DE3043710C2 - - Google Patents
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- G02B2027/014—Head-up displays characterised by optical features comprising information/image processing systems
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum elektronischen
Aufzeichnen eines Abbilds der bordexternen Umgebung und zur
Registrierung von Anzeige-Symbolen in Luftfahrzeugen, gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Luftfahrtsystemen besteht ein Bedarf zum Aufzeichnen von
dem Piloten angezeigten Informationen, die zum Training, zur
Entwicklung der Leistungsfähigkeit des Piloten, zur Unfall
aufklärung und zu anderen Zwecken benutzt werden.
In Luftfahrzeugen, die mit im Blickfeld des Piloten angeord
neten Anzeigen ausgerüstet sind, wird dem Piloten Information,
die die Fluglage, den Kurs usw. betrifft, mittels eines
Kombinationselements angezeigt, das gestattet, diese Informa
tion dem Abbild der bordexternen Umgebung, das der Pilot durch
einen Kombinator sieht, zu übertragen. Um die zusammengesetz
ten Daten und das Abbild der bordexternen Umgebung, wie es
durch den Piloten gesehen wird, aufzuzeichnen, ist es notwen
dig, eine Kamera zu benutzen, die zwischen dem Piloten und
dem Konbinator angeordnet ist.
Dieses Verfahren hat beträchtliche Nachteile, weil die Kamera
nicht gleichzeitig das Abbild der bordexternen Umgebung und
die gesamte Anzeige, die der Pilot sieht, mit genügend großer
Auflösung und Genauigkeit erfassen kann. Weiterhin behindert
der optische Teil der Kamera die Außensicht des Piloten, was
in einigen Fällen spezielle Maßnahmen von Seiten des Piloten
während des Flugauftrages verlangt. Wegen dieser Nachteile
wird die Kamera nur bei Flugaufträgen zusätzlich angeordnet,
bei denen eine Aufzeichnung hinreichend wichtig ist, so daß
die Behinderung, die durch die Anwendung der Kamera verursacht
wird, annehmbar bleibt.
Aus dem US-Patent 40 28 725 ist es bekannt, in Flugzeugen
die Informationen von Anzeigefeldern unter Einsatz von Fern
sehkameras und Bildwiedergaberöhren in das Gesichtsfeld des
Piloten zu bringen. Bei der bekannten Anordnung wird das von
einer Fernsehkamera aufgenommene Instrumentenbild über eine
am Helm des Piloten angebrachte Bildwiedergaberöhre in des
sen Gesichtsfeld eigespiegelt, wobei eine Nachführregelung
dafür sorgt, daß das eingespiegelte Bild der Blickrichtung
folgt und das Bild dementsprechend in gleichbleibender Posi
tion zur Blickrichtung erscheint.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der gattungsge
mäßen Art so zu verbessern, daß sowohl die bordexterne Umge
bung als auch die Anzeigesymbole mit genügend großer Auflö
sung und Genauigkeit erfaßt werden können und darüber hinaus
die Sicht des Piloten nicht beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentan
spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Durch die Erfindung werden die eingangs erläuterten Nachtei
le behoben. Gleichzeitig wird ein rationelles und verein
fachtes Gesamtsystem erreicht, mit dem das Aufzeichnen von
Daten des gesamten oder eines Teils des Flugauftrags für die
eingangs erläuterten Zwecke durchgeführt werden kann. Hier
bei kann auf bereits bekannte Komponenten oder Einrichtungen
zurückgegriffen werden.
Die Erfindung ermöglicht es ferner, die elektronische Si
gnale der Kamera derart zu verarbeiten, daß das aufgezeich
nete Abbild bei der Wiedergabe mit dem Bild korrespondiert,
das der Pilot zur Zeit der Aufnahme zusammen mit der in sei
nem Blickfeld angeordneten Anzeige, die dem Bild der bordex
ternen Umgebung überlagert ist, gesehen hat.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungs
beispiele im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt das Prinzip des herkömmlichen Verfahrens, das
zur Zeit benutzt wird.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen bestimmte Winkelbeziehungen in Ver
bindung mit der Erfindung.
Fig. 5 zeigt schematisch die Signalverarbeitung in einem Bord
system.
Fig. 6 zeigt schematisch die Bodeneinrichtung für eine Wie
dergabe der Aufzeichnungen.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Cockpit
eines Flugzeuges, wobei der Pilot 1 durch eine Windschutz
scheibe 2 in Richtung auf die bordexterne Umgebung 3 blickt.
Im Blickfeld des Piloten ist genau vor ihm ein Anzeigefeld 5
mit einem diesem zugeordneten Kombinator 4 angeordnet. Eine
Anzeige-Symbolik 10, die mit dem im Blickfeld 8 des Piloten 1
angeordneten Anzeigefeld 5 angezeigt wird, wird dem Abbild
der bordexternen Umgebung 3 überlagert. Eine aufzeichnende
Kamera 6 mit einem Öffnungswinkel 9 ist abnehmbar am hinteren
Ende des im Blickfeld des Piloten angeordneten Anzeigefeldes
montiert. Eine Linie 7 markiert die vordere Begrenzung für ein
freies Katapultieren des Piloten 1 mit dem Schleudersitz. Die
zuvor genannten Nachteile der Kameraanordnung ergeben sich
aus der Figur ohne weitere, ins einzelne gehende Beschreibung.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung auf
die gleiche einfache Weise wie in Fig. 1 gezeigt. Hier ist
der Pilot 1, die Windschutzscheibe 2, die bordexterne Umgebung
3, das im Blickfeld des Piloten angeordnete Anzeigefeld 5 mit
dem Konbinator 4, die Begrenzungslinie 7 für ein freies Kata
pultieren mit dem Schleudersitz, das Blickfeld 8 des Piloten
1 mit der Anzeigeeinrichtung und die Anzeige-Symbolik 10 ge
zeigt. Eine aufzeichnende Kamera 6′, die vom CCD-Typ oder ei
nem vergleichbaren Typ sein kann und die einen Öffnungswinkel
9′ hat, ist hier fest auf der Einrichtung für das im Blick
feld 8 des Piloten 1 angeordnete Anzeigefeld 5 zwischen dem
Kombinator 4 und der Windschutzscheibe 2, durch die die bord
externe Umgebung 3 sichtbar ist, montiert. Nach einer Einstel
lung einer Bordanlage 12 werden die Signale der Kamera 6′,
die das elektronische Bild der bordexternen Umgebung repräsen
tieren, mit den Signalen, die die Anzeige-Symbolik 10 in dem
Anzeigefeld 5 repräsentieren, koordiniert, gemischt und mit
tels eines Aufzeichnungsgeräts 13, beispielsweise eines Mag
netbandrecorders (oder eines anderen Speichermittels) aufge
zeichnet. Andere in dem Flugzeug neben logischen Steuerfunk
tionen zur Sichtbarmachung und Aufzeichnung verfügbare Daten
können aus einem Datengeber 11 zum Zwecke eines gleichzeiti
gen Aufzeichnens mittels des Aufzeichnungsgerätes eingegeben
werden. Die Helligkeit der Anzeige-Symbolik 10 und die Öff
nung der Kamera 6′ werden automatisch durch einen Sensor 14
in der Kamera 6′ gesteuert.
Fig. 3 zeigt schematisch eine mechanische Winkelabweichung 16,
die in der horizontalen Ebene zwischen den Bezugsachsen des
Flugzeuges 15 und dem Anzeigefeld 5 auftreten kann. Ein ent
sprechender Einstellungsfehler kann ebenso in der senkrechten
Ebene auftreten.
Fig. 4 zeigt eine Winkelabweichung 17 bzw. 18, die zwischen
der Bezugsachse des Anzeigefeldes 5 und der Null-Achse der
Kamera 6′ und der Anzeige-Symbolik 10 auftreten kann, wenn die
Kamera fest auf der Einrichtung für das im Blickfeld des Pilo
ten angeordnete Anzeigefeld montiert ist.
In einer Kamera vom CCD-Typ oder von einem vergleichbaren Typ
wird das abgetastete Bild auf einer mechanisch nicht bewegten
Matrix aus einem hochempfindlichen Material abgebildet, in der
es in elektrische Signale umgewandelt wird, die in gleicher
Weise wie andere elektrische Signale verarbeitet und anschließ
end beispielsweise mittels eines Magnetbandrecorders aufge
zeichnet werden. Weil die Kamera 6′ fest auf der Einrichtung
für das Anzeigefeld 5 montiert ist, ist das aufgenommene Bild
der bordexternen Umgebung ständig auf das Anzeigefeld 5 be
zogen.
Fig. 3 zeigt, daß die Bezugssysteme des Flugzeuges 15 und das
Anzeigefeld 5 nicht grundsätzlich übereinstimmen. Daher ist
eine mechanische und/oder elektrische Einstellung erforder
lich. Diese kann mittels herkömmlicher Verfahren durchgeführt
werden, so daß die Winkelabweichung 16 mit einer gegebenen
Genauigkeit zu Null wird.
Durch die Anordnung der Kamera 6′ gemäß der vorliegenden Er
findung wird diese nicht die Anzeige-Symbolik aufnehmen. An
statt dessen werden die Signale von der Kamera und die Signa
le, die die Anzeige-Symbolik repräsentieren, verarbeitet und
kombiniert, so daß sie das repräsentieren, was der Pilot tat
sächlich durch den Kombinator sieht. Dieses Verarbeiten und
Kombinieren der Signale wird in einer Signal-Koordinations
einheit durchgeführt, die Teil einer elektronischen Einheit
für das Anzeigefeld 5 oder des Recorders 13 sein kann. Das
Aufzeichnen kann ebenso durchgeführt werden, bevor die Signa
le verarbeitet und kombiniert werden, wobei in einem solchen
Fall die Signal-Koordination und eventuelle Korrekturen bei
einem späteren Wiedergabevorgang notwendig sind.
Nachdem die Kamera 6′ auf der Einrichtung für das Anzeigefeld
5 montiert ist, können die Winkelabweichungen 17 und 18 ge
mäß Fig. 4 auf mechanischem und/oder elektrischen Wege während
des Zusammenbaus der Einrichtung in der Fertigung oder in der
Wartungshalle mit Hilfe von Kalibrierungsmitteln zu Null ge
macht werden.
Durch die beschriebenen Anordnungen können die während des
Fluges aufgezeichneten Informationen direkt zur Auswertung be
nutzt werden. Dies bedeutet außerdem, daß die Vorgänge, die
mit der gegenwärtigen Technik vor, während und nach dem Flug
notwendig sind, in hohem Maße vereinfacht sind, weil nur eine
Entnahme und ein Ersatz einer Bandkassette erforderlich ist.
In der oben gegebenen Beschreibung wurde angenommen, daß die
Kamera 6′ auf der Einrichtung für das Anzeigefeld 5 montiert
ist. Die Kamera kann selbstverständlich auch an anderer Stel
le in dem Flugzeug angebracht sein, in welchem Falle andere
Korektur-Faktoren für ihre Einstellung im Zusammenhang mit
dem Anzeigefeld erforderlich sind. In diesem Falle kann die
erforderliche Korrektur beispielsweise durch Vergleich eines
durch die Kamera aufgenommenen, flugzeugbezogenen festen Ab
bildes einer vorgegebenen bordexternen Umgebung mit einer auf
dem Kombinator 4 des Anzeigefeldes zu diesem Zweck angezeig
ten Kalibrierungs-Symbolstellung gegenüber der gleichen gege
benen bordexternen Umgebung bestimmt werden. Ersatzweise kann
ein Prüfgerät vom Theodolit-Typ anstelle des Anzeigefeldes
benutzt werden.
Der Sensor 14 wird hauptsächlich dazu benutzt, fortlaufend
eine korrekte Einstellung der Öffnung der Kamera 6 zu errei
chen und um die Helligkeit der Anzeige-Symbolik 10 zu steu
ern, so daß sie gut an die aktuellen Lichtverhältnisse der
bordexternen Umgebung angepaßt ist. In zweiter Linie können
die Signale aus dem Sensor 14 mittels des Aufzeichnungsgerä
tes aufgezeichnet werden. Die Auswertung der aufgezeichneten
Daten ergibt eine Information über die aktuellen Lichtbedin
gungen während des Fluges.
Die Art der System-Eigenschaften und der Funktion in einem
Aufzeichnungssystem ist abhängig von dem Flugzeug, in dem die
ses System verwendet wird.
Ein einfaches System, beispielsweise für die zivile Luftfahrt,
kann aus einer Kamera-/Video- und Datenaufzeichnungseinheit
mit einer Wiedergabe über eine elektronische Einheit auf ei
nem TV-Motor bestehen. Ein weiter entwickeltes System, bei
spielsweise für ein militärisches Kampfflugzeug, kann aus ei
ner Multisensor- und Datenaufzeichnungseinheit mit einem voll
ständigen Boden-Multianzeige-System bestehen.
Ein weiter entwickeltes System ist in Fig. 2 und in Block
schaltbildern in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt. In diesem System
ist die Video-Kamera 6′ fest auf der Einrichtung für das An
zeigefeld 5 montiert und zwischen ihrem Kombinator 4 und der
Windschutzscheibe 2 angeordnet. Die Kamera wird zum Aufzeich
nen des Abbildes der bordexternen Umgebung durch die Wind
schutzscheibe und ohne überlagerte Symbole benutzt. Sie hat
einen Festkörper-Fernsehsensor des CCD-Typs und ist mit aus
wechselbaren Linsen ausgestattet, die ein Blickfeld von bei
spielsweise 16° × 22° hat. Die Kamera ist mechanisch in die
Einrichtung für das Anzeigefeld integriert, was bedeutet, daß
sie nicht die Sicht des Piloten behindert.
Der CCD-Sensor 14 ist mittels einer Wärmepumpe 20 temperatur
geregelt, um ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis zu erreichen.
Ein Linsensystem 21 hat eine Blende, die durch einen Motor 22
angetrieben wird, der durch eine automatische Belichtungssteu
erung 23 gesteuert wird, die den Videopegel von einem Video-
Prozessor 24 abtastet, um die Empfindlichkeit an die aktuellen
Lichtverhältnisse über einen großen dynamischen Bereich anzu
passen. Die Blendenstellung und hieraus die umgebenden Licht
bedingungen werden einer elektronischen Einheit 19 zum Codie
ren und gleichzeitigen Aufzeichnen mittels des Aufzeichnungs
gerätes 13 signalisiert. Dieses Signal wird außerdem der Ein
richtung für das Anzeigefeld zum automatischen Steuern der
Helligkeit der Anzeige-Symbolik 10 zugeführt.
Der Video-Prozessor 24 der Kamera 6′ wird durch die elektro
nische Einheit 19 synchronisiert, um eine Markiersteuerung 25
zum Identifizieren der Bildelemente des Sensors zeitlich zu
steuern. Der Anzeigeprozessor oder die elektronische Einheit
19 hat einen Datenspeicher 26, in den ein Prozessor und Gene
rator 27 Daten einschreibt, die aufgezeichnet werden sollen.
Diese Daten sind Symboldaten für die Anzeige-Symbolik 10 und
Einstelldaten für eine zweckmäßige Symbol-Kompensation gemäß
den Winkelabweichungen 17 und 18. In den Datenspeicher 26
wird außerdem die Blendenstellung eingeschrieben. Andere Da
ten, die für eine Bodenauswertung benötigt werden und nicht
in dem Anzeigeprozessor verfügbar sind, beispielsweise Ma
schinendaten, können ebenso in den Datenspeicher 26 über den
Datengeber 11 eingeschrieben werden.
Der Datenspeicher 26 besteht aus zwei sich abwechselnden Tei
len, wobei ein Teil als Datenpuffer für Daten aus dem Prozes
sor und Generator 27, dem Datengeber 11 und der Kamera 6′ be
nutzt wird, während der andere Teil zum Aufzeichnen mittels
des Aufzeichnungsgerätes 13 verwendet wird. Das Wechseln wird
durch das Video-Halbbildsignal der Videokamera 6′ gesteuert.
Die Puffer wechseln damit aufgrund des Halbbild-Synchronisa
tionssignals. Die Daten, die während einer Halbbildperiode
gepuffert oder zwischengespeichert werden, werden in der näch
sten Halbbildperiode aufgezeichnet.
Das Aufzeichnungsgerät 13 liest die Daten aus dem Datenspei
cher 26 aus, führt das notwendige Codieren entsprechend der
Magnetband-Leistungsfähigkeit betreffend Rauschen, Ausfälle
und dergl. aus und erzeugt ein synthetisches Videosignal in
einem Coder- und Video-Aufbereiter 29. Dieses Videosignal
wird in die oberen und unteren Video-Zeilen des Video-Bildes
aus der Kamera 6′ in einem Video-Multiplexer 30 eingemischt.
Für die Daten werden angenähert 20% des Bildbereiches anstelle
des Ursprungsbildes verwendet. Die Einrichtung enthält außer
dem Mittel zum Multiplexen weiterer Video-Quellen 32, beispiels
weise Radar, FLIR (foreward looking infrared = Infrarot Sicht
system), Flugkörperbeobachtung usw. in das Videosignal, das
aufgezeichnet werden soll. Das gewonnene Videosignal wird an
einen Video-Kassettenrecorder 31 zum Aufzeichnen übertragen.
Der Video-Kassettenrecorder 31 wird außerdem zum gleichzeitigen
Aufzeichnen von Funkverkehr, Anmerkungen des Piloten, Warntö
nen usw. auf einer separten Audio-Spur benutzt.
Weil das aufgezeichnete Abbild der bordexternen Umgebung in
einer Bodeneinrichtung zum Überlagern auf die Anzeige-Symbo
lik 10 benutzt wird, wird eine Einrichtungsprozedur durchge
führt, um eine Kompensation mechanischer und elektrischer Ab
weichungen zwischen der Kamera und elektrischen Abweichungen
zwischen dem Kamerabild und den Anzeige-Symbolen zu ermöglichen.
Dies wird für jede Bordanlage durchgeführt und wenn notwendig,
durch Bewegen einer Marke in dem Kamerabild auf einer Anzeige,
bis eine Übereinstimmung zwischen einem Zielpunkt in dem An
zeigefeld über ein bordexternes Objekt und der Marke über
demselben Objekt in der Anzeige erreicht ist. Die Marke wird
in das Videosignal mittels eines Videomischers 28 eingeblen
det. Die Abweichung zwischen dem Bild und den Symbolen des
Anzeigefeldes wird durch den Anzeigeprozessor bzw. die elek
tronische Einheit 19 ermittelt und aufgezeichnet, um eine ge
naue Wiedergabe des Abbildes der bordexternen Umgebung mit
den diesen überlagerten Anzeigesymbolen zu ermöglichen. Die
Einstellung wird für einige Punkte durchgeführt, um eine zweck
mäßige Kompensation der Untersetzung, der Übersetzung und der
Rotation zu erzielen, wenn die Ausrechnung und die Überlage
rung der Anzeige-Symbole in der Bodeneinrichtung vorgenommen
wird.
Die Bodeneinrichtung ist schematisch in Fig. 6 gezeigt. Sie
enthält einen Video-Kassettenrecorder 33, einen Anzeige-Gene
rator 34 und Fernseh-Monitoren 35 und 36.
Die Wiedergabe wird durch den Video-Kassettenrecorder 33 durch
geführt. Ein Videosignal-Analysator und -Decoder in dem Anzei
ge-Generator 34 trennt das Kamerabild und die aufgezeichneten
Daten. Die Daten für die Anzeige-Symbole und die Einstellda
ten werden in dem Anzeige-Generator 34 benutzt, um eine auto
matische Korrektur der Symbole für eine genaue Überlagerung
auf das nach vorn gerichtete Kamerabild zu geben. Es sind Mit
tel eingebaut, mit denen sowohl mehr als ein Sensorbild als
auch andere Daten verarbeitet werden können. Die Bodenein
richtung macht eine Wiedergabe der Sicht des Piloten in dem
Flugzeug mit den Anzeige-Symbolen, die dem Bild der bordex
ternen Umgebung überlagert sind, möglich.
Claims (4)
1. Anordnung zum elektronischen Aufzeichnen eines Abbildes
der bordexternen Umgebung und zu einer Registrierung von
Anzeige-Symbolen in Luftfahrzeugen, bei der eine elektroni
sche, aufzeichnende Kamera, beispielsweise vom CCD-Typ, ein
im Blickfeld des Piloten angeordnetes Anzeigefeld und ein
Aufzeichnungsgerät, beispielsweise ein Magnetbandrecorder,
vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kamera (6′) mechanisch und/oder elektrisch mit engen
Toleranzen mittels derselben Bezugsachsen, mittels derer
auch die Anzeige-Symbolik (10) des im Blickfeld des Piloten
angeordneten Anzeigefeldes (5) kalibriert ist, kalibriert
wird und daß die Ausgangssignale der Kamera (6′) und Steuer
signale für die Anzeige-Symbolik (10) in einer elektronischen
Einheit (19) zum gleichzeitigen Aufzeichnen mittels des Auf
zeichnungsgerätes (13) verarbeitet und miteinander kombiniert
werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Kamera (6′) vom CCD-Typ oder von einem ver
gleichbaren Typ ist und daß die Kamera (6′) fest auf einem
Teil der Einrichtung für das im Blickfeld des Piloten ange
ordneten Anzeigefeldes (5) montiert ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß eine gemeinsame automatische Helligkeitssteuerung
(14) für die Öffnung der Kamera (6′) und die Anzeige-Symbo
lik (10) des im Blickfeld des Piloten angeordneten Anzeige
feldes (5) vorgesehen ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß das Steuersignal für die gemeinsame automatische
Helligkeitssteuerung (14) ebenfalls aufgezeichnet wird.
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