[RU]

Система прицеливания для портативного оружия, содержащая пары инерционных датчиков гироскопического, акселерометрического и магнитометрического типа, расположенных, соответственно, на оружии и на шлеме с дисплеем с отображением на стекло, для определения как относительной ориентации, так и относительного положения в пространстве оружия и шлема, с последующим отображением линии стрельбы на дисплее с проекцией на стекло.

(57) Реферат / Формула:

Система прицеливания для портативного оружия, содержащая пары инерционных датчиков гироскопического, акселерометрического и магнитометрического типа, расположенных, соответственно, на оружии и на шлеме с дисплеем с отображением на стекло, для определения как относительной ориентации, так и относительного положения в пространстве оружия и шлема, с последующим отображением линии стрельбы на дисплее с проекцией на стекло.

---

1411016
СИСТЕМА ПРИЦЕЛИВАНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области портативного оружия, и, более конкретно, относится к системе прицеливания для портативного оружия.
Уровень техники
Для обеспечения точного прицеливания известны обычные системы прицеливания портативного оружия, которые обязывают пользователя использовать устройство индикации, закрепленное на оружии. Как в стандартной механической системе прицеливания, в которой коллимируют две опорные точки вдоль оси ствола, так и в более усовершенствованных системах, в которых используются оптические пути, инфракрасные датчики и устройства другого типа, фактически необходимо разместить глаз, и, поэтому, лицо в непосредственной близости к окуляру, который закреплен, как единое целое, на оружии.
При этом нет возможности обеспечить полную защиту лица для эффективного выполнения этой операции, и лицо, поэтому, остается открытым для вражеского огня, в случае военных действий.
Пример конкретного решения описанных выше проблем описан выше в заявке DE202009012199 патента на полезную модель. В этом документе описано портативное оружие, оборудованное системой, которая позволяет выполнять операции прицеливания с помощью шлема, оборудованного смотровым щитком, размещенным перед глазами, на который динамически проецируется сетка прицеливания.
Для обеспечения того, что линия цели оружия появлялась на этой сетке, электронный модуль, помещенный на шлеме, рассчитывает относительное угловое смещение между двумя наборами инерционных датчиков, установленных на шлеме и в оружии, соответственно, что идентифицирует относительные движения шлема и оружия, и перемещает сетку прицеливания, соответственно. В частности, для регулирования ориентации оружия в пространстве, в нем установлен датчик кругового момента (гироскоп).
В шлеме также предусмотрен гироскоп, выполненный с возможностью отслеживания его угловых моментов. Как оружие, так и шлем, должны быть ориентированы с помощью магнитного компаса (магнитных датчиков, которые определяют фиксированную ориентацию в пространстве) и выровнены друг с другом.
После включения системы стрелок должен выровнять оружие с точкой прицеливания на смотровом щитке для "калибровки" системы.
Такой тип улучшенного портативного оружия способствует выполнению этапа прицеливания, поскольку оно опосредованно приводит к ограничению воздействия на пользователя огня противника, так как больше нет необходимости помещать голову в совмещении с системой прицеливания. Однако существуют существенные практические ограничения, ввиду, по существу, неотъемлемо присущего недостатка точности в самых "деликатных" моментах, то есть, в тех случаях, когда голова пользователя расположена на расстоянии от оружия.
Фактически, следует отметить, как в этой системе выполняются взаимосвязи при движении между оружием и шлемом посредством угловых координат: пользователь оружия может выравнивать оружие с линией визирования, без необходимости размещения своей головы (или глаз) точно относительно линии визирования, но не может устранить ошибку, возникающую в результате поступательного движения, то есть, линейного и не углового движения оружия относительно шлема (то есть, ошибку параллакса) относительно положения калибровки.
В некоторых обстоятельствах это ограничение делает систему прицеливания абсолютно бесполезной, например:
если пользователь находится внутри бронированного транспортного средства, для того, чтобы сделать выстрел он или она должен смотреть вперед так, чтобы оставаться защищенным, но оружие должно быть установлено через окно;
если пользователь скрывается позади препятствия, он или она все еще вынужден выглядывать (в наименьшей возможной степени), чтобы иметь возможность видеть цель, но для того, чтобы стрелять он или она обязательно должен удерживать оружие либо над головой или рядом с собой;
если пользователь движется вперед, удерживая оружие на высоте плеча, для как можно более быстрого движения, и внезапно появляется опасность, то стрельбу выполняют, используя оружие в этом положении, то есть, в положении, смещенном из калиброванного положения.
Во всех этих обстоятельствах ошибка параллакса из-за смещения линии цели (например, линии продолжения ствола винтовки, на которой установлена система) относительно линии визирования (параллельны друг другу) не может быть детектирована и может легко превышать полметра на цели на расстоянии сто метров, и это значение является неприемлемым в спецификациях боевого оружия.
Кроме того, важно отметить, что гироскопические датчики (то есть, датчики
кругового движения) подвержены неотъемлемой ошибке, называемой "дрейфом" (явление, для которого, даже при остановленном датчике, измеряют ненулевую угловую скорость), что приводит к дополнительным неточностям при прицеливании. Для ограничения такой ошибки дрейфа до минимума необходимо использовать гироскопы высокого качества, что, естественно, увеличивает стоимость оружия.
Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы решить задачи, обозначенные в отношении портативного оружия предшествующего уровня техники, в частности, разработать систему нацеливания для портативного оружия, которая позволяла бы предотвратить риск пользователя во время этапа прицеливания при одновременном поддержании высокой точности прицеливания.
Другая важная цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать систему прицеливания для портативного оружия, которая была бы не дорогостоящей, и при этом также обеспечивала высокую точность.
Эти и другие цели, которые будут более понятны ниже, достигаются с помощью системы прицеливания для портативного оружия, в соответствии с приложенным пунктом 1 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Дополнительные характеристики и преимущества изобретения будут более понятны из описания предпочтительных, но не исключительных вариантов его осуществления, которые иллюстрируются в качестве не ограничительного примера на приложенных чертежах, на которых:
на фиг. 1 представлена схема портативного оружия, в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 представлена блок-схема последовательности операций этапов алгоритма, который получает входные сигналы датчиков из набора из трех, в соответствии с изобретением, получает, как выходные сигналы, данные о расположении и относительной ориентации оружия и устройства дисплея;
на фиг. 3 представлена часть алгоритма по фиг. 2, представляющая подалгоритм, относящийся к расчету углов ориентации, относящихся к оружию и к устройству дисплея, в соответствии с изобретением.
Подробное описание изобретения
На упомянутых выше фигурах система прицеливания для портативного оружия, в соответствии с изобретением, в целом обозначена номером 10 ссылочной позиции. Цифрой 11 обозначено портативное оружие, которое можно использовать с системой прицеливания, в соответствии с изобретением, например, штурмовая винтовка, в то время как цифрой 12 обозначено устройство дисплея, которое может быть надето на пользователя, в данном примере в форме шлема 12А с индикатором на стекле (ниже также называется HUD, для краткости). Такой дисплей 12А с индикатором на стекле определяет смотровой щиток 12В для шлема, который также обладает защитной функцией для пользователя.
Система содержит первую пару инерционных датчиков 13В-14В, выполненных с возможностью детектировать соответствующую ориентацию в пространстве и/или относительную ориентацию оружия и устройства дисплея, на которых они установлены, вторую пару инерционных датчиков 13 А-14 А, выполненных с возможностью детектировать ориентацию магнитного поля относительно оружия и устройства дисплея, на которых они установлены, и третью пару инерционных датчиков 13С-14С, выполненных с возможностью детектировать линейные смещения и, поэтому, абсолютные или относительные положения в пространстве для соответствующих корпусов оружия и устройств дисплея, на которых они установлены.
Предпочтительно, более конкретно, на портативном оружии 11 установлена первая инерционная платформа 13, которая содержит три инерционных датчика, и, в частности, магнитометрический датчик 13А, гироскопический датчик 13В и датчик акселерометрический датчик 13С.
Аналогично, на шлеме 12 расположена вторая инерционная платформа 14, также содержащая магнитометрический датчик 14 А, гироскопический датчик 14В и акселерометрический датчик 14С.
В еще одном более конкретном случае, в этом примере, акселерометрический датчик и гироскопические датчики каждый охватывает заданный набор трех направлений детектирования (например, Декартова типа), для определения Декартовых компонентов ускорения и угловой скорости соответствующей инерционной платформы в пространстве. Магнитометрический датчик позволяет детектировать магнитную ось Земли и, поэтому, задает основное опорное пространственное направление, относительно которого рассчитывают инерционные параметры, поступающие из акселерометров и гироскопов.
В соответствии с такой конфигурацией, в каждом акселерометрическом датчике 13С-14С, предпочтительно, по существу предусмотрены три акселерометра,
установленные в направлениях детектирования, совпадающих с набором из трех декартовых координат; аналогично, также в каждом гироскопическом датчике 13В-14В предусмотрены три гироскопа с направлениями детектирования, совпадающими с набором трех опорных координат. Кроме того, в этом примере также каждый магнитометрический датчик 13А-14А содержит три магнитометра, расположенные в соответствии с заданным набором трех направлений детектирования (например, Декартова типа).
В описанном примере предпочтительно каждая инерционная платформа (или ее компонент) представляет собой платформу типа MEMS (микроэлектромеханического типа), в которой используется отклик на ускорение (линейное, включая в себя ускорение силы тяжести) и на круговые движения соответствующих мембран, встроенных в электронный преобразователь.
В описываемом примере, соответственно, в используемых гироскопах MEM, применяется эффект Кориолиса (в опорной системе, вращающейся с угловой скоростью w, масса т, движущаяся со скоростью v, подвергается силе F = - 2 m (и х v)).
Упрощенная геометрия гироскопа такого типа содержит массу, которая вибрирует вдоль оси (направление скорости v); когда гироскоп вращается, при этом сила Кориолиса вводит вторичную вибрацию вдоль оси, ортогональной оси вибрации: при измерении смещения массы в таком направлении получают общую угловую скорость массы.
В акселерометрах MEMS вместо этого используется закон Ньютона для измерения. Они, в частности, состоят из тестируемой массы с упругими удерживающими рычагами. Система преобразования смещения может, например, быть пьезоэлектрической или емкостной.
Поэтому, каждая инерционная платформа 13 и 14 имеет три датчика, каждый датчик, на практике, сам по себе, состоит из трех "подцатчиков" (гироскопов, акселерометров и магнитометров), расположенных ортогонально друг другу. Гироскопы чувствительны к вращениям, акселерометры чувствительны к ускорению и также обеспечивают опорную точку для набора из трех гироскопов, то есть, плоскость, ортогональную направлению силы тяжести, в то время как магнитометры чувствительны к магнитному полю и также обеспечивают опорную плоскость для набора из трех гироскопов, то есть, плоскость, ортогональную магнитному северному полюсу Земли.
Система 10 прицеливания также содержит определенную форму электронного средства, управляющего и обрабатывающего информацию, принимаемую из описанных выше инерционных датчиков, например, электронный модуль 15, физически расположенный в дисплее 12А на шлеме/голове так, что он, например, интегрирован или
взаимосвязан со второй инерционной платформой 14 MEMS. В соответствии с изобретением, такой электронный модуль, помимо прочего, разработан для размещения во взаимном соотношении ориентации и положения в пространстве оружия 11 и устройства 12 дисплея и для представления на смотровом щитке 12В, на основе упомянутых взаимосвязей ориентации и положения, по меньшей мере, части траектории стрельбы из оружия, то есть, траектории снаряда, выстреливаемого из оружия, как будет лучше описано ниже.
Следует понимать, что система содержит средство обмена данными между оружием 11 и устройством 12 дисплея такое, как, предпочтительно, система беспроводной передачи данных между первой инерционной платформой 13 и электронным модулем 15, и средство передачи данных (предпочтительно, физического типа, например кабель или электропроводные дорожки) между второй инерционной платформой 14 и тем же электронным модулем 15.
Вкратце, сводя вместе все компоненты, система содержит
средство датчика движения винтовки, которое воспринимает, как круговые движения, так и прямолинейные движения оружия, и средство передачи для модуля электронной обработки на шлеме; средство датчика движения на шлеме, которое воспринимает, как круговые движения, так и прямолинейные движения шлема, то есть, головы;
модуль обработки, предпочтительно, установленный на той же механической части, что и средство датчика движения на шлеме, который получает данные из двух средств датчика (и средства, расположенного на оружии, предпочтительно, через беспроводный канал передачи), обрабатывает эти данные и передает в HUD команды для смещения сетки прицеливания (который на практике формирует часть траектории стрельбы оружия, то есть, ее конечную часть), в соответствии с воспринимаемыми движениями;
HUD, то есть, смотровой щиток, встроенный в передней части шлема, который, исходя из данных о положении и ориентации шлема и винтовки, проецирует сетку прицеливания в соответствии со смещением оружия относительно головы, одновременно учитывая вариации ориентации головы и оружия в пространстве и линейное перемещение (вариация расстояния между двумя телами), то есть, изменение относительного положения оружия и головы.
Систему, предпочтительно, устанавливают на шлеме, который выполнен с возможностью полной защиты лица солдата.
Дисплей, проецируемый на стекло, представляет данные для пользователя,
одновременно представляя реальную сцену и наложенную информацию, среди которых сетку прицеливания, которая на практике представляет собой оконечную часть линии стрельбы, исключая, таким образом, существенные движения головы или глаз, которые возникают, например, если солдат должен нацелиться на цель, в которую требуется выстрелить.
Поэтому, благодаря HUD, оператор может стрелять, точно прицеливаясь на цель, поддерживая реально воплощаемое восприятие поля сражения, без каких-либо препятствий между глазами и внешним миром, в отличие от случая с обычным прицеливанием. В частности, сетка прицеливания формируется на смотровом щитке шлема перед глазами. Для предотвращения усталости глаз, вызываемой непрерывным изменением фокусировки (фокусировки - повторной фокусировки между реальной сценой и накладываемыми данными), например, как в HUD для самолета, фокус установлен на бесконечность (фокусирование на бесконечность), что позволяет пилоту считывать показания дисплея без перефокусировки. Вместо этого, некоторые экспериментальные HUD работают, записывая информацию непосредственно на сетчатку глаза пользователя.
Операция HUD, таким образом, центрируется при проектировании изображения, в нашем случае сетки прицеливания, на оптический элемент из прозрачного стекла (объединитель), как показано на фиг. 1.
Сетка прицеливания представляет собой не более, чем визуальное средство помощи для пользователя, который должен сделать выстрел, и в идеале (пока не будут выполнены коррекции, учитывающие возможности или механическую сборку оружия), ее выравнивают с оружием, то есть, она точную обозначает точку, в которую будет направлен выстреливаемый снаряд.
Дисплей с проецированием на стекло хорошо известен и применяется в системах визуализации, взаимосвязанных с оружием, и обычно состоит из следующих компонентов:
• Объединитель: объединитель представляет собой экран (например, оптически скорректированную пластиковую линзу), частично отражающий, но, по существу, прозрачный, который отражает свет, проецируемый модулем IPU проецирования изображения. Свет, который достигает глаз, представляет собой комбинацию света, который проходит через линзу, и отражаемого света от проектора.
• Терминал мобильных данных (MDT): этот модуль связывается с центральным процессором для доступа к информации, которая ему требуется.
• Генератор видеоизображения: этот модуль генерирует видеоизображения на
основе характера информации, полученной через модуль MDT.
• Модуль проецирования изображения - IPU: этот модуль получает видеосигнал из генератора видеоизображения и проецирует видеоизображения (в данном случае, сетку прицеливания) на объединитель. В настоящее время, благодаря новым технологиям, разработанным в области микродисплеев и MEMS, такой модуль основан на жидкокристаллическом дисплее (LCD), на дисплее типа жидкий кристалл на кремнии (LCOS) или на устройствах цифровых микрозеркал (DMD), органических светодиодах (OLED) и лазерах малой интенсивности (которые проецируют изображение непосредственно на сетчатку глаза).
Таким образом, следует учитывать, что для работы, в данном случае, для HDU требуются данные, поступающие из электронного модуля, то есть, данные об ориентации и относительных положениях между шлемом и оружием, которые могут быть рассчитаны, используя описанные инерционные платформы (в сетке будет выполнена коррекция после нескольких тестовых выстрелов).
Следует отметить, что использование датчиков движения (как круговых, так и линейных) на оружии и на шлеме, позволяет устранить ошибку параллакса (вызванную переменным расстоянием между головой и оружием), что выполняют перед операцией стрельбы.
Для выполнения операции в системе прицеливания также требуется опорное средство, выполненное с возможностью определения исходной ориентации и исходного положения в пространстве для оружия 11, и устройство дисплея 12, которое должно быть известно системе таким образом, чтобы иметь исходные данные, по которым можно было бы выполнять изменения в ориентации и положении, детектируемые датчиками. Например, такое опорное средство содержит область 16А установки положения между оружием 11 и устройством 12 дисплея так, что, когда оружие будет установлено на упомянутом устройстве дисплея в упомянутой области 16А установки положения, положение и относительная ориентация этих двух частей определяются взаимно однозначно, и система инициализирует определение ориентации и относительного положения этих двух частей от момента этой установки положения. Например, опорная область 16А воплощена с помощью гнезда 16А, сформированного на шлеме, внутри которого вставлена деталь 16В взаимодополняющей формы оружия 11, таким образом, что при его присоединении взаимно однозначно определяются ориентация и взаимное положение. Соответственно, в этом гнезде может присутствовать средство управления (например, нажимная кнопка), таким образом, что, когда оружие 11 соединено с гнездом 16А на шлеме, такое управление обязательно активируется (в случае нажатия на
нажимную кнопку оружием), и система инициализирует взаимное положение и ориентацию оружия и устройства дисплея.
Простой пример, который вкратце иллюстрирует работу системы, состоит в следующем: солдат, стоящий на ногах, с винтовкой, удерживаемой сбоку и нацеленной вперед, и голова которого обращена вперед, видит сетку прицеливания (фактически, в форме конечной части траектории движения оружия) на смотровом щитке 12В дисплея, отображаемого на стекло, перед его/ее лицом, которая ясно перемещается, если винтовку поворачивать вправо или влево, вверх или вниз, в том же направлении, что и оружие. Вместо этого, если солдат удерживает винтовку неподвижно и поворачивает свою голову, сетка будет перемещаться в направлении, противоположном направлению вращения. В конечном итоге, если голова или винтовка выполняют поступательное движение без поворота относительно друг друга, происходит смещение сетки прицеливания в соответствии с представленным выше описанием, но намного менее заметно. Следует отметить, например, что при повороте оружия на 5° на расстоянии 100 м, точка попадания фактически будет находиться на расстоянии 90 м за пределами цели, в то время как, если оружие переместить на 50 см относительно шлема, на расстоянии 100 м, точка попадания ракеты остается на расстоянии 50 см за пределами цели. Поэтому, расстояние увеличивает вес угловой ошибки, в то время как линейная ошибка остается постоянной (один из инновационных аспектов настоящего изобретения состоит в том, чтобы учитывать относительное поступательное передвижение устройства дисплея и оружия, как результат определения их линейных перемещений, измеренных посредством акселерометров).
Для правильного отображения точки стрельбы на смотровом щитке в системе используются особенно предпочтительные алгоритмы для обработки параметров, детектируемых магнитометрическими, гироскопическими и акселерометрическими датчиками. Ниже будет представлено описание на основе подробного примера работы системы.
Работа системы 10 прицеливания может быть разделена на два этапа: этап инициализации (или выравнивания) системы, на котором определяют положение и относительную ориентацию в пространстве оружия и устройства дисплея, как описано выше, и этапы прицеливания и стрельбы.
На обоих этапах все параметры, предоставляемые двумя инерционными платформами, постоянно считывают, то есть, три компонента ускорения, три угловые скорости, три компонента магнитного поля для каждой из двух платформ, измеренные в соответствии с направлениями детектирования датчиков, в этом примере, размещают ортогонально, для определения набора из трех декартовых координат.
Далее будет сделана ссылка только на инерционную платформу оружия, при этом описание также относится к инерционной платформе, по существу, аналогичного устройства дисплея.
Поэтому, с Amx, Ату, Amz будет обозначать ускорение, измеряемое тремя акселерометрами, размещенными ортогонально друг другу, то есть, вдоль набора трех декартовых координат х, у, z и которые, поэтому, представляют собой три Декартовых компонента ускорения, которому подвергают платформу; аналогично тому, как Wmx, Wmy, Wmz обозначают компоненты угловой скорости платформы, измеренной тремя гироскопами, и Нх, Ну и Hz обозначают три компонента магнитного поля, измеренные магнитным датчиком.
Следует отметить, что, поскольку важным является только относительное положение (а не абсолютное положение), нет необходимости корректировать показания магнитометра по углу магнитного склонения, и, поэтому, систему можно транспортировать в разные части мира, без необходимости повторной калибровки.
Как упомянуто выше, перед тем, как можно будет использовать систему прицеливания, она должна быть инициализирована. Эта операция обеспечивает то, что во время t=0 две платформы размещены на известном взаимном расстоянии и с известным угловым положением (в противном случае, было бы невозможно измерить исходное линейное расстояние без приемника GPS). Во время этого этапа дрейф гироскопов и акселерометров (смещение значений ускорения и угловой скорости, которое было остановлено в этих двух системах, которое должно быть равно нулю, но которое, вместо этого, воспринимается системой) измеряют и вычитают (естественно, если оно присутствует), то есть, компенсируют при последующих измерениях. Для инициализации, как указано выше, в шлеме предусмотрено опорное гнездо 16А, в котором расположена соответствующая деталь 16В оружия, с заданной ориентацией. Инициализация системы требует нескольких секунд, она начинается, например, путем нажатия на часть 16В (или другую соответствующую часть оружия) в гнезде 16А, и ее можно повторять для "сброса" системы, в случае необходимости.
Более схематично, этот этап инициализации включает в себя (инерционные платформы 13 и 14 не двигаются относительно друг друга):
измерение дрейфа гироскопов, например, посредством получения среднего значения для измеренных значений Wmx, Wmy, Wmz при последовательном считывании (например, три раза);
расчет компонента ускорения силы тяжести для каждого из трех акселерометров, после соответствующей фильтрации, измерение дрейфа трех акселерометров, используя
среднее измеренных значений для Атх, Ату, Ат2 при последовательных считываниях (например, три раза), после вычитания ускорения силы тяжести;
установку исходного значения положения и скорости для двух платформ.
Момент, в который оружие 11 перемещается на расстояние от шлема (отделение от опорного гнезда 16А), инерционные платформы 13 и 14 на оружии 11 и на шлеме 12, соответственно, измеряют свое положение в пространстве и, следовательно, взаимное расстояние и взаимную ориентацию. Ориентация выражается посредством углов Тайта-Брайана (вариант углов Эйлера, которые, как известно, описывают положение опорной системы XYZ, объединенной с жестким телом через последовательность поворотов, начиная от фиксированной опорной системы xyz; начала координат двух опорных систем совпадают), также известной как "крен", "тангаж" и "рыскание" (или отклонение от курса), или в соответствии с условием, сокращенно, как R, Р и Н.
Расчет ориентации (то есть, углов) начиная от значений угловой скорости, измеренных гироскопами, происходит путем однократного интегрирования скорости, в то время как положение рассчитывают путем интегрирования ускорения, измеренного акселерометрами дважды.
Этап интегрирования угловой скорости и данных ускорения должен быть воплощен для коррекции эффекта, вызванного ускорением силы тяжести и центростремительного ускорения, которые могли бы исказить результаты измерений, как лучше описано ниже.
На фиг. 2 показана схема предпочтительного алгоритма, используемого в системе, в котором учитывается представленное выше описание для идентификации ориентации и положения инерционных платформ, ассоциированных с оружием и со шлемом, с novjom. которого возможно рассчитать изменение положения между двумя телами, которые последовательно перемещаются на смотровом щитке таким образом, чтобы точка стрельбы из оружия была всегда видна на нем, независимо от того, как движется оружие и голова пользователя.
Этапы этого алгоритма представляют собой следующие (этапы относятся к ориентации и измерениям положения оружия, этапы, относящиеся к устройству дисплея, которые являются, по существу, идентичными).
Модуль 15 обработки принимает данные Атх, Ату и Amz линейного ускорения (точка (1) на фиг. 2), измеренные акселерометрами 13С, относящимися к системе, выполненной интегрально с оружием 11, и (точка (2)) угловых скоростей Wmx, Wmy, Wmz, измеренные гироскопами 13В, и моментов магнитного поля Нх, Ну, Hz (точка (3)), передаваемые магнитометром 13А. Модуль обработки принимает аналогичные данные из
инерционной платформы 14 устройства 12 дисплея.
Показания акселерометров 13С корректируют (точка (4)), вычитая дрейф, который был рассчитан на этапе инициализации, как описано выше, получая очищенные значения
Amx-dj Ajny-d, Amz-d.
Аналогично, показания гироскопов 13В корректируют (точка (5)), вычитая дрейф, который был рассчитан на этапе инициализации, как описано выше, получая очищенные значения Wmx.d Wmy.d, Wmz.d.
Для получения значения углов R, Р и Н Тайта-Брайана (или Эйлера), которые определяют ориентацию в пространстве инерционной платформы 13, необходимо интегрировать, например, как в точке (6а), производные R', Р' и Н' этих углов, рассчитанные следующим образом (точка (6)).
Wmx-d Wmy.d Wmz_d
где s(-) и c(-) обозначают функции синуса и косинуса (ниже t(-) обозначает функцию тангенса).
Значения R, Р и Н также используются для определения матриц преобразования между двумя опорными системами, одна из которых выполнена, как единое целое с инерционной платформой и опорной системой Земли, и, в частности, системой NED (то есть, опорной системой "Север Восток" Низ, которая выполнена интегральной с Землей).
Матрица преобразования между системой платформы и системой NED представляет собой:
с(Р)с(Н) c(P)s(H) -s(P)
s(R)s(P)c(H) s(R)s(P)s(H)+c(R)c(H) s(R)/c(P) c(R)s(P)c(H)+s(R)s(H) c(R)s(P)s(H) c(R)/c(P)
в которой P, R и H, соответственно, представляют собой значения крена, тангажа и рыскания; обратная матрица MNb также может быть получена из этой матрицы для обратного преобразования.
Выражение матрицы преобразования между платформой и опорной системой NED (опорная система Земли) и также выражение матрицы, которая обеспечивает получение производных углов ориентации, могут быть получены из показаний гироскопов (Wmx, Wmy, Wmz) (точка (6)), как хорошо известно из литературы, например, в "Grewal, M.S., Weill, L.R., and Andrews, A.P., Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration, John Wiley and Sons, New York, 2001".
Компонент ускорения силы тяжести (точка (8)) и центростремительное ускорение
(точка (9)) вычитают из данных, подаваемых акселерометрами (Amx, Ату, Amz). Таким образом, следующие формулы применяют для получения скорректированных значений, Ах, Ау, Az, зная исходные значения Amj, то есть, те, которые поступают непосредственно от акселерометров:
Ах = Amx_d-(Wm)(.dV2-Wmz_dVy)-gs(P) Ау = Amy-d-(Wmz-dVx-Wmx-dVz)-gs(R)c(P) Az = Amz.d-(Wmx.dVy-Wmy.dVx)-gc(R)c(P) где Vx, Vy, Vz представляют собой значения скорости, полученные в результате
интеграции точки (10) ускорения, g обозначает ускорение силы тяжести и Р, и R, соответственно, обозначают значение крена и рыскания. На первом этапе алгоритма скорости VX, VY, VZ еще не доступны, поскольку их получают в результате интегрирования тех ускорений, которые еще обрабатывают, и, поэтому, они должны быть соответствующим образом инициализированы в ноль. Фактически, исходная относительная скорость между двумя платформами (единственные движения, представляющие интерес, фактически представляют собой относительные движения) равна нулю.
Представленные выше соотношения могут быть легко получены. В качестве примера, рассмотрим первое: проекцию тяжести на ось х платформы и компонент вдоль оси х векторного произведения между угловой скоростью и вектором линейной скорости, оба выраженные в опорной системе платформы, вычитают из необработанного значения ускорения Amx.d вдоль оси х.
Ускорение Ах, Ау, AZ; очищенное таким образом, интегрируют (точка (10)), как уже упоминалось, для получения компонентов VX, VY, VZ скорости. Последние воспроизводят в системе NED, используя упомянутую выше матрицу Mg преобразования, получая, таким образом, компоненты скорости в системе VXN, VYN, VZN земли. Кроме того, эти скорости дополнительно интегрируют (точка (11)), для конечного получения положения в пространстве инерционной платформы (SXN, SYN, SZN).
Поскольку учитываемое ускорение имеет ограниченное значение, ориентация
также может быть получена путем измерения проекции ускорения силы тяжести на ось
акселерометра и измерения путевого угла, используя датчик магнитного поля. Уравнения
для получения углов Тайта-Брайана (Эйлера) при использовании показания акселерометра
и магнитометра, представляют собой следующие:
P=s-1(AX)
R=f1(Ay/Az)
H=f1(H/Hx)
Для доказательства этих соотношений следует сделать ссылку на
специализированные тексты (например, " Grewal, M.S., Weill, L.R., and Andrews, A.P., Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration, John Wiley and Sons, New York, 2001" and others).
Поэтому, углы (P, R, H) Тайта-Брайана (Эйлера) которые описывают ориентацию в пространстве твердого тела, получают двумя различными способами (интегрированием гироскопов, с одной стороны, и с использованием акселерометров и магнитометров, с другой стороны).
Соответственно, в алгоритме, в соответствии с изобретением, два набора данных объединяют в итеративном подалгоритме, который ниже называется "алгоритмом" объединения датчиков, для получения еще более точного результата, используя блок-схему, показанную на фиг. 3. На этом изображении используется другая терминология: Расе, Race, Насс относится ко второму способу расчета углов Тайта-Брайана (Эйлера), то есть, с помощью акселерометров и магнитометров, в то время как atan2 обозначает функцию, которая рассчитывает арктангенс в четвертом квадранте.
По существу, алгоритм работает одинаково для R, Р и Н; поэтому, ниже будет описан одиночный случай, относящийся к тангажу (Р), описанному ниже. На первом этапе алгоритм вычитает из производной тангажа, рассчитанной в точке (6), полученной через гироскопы, параметр к (значение которого соответствующим образом инициализируют, но который теоретически может быть любым, допуская несколько дополнительных секунд задержки при достижении установившегося состояния данных положения), после чего его интегрируют и выводят, как конечное значение тангажа. Вместо этого, начиная со второго этапа, значение к, которое добавляют к/вычитают из производной значения тангажа, в соответствии с разностью между Pgyr0 (то есть, рассчитанной вначале измерений гироскопов) и Расс (то есть, рассчитанной вначале измерений акселерометров). Таким образом, такую разность постепенно сглаживают, и она также изменяет выходное значение тангажа (поскольку изменяются те же подынтегральные выражения, когда изменяется к).
Такой подалгоритм определен "функцией датчика", поскольку он объединяет
данные, поступающие из трех разных типов датчика, гироскопов, акселерометров и
магнитометров (фиг. 3). Такой подалгоритм, по существу, сравнивает значения R, Р, Н,
• • •
рассчитанные гироскопами (или, более точно, используя вариации 1Х> Г,> ?1 этих углов, см. точку (6)) с теми, которые были рассчитаны акселерометрами (Race, Pace) и магнитометрами (Hmagnetometer)- В первом способе (точка (6)) используются значения гироскопов, после соответствующего вычитания величин дрейфа (Wmx-d, Wmy_d, Wmz-d), и
углы Тайта-Брайана (Эйлера), рассчитанные на предыдущем этапе (и, поэтому, соответствующим образом инициализированные на первом этапе), для получения вариаций трех представляющих интерес углов, которые, будучи интегрированными, обеспечивают углы R, Р, Н. Вместо этого, во втором способе (точка (6А) на фиг. 2 и фиг. 3) на основе гипотезы малых ускорений в отношении расчета крена и тангажа, соответствующим образом скорректированные акселерометры используются (на выходе точки (9), то есть, Ах, Ау и Az), в то время как магнитометры, вместо этого, используют для расчета рыскания. В этой точке параметр к на фиг. 3 используется для "взвешивания" двух способов, то есть, для придания большего соответствия одному расчету углов положения относительно другого. Чем меньшее значение к, тем меньший вес будет учитываться при расчетах результатов измерения акселерометров, и наоборот. Значение параметра будет зависеть от конкретного применения.
Как отмечено, алгоритм изобретения рассчитывает на основе ускорения, значений угловой скорости и магнитного угла, положения в пространстве инерционных платформ (SXN, SyN, SZN) оружия и устройства дисплея. Более конкретно, на выходе алгоритма получают результат измерения ориентации оружия и шлема, и взаимного расстояния, заданного разностью компонентов вектора положения.
Поэтому данные, переданные на выход алгоритма представляют собой:
P_relative - P_helmet_P_weapon R_relative - R_helmet_R_weapon H_relative - H_hemlet_H_weapon SxN_relative- SxN_helmet_SxN_weapon SyN_relative- SyN_helmet_SyN_weapon SzN_relative- SzN_helmet_SzN_weapon
Взаимное положение двух платформ (относительный угол и расстояние) используется для проецирования в трехмерном виде положения линии цели на смотровом щитке 12В дисплея 12Ас проецированием на стекло.
Учитывая точность современных систем MEMS, и процедуры инициализации, предложенная система прицеливания позволяет попасть в стандартную корпусную мишень на расстоянии 100 м. Используя современную технологию, инерционная платформа и разработанные алгоритмы позволяют достичь точности 0,2°; путем комбинирования неопределенности измерения в двух инерционных платформах, и получают точность 0,3°, которая эквивалентна приблизительно 6 мрад, то есть, допуск 50 см на расстоянии 100 м. В случае, когда оружие используется в "практически статическом" режиме, то есть, без внезапных и непрерывных движений шлема и винтовки, точность может достигать 0,02°, то есть, допуск 10 см на расстоянии 100 м, поэтому, лучшую, чем определена естественным рассеянием оружия. Следует понимать, что при нормальном усовершенствовании точности используемых технологий, такая точность
будет дополнительно улучшена.
Очевидно, что описанная выше система прицеливания достигает установленной цели. Фактически, предложенная система позволяет направлять огонь штурмового оружия на цель без необходимости приближать свои глаза, и, поэтому, лицо, к линии прямой видимости.
В частности, особенно предпочтительный аспект настоящей системы состоит в том, что голова, лицо, шея и горло солдата могут быть защищены при постоянном использовании шлема для всего лица с противошрапнельным смотровым щитком для уменьшения травм в области, которая в настоящее время является самой уязвимой для любой формы атаки.
Данная система позволяет удалить датчик Е/О любого типа (как в видимом, так и в инфракрасных диапазонах), окуляры, объективы, кнопочные панели из оружия, что существенно уменьшает его вес и оставляет только механизм для инерционной платформы и электроники, для объединения частичных отклонений (винтовки) и их передачи. Следует отметить, как система, в одном варианте, может быть оборудована шлемом с датчиком для движения в ночное время: сетка в этом случае может появляться не на стекле дисплея, но на изображении, генерируемом системой опосредованного дисплея, расположенной на шлеме и воспроизводимой в стандартном окуляре.
Фундаментальный аспект настоящей системы прицеливания состоит в том, что она детектирует и, поэтому, корректирует ошибку параллакса, которая возникает в случае задержки выстрела. Фактически, акселерометры используются в первый раз, для обеспечения возможности коррекции ошибки параллакса.
Следует понимать, что на чертеже показаны только возможные не ограничительные варианты осуществления изобретения, которое может изменяться по форме и компоновкам, однако, не выходя за границы объема концепции, на которой основано изобретение. Любые номера ссылочных позиций в приложенной формуле изобретения представлены исключительно для того, чтобы способствовать его чтению, с учетом представленного выше описания и приложенных чертежей, и, никоим образом, не ограничивают объем защиты.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Система прицеливания для портативного оружия, содержащая
первую (13В-14В) и вторую пары (13А-14А) инерционных датчиков, упомянутые инерционные датчики упомянутых пар должны быть размещены соответственно на портативном оружии (11) для определения траектории стрельбы, и на устройстве (12) дисплея, переносимого на голове пользователя, содержащего смотровой щиток (12В), который может рассматривать пользователь, упомянутая первая пара (13В-14В), содержащая первые инерционные датчики, выполненные с возможностью детектировать ориентацию в пространстве, и упомянутая вторая пара (13А-14А), содержащая вторые инерционные датчики, выполненные с возможностью детектирования ориентации магнитного поля Земли, упомянутые пары инерционных датчиков (13В-14В, 13А-14А) выполнены с возможностью определения, совместно с опорным средством (16А, 16В), выполненным с возможностью определения, по меньшей мере, одной исходной ориентации для упомянутого оружия (11) и упомянутого устройства (12) дисплея в пространстве, относительной ориентации в пространстве для оружия (11) и устройства (12) дисплея;
электронное средство (15) администрирования информацией, принятой упомянутыми парами инерционных датчиков (13В-14В, 13А-14А) и выполненное с возможностью установления взаимного соотношения ориентации в пространстве упомянутого оружия (11) и упомянутого устройства (12) дисплея и представления на упомянутом смотровом щитке (12В), на основе упомянутого соотношения ориентации, по меньшей мере, части траектории стрельбы оружия (11);
отличающаяся тем, что она содержит третью пару (13С-14С) инерционных датчиков, соответственно, расположенную на упомянутом оружии (11) и на упомянутом устройстве (12) дисплея, содержащую третьи инерционные датчики (13С, 14С), выполненные с возможностью определения линейного смещения в пространстве упомянутого оружия (11) и упомянутого устройства (12) дисплея; упомянутое электронное средство (15) предназначено для управления информацией, выполненное с возможностью помещения во взаимном соотношении положения в пространстве упомянутого оружия (11) и упомянутого устройства (12) дисплея, и представления на упомянутый смотровой щиток (12В), по меньшей мере, части траектории стрельбы оружия, как на основе упомянутого соотношения положения, так и на основе упомянутого соотношения ориентации.
2. Система по п. 1, в которой упомянутые третьи инерционные датчики (13С, 14С)
представляют собой акселерометры, выполненные с возможностью определения, во взаимодействии с упомянутым электронным средством (15) администрирования значения перемещения упомянутого оружия (11), и с упомянутым устройством (12) дисплея, ассоциированным с головой пользователя, таким образом, чтобы использовать это значение перемещения при расчете и представлении упомянутой, по меньшей мере, части траектории стрельбы оружия (11) на смотровом щитке (12В).
3. Система по п.п. 1 или 2, в которой упомянутые пары инерционных датчиков (13А-14А, 13В-14В, 13С-14С) расположены на двух инерционных платформах (13, 14) типа MEMS.
4. Система по любому одному или больше из предыдущих пунктов, в которой на упомянутом портативном оружии (11) и на упомянутом устройстве (12) дисплея присутствуют три инерционных датчика (13А, 13В, 13С, 14А, 14В, 14С), и, в частности, магнитометрический датчик (13А, 14А), гироскопический датчик (13В, 14В) и датчик (13С, 14С) акселерометра.
5. Система по п. 4, в которой упомянутый гироскопический датчик (13В, 14В) и датчик (13С, 14С) акселерометра содержат наборы трех направлений детектирования, для определения Декартовых компонентов угловой скорости и ускорения в пространстве.
6. Система по любому одному или больше из предыдущих пунктов, в которой упомянутые гироскопические датчики (13В, 14В) и/или акселерометры (13С, 14С) формируют из трех "поддатчиков", соответственно, в форме гироскопов и линейных акселерометров, расположенных ортогонально друг другу, упомянутые гироскопы выполнены чувствительными к вращениям, упомянутые акселерометры являются чувствительными к ускорению и формируют опорные значения для набора из трех гироскопов, то есть, плоскость, ортогональную направлению силы тяжести; упомянутый магнитометрический датчик (13А, 14А) также формирует опорное значение для набора из трех гироскопов, то есть, плоскость, ортогональную магнитному северному полюсу Земли.
7. Система по любому одному или больше из предыдущих пунктов, в которой упомянутое электронное средство для управления информацией, поступающей от инерционных датчиков, содержит электронный модуль (15), физически взаимосвязанный с устройством (12) дисплея, упомянутый электронный модуль (15) разработан для помещения во взаимное соотношение ориентации и положения в пространстве оружия (11) и устройства (12) дисплея и для представления на смотровом щитке (12В), на основе упомянутого соотношения ориентации и положения, по меньшей мере, части траектории стрельбы оружия (11).
3.
8. Система по любому одному или больше из предыдущих пунктов, в которой упомянутое устройство дисплея (12) взаимосвязано со шлемом (12А).
9. Система по любому одному или больше из предыдущих пунктов, содержащая средство передачи данных беспроводного типа между средством датчика упомянутого оружия (11) и упомянутым средством (15) электронного управления.
10. Система по любому одному или больше из предьщущих пунктов, содержащая опорное средство (16А, 16В), выполненное с возможностью определения ориентации и исходного положения в пространстве для оружия (11), и устройство (12) дисплея, которые известны для системы таким образом, чтобы можно было получить исходные данные, из которых можно выполнять вариации в ориентации и положениях, детектируемых датчиками, используемыми для проекции на смотровом щитке (12В) упомянутой, по меньшей мере, одной траектории стрельбы.
11. Система по п. 11, в которой упомянутое средство ссылки содержит область (16А) установки положения между оружием (11) и устройством (12) дисплея таким образом, что когда оружие (11) устанавливают на упомянутом устройстве (12) дисплея в упомянутой области установления положения, положение и относительную ориентацию двух частей (11, 12) определяют взаимно однозначно.
12. Система по п. 11, в которой упомянутая опорная область воплощается в виде гнезда (16А), определенного на шлеме (12А), внутри которого вставлена часть (16В) с противоположной формой для оружия (11), таким образом, что при его включении взаимно однозначно определяется взаимная ориентация и взаимное положение; элемент управления, предпочтительно, представлен на упомянутом гнезде (16А) таким образом, что когда оружие (11) соединяют с упомянутым гнездом (16А), упомянутое управление обязательно активируется, и система инициирует взаимное положение и ориентацию оружия (11) и устройства (12) дисплея.
13. Система по любому одному или больше из предыдущих пунктов, содержащая этап инициализации, на котором положение и относительную ориентацию в пространстве оружия (11) и в устройстве (12) дисплея определяют таким образом, что в момент времени, когда t=0, оружие (11) и устройство (12) дисплея находятся на известном взаимном расстоянии и в угловом положении, упомянутый этап инициализации, включающий в себя
- измеряют дрейф гироскопов;
- рассчитывают компонент ускорения силы тяжести в каждом из трех акселерометров, соответственно, отфильтрованный, и измеряют дрейф трех акселерометров после вычитания ускорения силы тяжести;
- устанавливают исходное положение и значения скоростей оружия и устройства дисплея.
14. Система по любому одному или больше из предыдущих пунктов, в которой упомянутое средство (15) электронного управления рассчитывает с помощью конкретного алгоритма, на основе значений ускорения, угловой скорости и магнитного угла, положение в пространстве оружия (11) и устройства (12) дисплея, выход упомянутого алгоритма предоставляет относительное расстояние и относительную ориентацию между оружием (11) и устройством (12) дисплея, используя разности Декартовых компонентов для положения в опорной системе Земли и посредством разности соответствующих углов крена, тангажа и рыскания.
15. Система по любому одному или больше из предьщущих пунктов, в которой определение положения упомянутого оружия (11) и/или упомянутого устройства (12) дисплея воплощают путем двойного интегрирования ускорения, измеренного упомянутым датчиком (13С, 14С) ускорения.
16. Система по п. 15, в которой, перед этапом интегрирования, упомянутое ускорение, измеренное упомянутым датчиком (13 С, 14С), корректируют путем вычитания ускорения силы тяжести и/или центростремительной силы.
17. Система по п. 16, в которой перед этапом коррекции посредством вычитания ускорения силы тяжести и/или центростремительного ускорения, упомянутое ускорение, измеренное упомянутым датчиком (13С, 14С) ускорения, корректируют путем вычитания эффекта дрейфа, измеренного на этапе инициализации.
18. Система по п.п. 15 или 16, в которой центростремительное ускорение рассчитывают, используя данные угловой скорости, измеренные упомянутым гироскопическим датчиком (13В, 14В) после вычитания значения дрейфа, рассчитанного на этапе инициализации.
19. Система по любому одному или больше из предьщущих пунктов, в которой определение углов крена (Р), тангажа (R) и рыскания (Н), определяющих ориентацию упомянутого оружия (11) и/или упомянутого устройства (12) дисплея воплощено, начиная со значений угловой скорости, измеренных упомянутым гироскопическим датчиком ic (13В, 14В) и, предпочтительно, после вычитания значения дрейфа, рассчитанного на этапе инициализации.
20. Система по любому одному или больше из предьщущих пунктов, в которой определение углов крена (Р), тангажа (R) и рыскания (Н), определяющих ориентацию упомянутого оружия (11) и/или упомянутого устройства (12) дисплея, может быть воплощено посредством операций, выполняемых в соответствии со следующими
14.
выражениями
1 s(R)t(P) c(R)t(P)
wmx.d
0 c(R) -s(R)
wmy.d
0 s(R)/c(P) c(R)/c(P)
wmz.d
21. Система по любому одному или больше из предьщущих пунктов, в которой определение углов крена (Р), тангажа (R) и рыскания (Н), определяющих ориентацию упомянутого оружия (11) и/или упомянутого устройства (12) дисплея может быть воплощено посредством следующих взаимосвязей, где Атх, Ату и Amz представляют собой компоненты вдоль ортогональных осей х, у, z, и Нх, Ну представляют собой компоненты магнитного поля Земли, измеренные магнитометром вдоль осей х и у: P=s1(Amx), R=f1(Amy/Amz), Н=^(НУ/НХ).
22. Система по п.п. 20 и 21, в которой определение углов крена (Р), тангажа (R) и рыскания (Н), определяющих ориентацию упомянутого оружия (11) и/или упомянутого устройства (12) дисплея, воплощено с использованием алгоритма, называемого
объединением датчиков, выполненным с возможностью, по существу, сравнивать
• • •
R Р М
значения вариаций ' ' 'углов, рассчитанных с помощью гироскопических датчиков (13В, 14В), как в п. 20, со значениями R, Р, Н, рассчитанным в относительной взаимосвязи, как в п. 21, начиная от значений, измеренных датчиками акселерометра.
23. Система по п. 22, в которой определение углов крена (Р), тангажа (R) и рыскания (Н) происходит итеративно; на первом этапе алгоритм вычитает из производных крена/тангажа/рыскания, рассчитанных, как в п. 20, параметр к, значение которого соответствующим образом инициализируют, после чего его интегрируют и выводят, как конечное значение крена/тангажа/рыскания; вместо этого, начиная со второго этапа, значение к, которое добавляют к/вычитают из производной крена/тангажа/рыскания, изменяется в соответствии с разностью между Pgyro, то есть, рассчитанным с начала измерений в гироскопах, как в п. 20, и РаСс, то есть, рассчитанного с начала измерений в акселерометрах, как в п. 21, таким образом, что упомянутую разность итеративно уменьшают, одновременно изменяя значение крена/тангажа/рыскания.
23.
РСТ/ЕР2012/074831
X > ч M
<"
"ufSf о:
D) СП.
X N
x n Ё E E
О "о"
ЕЛ5" 9=.
т- сэ о
"9 "9 "9"
X > -. N
E E E <"
X N
E E E
X > ¦. N
E E E " <
X > > N
E E E
-CM
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
WO 2013/083796
PCT/EP2012/074831
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)