основе сканирующих зеркальных призм, представлена на фиг.5. По сигналам генератора модуляции 15 импульсы одной длительности и скважности ( ![]() ![]() – отличия ( ![]() – отличия ![]() ![]() ![]() ![]() – встроенной системой коррекции как исходных параметров определения ориентации защитного шлема, так и самих сигналов целеуказания; – малогабаритным нашлемным узлом, который может устанавливаться на стандартный современный защитный шлем летчика; – установкой оптико-локационного блока на оптическую головку индикатора лобового стекла самолета (вертолета), что упрощает установку нашлемной системы целеуказания на летательный аппарат. Формула изобретения 1. Система нашлемного целеуказания летчика, содержащая размещенные на защитном шлеме летчика элементы реперных точек, формирующие данные ориентации защитного шлема, и оптический блок индикации с оптическим узлом вывода изображения индикации в поле зрения летчика, а также размещенные вне шлема и соединенные последовательно средство оптической локации и блок формирования сигналов целеуказания, отличающаяся тем, что элементы реперных точек, не менее 3, размещены в единой конструктивной сборке с оптическим блоком индикации в плоскости, нормаль к которой ориентирована под известными углами к вектору ориентации шлема и оптическим осям оптического блока индикации, а фотоприемные узлы средства оптической локации размещены в зоне, расположенной вблизи оси симметрии пространственной фигуры, сформированной зоной обзора оператора, например летчика, при изменении положения шлема в процессе функционирования системы, при этом блок формирования сигналов целеуказания дополнен блоком коррекции сигнала целеуказания, а система целеуказания дополнена блоком корректирующих поправок сигналов целеуказания, который своим выходом подсоединен к блоку коррекции сигналов целеуказания. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок формирования сигналов целеуказания содержит последовательно соединенные блок коррекции сигналов целеуказания, блок определения координат реперных источников и блок расчета сигналов целеуказания. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок формирования сигналов целеуказания содержит последовательно соединенные блок определения координат реперных источников, блок расчета сигналов целеуказания и блок коррекции сигналов целеуказания. 4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок корректирующих поправок сигналов целеуказания содержит узел ввода поправок, узел хранения поправок, причем выход узла ввода поправок через узел хранения поправок связан с входом блока коррекции сигналов целеуказания. 5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что фотоприемные узлы средства оптической локации установлены с использованием оптической головки индикатора лобового стекла так, что зона локации совмещена с зоной расположения элементов реперных точек, а оси локации ориентированы относительно оптических осей оптической головки индикатора лобового стекла. 6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что фотоприемные узлы средства оптической локации размещены на оптической головке индикатора посредством кронштейна, в котором посадочные места для их крепления выполнены регулируемыми с обеспечением их разворотов до заданного совмещения зоны локации оптического средства с зоной расположения элементов реперных точек, а также обеспечения контроля расположения системы координат локации относительно оптических осей оптической головки индикатора. 7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что оптический блок индикации с элементами реперных точек размещен на шлеме посредством кронштейна, который крепится к шлему, а посадочное место для его установки выполнено регулируемым с возможностью его перемещений в направлениях, обеспечивающих совмещение зоны вывода индикации с полем зрения летчика. 8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что элементы реперных точек снабжены иммерсионными линзами, в фокальной поверхности которых установлены сами элементы. 9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что элементы реперных точек выполнены в виде точечных источников оптического излучения, например ИК-диодов, а средство оптической локации выполнено в виде фотоприемного углоизмерительного блока. 10. Система по п. 9, отличающаяся тем, что средство оптической локации содержит фазоимпульсный селектор сигналов локации и генератор модуляции реперных источников оптического излучения частотой fN, выход которого соединен с источниками оптического излучения и фазоимпульсным селектором, а выход фазоимпульсного селектора соединен с блоком формирования сигналов целеуказания. 11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что реперные элеметы выполнены в виде фотодетекторов, а средство оптической локации – в виде блока сканирования световыми пучками пространства расположения реперных фотодетекторов. 12. Система по п. 8 или 9, отличающаяся тем, что элементы реперных точек выбраны исходя из условия их модулирования одной частотой fN, причем фаза частоты модуляции каждого элемента реперных точек разнесена на величину, выбранную из условия ![]() ![]() РИСУНКИ
PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
(73) Патентообладатель(и):
(73) Патентообладатель:
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 31.10.2007 № РД0028290
Извещение опубликовано: 20.12.2007 БИ: 35/2007
|
||||||||||||||||||||||||||