RU2572222C1 - Method of correcting linear and angular coordinates of helmet of aircraft operator and ultrasonic helmet-mounted system therefor - Google Patents

Method of correcting linear and angular coordinates of helmet of aircraft operator and ultrasonic helmet-mounted system therefor Download PDF

Info

Publication number
RU2572222C1
RU2572222C1 RU2014131570/28A RU2014131570A RU2572222C1 RU 2572222 C1 RU2572222 C1 RU 2572222C1 RU 2014131570/28 A RU2014131570/28 A RU 2014131570/28A RU 2014131570 A RU2014131570 A RU 2014131570A RU 2572222 C1 RU2572222 C1 RU 2572222C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
helmet
ultrasonic
receivers
signal
correction
Prior art date
Application number
RU2014131570/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Леонид Александрович Рассветалов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого"
Priority to RU2014131570/28A priority Critical patent/RU2572222C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2572222C1 publication Critical patent/RU2572222C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: four helmet-mounted ultrasonic receivers are mounted at reference points on an operator's helmet, and four ultrasonic radiators are mounted in the cockpit above the operator's helmet in the bound coordinate system of the cockpit. Four ultrasonic receivers of four correcting channels are mounted at the edges of the working area of possible helmet positions. Pulsed ultrasonic signals are transmitted and received. The delay time of signals from each ultrasonic radiator to each helmet-mounted ultrasonic receiver and to four ultrasonic receivers of correcting channels is measured. Direction is determined based on the data of said correcting channels.
EFFECT: high accuracy of determining coordinates of an operator's helmet in vibration conditions and varying external conditions.
2 cl, 4 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к технике акустических нашлемных систем позиционирования и может быть применено в устройствах, где используются данные о трех координатах положения и трех углах ориентации головы оператора, преимущественно в нашлемных системах целеуказания и индикации летательных аппаратов, в системе управления прожектором вертолета, в авиа- и автотренажерах, в системах виртуальной реальности.The claimed invention relates to the technique of acoustic helmet-mounted positioning systems and can be used in devices that use data on three position coordinates and three angles of orientation of the operator’s head, mainly in helmet-mounted target designation and indication systems of aircraft, in the helicopter’s searchlight control system, in aircraft and exercise machines, in virtual reality systems.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является способ компенсации погрешностей измерения координат, примененный в патенте (см. RU №2357184, F41G 3/22, 27.05.2009) и в патенте (см. RU №2449242, G01B 04/27, 27.04. 2012, «Ультразвуковая нашлемная система позиционирования», принятом за прототип.Closest to the claimed invention in technical essence is a method of compensating coordinate measurement errors used in the patent (see RU No. 2357184, F41G 3/22, 05.27.2009) and in the patent (see RU No. 2449242, G01B 04/27, 27.04 2012, “Ultrasonic Helmet Positioning System” adopted as a prototype.

В прототипе используется дальномерный метод определения координат ультразвуковых приемников, размещенных на шлеме оператора, благодаря измерению расстояний между базовыми ультразвуковыми излучателями, размещенными в кабине летательного аппарата (ЛА) с известными координатами в связанной с ЛА системой координат, и ультразвуковыми приемниками, размещенными на шлеме. Для решения навигационной задачи определения координат нашлемных приемников в прототипе измеряют расстояния от каждого излучателя в кабине ЛА до каждого нашлемного приемника и до приемника корректирующего канала.The prototype uses a range-finding method for determining the coordinates of ultrasonic receivers located on the operator’s helmet, by measuring the distances between the basic ultrasonic emitters located in the aircraft cabin (LA) with known coordinates in the coordinate system associated with the aircraft, and ultrasonic receivers located on the helmet. To solve the navigation problem of determining the coordinates of helmet-mounted receivers in the prototype measure the distance from each emitter in the cockpit of the aircraft to each helmet-mounted receiver and to the receiver of the correction channel.

Работа прототипа ультразвуковой нашлемной системы позиционирования (УЗНСП) поясняется структурной схемой, приведенной на фиг. 1, где обозначены:The operation of the prototype ultrasonic helmet-mounted positioning system (USNSP) is illustrated by the structural diagram shown in FIG. 1, where are indicated:

1, 2, 3, 4 - ультразвуковые излучатели;1, 2, 3, 4 - ultrasonic emitters;

5 - мультиплексор;5 - multiplexer;

6 - формирователь сигнала;6 - signal conditioner;

7 - синхронизатор;7 - synchronizer;

8, 9, 10, 11 - ультразвуковые нашлемные приемники;8, 9, 10, 11 - ultrasonic helmet-mounted receivers;

12 - ультразвуковой приемник корректирующего канала;12 - ultrasonic receiver of the correction channel;

13 - усилитель сигналов нашлемных приемников с АРУ;13 - signal amplifier helmet-mounted receivers with AGC;

14 - измеритель времени задержки сигналов нашлемных приемников;14 - meter time delay signals helmet-mounted receivers;

15 - усилитель сигналов корректирующего канала;15 - signal amplifier of the correction channel;

16 - измеритель времени задержки сигналов корректирующего канала;16 - meter time delay signal correction channel;

17 - бортовой вычислитель.17 - on-board computer.

Каналы, содержащие измерители 14, будем называть измерительными, а канал, содержащий измеритель 16, корректирующим.Channels containing meters 14 will be called measuring, and the channel containing the meter 16, corrective.

Ультразвуковые излучатели 1-4 размещены в кабине над шлемом пилота в разнесенных точках с известными координатами в связанной системе координат, нашлемные ультразвуковые приемники 8-11 размещены крестообразно в реперных точках, ультразвуковой приемник 12 корректирующего канала жестко закреплен в непосредственной близости от шлема пилота с известными расстояниями r[i] до каждого i-го излучателя. Ультразвуковые излучатели 1…4, возбуждаемые формирователем сигналов 6 через мультиплексор 5, поочередно излучают ультразвуковые сигналы каждый в течение интервала ТП, определяемым синхронизатором 7. Это дает возможность идентифицировать номер излучателя, сигналы которого принимаются всеми приемниками на данном интервале времени.Ultrasonic emitters 1-4 are located in the cockpit above the pilot helmet at spaced points with known coordinates in a linked coordinate system, helmet-mounted ultrasonic receivers 8-11 are placed crosswise at the reference points, the correction channel ultrasonic receiver 12 is rigidly fixed in close proximity to the pilot helmet with known distances r [i] to each i-th emitter. Ultrasonic emitters 1 ... 4, excited by the signal shaper 6 through the multiplexer 5, alternately emit ultrasonic signals each during the interval T P determined by the synchronizer 7. This makes it possible to identify the number of the emitter, the signals of which are received by all receivers on this time interval.

Для решения навигационной задачи - определения координат нашлемных приемников - в каждый интервал времени ТП измеряют задержки распространения ультразвуковых волн (УЗВ) от активного в этом периоде излучателя до всех нашлемных приемников 8…11 и приемника корректирующего канала 12.To solve the navigation problem - determining the coordinates of helmet-mounted receivers - at each time interval T P measure the propagation delay of ultrasonic waves (USW) from the emitter active in this period to all helmet-mounted receivers 8 ... 11 and the receiver of the correction channel 12.

Система работает следующим образом. Синхронизатор 7 выдает синхроимпульсы в виде двухразрядного числа с периодом повторения ТП, которое циклически меняется от периода к периоду, пробегая значения 00, 01, 10, 11. Формирователь сигналов 6 генерирует фазоманипулированные сигналы вида (+-) или (-+) в зависимости от четности поступающего на него синхросигнала. Эти же синхросигналы переключают мультиплексор 5. В результате ультразвуковые излучатели 1, 2, 3 и 4 излучают сигналы поочередно, со сдвигом ТП и соответствующим чередованием фаз, а нашлемные приемники 8…11 и приемник корректирующего канала 12 в течение интервала наблюдения принимают сигнал активного излучателя.The system operates as follows. Synchronizer 7 generates clock pulses in the form of a two-bit number with a repetition period T P , which cyclically changes from period to period, running through the values 00, 01, 10, 11. Signal conditioner 6 generates phase-shifted signals of the form (+ -) or (- +) depending from the parity of the clock signal coming into it. The same clock signals switch the multiplexer 5. As a result, the ultrasonic emitters 1, 2, 3 and 4 emit the signals alternately, with a shift of T P and the corresponding phase rotation, and the helmet-mounted receivers 8 ... 11 and the receiver of the correction channel 12 receive the signal of the active emitter during the observation interval .

В прототипе используется способ компенсации возможного изменения скорости распространения УЗВ при изменении температуры, давления или наличия воздушных потоков в кабине ЛА и изменения координат излучателей в кабине, вызванных вибрацией стенок кабины ЛА, состоящий в том, что время пробега УЗВ от излучателя до нашлемного приемника корректируется с помощью дополнительного корректирующего канала, который измеряет времена пробега УЗВ TKK[i] от каждого i-го излучателя до неподвижно закрепленного в кабине ЛА приемника корректирующего канала (ПРМКК), расположенного вблизи шлема оператора. Расстояния r[i] между i-м излучателем и ПРМКК известны в процессе монтажа системы или могут быть измерены ультразвуковым методом в любое время.The prototype uses a method of compensating for a possible change in the velocity of propagation of an ultrasonic ultrasound with a change in temperature, pressure or the presence of air flow in the cockpit of the aircraft and changes in the coordinates of the emitters in the cockpit caused by the vibration of the walls of the cockpit of the aircraft, consisting in the fact that the travel time of the ultrasound from the emitter to the helmet-mounted receiver is using an additional correction channel, which measures the travel times of the ultrasonic ultrasonic scanner TKK [i] from each i-th emitter to the correction channel receiver (fixed in the aircraft cabin) ( RMKK), located near the operator's helmet. The distances r [i] between the ith emitter and the PRMKK are known during the installation of the system or can be measured by the ultrasonic method at any time.

Ниже приводится описание способа компенсации погрешностей измерения координат объекта, принятый в прототипе.The following is a description of the method of compensation of errors in measuring the coordinates of the object, adopted in the prototype.

Расстояние R[i.j] между j-м приемником и i-м излучателем находится как произведение времени пробега УЗВ T[i,j] между ними на скорость УЗВ. Скорость УЗВ νi определяется из измерений в корректирующем канале для каждого излучателя:The distance R [ij] between the j-th receiver and the i-th emitter is found as the product of the travel time of the ultrasonic vibrator T [i, j] between them and the speed of the ultrasonic vibrator. The speed of the ultrasonic ultrasound ν i is determined from measurements in the correction channel for each emitter:

νi=r[i]/TKK[i].ν i = r [i] / TKK [i].

Далее по данным о временных задержках в корректирующем и измерительных каналах рассчитываются расстояния от каждого нашлемного приемника до каждого излучателя по формуле:Further, according to the data on time delays in the correction and measuring channels, the distances from each helmet-mounted receiver to each emitter are calculated according to the formula:

R[i,j]=T[i,j]r[i]/TKK[i].R [i, j] = T [i, j] r [i] / TKK [i].

Очевидно, последнее выражение учитывает изменения скорости УЗВ, связанные с температурой, давлением, так как TKK[i] несет в себе информацию о скорости УЗВ с учетом радиальной скорости воздушных потоков в кабине ЛА. Расположение приемника корректирующего канала ПРМКК в непосредственной близости от шлема оператора дает возможность компенсировать влияние вибраций на точность измерений, так как времена T[i,j] и TKK[i] при вибрации изменяются синхронно и пропорционально.Obviously, the last expression takes into account the changes in the velocity of the ultrasonic ultrasound associated with temperature and pressure, since TKK [i] carries information on the velocity of the ultrasonic ultrasound taking into account the radial velocity of air flows in the aircraft cabin. The location of the receiver of the PRMKK correction channel in the immediate vicinity of the operator's helmet makes it possible to compensate for the influence of vibrations on the measurement accuracy, since the times T [i, j] and TKK [i] change synchronously and proportionally with vibration.

Расчет координат нашлемных приемников, а по ним линейных и угловых координат шлема производится в бортовом вычислителе 17.The calculation of the coordinates of the helmet-mounted receivers, and from them the linear and angular coordinates of the helmet, is carried out in the on-board computer 17.

Приведем подробное описание способа коррекции вибрации излучателей, принятого в прототипе. Описание поясняется фиг. 2, где обозначено:Here is a detailed description of the method for correcting vibration of emitters, adopted in the prototype. The description is illustrated in FIG. 2, where indicated:

А - амплитуда вибраций излучателя;And - the amplitude of the vibrations of the emitter;

Ri - расстояние от шлема до i-го неподвижного излучателя;R i is the distance from the helmet to the i-th stationary emitter;

r1 - расстояние от ПРМКК до i-го неподвижного излучателя;r 1 is the distance from PRMKK to the i-th stationary emitter;

dri - приращение расстояния ri за счет вибрации;dr i is the increment of distance r i due to vibration;

dri - приращение расстояния Ri за счет вибрации;dr i - the increment of the distance R i due to vibration;

γш - угол между направлением вибрации и направлением на шлем;γ W - the angle between the direction of vibration and the direction of the helmet;

γ - угол между направлением вибрации и направлением на ПРМКК.γ is the angle between the direction of vibration and the direction of the PRMKK.

Запишем приращения измеряемых расстояний с учетом A<<ri,Ri как:We write the increments of the measured distances taking into account A << r i , R i as:

dri≈A·cosγ=dRi(cosγ/cosγш)dr i ≈A cosγ = dR i (cosγ / cosγ w )

dRi≈A·cosγш=dri·(cosγш/cosγ)dR i ≈A · cosγ w = dr i · (cosγ w / cosγ)

При обработке принятых сигналов в бортовом вычислителе 17 вычисляются расстояния R[i,j] между ИЗЛ и ПРМ как R[i,j]=T[i,j]·νi, где: νi=(ri+dri)/TKK[i] - скорость УЗВ, измеренная в корректирующем канале, TKK[i] - время распространения УЗВ в корректирующем канале, T[i,j] - время распространения УЗВ в измерительном канале. Здесь i - номер излучателя, j - номер нашлемного приемника.When processing the received signals in the on-board computer 17, the distances R [i, j] between the RFL and the PFP are calculated as R [i, j] = T [i, j] · ν i , where: ν i = (r i + dr i ) / TKK [i] is the ultrasonic velocity measured in the correction channel, TKK [i] is the ultrasonic propagation time in the correction channel, T [i, j] is the ultrasonic propagation time in the measuring channel. Here i is the number of the emitter, j is the number of the helmet-mounted receiver.

Таким образом, задержка сигналов в измерительных каналах 14 определяется как:Thus, the delay of the signals in the measuring channels 14 is defined as:

T[i,j]=TKK[i](Ri+dRi)/(ri+dri)=TKK[i](Ri/ri)(1+dRi/Ri)/(1+dri/ri)≈TKK[i](Ri/ri), т.к. разумно считать (1+dRi/Ri)/(1+dri/ri)≈1.T [i, j] = TKK [i] (R i + dR i ) / (r i + dr i ) = TKK [i] (R i / r i ) (1 + dR i / R i ) / (1 + dr i / r i ) ≈TKK [i] (R i / r i ), because it is reasonable to consider (1 + dR i / R i ) / (1 + dr i / r i ) ≈1.

Последнее равенство выполняется точно при условии:The last equality is true if:

Figure 00000001
Figure 00000001

Связь истинного расстояния с измеренными временами распространения УЗВ дается выражением:The relationship of the true distance with the measured propagation times of the ultrasound is given by the expression:

Figure 00000002
Figure 00000002

или, после небольших преобразований:or, after small conversions:

Figure 00000003
Figure 00000003

Первое слагаемое в (1), (2) не зависит от наличия вибрации, остальные описывают ее влияние. Хорошо видно ослабление влияния вибрации на точность определения Ri за счет ее компенсации в корректирующем канале. Одновременно (2) показывает, что компенсация вибрации будет полной при выполнении условия γ≈γш. В то же время Ri определяется отношением времени пролета УЗВ в измерительном канале к времени пролета в корректирующем канале. Поскольку условия распространения УЗВ в обоих каналах одинаковы, тем самым исключаются влияние внешних условий на точность определения Ri.The first term in (1), (2) does not depend on the presence of vibration, the rest describe its effect. It is clearly seen the attenuation of the influence of vibration on the accuracy of determining R i due to its compensation in the correction channel. At the same time (2) shows that the vibration compensation will be complete when the condition γ≈γ ω is fulfilled. At the same time, R i is determined by the ratio of the flight time of the ultrasound in the measuring channel to the flight time in the correction channel. Since the propagation conditions of the ultrasonic waves in both channels are the same, the influence of external conditions on the accuracy of determining R i is thereby excluded.

Однако для полной компенсации влияния вибрации и движения воздуха в кабине необходимо, чтобы приемник корректирующего канала ПРМКК располагался в центре шлема оператора, при котором выполняется условие γ≈γш, что, конечно, невозможно. Поэтому указанная компенсация осуществляется не полностью, а лишь частично. Это является недостатком прототипа.However, to completely compensate for the effects of vibration and air movement in the cabin, it is necessary that the receiver of the PRMKK correction channel is located in the center of the operator's helmet, under which the condition γ≈γ ω is fulfilled, which, of course, is impossible. Therefore, the specified compensation is not fully, but only partially. This is a disadvantage of the prototype.

В патенте (см. RU 2357184, F41G 3/22, 27.05.2009, «Способ определения линейных и угловых координат шлема оператора в кабине летательного аппарата и ультразвуковая нашлемная система для его осуществления») отмечена возможность использования двух приемников корректирующего канала, расположенных симметрично относительно шлема, так что их виртуальный фазовый центр совпадает с центром шлема. Однако движение головы пилота нарушает условие симметрии приемников относительно шлема, что является недостатком предложенного в этом патенте решения.In the patent (see RU 2357184, F41G 3/22, 05.27.2009, “A method for determining the linear and angular coordinates of the operator’s helmet in the cockpit of an aircraft and an ultrasonic helmet-mounted system for its implementation”), the possibility of using two correction channel receivers located symmetrically with respect to helmet, so that their virtual phase center coincides with the center of the helmet. However, the movement of the pilot’s head violates the symmetry condition of the receivers relative to the helmet, which is a disadvantage of the solution proposed in this patent.

Задачей настоящего изобретения является увеличение степени компенсации вибраций, нестабильности скорости звука и движения воздуха в кабине ЛА.The objective of the present invention is to increase the degree of vibration compensation, instability of the speed of sound and air movement in the aircraft cabin.

Технический результат заключается в повышении точности определения координат шлема оператора в условиях вибрации и изменяющихся внешних условиях.The technical result consists in increasing the accuracy of determining the coordinates of the helmet of the operator in vibration and changing environmental conditions.

Поставленная задача с достижением упомянутого выше результата решается тем, что в способе определения линейных и угловых координат шлема оператора в кабине летательного аппарата по координатам размещенных на шлеме ультразвуковых приемников, в кабине ЛА размещают не менее трех ультразвуковых излучателей с известными координатами в связанной с ЛА системе координат, при этом на краях рабочей зоны возможных положений шлема противоположно в поперечном и продольном направлениях размещают четыре ультразвуковых приемника корректирующих каналов с известными расстояниями до каждого ультразвукового излучателя, осуществляют излучение и прием импульсных ультразвуковых сигналов, измеряют время задержки сигналов от каждого ультразвукового излучателя до каждого нашлемного ультразвукового приемника и до каждого ультразвукового приемника корректирующих каналов, рассчитывают координаты шлема с использованием скорости звука, измеренной в одном любом корректирующем канале, находят направление, ближайшее к направлению на шлем из направлений от излучателя к корректирующим приемникам и к центру рабочей зоны положений шлема и рассчитывают расстояния от каждого нашлемного ультразвукового приемника до каждого ультразвукового излучателя с учетом скорости звука в найденном направлении, по которым определяют координаты шлема оператора.The problem is achieved with the achievement of the above result is solved by the fact that in the method of determining the linear and angular coordinates of the helmet of the operator in the cockpit of the aircraft by the coordinates of the ultrasonic receivers placed on the helmet, at least three ultrasonic emitters with known coordinates in the coordinate system associated with the aircraft are placed in the aircraft cabin , while at the edges of the working area of the possible provisions of the helmet oppositely in the transverse and longitudinal directions place four ultrasonic corrective receivers pulses with known distances to each ultrasonic emitter, emit and receive pulsed ultrasonic signals, measure the delay time of signals from each ultrasonic emitter to each helmet-mounted ultrasonic receiver and to each ultrasonic receiver of the correction channels, calculate the helmet coordinates using the speed of sound measured in any the correcting channel, find the direction closest to the direction to the helmet from the directions from the emitter to the corrective when to the receivers and to the center of the working area of the helmet positions, and calculate the distances from each helmet-mounted ultrasonic receiver to each ultrasonic emitter, taking into account the speed of sound in the found direction, from which the coordinates of the operator's helmet are determined.

Описание устройства для осуществления способа приведем для случая четырех излучателей, размещенных в кабине летательного аппарата и четырех нашлемных приемников.A description of the device for implementing the method will be given for the case of four emitters located in the cockpit of an aircraft and four helmet-mounted receivers.

Поставленная задача в системе достигается тем, что ультразвуковая нашлемная система позиционирования, включающая вычислитель и содержащая четыре ультразвуковых излучателя, размещенных в кабине над шлемом оператора в разнесенных точках с известными координатами в связанной с кабиной системе координат, четыре нашлемных ультразвуковых приемника, размещенных в реперных точках, четыре корректирующих канала с четырьмя ультразвуковыми приемниками, размещенными противоположно на краях рабочей зоны положений шлема пилота с известными расстояниями до каждого ультразвукового излучателя, мультиплексор, формирователь сигналов, синхронизатор, четыре усилителя сигналов нашлемных приемников с АРУ, четыре измерителя времени задержки сигналов нашлемных приемников, четыре усилителя сигналов корректирующих каналов и четыре измерителя времени задержки сигналов корректирующих каналов, при этом выход синхронизатора соединен с входами синхронизации: мультиплексора, всех измерителей времени задержки сигналов нашлемных приемников, измерителя времени задержки сигналов корректирующего канала, формирователя сигналов, выход которого соединен с сигнальным входом мультиплексора, раздельные выходы которого соединены с ультразвуковыми излучателями, выходы нашлемных ультразвуковых приемников соединены через усилители сигналов нашлемных приемников с АРУ с сигнальными входами измерителей времени задержки сигналов нашлемных приемников, выходы которых соединены с входами информационных данных вычислителя, выходы ультразвуковых приемников корректирующих каналов соединены через усилители сигналов корректирующего канала с сигнальными входами измерителей времени задержки сигналов корректирующих каналов, выходы которых соединены с входом данных вычислителя, выход которого является выходом устройства (фиг. 4).The task in the system is achieved by the fact that the ultrasonic helmet-mounted positioning system, including a calculator and containing four ultrasonic emitters located in the cabin above the operator’s helmet at spaced points with known coordinates in the coordinate system associated with the cabin, four helmet-mounted ultrasonic receivers located at the reference points, four correction channels with four ultrasonic receivers placed opposite on the edges of the working area of the positions of the pilot helmet with known races by the distances to each ultrasonic emitter, a multiplexer, a signal shaper, a synchronizer, four signal amplifiers of the helmet-mounted receivers with AGC, four signal meters of the delay time of the signals of the helmet receivers, four signal amplifiers of the correction channel signals and four time meters of the delay signal of the correction channels, while the synchronizer output is connected to the inputs synchronization: multiplexer, all meters of delay time signals of helmet-mounted receivers, meter of delay time of signals corrector the channel, the signal shaper, the output of which is connected to the signal input of the multiplexer, the separate outputs of which are connected to ultrasonic emitters, the outputs of the helmet-mounted ultrasonic receivers are connected through signal amplifiers of the helmet-mounted receivers with AGC to the signal inputs of the delay time meters of the helmet-mounted receivers, the outputs of which are connected to the inputs of information the data of the calculator, the outputs of the ultrasonic receivers of the correction channels are connected through amplifiers of the signals of the correction channel with signal inputs of delay time meters of the signals of the correction channels, the outputs of which are connected to the data input of the computer, the output of which is the output of the device (Fig. four).

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг. 1 - структурная электрическая схема прототипа;in FIG. 1 is a structural electrical diagram of a prototype;

на фиг. 2 - рисунок, поясняющий способ коррекции погрешностей в прототипе;in FIG. 2 is a drawing explaining a method for correcting errors in a prototype;

на фиг. 3 - рисунок, поясняющий способ коррекции погрешностей в заявляемой системе;in FIG. 3 is a drawing explaining a method for correcting errors in the claimed system;

на фиг. 4 - структурная электрическая схема заявляемой системы.in FIG. 4 is a structural electrical diagram of the inventive system.

Заявляемый способ коррекции погрешностей измерения координат шлема оператора иллюстрируется рисунком фиг. 3, на котором обозначено:The inventive method for correcting errors in measuring the coordinates of the helmet of the operator is illustrated in the figure of FIG. 3, on which is indicated:

А - амплитуда вибрации излучателя;A is the vibration amplitude of the emitter;

R1 - текущее расстояние от излучателя до ПРКК1;R 1 is the current distance from the emitter to PRKK1;

R2 - текущее расстояние от излучателя до ПРКК2;R 2 is the current distance from the emitter to PRKK2;

RM - текущее расстояние от излучателя до середины соединяющей ПРКК1 и ПРКК2 линии (на рисунке - медиана треугольника);R M is the current distance from the emitter to the middle of the line connecting PRKK1 and PRKK2 (in the figure - the median of the triangle);

R - текущее расстояние от излучателя до шлема;R is the current distance from the emitter to the helmet;

ПРККХ, ПРКК2, ПРКК3, ПРКК4 - ультразвуковые приемники корректирующих каналов. Чтобы не загромождать рисунок, линии расстояний R3, R4 от излучателя до приемников ПРКК3, ПРКК4 не показаны.PRKKH, PRKK2, PRKK3, PRKK4 - ultrasonic receivers of correction channels. In order not to clutter up the picture, the distance lines R 3 , R 4 from the emitter to the receivers PRKK3, PRKK4 are not shown.

Обозначим через T[i,j] время задержки сигнала от i-го излучателя до j-го нашлемного приемника, а через R[i,j] - соответствующее задержке расстояние.Denote by T [i, j] the delay time of the signal from the i-th emitter to the j-th helmet receiver, and by R [i, j] - the distance corresponding to the delay.

Скорость звука в корректирующих каналах определяется соотношением ν i = R i T K K i

Figure 00000004
, ãäå i=1,2,3,4, TKKi - время задержки в i-м корректирующем канале.The speed of sound in the correction channels is determined by the ratio ν i = R i T K K i
Figure 00000004
, ää i = 1,2,3,4, TKKi is the delay time in the i-th correction channel.

Длина медианы (расстояние от излучателя до центра рабочей зоны положений шлема) RM рассчитывается по известной формуле:The median length (distance from the emitter to the center of the working area of the helmet positions) R M is calculated by the well-known formula:

Figure 00000005
Figure 00000005

где с - расстояние между ПРКК1 и ПРКК2.where c is the distance between PRKK1 and PRKK2.

Время распространения ультразвуковой волны вдоль медианы рассчитывается какThe propagation time of an ultrasonic wave along the median is calculated as

Figure 00000006
Figure 00000006

где TKK1, TKK2 - времена задержки сигналов в ПРККХ и ПРКК2, ТКС - время распространения УЗВ от ПРККХ до ПРКК1.where TKK1, TKK2 are the delay times of signals in PRKKH and PRKK2, TKS is the propagation time of the ultrasound from PRKKH to PRKK1.

Скорость звука вдоль медианы определяется как vM=RM/TKKM.The speed of sound along the median is defined as v M = R M / TKKM.

Последовательность действий заявляемого способа коррекции:The sequence of steps of the proposed correction method:

- Измеряют координаты шлема, используя для измерения скорости УЗВ νнач любой корректирующий канал. При этом, например, νнач=R1/TKK1, где TKK1 - время задержки в первом корректирующем канале.- Measure the helmet coordinates, using for measuring the ultrasound velocity ν nach any correction channel. In this case, for example, ν nach = R 1 / TKK1, where TKK1 is the delay time in the first correction channel.

- Определяют направление от каждого излучателя на шлем.- Determine the direction from each emitter to the helmet.

- Для каждого излучателя сравнивают направление на шлем с направлениями на корректирующие приемники и направлением медианы и выбирают ближайшее к направлению на шлем.- For each emitter, the direction to the helmet is compared with the directions to the corrective receivers and the direction of the median and the one closest to the direction to the helmet is selected.

- Заново рассчитывают расстояния от каждого излучателя до каждого нашлемного приемника с использованием скорости звука в выбранном направлении, по которым определяют скорректированные координаты шлема.- Re-calculate the distance from each emitter to each helmet-mounted receiver using the speed of sound in the selected direction, which determine the corrected coordinates of the helmet.

Скорректированные расстояния теперь определяются как R [ i , j ] = ν i T [ i , j ] = T [ i , j ] T K K i R i

Figure 00000007
, если выбрано направление на корректирующие приемники, и R [ i , j ] = ν M T [ i , j ] = T [ i , j ] T K K M R M
Figure 00000008
, если выбрано направление вдоль медианы.Adjusted distances are now defined as R [ i , j ] = ν i T [ i , j ] = T [ i , j ] T K K i R i
Figure 00000007
if the direction to the corrective receivers is selected, and R [ i , j ] = ν M T [ i , j ] = T [ i , j ] T K K M R M
Figure 00000008
if the direction along the median is selected.

Эффект коррекции достигается тем, что все расстояния (R, R1, R2, RM фиг. 3) под влиянием вибрации и изменения внешних условий меняются синхронно и пропорционально, а коррекция осуществляется в каждом периоде излучения с параметрами, определяемыми выбранным направлением.The correction effect is achieved by the fact that all distances (R, R 1 , R 2 , R M of Fig. 3) under the influence of vibration and changes in external conditions change synchronously and proportionally, and correction is carried out in each radiation period with parameters determined by the selected direction.

Claims (2)

1. Способ коррекции линейных и угловых координат шлема оператора летательного аппарата в ультразвуковой нашлемной системе позиционирования, содержащей четыре нашлемных ультразвуковых приемника, четыре ультразвуковых излучателя в кабине летательного аппарата, корректирующие каналы со своими ультразвуковыми приемниками, отличающийся тем, что используют четыре ультразвуковых приемника корректирующих каналов, размещенных попарно противоположно по краям рабочей зоны перемещений шлема, предварительно определяют координаты шлема, используя для измерения скорости звука любой корректирующий канал, для каждого излучателя определяют направление на шлем, сравнивают эти направления с направлениями на корректирующие приемники и центр рабочей зоны положений шлема и выбирают из них ближайшее к направлению на шлем, заново рассчитывают расстояния до каждого нашлемного приемника с использованием скорости звука в выбранном направлении, по которым определяют скорректированные координаты шлема.1. The method of correcting the linear and angular coordinates of the helmet of the operator of the aircraft in an ultrasonic helmet-mounted positioning system containing four helmet-mounted ultrasonic receivers, four ultrasonic emitters in the cockpit of the aircraft, correction channels with their own ultrasonic receivers, characterized in that they use four ultrasonic receivers of correction channels, placed in pairs opposite the edges of the working area of the helmet movements, pre-determine the coordinates of the helmet, using using any correction channel for measuring the speed of sound, the direction to the helmet is determined for each emitter, these directions are compared with the directions to the corrective receivers and the center of the working area of the helmet positions and the nearest to the direction to the helmet is selected from them, the distances to each helmet-mounted receiver are re-calculated using speed of sound in the selected direction, which determine the corrected coordinates of the helmet. 2. Ультразвуковая нашлемная система определения линейных и угловых координат шлема головы оператора, включающая вычислитель и содержащая четыре ультразвуковых излучателя, размещенных в кабине над шлемом оператора в разнесенных точках с известными координатами в связанной с кабиной системе координат, четыре нашлемных ультразвуковых приемника, размещенных в реперных точках шлема, корректирующие каналы с ультразвуковыми приемниками каждый, мультиплексор, формирователь сигналов, синхронизатор, усилители сигналов нашлемных приемников с АРУ, измерители времени задержки сигналов нашлемных приемников, усилители сигналов корректирующих каналов и измерители времени задержки сигналов корректирующих каналов, при этом выход синхронизатора соединен с входами синхронизации: мультиплексора, всех измерителей времени задержки сигналов нашлемных приемников, всех измерителей времени задержки сигналов корректирующих каналов, формирователя сигналов, выход которого соединен с сигнальным входом мультиплексора, раздельные выходы которого соединены с ультразвуковыми излучателями, выходы нашлемных ультразвуковых приемников соединены через усилители сигналов нашлемных приемников с АРУ с сигнальными входами измерителей времени задержки сигналов нашлемных приемников, выходы которых соединены с входами информационных данных вычислителя, выходы ультразвуковых приемников корректирующих каналов соединены через усилители сигналов корректирующего канала с сигнальными входами измерителей времени задержки сигналов корректирующих каналов, выходы которых соединены с входом данных вычислителя, выход которого является выходом устройства, отличающаяся тем, что она содержит четыре корректирующих канала с четырьмя ультразвуковыми приемниками, размещенными попарно противоположно на краях рабочей зоны положений шлема оператора с известными расстояниями до каждого ультразвукового излучателя. 2. Ultrasonic helmet-mounted system for determining the linear and angular coordinates of the helmet of the head of the operator, including a computer and containing four ultrasonic emitters located in the cabin above the helmet of the operator at spaced points with known coordinates in the coordinate system associated with the cabin, four helmet-mounted ultrasonic receivers located in the reference points helmet, correction channels with ultrasonic receivers each, multiplexer, signal conditioner, synchronizer, signal amplifiers of helmet-mounted receivers AGCs, signal delay meters of helmet receivers, signal amplifiers of correction channels and signal delay meters of correction channels, while the synchronizer output is connected to synchronization inputs: multiplexer, all signal delay meters of helmet receivers, all signal delay meters of correction channels, signal shaper the output of which is connected to the signal input of the multiplexer, the separate outputs of which are connected to ultrasonic emitters , the outputs of the helmet-mounted ultrasonic receivers are connected through signal amplifiers of the helmet-mounted receivers to the AGC with the signal inputs of the delay time meters of the helmet-mounted receivers, the outputs of which are connected to the information inputs of the calculator, the outputs of the ultrasonic receivers of the correction channels are connected through the signal amplifiers of the correction channel with the signal inputs of the signal delay time meters correction channels, the outputs of which are connected to the input of the data of the computer, the output of which is Xia output device, characterized in that it comprises four correction channel with four ultrasonic receivers arranged in pairs on opposite edges of the working area of the operator positions the helmet with the known distances to each ultrasonic transducer.
RU2014131570/28A 2014-07-29 2014-07-29 Method of correcting linear and angular coordinates of helmet of aircraft operator and ultrasonic helmet-mounted system therefor RU2572222C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014131570/28A RU2572222C1 (en) 2014-07-29 2014-07-29 Method of correcting linear and angular coordinates of helmet of aircraft operator and ultrasonic helmet-mounted system therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014131570/28A RU2572222C1 (en) 2014-07-29 2014-07-29 Method of correcting linear and angular coordinates of helmet of aircraft operator and ultrasonic helmet-mounted system therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2572222C1 true RU2572222C1 (en) 2015-12-27

Family

ID=55023559

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014131570/28A RU2572222C1 (en) 2014-07-29 2014-07-29 Method of correcting linear and angular coordinates of helmet of aircraft operator and ultrasonic helmet-mounted system therefor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2572222C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3777305A (en) * 1972-04-10 1973-12-04 Us Navy Ultrasonic angle measurement system
US3836953A (en) * 1973-03-30 1974-09-17 Honeywell Inc Propagation speed determining apparatus
US5495427A (en) * 1992-07-10 1996-02-27 Northrop Grumman Corporation High speed high resolution ultrasonic position and orientation tracker using a single ultrasonic frequency
RU2357184C1 (en) * 2007-08-13 2009-05-27 Закрытое Акционерное Общество "Транзас" Method of defining linear and angular coordinates of operator helmet in aircraft cockpit and ultrasonic helmet system for method implementation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3777305A (en) * 1972-04-10 1973-12-04 Us Navy Ultrasonic angle measurement system
US3836953A (en) * 1973-03-30 1974-09-17 Honeywell Inc Propagation speed determining apparatus
US5495427A (en) * 1992-07-10 1996-02-27 Northrop Grumman Corporation High speed high resolution ultrasonic position and orientation tracker using a single ultrasonic frequency
RU2357184C1 (en) * 2007-08-13 2009-05-27 Закрытое Акционерное Общество "Транзас" Method of defining linear and angular coordinates of operator helmet in aircraft cockpit and ultrasonic helmet system for method implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103257348B (en) Measurement system of relative altitude and relative attitude of air vehicle and measurement method thereof
US5585557A (en) Air data system for measuring fluid flow direction and velocity
CN104133217B (en) Method and device for three-dimensional velocity joint determination of underwater moving target and water flow
RU112446U1 (en) PASSIVE RADIOELECTRONIC COMPLEX FOR ONE-POINT DETERMINATION OF HORIZONTAL COORDINATES AND OBJECTS OF MOTION OF THE OBJECT BY THE LINE-FILTRATION CALMAN-BUSSI METHOD
US4031756A (en) Ultrasonic air movement and temperature measuring apparatus
CN110554359B (en) Seabed flight node positioning method integrating long baseline positioning and single beacon positioning
US4038870A (en) Air movement measuring apparatus
EP3693746B1 (en) Acoustic air data system
CN105301275B (en) The method and apparatus for estimating the Mach number of aircraft
CN101806882A (en) Locating method of emitting source
CN105738869A (en) Deepwater beacon searching and positioning method suitable for single hydrophone
RU2626380C1 (en) Selection system of moving targets with measurement of range, radial velocity and direction of motion
RU2649073C1 (en) Method for determining coordinates of the underwater object by the hydroacoustic system of underwater navigation with an alignment beacon
EP3882639B1 (en) Acoustic air data system with radially paired receivers
RU2572222C1 (en) Method of correcting linear and angular coordinates of helmet of aircraft operator and ultrasonic helmet-mounted system therefor
RU127473U1 (en) VORTEX SENSOR OF AERODYNAMIC ANGLE AND TRUE AIR SPEED
Walworth et al. 3D position sensing using the difference in the time-of-flights from a wave source to various receivers
KR20160050119A (en) Appratus and method for measuring velocity and direction of wind using ultrasonic
JP6043026B1 (en) Flow field measuring device and flow field measuring method
US2912671A (en) Velocity measuring method and apparatus
RU2449242C1 (en) Ultrasonic helmet-mounted positioning system
RU2495379C2 (en) Method for determining failures of gyroscopic metre of vector of angular speed of space vehicle, and device for its implementation
RU2506596C1 (en) Vortex sensor of aerodynamic angle and true air speed
JP2009031137A (en) Ultrasonic wind measurement system
RU2238521C1 (en) Method of determination of vectors of air and ground speeds and drift angle of flying vehicle and complex laser unit for realization of this method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160730