Wyświetlacz montowany na hełmie - Helmet-mounted display
Wyświetlacz montowany na hełmie ( HMD ) to urządzenie stosowane w samolotach do wyświetlania informacji oczom pilota. Jego zakres jest podobny do wyświetlaczy przeziernych (HUD) na wizjerze lub siatce załóg. HMD zapewnia pilotowi świadomość sytuacyjną , ulepszony obraz sceny, a w zastosowaniach wojskowych systemy broni wskazującej, w kierunku, w którym wskazuje jego głowa. Zastosowania, które umożliwiają kierowanie systemami uzbrojenia, określane są jako celownik nahełmowy (HMSD) lub celownik nahełmowy (HMS).
Wymóg
Projekty lotnicze HMD służą tym celom:
- używanie kąta nachylenia głowy jako wskaźnika do kierowania poszukiwaczy broni powietrze-powietrze i powietrze-ziemia lub innych czujników (np. radaru , FLIR ) do celu poprzez jedynie skierowanie głowy na cel i uruchomienie przełącznika za pomocą elementów sterujących HOTAS . W walce w zwarciu przed HMD pilot musiał ustawić samolot, aby strzelać do celu. HMD pozwalają pilotowi po prostu skierować głowę na cel, wyznaczyć go do broni i strzelać.
- wyświetlanie pilotowi informacji o celowaniu i osiągach (takich jak prędkość lotu , wysokość , zasięg celu, status poszukiwacza broni, „g” itp.) podczas „heads-up”, eliminując potrzebę zaglądania do wnętrza kabiny.
- wyświetlanie obrazu z czujnika w celu:
- weryfikacja, czy wybrany czujnik został skierowany do właściwego celu lub lokalizacji bez konieczności zaglądania przez pilota do wnętrza kabiny;
- oglądanie terenu zewnętrznego za pomocą wideo z czujnika w pogorszonych warunkach wizualnych.
Systemy HMD w połączeniu z bronią High Off- Boresight (HOBS) umożliwiają załodze atakowanie i niszczenie niemal każdego celu widzianego przez pilota. Systemy te umożliwiają wyznaczanie celów przy minimalnym manewrowaniu samolotem, minimalizując czas spędzony w środowisku zagrożenia i umożliwiając większą śmiertelność, przeżywalność i świadomość sytuacyjną pilota .
Historia
W 1962 roku Hughes Aircraft Company ujawnił Electrocular , A kompaktowy CRT , szef zamontowany monocular wyświetlacz, który odbija się telewizyjny sygnał na przezroczystym okularu.
Pierwsze samoloty z prostymi urządzeniami HMD pojawiły się w celach eksperymentalnych w połowie lat 70., aby pomóc w namierzaniu pocisków samonaprowadzających . Te prymitywne urządzenia były lepiej opisywane jako celowniki montowane na hełmie. US Navy jest wizualna docelowa Acquisition System (VTAS), wykonane przez Honeywell Corporation była prosta mechaniczna «pierścień i koralik» -Style wzrok zamontowane w przedniej części kasku pilota, który został oblatany w 1974-78 Aceval / AIMVAL na USA Myśliwce F-14 i F-15 . VTAS otrzymał pochwałę za skuteczność w celowaniu w pociski off-boresight, ale USA nie dążyły do jego wystrzelenia, z wyjątkiem integracji z późnym modelem Navy F-4 Phantom wyposażonym w AIM-9 Sidewinder od 1969 roku. HMD zostały również wprowadzone w śmigłowcach podczas tym razem - przykładem może być Boeing AH-64 Apache ze zintegrowanym hełmem i systemem celowniczym wyświetlacza (IHADSS) zademonstrowany w 1985 roku.
W latach 70. Mirage F1AZ z SAAF ( South African Air Force ) wykorzystywał lokalnie opracowany celownik nahełmowy zintegrowany z pociskiem termoizolacyjnym Armscor V3A. Umożliwia to pilotowi wykonywanie ataków off-bore, bez konieczności manewrowania do optymalnej pozycji strzeleckiej. Po tym, jak południowoafrykański system sprawdził się w walce, odgrywając rolę w zestrzeleniu radzieckiego samolotu nad Angolą, Sowieci rozpoczęli program awaryjny, aby przeciwdziałać tej technologii. W rezultacie MiG-29 został wystawiony w 1985 r. z HMD i bronią dalekiego zasięgu ( R-73 ), co dało im przewagę w potyczkach manewrowych na bliskim dystansie.
Kilka krajów odpowiedziało programami przeciwdziałania kombinacji MiG-29/HMD/R-73 (a później Su-27 ), gdy znana była jej skuteczność, głównie poprzez dostęp do byłych wschodnioniemieckich MiG-29, które były eksploatowane przez zjednoczone niemieckie siły powietrzne .
Jednym z udanych HMD była seria izraelskich sił powietrznych Elbit DASH, wystawiona w połączeniu z Pythonem 4 , na początku lat 90-tych. Stany Zjednoczone, Wielka Brytania i Niemcy dążyły do połączenia HMD z systemami ASRAAM . Trudności techniczne doprowadziły do tego, że USA porzuciły ASRAAM, zamiast tego sfinansowały rozwój AIM-9X i Joint Helmet-Mounted Cueing System w 1990 roku. Amerykańskie i europejskie myśliwce HMD stały się szeroko stosowane pod koniec lat 90. i na początku XXI wieku.
Pierwszym cywilnym zastosowaniem HMD w samolotach był Elbit SkyLens HMD na samolocie ATR 72/42.
Technologia
Choć koncepcyjnie proste, implementacja samolotów HMD jest dość złożona. Istnieje wiele zmiennych:
- precyzja – błąd kątowy między linią wzroku a wskazówką wyprowadzoną. Pozycja hełmu jest używana do wycelowania pocisku; dlatego musi być skalibrowany i pewnie zamocowany na głowie pilota. Linia między okiem pilota a siatką na wizjerze jest znana jako linia wzroku (LOS) między statkiem powietrznym a zamierzonym celem. Oko użytkownika musi pozostawać w jednej linii z celownikiem; innymi słowy, obecne HMD nie potrafią wykryć, gdzie patrzy oko, ale mogą umieścić „ pippera ” między okiem a celem.
- latencja lub szybkość narastania – jak duże jest opóźnienie między hełmem a kijem.
- pole widzenia – zakres kątowy, w którym celownik może nadal dawać odpowiednio dokładny pomiar.
- waga i wyważenie – całkowita waga hełmu i jego środek ciężkości , które są szczególnie ważne podczas manewrów na wysokim „ g ”. Waga to największy problem, z jakim borykają się projektanci samolotów myśliwskich HMD. Jest to znacznie mniejszy problem w zastosowaniach śmigłowcowych, dzięki czemu skomplikowane śmigłowce HMD są powszechne.
- bezpieczeństwo i kompatybilność z pokładem, w tym kompatybilność z fotelem katapultowanym .
- charakterystyka optyczna – kalibracja, ostrość, odległe ogniskowanie (lub ' Kolimacja ', technika prezentowania obrazów przy odległym ogniskowaniu, która poprawia czytelność obrazów), obrazowanie jednooczne i dwuokularowe , dominacja oka i rywalizacja obuoczna.
- trwałość i zdolność radzenia sobie z codziennym zużyciem.
- koszt, w tym integracja i szkolenie.
- dopasowanie i połączenie głowy lotnika z samolotem – antropometria głowy i anatomia twarzy sprawiają, że dopasowanie hełmu jest kluczowym czynnikiem w zdolności lotnika do współpracy z systemami samolotu. Niewspółosiowość lub przesunięcie kasku może spowodować niedokładny obraz.
Śledzenie głowy
Projekty HMD muszą wykrywać orientację (elewację, azymut i przechylenie), a w niektórych przypadkach położenie (x, y i z) głowy pilota względem płatowca z wystarczającą precyzją nawet przy wysokich " g ", wibracjach i podczas gwałtownego ruch głowy. W obecnej technologii HMD stosuje się pięć podstawowych metod – inercyjną, optyczną, elektromagnetyczną, dźwiękową i hybrydową. Hybrydowe trackery wykorzystują kombinację czujników, takich jak bezwładnościowe i optyczne, aby poprawić dokładność śledzenia, szybkość aktualizacji i opóźnienia.
Hybrydowa inercyjna optyczna
Hybrydowe systemy śledzenia bezwładnościowego wykorzystują czułą bezwładnościową jednostkę pomiarową (IMU) i czujnik optyczny, aby zapewnić odniesienie do samolotu. IMU oparte na MEMS korzystają z wysokich częstotliwości aktualizacji, takich jak 1000 Hz, ale cierpią z czasem na precesję i dryf, więc nie mogą być używane samodzielnie. W tej klasie trackerów czujnik optyczny służy do ograniczania dryfu IMU. W rezultacie hybrydowe trackery inercyjne/optyczne charakteryzują się niskim opóźnieniem i wysoką dokładnością. Thales Visionix Scorpion HMCS i HMDS HMIT wykorzystują tracker wykonane przez InterSense nazwie Hybrid optycznych opartych inercyjnych Tracker (Hobit).
Optyczny
Systemy optyczne wykorzystują emitery podczerwieni na hełmie (lub w kokpicie ) detektory podczerwieni w kokpicie (lub w hełmie), do pomiaru pozycji głowy pilota. Głównymi ograniczeniami są ograniczone pola widzenia i wrażliwość na światło słoneczne lub inne źródła ciepła. System MiG-29/AA-11 Archer wykorzystuje tę technologię. Cobra HMD stosowane zarówno w Eurofighterze Typhoon, jak i JAS39 Gripen, wykorzystują optyczny system śledzenia hełmu opracowany przez Denel Optronics (obecnie część Zeiss Optronics).
Elektromagnetyczny
Konstrukcje czujników elektromagnetycznych wykorzystują cewki (w hełmie) umieszczone w zmiennym polu (generowanym w kokpicie) do wytwarzania przemiennych napięć elektrycznych w oparciu o ruch hełmu w wielu osiach. Ta technika wymaga precyzyjnego odwzorowania magnetycznego pokładu w celu uwzględnienia materiałów żelaznych i przewodzących w siedzeniu, progach i osłonie pokładu w celu zmniejszenia błędów kątowych pomiaru.
Dźwiękowy
Projekty czujników akustycznych wykorzystują czujniki ultradźwiękowe do monitorowania pozycji głowy pilota podczas aktualizacji przez oprogramowanie komputerowe w wielu osiach. Typowe częstotliwości robocze mieszczą się w zakresie od 50 do 100 kHz i mogą być przystosowane do przenoszenia informacji dźwiękowych bezpośrednio do uszu pilota poprzez modulację podnośnej ultradźwiękowych sygnałów czujnikowych.
Optyka
Starsze HMD zazwyczaj wykorzystują kompaktowy CRT osadzony w hełmie i odpowiednią optykę do wyświetlania symboliki na wizjerze lub siatce pilota, skupionej na nieskończoności . Nowoczesne HMD zrezygnowały z CRT na rzecz mikrowyświetlaczy, takich jak ciekłokrystaliczny (LCOS) lub ciekłokrystaliczny (LCD) wraz z oświetlaczem LED do generowania wyświetlanego obrazu. Zaawansowane HMD mogą również wyświetlać obrazy FLIR lub NVG . Ostatnim ulepszeniem jest możliwość wyświetlania kolorowych symboli i wideo.
Główne systemy
Systemy są przedstawione w przybliżonym porządku chronologicznym początkowej zdolności operacyjnej .
Zintegrowany system celownika z hełmem i wyświetlaczem (IHADSS)
W 1985 roku armia amerykańska wprowadziła na rynek AH-64 Apache, a wraz z nim Zintegrowany Hełm i System Celowniczy (IHADSS), nową koncepcję hełmu, w której rola hełmu została rozszerzona, aby zapewnić wizualnie sprzężony interfejs między lotnikiem a samolot. Honeywell M142 IHADSS jest wyposażony w 40 ° -30 ° -by polu widzenia wyświetlacza wideo o-symboliki okularu. Nadajniki IR umożliwiają obracany czujnik kamery termowizyjnej , zamontowany na nosie samolotu, który jest podporządkowany ruchom głowy lotnika. Wyświetlacz umożliwia także nawigację nocną w trybie Nap-of-the-earth . IHADSS jest również stosowany we włoskiej Agusta A129 Mangusta .
-
Multimedia związane z IHADSS w Wikimedia Commons
ZSz-5 / Szczel-3UM
Rosyjski projekt HMD Shchel-3UM pasuje do hełmu serii ZSh-5 (a później ZSh-7) i jest używany w MiG-29 i Su-27 w połączeniu z R-73 (pocisk) . Kombinacja HMD/Archer dała MiG-29 i Su-27 znacznie lepszą zdolność do walki w zwarciu i szybko stała się najczęściej używanym HMD na świecie.
Kask z wyświetlaczem i celownikiem (DASH)
Elbit Systems DASH III był pierwszym nowoczesnym Zachodniej HMD osiągnąć obsługę operacyjną. Rozwój DASH rozpoczął się w połowie lat 80., kiedy IAF wydał wymagania dla samolotów F-15 i F-16. Pierwszy projekt wszedł do produkcji około 1986 roku, a obecny hełm GEN III wszedł do produkcji na początku do połowy lat dziewięćdziesiątych. Obecny wariant produkcyjny jest wdrożony na samolotach IDF F-15 i F-16 . Dodatkowo został certyfikowany na F/A-18 i F-5 . DASH III został wyeksportowany i zintegrowany z różnymi starszymi samolotami, w tym z MiG-21 . Stanowi również podstawową technologię dla amerykańskiego JHMCS.
DASH GEN III jest w pełni osadzoną konstrukcją, w której kompletny pakiet cewek optycznych i pozycjonujących jest wbudowany w hełm (standard USAF HGU-55/P lub izraelski HGU-22/P) za pomocą sferycznego wizjera, aby zapewnić skolimowany obraz do pilota. Przewód szybkiego odłączania zasila wyświetlacz i przenosi sygnały napędu wideo do lampy katodowej (CRT) kasku . DASH jest ściśle zintegrowany z systemem uzbrojenia samolotu za pośrednictwem magistrali MIL-STD-1553 B. Najnowszy model DASH IV jest obecnie zintegrowany z indyjskim HAL Tejas .
Joint-Hełm-Mount Cueing System (JHMCS)
Po wycofaniu się Stanów Zjednoczonych z ASRAAM , w listopadzie 2003 r. w 12. i 19. eskadrze myśliwców w Elmendorf AFB na Alasce Stany Zjednoczone rozpoczęły i wystawiały JHMCS w połączeniu z Raytheon AIM-9X . Marynarka Wojenna przeprowadziła RDT&E na F/A-18 C jako wiodącą platformę dla JHMCS, ale najpierw wystawił ją na samolotach F/A-18 Super Hornet E i F w 2003 roku. USAF również integruje JHMCS ze swoimi F-15E, Samoloty F-15C i F-16C.
JHMCS jest pochodną DASH III i Kaiser Agile Eye HMDs i został opracowany przez Vision Systems International (VSI), spółkę joint venture utworzoną przez Rockwell Collins i Elbit (Kaiser Electronics jest teraz własnością Rockwell Collins). Boeing zintegrował system z F/A-18 i rozpoczął niskonakładową początkową dostawę produkcyjną w roku podatkowym 2002. JHMCS jest zatrudniony w F/A-18 A++/C/D/E/F, F-15C/D/ E i F-16 Block 40/50 o konstrukcji, która jest w 95% wspólna dla wszystkich platform.
W przeciwieństwie do DASH, który jest zintegrowany z samym hełmem, zespoły JHMCS mocowane są do zmodyfikowanych hełmów HGU-55/P, HGU-56/P lub HGU-68/P. JHMCS wykorzystuje nowszy, szybszy pakiet przetwarzania cyfrowego, ale zachowuje ten sam typ elektromagnetycznego wykrywania położenia, co DASH. Pakiet CRT jest bardziej wydajny, ale ogranicza się do monochromatycznej prezentacji symboliki kursywnej. JHMCS zapewnia obsługę obrazów zeskanowanych rastrowo w celu wyświetlania obrazów FLIR/ IRST dla operacji nocnych oraz zapewnia pilotowi skolimowaną symbolikę i obrazy. Kluczowym wymogiem programu była integracja gogli noktowizyjnych z systemem JHMCS.
W połączeniu z AIM-9X, zaawansowaną bronią do walki powietrznej krótkiego zasięgu, która wykorzystuje naprowadzacz z matrycą płaszczyzny ogniskowej i pakiet kontroli ogona z wektorowaniem ciągu, JHMCS umożliwia skuteczne wyznaczanie celów do 80 stopni po obu stronach nosa samolotu. W marcu 2009 roku F/A-18 Królewskich Australijskich Sił Powietrznych (RAAF) F/A-18 zademonstrował udane wystrzelenie ASRAAM do celu znajdującego się za linią skrzydeł „strzelca” .
TARGO II
System zaprojektowany przez Elbit jest używany przez Katar i Indie na Rafale F3R
Zintegrowane celowanie na hełmie (HMIT)
Thales wprowadził Scorpion Head/Hełm-Mounted Display System na rynek lotnictwa wojskowego w 2008 roku. W 2010 Scorpion został zwycięzcą programu USAF/ANG/AFRes Helmet Mounted Integrated Targeting (HMIT). System HMIT został zakwalifikowany i wdrożony zarówno na platformach A-10, jak i F-16 w 2012 roku. Począwszy od 2018 roku, zainstalowana baza systemów HMIT przechodzi modernizację trackera hełmów. Oryginalny magnetyczny czujnik śledzenia AC został zastąpiony przez inercyjno-optyczny hybrydowy tracker o nazwie Hybrid Optical based Inertial Tracker (HObIT). HObIT został opracowany przez InterSense i przetestowany przez Thales w 2014 roku.
Scorpion wyróżnia się tym, że jest pierwszym wprowadzonym i wdrożonym HMD, który może wyświetlać kolorowe symbole. Jest on używany wraz z systemem misji samolotu do sygnalizowania czujnika kardanowego namierzającego samolot i pocisku dalekiego zasięgu. W przeciwieństwie do większości HMD, które wymagają niestandardowych hełmów, Scorpion został zaprojektowany do montażu na standardowych hełmach HGU-55/P i HGU-68/P i jest w pełni kompatybilny ze standardowym wyposażeniem pilotów amerykańskich bez specjalnego mocowania. Jest także w pełni kompatybilny ze standardem niemodyfikowana AN / AVS-9 Night Vision Goggles (NVG) oraz Panoramic Night Vision Goggles (PNVG). Piloci, używając Scorpiona, mogą oglądać zarówno obraz noktowizyjny, jak i symbole na wyświetlaczu.
Scorpion wykorzystuje nowatorski system optyczny z elementem optycznym prowadzącym światło (LOE), który zapewnia pilotowi kompaktowy, kolorowy, skolimowany obraz. Pozwala to na umieszczenie wyświetlacza między oczami pilota a noktowizorami. Wyświetlacz można ustawić zgodnie z życzeniem pilota, eliminując w ten sposób potrzebę precyzyjnego ustawienia hełmu na głowie użytkownika. Korekcja oprogramowania dostosowuje pozycję wyświetlacza, zapewniając pilotowi dokładny obraz i umożliwiając instalację Scorpion HMCS na istniejącym hełmie pilota bez specjalnego dopasowania. Przed wyświetlaczem można umieścić wizjer, który zapewnia ochronę podczas wysuwania. Osłona może być przezroczysta, odblaskowa, o wysokim kontraście, gradientowa lub chroniąca przed promieniowaniem laserowym. Podczas lotu w miejscu wizjera można zamontować uchwyt NVG. Po zainstalowaniu, NVG można umieścić przed wyświetlaczem, dzięki czemu pilot może jednocześnie oglądać zarówno symbole wyświetlacza, jak i obraz NVG.
Scorpion jest również używany przez Tactical Air Support Inc. na F-5AT i przez francuskie siły powietrzne na Rafale F4
Aselsan AVCI
Aselsan z Turcji pracuje nad opracowaniem podobnego systemu do francuskiego hełmu TopOwl, zwanego AVCI Helmet Integrated Cueing System. System zostanie również wykorzystany w tureckim śmigłowcu szturmowym T-129 .
TopOwl-F(Topsight/TopNight)
Francuskiemu wektorowi ciągu Matra MICA (pocisk) dla myśliwców Dassault Rafale i późnego modelu Mirage 2000 towarzyszył Topsight HMD firmy Sextant Avionique. TopSight zapewnia 20-stopniowe pole widzenia dla prawego oka pilota oraz kursywą symbolikę generowaną na podstawie parametrów celu i samolotu. Wykorzystywane jest elektromagnetyczne wykrywanie położenia. Kask Topsight wykorzystuje integralną, osadzoną konstrukcję, a jego wyprofilowany kształt zapewnia pilotowi całkowicie niezakłócone pole widzenia.
TopNight, pochodna Topsight, została zaprojektowana specjalnie z myślą o niekorzystnych warunkach pogodowych i nocnych operacjach powietrze-ziemia, wykorzystując bardziej złożoną optykę do projekcji obrazów w podczerwieni z nałożonymi symboliką. Najnowsza wersja Topsighta została oznaczona jako TopOwl-F i jest zakwalifikowana do Mirage-2000-5 Mk2 i Mig-29K.
System symboliki montowany na hełmie Eurofighter
Eurofighter Typhoon wykorzystuje nachełmne systemu symboliki (HMß) opracowany przez BAE Systems i Pilkington Optronics . Nazwany Striker i późniejsza wersja Striker II. Jest w stanie wyświetlać zarówno obrazy rastrowe, jak i kursywę, z uwzględnieniem wbudowanych NVG . Podobnie jak w przypadku hełmu DASH, system wykorzystuje zintegrowane wykrywanie pozycji, aby zapewnić, że symbole reprezentujące byty ze świata zewnętrznego poruszają się zgodnie z ruchami głowy pilota.
System wyświetlania montowany na hełmie
Vision Systems International (VSI; spółka joint venture Elbit Systems / Rockwell Collins ) wraz z Helmet Integrated Systems, Ltd. opracowali system wyświetlania na hełmie (HMDS) dla samolotu F-35 Joint Strike Fighter. Oprócz standardowych możliwości HMD oferowanych przez inne systemy, HMDS w pełni wykorzystuje zaawansowaną architekturę awioniki F-35 i zapewnia pilotowi wideo z obrazami w warunkach dziennych i nocnych. W rezultacie F-35 jest pierwszym taktycznym myśliwcem od 50 lat, który latał bez HUD-a. Hełm BAE Systems był rozważany, gdy rozwój HMDS miał poważne problemy, ale te problemy zostały ostatecznie rozwiązane. System wyświetlacza montowany na hełmie był w pełni sprawny i gotowy do dostawy w lipcu 2014 roku.
Jedeye
Jedeye to nowy system wprowadzony niedawno przez Elbit Systems, specjalnie w celu spełnienia wymagań Apache i innych platform obrotowych. System jest przeznaczony do lotów w dzień, w nocy i przy zaciemnieniu . Jedeye ma FOV 70 x 40 stopni i rozdzielczość 2250 x 1200 pikseli.
Kobra
Szwedzki myśliwiec JAS 39 Gripen wykorzystuje HMD Cobra. Kask jest dalszym rozwojem i udoskonaleniem kasku Striker opracowanego dla Eurofightera przez BAE Systems. Udoskonalenia dokonuje BAE we współpracy z Denel Cumulus.
Technologia przyszłości
- RCEVS opracowuje standardowy widok Night Vision Cueing & Display (NVCD) dla marynarki wojennej USA.
- Eye tracking – Eye trackery mierzą punkt spojrzenia w stosunku do kierunku głowy, pozwalając komputerowi wyczuć, gdzie patrzy użytkownik. Systemy te nie są obecnie używane w samolotach.
- Bezpośrednia projekcja na siatkówkę — w fazie eksperymentów są również systemy, które wyświetlają informacje bezpośrednio na siatkówce użytkownika za pomocą lasera o niskiej mocy ( wirtualny wyświetlacz siatkówkowy ).
Zobacz też
- Wyświetlacz montowany na głowie (HMD)
- Rzeczywistość wirtualna (VR)
- Rozszerzona Rzeczywistość
- Wirtualny wyświetlacz siatkówki
- VRML
Bibliografia
Bibliografia
- Melzera i Moffitta (1997). Wyświetlacze montowane na głowie: projektowanie dla użytkownika . Wzgórze McGrawa.