CN108510833A - 模拟夜视镜下飞行的训练器材和提高夜间作训能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟夜视镜下飞行的训练器材和提高夜间作训能力的方法，包括无人飞行器、头盔和操控装置，所述无人飞行器包括机架、云台、摄像器材和控制单元，所述云台安装在机架上，所述摄像器材安装在云台上，所述云台、摄像器材均和控制单元电连接，所述操控装置包括主控单元和操作杆，所述头盔、操作杆、控制单元均与主控单元电连接。本发明可以帮助飞行员在佩戴夜视镜条件下建立真实的夜间飞行情景意识，适应微光夜视环境，练习夜间起飞、着陆、编队飞行、目标搜索，克服微光夜视条件下的生理限制，保障飞行安全，提高飞行员夜间作训能力，缩短培训时间，降低训练成本。

Description

模拟夜视镜下飞行的训练器材和提高夜间作训能力的方法

技术领域

本发明属于飞行人员视觉生理训练技术领域，具体涉及一种模拟夜视镜下飞行的训练器材和提高夜间作训能力的方法。

背景技术

夜视镜是基于夜视技术同时借助光电成像器所做的辅助观察工具。夜视技术是借助于光电成像器件实现夜间观察的一种光电技术。夜视技术包括微光夜视和红外夜视两方面。微光夜视技术又称像增强技术，是通过带像增强管的夜视镜，对夜天光照亮的微弱目标像进行增强，以供观察的光电成像技术。红外夜视技术是通过主动照射并利用目标反射红外源或目标自身发射的红外光来实施观察的夜视技术。

微光夜视镜（NVG）能够显著提高飞行人员夜间作业能力，但是通过NVG观察到的视景与裸眼所观察到的不同。在佩戴微光夜视镜条件下，飞行员的视野受限，颜色觉和立体觉丧失，暗适应能力下降，微光夜视条件下的飞行情景意识与以往建立起来的夜间或昼间情景意识不同，容易发生飞行错觉，而导致飞行事故。

针对佩戴夜视镜飞行时所带来的飞行安全问题，目前采用地面模拟训练，包括微光夜视镜容易受环境照度、调校训练、沙盘或虚拟沙盘训练及结合空间定向障碍模拟器进行模拟飞行训练。在地面模拟训练中，飞行员往往感觉情景不够真实，不能将自身融入到夜视情景环境当中，不能进行着陆、编队等训练，以及各种光线影响的真实体验，建立真实的微光夜视飞行条件下的情景意识，影响训练效果。体验飞行训练花费时间长，训练效率低，且存在一定的风险。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种模拟夜视镜下飞行的训练器材，克服现有训练器材无法真实模拟夜视情景环境的缺陷，改善训练效果差的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种提高夜间作训能力的方法。

本发明提供的技术方案如下：

一种模拟夜视镜下飞行的训练器材，包括无人飞行器、头盔和操控装置，所述无人飞行器包括机架、云台、摄像器材和控制单元，所述云台安装在机架上，所述摄像器材安装在云台上，所述云台、摄像器材均和控制单元电连接，所述操控装置包括主控单元和操作杆，所述头盔、操作杆、控制单元均与主控单元电连接；

所述主控单元用于采集头盔的运动信息后发送指令给控制单元以控制云台与头盔运动一致，以及通过采集操作杆的运动信息后发送指令给控制单元以控制无人飞行器和摄像器材的运动；所述云台用于带动摄像器材横滚、俯仰、航向三轴转动，所述头盔用于显示虚拟环境和摄像器材通过控制单元、主控单元传输的摄像器材拍摄画面。

所述头盔包括虚拟眼镜和陀螺仪，所述虚拟眼镜、陀螺仪均与主控单元电连接，所述虚拟眼镜用于显示摄像器材拍摄画面。

所述虚拟眼镜包括模拟微光夜视镜和模拟红外夜视镜。

所述无人飞行器为多旋翼无人机。

所述摄像器材为数字夜视摄像器材、彩色摄像器材或全彩摄像器材。

所述操控装置还包括舵、伺服电机和监控屏幕，所述舵、操作杆均与伺服电机连接，所述伺服电机和监控屏幕均与主控单元电连接，所述伺服电机用于模拟真实飞机中操作杆或舵的阻力及抖动。

一种提高夜间作训能力的方法，使用模拟夜视镜下飞行的训练器材，飞行员头戴头盔，通过虚拟眼镜显示虚拟环境和摄像器材拍摄的实际飞行影像后，飞行员通过操控装置操控无人飞行器飞行，通过转动头部控制云台，进而控制摄像器材的观察角度，使飞行员真实感受在虚拟现实中夜视环境的飞行特点，建立情景意识和必要的条件反射，实现飞行员夜间作训能力的提高。

所述飞行特点包括月光、城市灯光、炮火、雨雾的影响，编队或悬停距离、高度的控制，障碍物避让，地标或敏感目标的识别。

所述虚拟眼镜显示摄像器材拍摄的实际飞行影像是通过算法处理，具体过程为：首先将摄像器材拍摄到的画面进行绿化处理，以模拟夜视镜光学特性，然后将绿化后的视频图像进行抖动处理，使得视频图像在上下、左右或上下左右四个方向同时抖动，以模拟飞机飞行特性；最后将视频图像同时传输给虚拟眼镜的双目显示屏上，使其同时显示处理。

本发明的有益效果是：

本发明可以帮助飞行员在佩戴夜视镜条件下建立真实的夜间飞行情景意识，适应微光夜视环境，练习夜间起飞、着陆、编队飞行、目标搜索，克服微光夜视条件下的生理限制，保障飞行安全，提高飞行员夜间作训能力，缩短培训时间，降低训练成本。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的数据流程图。

图中：1、无人飞行器；2、云台；3、摄像器材；4、头盔；5、虚拟眼镜；6、操控装置。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供了一种如图1所示的模拟夜视镜下飞行的训练器材，包括无人飞行器1、头盔4和操控装置6，所述无人飞行器1包括机架、云台2、摄像器材3和控制单元，所述云台2安装在机架上，所述摄像器材3安装在云台2上，所述云台2、摄像器材3均和控制单元电连接，所述操控装置6包括主控单元和操作杆，所述头盔4、操作杆、控制单元均与主控单元电连接；

所述主控单元用于采集头盔4的运动信息后发送指令给控制单元以控制云台2与头盔4运动一致，以及通过采集操作杆的运动信息后发送指令给控制单元以控制无人飞行器1和摄像器材3的运动；所述云台2用于带动摄像器材3横滚、俯仰、航向三轴转动，所述头盔4用于显示虚拟环境和摄像器材3通过控制单元、主控单元传输的摄像器材3拍摄画面。

传统无人机云台2的控制方式为由无人机配套的手柄控制与无人机自主控制结合的控制方式。具体控制方式是：拨动手柄上的拨轮，可以调整云台2的俯仰角度；手柄无法直接控制云台2的轴向运动，但可以拨动手柄的摇杆使无人机改变轴向，无人机带动云台2，迫使云台2与无人机保持同一轴向；手柄无法直接控制云台2的横滚，但可以拨动手柄的摇杆，使无人机向左或向右飞行，此时无人机放生左或右倾斜，云台2会因惯性而与无人机产生夹角。本发明中的云台2具有完全可控的三轴旋转运动。云台2可以根据受训者头部佩戴的头盔4的转动而转动，即云台2上摄像装置所观察的视野范围受地面受训人员的头部运动控制，犹如佩戴双目镜直接进行观察。当头盔4以人为参考系而产生横滚运动时，云台2会以无人机为参考系进行横滚运动；当头盔4以人为参考系而产生俯仰运动时，云台2会以无人机为参考系进行俯仰运动；当头盔4以人为参考系而产生轴向运动时，云台2会以无人机为参考系进行轴向运动。

本发明通过在无人飞行器1上安装云台2与摄像装置，受训人员头戴训练头盔4及虚拟眼镜5，通过来自空中无人飞行器1所携带的微光或红外摄影器材的影像，进而操纵无人机飞行，犹如佩戴微光夜视镜所看到的飞行影像条件下的飞行。通过该训练装置，飞行员能够体验真实飞行可能遇到的地形、地貌、光线对飞行的影响，对高压线塔、桥梁、车辆等的正确识别，编队或着陆时的距离判断等问题，适应不同光照条件下的安全飞行。解决飞行员如何身临其境地飞行的实际问题，建立真实的微光夜视飞行条件下情景意识。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种模拟夜视镜下飞行的训练器材，所述头盔4包括虚拟眼镜5和陀螺仪，所述虚拟眼镜5、陀螺仪均与主控单元电连接，所述虚拟眼镜5用于显示摄像器材3拍摄画面。

陀螺仪可以感受到受训者头部的三维运动，主控单元采集三维运动信号后控制云台2的横滚、俯仰、轴向等三轴旋转运动。虚拟眼镜5为双目显示屏，屏幕可以显示当前摄像头拍摄的画面，该画面通过算法处理，使画面符合飞行员通过夜视镜看到的效果用以模拟飞行员佩戴的双目夜视镜。屏幕画面可切换为座舱内的虚拟信息，如不同型号飞机的座舱环境，可以查看无人飞行器1的真实高度、运动速度等信息。

双目显示屏的画面是通过如下方法生成的：由于飞行员使用的夜视仪是通过光学镜片分光实现单物镜图像变成双目镜图像，为了模拟夜视仪，首先将微光摄像装置拍摄到的画面进行绿化处理，即把视频中每一帧的每个像素点原始Lab信息转换为绿色为主的绿化Lab信息，此步骤模拟夜视仪光学特性；然后将绿化后的视频图像进行抖动处理，使得视频在上下、左右或上下左右四个方向同时抖动，此步骤模拟飞机飞行特性；最后将视频图像同时传输给双目显示屏的两个显示屏上，使其同时显示处理，此步骤模拟夜视仪光学特性。

在本实施例中，所述无人飞行器1为多旋翼无人机。采用多旋翼无人机可以模拟直升机各种悬停、编队、目标搜索等训练直升机飞行员外，也可以采用快速运动的飞行器对其他机种飞行员进行模拟训练。

所述虚拟眼镜5包括模拟微光夜视镜和模拟红外夜视镜。所述摄像器材3为数字夜视摄像器材、彩色摄像器材或全彩摄像器材。可以根据训练需要采用微光、红外器材用于夜间环境，或彩色摄像器材3用于昼间，或全彩摄像器材3兼容昼间和夜间环境。

使用过程：在夜间训练场所，受训人员首先在培训教员的指导下带上头盔4，调试虚拟眼镜5，眼镜内呈现座舱虚拟环境，熟悉座舱环境和操控装置6。然后启动无人飞行器1，将虚拟眼镜5内影像调整为无人飞行器1上摄像器材3摄取的实时影像，操控飞行器飞行。根据训练方案和训练场所的典型地貌、植被、地标、道路、河流、灯光及星空、月光的设置进行针对性的训练，体验佩戴微光夜视镜飞行时的视觉环境特点，建立情景意识，安全飞行。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种模拟夜视镜下飞行的训练器材，所述操控装置6还包括舵、伺服电机和监控屏幕，所述舵、操作杆均与伺服电机连接，所述伺服电机和监控屏幕均与主控单元电连接，所述伺服电机用于模拟真实飞机中操作杆或舵的阻力及抖动。

受训者通过操作杆控制无人飞行器1运动，受训者操作步骤、无人飞行器1状态等信息由监控屏幕显示。还可以将操控装置6设置在模拟座舱内，模拟座舱可根据飞机型号进行设计，操纵杆和舵的设计符合人体工效学的要求，即操纵杆和舵的运动幅度和受训人员感受到的阻力与飞行器运动轨迹与实际飞行相似。操控杆和舵与伺服电机连接，当受训人员操作操纵杆或舵时，伺服电机将模拟真实飞机中操纵杆或舵的阻力以及抖动等特性，使受训人员感受到近乎真实的操作体验。

采用本发明训练时，受训人员通过虚拟眼镜5获取空中摄像装置的实际飞行信息操控飞行器飞行，通过转动头部以控制云台2，进而控制微光摄像头的观察角度，使飞行员沉浸在真实虚拟现实中体验微光夜视环境的飞行特点，如月光、城市灯光、炮火、雨雾的影响，编队或悬停距离、高度控制，障碍物避让，地标或敏感目标识别。通过地面实地监测、飞行参数复读、心理生理指标监测对受训人员飞行情况进行针对性地训练、飞行错觉矫正、绩效考评、生理心理干预和医学保障，使飞行员在短时间内掌握夜间飞行、微光夜视镜下飞行特点，建立情景意识和必要的条件反射，安全飞行，提高飞行员夜间作训能力，缩短培训时间，降低训练成本。

实施例4：

本实施例提供了一种提高夜间作训能力的方法，使用模拟夜视镜下飞行的训练器材，飞行员头戴头盔4，通过虚拟眼镜5显示虚拟环境和摄像器材3拍摄的实际飞行影像后，飞行员通过操控装置6操控无人飞行器1飞行，通过转动头部控制云台2，进而控制摄像器材3的观察角度，使飞行员真实感受在虚拟现实中夜视环境的飞行特点，建立情景意识和必要的条件反射，实现飞行员夜间作训能力的提高。

如图2所示，头戴头盔4的飞行员转动头部，操控装置6的主控单元采集到头盔4中陀螺仪的三维运动信号后，发送指令给无人飞行器1的控制单元，控制单元再发送指令控制云台2与飞行员的头部运动同步一致，进而带动摄像器材3运动，同时，摄像器材3拍摄的画面通过控制单元、主控单元后传输至头盔4的虚拟眼镜5并显示；当需要调整无人飞行器1的运动状态及位置，或摄像器材3中摄像头的位置时，飞行员通过操作杆发送指令给主控单元，主控单元再发送指令给控制单元，对无人飞行器1或摄像头进行调整。

其中，所述飞行特点包括月光、城市灯光、炮火、雨雾的影响，编队或悬停距离、高度的控制，障碍物避让，地标或敏感目标的识别。

所述虚拟眼镜5显示摄像器材3拍摄的实际飞行影像是通过算法处理，具体过程为：首先将摄像器材3拍摄到的画面进行绿化处理，以模拟夜视镜光学特性，然后将绿化后的视频图像进行抖动处理，使得视频图像在上下、左右或上下左右四个方向同时抖动，以模拟飞机飞行特性；最后将视频图像同时传输给虚拟眼镜5的双目显示屏上，使其同时显示处理。

其中，主控单元、控制单元均为现有技术。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (9)

1.一种模拟夜视镜下飞行的训练器材，其特征在于：包括无人飞行器（1）、头盔（4）和操控装置（6），所述无人飞行器（1）包括机架、云台（2）、摄像器材（3）和控制单元，所述云台（2）安装在机架上，所述摄像器材（3）安装在云台（2）上，所述云台（2）、摄像器材（3）均和控制单元电连接，所述操控装置（6）包括主控单元和操作杆，所述头盔（4）、操作杆、控制单元均与主控单元电连接；

所述主控单元用于采集头盔（4）的运动信息后发送指令给控制单元以控制云台（2）与头盔（4）运动一致，以及通过采集操作杆的运动信息后发送指令给控制单元以控制无人飞行器（1）和摄像器材（3）的运动；所述云台（2）用于带动摄像器材（3）横滚、俯仰、航向三轴转动，所述头盔（4）用于显示虚拟环境和通过控制单元、主控单元传输的摄像器材（3）拍摄画面。

2.根据权利要求1所述的一种模拟夜视镜下飞行的训练器材，其特征在于：所述头盔（4）包括虚拟眼镜（5）和陀螺仪，所述虚拟眼镜（5）、陀螺仪均与主控单元电连接，所述虚拟眼镜（5）用于显示摄像器材（3）拍摄画面。

3.根据权利要求1所述的一种模拟夜视镜下飞行的训练器材，其特征在于：所述虚拟眼镜（5）包括模拟微光夜视镜和模拟红外夜视镜。

4.根据权利要求1所述的一种模拟夜视镜下飞行的训练器材，其特征在于：所述无人飞行器（1）为多旋翼无人机。

5.根据权利要求1所述的一种模拟夜视镜下飞行的训练器材，其特征在于：所述摄像器材（3）为数字夜视摄像器材、彩色摄像器材或全彩摄像器材。

6.根据权利要求1所述的一种模拟夜视镜下飞行的训练器材，其特征在于：所述操控装置（6）还包括舵、伺服电机和监控屏幕，所述舵、操作杆均与伺服电机连接，所述伺服电机和监控屏幕均与主控单元电连接，所述伺服电机用于模拟真实飞机中操作杆或舵的阻力及抖动。

7.一种提高夜间作训能力的方法，使用权利要求2所述的模拟夜视镜下飞行的训练器材，其特征在于：飞行员头戴头盔（4），通过虚拟眼镜（5）显示虚拟环境和摄像器材（3）拍摄的实际飞行影像后，飞行员通过操控装置（6）操控无人飞行器（1）飞行，通过转动头部控制云台（2），进而控制摄像器材（3）的观察角度，使飞行员真实感受在虚拟现实中夜视环境的飞行特点，建立情景意识和必要的条件反射，实现飞行员夜间作训能力的提高。

8.根据权利要求7所述的一种提高夜间作训能力的方法，其特征在于：所述飞行特点包括月光、城市灯光、炮火、雨雾的影响，编队或悬停距离、高度的控制，障碍物避让，地标或敏感目标的识别。

9.根据权利要求7所述的一种提高夜间作训能力的方法，其特征在于，所述虚拟眼镜（5）显示摄像器材（3）拍摄的实际飞行影像是通过算法处理，具体过程为：首先将摄像器材（3）拍摄到的画面进行绿化处理，以模拟夜视镜光学特性，然后将绿化后的视频图像进行抖动处理，使得视频图像在上下、左右或上下左右四个方向同时抖动，以模拟飞机飞行特性；最后将视频图像同时传输给虚拟眼镜（5）的双目显示屏上，使其同时显示处理。