Устройство для определения степени зрительного утомления

Изобретение относится к средствам измерения психофизиологических характеристик, в частности к устройствам для определения степени зрительного утомления при визировании различных объектов. Технический результат - повышение достоверности оценки состояния операторов. Устройство содержит пульт управления оператора, оптическую формирующую систему, первый и второй блоки управления, блок экранирования, последовательно соединенные источник питания, блок изменения яркости, сумматор, фильтр низкой частоты, блок подсветки визирного индекса, блок светофильтров и блок формирования визирного индекса, а также генератор периодических сигналов с их блоком регулировки, датчиками и указателями амплитуды и частоты. В устройство введены дополнительный блок экранирования, датчик отклонения, датчик световых помех, блок сравнения частот, блок формирования точечного источника света и привод точечного источника света с соответствующими связями. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике измерения психофизиологических характеристик и касается устройств для определения степени зрительного утомления, в частности, операторов, осуществляющих визирование различных объектов, например целей при стрельбе удаленных предметов при проектировании и строительстве сооружений, мелких предметов при наблюдениях в микроскоп и др.

В военной области, например, для решения задачи поражения цели необходимо прежде всего решить задачу встречи снаряда (ракеты) с целью. В настоящее время эта задача решается путем придания вооружению такого положения перед выстрелом, которое обеспечило бы совмещение траектории снаряда (ракеты) с целью в момент достижения снарядом (ракетой) цели. Это обеспечивается различными прицельными устройствами, одной из основных функций которых является визирование цели. От эффективности визирования (прежде всего, точности визирования) зависит и эффективность вооружения, а вместе с тем и эффективность стрельбы в целом.

Известно, например, устройство для визирования, входящее в состав прицельного устройства комплекса вооружения танка Т-62 (см., например, Руководство по материальной части и эксплуатации танка Т-62. М: Воениздат, 1968, с.195-210). Оно содержит пульт управления оператора и оптически сопряженные блок формирования визирного индекса и оптическую формирующую систему. В этом комплексе при стрельбе в обычных условиях с места по неподвижной цели визирование осуществляется путем совмещения точки визирования на цели с визирным индексом (прицельной маркой), а изменения условий стрельбы учитываются перемещением визирного индекса (прицельной марки) на определенную угловую величину до выстрела. При этом возникает угловое рассогласование между линией визирования и вооружением (осью ствола). Это обеспечивает однообразие прицеливания (совмещения визирного индекса с целью). Но вместе с этим возникает недостаток: линия визирования отклоняется от оптической оси поля зрения визирного устройства, что сопровождается ухудшением видимости, снижением разрешающей способности оптической системы и быстрым нарастанием зрительной усталости наводчиков-операторов. Кроме того, при стрельбе в условиях, отличных от обычных (стрельба с ходу, по движущейся цели, стрельба при сильном боковом ветре и т.д.), приходится все равно вводить поправку в положение линии визирования относительно цели, что вызывает смещение визирного индекса относительно цели.

В этом случае однообразие визирования все-таки нарушается, снижается его точность, ухудшается состояние операторов, а вместе с тем, резко падает и эффективность стрельбы.

Известно устройство для визирования прицельного комплекса танка Т-72 (см., например: Вооружение танка Т-72. Под ред. В.М.Шишковского: М: ВАБТВ, 1979, с.74-91; Котовский В.И. и др. Курс вооружения танков. М.: ВАБТВ, 1957, с.311-358). Оно содержит последовательно соединенные пульт управления оператора, оптическую формирующую систему и блок формирования визирного индекса, блок подсветки визирного индекса, первый вход которого соединен с выходом пульта управления оператора, источник питания, блок изменения яркости визирного индекса, первый вход которого соединен с выходом источника питания, а второй - с выходом пульта управления оператора.

Это устройство выгодно отличается от получивших широкое распространение визирных устройств в серийных системах управления огнем. В этом устройстве оператор при каждом визировании совмещает визирный индекс с центром цели, чем достигается однообразие прицеливания во всех случаях стрельбы. Кроме того, для облегчения обнаружения визирного индекса в неблагоприятных условиях стрельбы (плохая видимость, пыледымовые и световые помехи и др.) он подсвечивается.

Однако это устройство также имеет недостатки. При стрельбе по различным целям оператор должен удерживать линию визирования на объекте визирования (цели) в течение продолжительного времени (не менее 3 с), которое необходимо для ввода требуемых поправок. Это время может быть еще большим, если при стрельбе использовать управляемые ракеты. Например, при стрельбе управляемой ракетой на максимальную дальность оператор вынужден удерживать визирный индекс на объекте визирования (цели) более 15 с (см., например, Латухин А.Н. Противотанковое вооружение. М.: Воениздат, 1974, с.192-235). Такое прицеливание, несмотря на то, что оно точнее и проще, чем в танке Т-62, вызывает повышенную напряженность оператора, в частности его зрительного аппарата, что очень часто приводит к потере цели (объекта визирования) или визирного индекса (даже при его подсветке) в условиях действия пыледымовых помех, световых помех, особенно на пестрых фонах различной яркости. Ситуация еще более усугубляется, если физическое состояние наводчика-оператора по каким-либо причинам не соответствует требуемому (ранение, утомление, стрессовые срывы и др.). Продолжение стрельбы в таком состоянии оператора возможно, однако, ее эффективность резко падает, а причину резкого снижения эффективности определить очень сложно, так как состояния наводчика-оператора ни он сам, ни экипаж танка в процессе стрельбы не замечают.

Известно устройство для визирования (см., например, патент РФ № 2070703 с приоритетом от 13.07.94). Оно содержит пульт управления оператора и соединенную с его первым выходом оптическую формирующую систему, последовательно соединенные источник питания, блок изменения яркости, второй вход которого соединен со вторым выходом пульта управления оператора, сумматор, фильтр низкой частоты, блок подсветки визирного индекса, второй вход которого соединен с третьим выходом пульта управления оператора, блок светофильтров и блок формирования визирного индекса, последовательно соединенные генератор периодических сигналов, блок регулировки периодических сигналов и датчик частоты периодических сигналов, первый выход которого соединен со вторым входом фильтра низкой частоты

Введение в это прицельное устройство генератора и блока регулировки периодических сигналов, фильтра низкой частоты, датчика частоты периодических сигналов и других элементов и связей позволило помимо подсветки визирного индекса достичь и периодического изменения его яркости, благодаря чему его обнаружение на пестрых фонах различной яркости значительно облегчается. Этому способствует и фильтрация электрического сигнала подсветки от высокочастотных помех с помощью фильтра низких частот и от оптических помех с помощью блока светофильтров. Однако в яркие солнечные дни, при частой смене света и тени в направлении цели, солнечных бликах в районе цели и от самой цели вызывают трудности при совмещении прицельной марки с целью из-за недостаточности контраста между ними, в результате чего возникают ошибки наводки, соизмеримые с размерами цели. Кроме того, недостатки, связанные с состоянием наводчика-оператора, в устройстве для визирования по патенту РФ № 2070703 не устранены.

Известно также устройство для визирования (см., например, патент РФ № 2207483, с приоритетом от 26.11.2001), являющееся по технической сути и существенным признакам наиболее близким к заявляемому и принятое за его прототип. Оно содержит пульт управления оператора и соединенную с его первым выходом оптическую формирующую систему, последовательно соединенные источник питания, блок изменения яркости, второй вход которого соединен со вторым выходом пульта управления оператора, сумматор, фильтр низкой частоты, блок подсветки визирного индекса, второй вход которого соединен с третьим выходом пульта управления оператора, блок светофильтров и блок формирования визирного индекса, последовательно соединенные генератор периодических сигналов, блок регулировки периодических сигналов, и датчик частоты периодических сигналов, первый выход которого соединен со вторым входом фильтра низкой частоты, первый и второй блоки управления, датчик амплитуды периодических сигналов, указатели амплитуды и частоты периодических сигналов, блок экранирования, выполненный с возможностью экранирования блока формирования визирного индекса от оптической формирующей системы, вход датчика амплитуды периодических сигналов соединен с третьим выходом блока регулировки периодических сигналов, первые входы указателей амплитуды и частоты периодических сигналов соединены с выходами датчиков соответственно амплитуды и частоты периодических сигналов, а вторые входы - с выходами соответственно первого и второго блоков управления.

Введение новых элементов и связей в это устройство (по сравнению с предыдущим) позволяет определять состояние наводчика-оператора путем, например, определения его зрительного утомления одним из известных способов (см., например, авторское свидетельство СССР № 339280, кл. А 61 В 5/16, 1971) и прогнозировать изменение показателей его функциональной деятельности, в частности выполнения операторских функций как в заранее заданных условиях, так и в условиях реальной боевой обстановки. Это позволяет своевременно предупреждать нежелательные малоэффективные их действия, ошибки, что способствует поддержанию эффективности выполнения ими своих функций на высоком уровне. Однако недостатки, связанные с трудностями при совмещении прицельной марки (визирного индекса) с целью из-за недостаточности контраста между ними (в яркие солнечные дни, при частой смене света и тени в направлении цели. солнечных бликах в районе цели и от самой цели, и др.), в этом устройстве не устранены Поэтому ошибки наводки, особенно соизмеримые с размерами цели, существенно снижают эффективность стрельбы, что существенно отражается на состоянии оператора. Оценку этого состояния с учетом специфики загруженности зрительного аппарата оператора, как наводчика, из-за значительной по размерам зоны подсветки прицельной марки с высокой достоверностью выполнить невозможно.

С целью устранения этих недостатков в устройство для визирования, содержащее пульт управления оператора и соединенную с его первым выходом оптическую формирующую систему, последовательно соединенные источник питания, блок изменения яркости, второй вход которого соединен со вторым выходом пульта управления оператора, сумматор, фильтр низкой частоты, блок подсветки визирного индекса, второй вход которого соединен с третьим выходом пульта управления оператора, блок светофильтров и блок формирования визирного индекса, последовательно соединенные генератор периодических сигналов, блок регулировки периодических сигналов и датчик частоты периодических сигналов, первый выход которого соединен со вторым входом фильтра низкой частоты, первый и второй блоки управления, датчик амплитуды периодических сигналов, указатели амплитуды и частоты периодических сигналов, блок экранирования, выполненный с возможностью экранирования блока формирования визирного индекса от оптической формирующей системы, вход датчика амплитуды периодических сигналов соединен со вторым выходом блока регулировки периодических сигналов, третий выход которого соединен со вторым входом сумматора, первые входы указателей амплитуды и частоты периодических сигналов соединены с выходами датчиков соответственно амплитуды и частоты периодических сигналов, а вторые входы - с выходами соответственно первого и второго блоков управления, введены дополнительный блок экранирования, датчик отклонения, датчик световых помех, блок сравнения частот, вход которого соединен со вторым выходом датчика частот, а выход - со входом датчика световых помех, последовательно соединенные привод точечного источника света, блок формирования точечного источника света, со вторым, третьим и четвертым входами которого соединены соответственно блок сравнения частот, датчик световых помех, и фильтр низкой частоты, и блок ввода дополнительной информации в поле зрения оператора, со вторым и третьим входами которого соединены соответственно датчик отклонения и дополнительный блок экранирования.

Введение и применение блока формирования точечного источника света позволяет дополнительно повысить достоверность оценки операторов-наводчиков, а использование датчика световых помех совместно с другими элементами и связями - расширить возможности устройства по приближению условий испытаний к реальным условиям.

Кроме того, предлагаемое устройство позволяет проводить оценку влияния различных внешних условий на эффективность действий операторов. Повышает достоверность и надежность испытаний за счет резервирования средств испытаний.

На чертеже показано взаимное расположение и связи элементов предлагаемого устройства для визирования и приняты следующие обозначения: 1 - генератор периодических сигналов (ГПС), 2 - блок регулировки периодических сигналов (БР), 3 - блок изменения яркости (БИЯ), 4 - источник питания (ИП), 5 - фильтр низкой частоты (ФНЧ), 6 - сумматор (С), 7 - датчик амплитуды периодических сигналов (ДА), 8 - датчик частоты периодических сигналов (ДЧ), 9 - блок подсветки визирного индекса (БПВИ), 10 и 11 - указатели амплитуды (УКА) и частоты (УКЧ) периодических сигналов, 12 - блок светофильтров (БСФ), 13 - первый блок управления (БУ₁), 14 - второй блок управления (БУ₂), 15 - оператор-наводчик (Н), 16 - блок формирования визирного индекса (БФВИ), 17 - блок экранирования (БЭ), 18 - оптическая формирующая система (ОФС), 19 - пульт управления оператора (ПУО), 20 - блок ввода дополнительной информации в поле зрения оператора (БВПЗ), 21 - датчик отклонения (ДО), 22 - дополнительный блок экранирования (ДБЭ), 23 - блок формирования точечного источника света (БФТИ), 24 - привод точечного источника света (ПГИ), 25 - датчик световых помех (ДСП), 26 - блок сравнения частот (БСЧ).

Блоки 1-6, 8, 9, 12, 16, 18, 19 являются штатными элементами прототипа и используются в предлагаемом техническом решении без каких-либо конструктивных изменений. Инструктивное исполнение блоков 7, 10 и 11 широко известно в научно-технической литературе (см., например, Корнеев В.В. и др. Электроавтоматика и электрооборудование танков, ч.1. М.: ВАБТВ, 1964, с.19-104, 191-220. Энциклопедия кибернетики, т.1. Киев, 1975, с.254-256; Основы автоматики и танковые автоматические системы. М.: ВАБТВ, 1976, с.134-136 и др.). Первый 13 и второй 14 блоки управления выполнены на основе выключателей (тумблеров) и кнопок управления (см. там же), при нажатии которых на входы блоков 10 и 14 подаются сигналы управления, по которым на информационных табло указателей 10 и 12 появляется информация о текущих значениях амплитуды и частоты периодических сигналов, полученных с выходов датчиков соответственно амплитуды 7 и частоты 8. Блок экранирования 17 выполнен на основе подвижной шторки с ручным приводом, с помощью которого наводчик-оператор 15 может вручную вводить шторку в оптическую систему, экранируя блок формирования визуального индекса 16 от оптической формирующей системы 18.

Блоки 20-26 выполнены по аналогии с соответствующими блоками прототипа и других аналогов (см. выше). Блок 20 обеспечивает ввод дополнительной информации (изображений) в поле зрения оператора и может быть выполнен на основе зеркал, призм, полупрозрачных пластинок и др. (см., например, И.Н.Ананьев. Основы устройства прицелов, М.: Воениздат, 1947, с.20-29, 31-34, 52-59.), приводимых в действие (при необходимости) как вручную, так и автоматически. Датчик отклонения 21 выполнен на основе измерительной шкалы, начало которой совмещено с вершиной основного визирного индекса, сьюстированного с оптической осью поля зрения оператора, а полная длина (в масштабе) соответствует максимально возможному отклонению точечного источника света от основного визирного индекса (от оптической оси поля зрения оператора. Шкала может быть выполнена как на отдельных оптических элементах (зеркало, призма, полупрозрачная пластинка, ЭЛТ и др.), так и совмещенной с основным визирным индексом в блоке 16. Дополнительный блок экранирования 22 выполнен аналогично существующим, например, танковым переключателям оптических каналов, диафрагмам, шторкам и др. (см., например, Танк - 80Б, ТО и ИЭ. Кн.1. М: Воениздат, 1984, с.51-54, 134-143). Блок формирования точечного источника света 23 обеспечивает формирование дополнительного светового индекса в виде точки, например электронно-оптическим путем с помощью ЭЛТ. Блоки 24 и 25 выполнены аналогично соответствующим штатным блокам, принятым на вооружение танков и БМП (см., например, там же, с.46-57, 73-80, 132-150). Блок сравнения частот 26 обеспечивает подключение выхода датчика частоты 8 к входу блока 23 и сравнение частот подсветки визирного индекса и создаваемых (при необходимости) световых помехах, что определяется условиями стрельбы и особенностями индивидуальных характеристик зрительного аппарата оператора

Работает предлагаемое устройство для определения степени зрительного утомления следующим образом. Как и в прототипе, обеспечивается его использование по прямому назначению. При этом оператор (наводчик) 15, включив систему управления огнем (в том числе блоки: 1, 2, 3, 4, 9, 19), наблюдает через блок формирования визирного индекса 16 и оптическую формирующую систему 18 поле боя, ведет разведку целей (объектов визирования) и выбирает определенную из них (например, объект визирования) для поражения. Затем с помощью пульта управления оператора 19 и оптической формирующей системы 18 совмещает точку визирования на объекте визирования с визирным индексом, сформированным в блоке 16. В прототипе визирный индекс нанесен на стеклянную пластинку в форме угольника, с вершиной которого и совмещается точка визирования. В современных визирных устройствах изменение яркости индекса достигается за счет изменения напряжения подсветки, для чего в цепь питания лампы подсветки включается регулируемое сопротивление (см., например, Танк "Урал" (Т-72), ТО и ИЭ. Кн.1. М.: Воениздат, 1975, 304 с.). Таким же образом производится изменение яркости визирного индекса в блоке 3 предлагаемого устройства. В дальнейшем (в процессе всего процесса визирования при выстреле одного снаряда или наведении одной ракеты) сигнал на выходе блока 3 остается постоянным. Для получения переменной составляющей сигнала подсветки в прототипе используется блок 1 (генератор периодических сигналов). При этом его параметры (амплитуда и частота) устанавливаются с помощью блока 2, поскольку для различных операторов они (параметры) различны. Одновременно с установкой оптимальной частоты в блоке 2, благодаря связям блока 2 с блоками 8 и затем 5, такая же частота устанавливается и в этих блоках (8 и 5).

Изменение амплитуды сигнала подсветки визирного индекса происходит как и в прототипе синфазно с изменением периодического сигнала. Наличие переменной составляющей в сигнале подсветки вызывает необходимость его фильтрации. Электрическую фильтрацию периодического сигнала подсветки производят путем включения электрического фильтра (блок 5) в электрическую цепь, передающую электрический сигнал с сумматора 6 в блок подсветки визирного индекса 9 для преобразования сигнала из электрической формы в оптическую. При этом фильтр настраивается на частоту изменения сигнала подсветки визирного индекса (благодаря связи блока 5 с блоком 8). Включение фильтра 5 обеспечивает исключение из электрического сигнала высокочастотных составляющих, способствующих размыванию изображения визирного индекса.

Перед началом визирования путем ручного переключения светофильтров на блоке 12 наводчик-оператор добивается оптимального контраста между визирным индексом и фоном с целью, а затем, совместив визирный индекс с объектом визирования, он, воздействуя на пульт управления 19 и через него - на оптическую формирующую систему 18, продолжает визирование (слежение за целью) до момента принятия решения на производство выстрела. С принятием решения на стрельбу по цели наводчик уточняет наводку визирного индекса и производит измерение дальности до цели (нажатием соответствующей кнопки управления измерением дальности, не показана). Сигнал, соответствующий измеренной дальности, с выхода дальномера (не показано) или вручную вводится в поле зрения оператора.

В соответствии со значением измеренной дальности оператор производит выбор определенного боеприпаса и заряжание им оружия. Уточнив визирование по цели, производит выстрел.

При необходимости определения состояния оператора (как и в прототипе) включаются блоки 13 и 14, по сигналам с выходов которых указатели 10 и 11 подключаются к выходам датчиков 7 и 8, благодаря чему информация об амплитуде конкретного периодического сигнала и его частоте поступает соответственно на указатели 10 и 11 и при нажатии соответствующей кнопки выдается на информационное табло соответствующего указателя. Затем перемещением наводчиком 15 вручную рукоятки блока экранирования 17 его шторка вводится в оптическую систему прицельного устройства, благодаря чему блок формирования визирного индекса 16 экранируется от оптической формирующей системы 18, что способствует исключению световых помех и однообразию визуальной обстановки. После этого, используя один из известных способов определения степени зрительного утомления (см. а.с. 339280), воздействуют на органы регулировки блока 2, изменяя либо частоту, либо амплитуду периодического сигнала, определяют критическое значение измеряемого показателя. Это значение определяется по его величине, при которой мелькающий свет станет казаться ровным. В этот момент наводчик-оператор нажимает на кнопку соответствующего блока управления (13 или 14) и на информационное табло соответствующего указателя (10 или 11) выдается численное значение измеряемой величины, по которой в прототипе и судят о степени изменения состояния оператора.

Для повышения достоверности определения степени зрительного утомления оператора, как наводчика, включаются блоки 22 и 23. Дополнительный блок экранирования 22 выполнен по аналогии с блоком 17 и может перемещаться оператором вручную. Конструктивно он может быть выполненным и заодно с блоком 20. При необходимости он должен обеспечить экранирование изображения основного визирного индекса, сформированного в блоке 16, от точечного источника света, сформированного в блоке 23. Точечный источник света формируется, как правило, электронно-оптическим путем. Его изображение образуется на экране электронно-лучевой трубки в виде точки, диаметр которой может регулироваться, и при помощи оптических преломляющих устройств вводится в поле зрения наводчика-оператора (см., например: Гуглин И.Н. Телевизионные игровые автоматы и тренажеры. М.: Радио и связь, 1982). Изображение точечного источника света, как и основной визирный индекс, совмещено с оптической осью поля зрения оператора и совпадает с нулевой отметкой измерительной шкалы датчика отклонения 21. Методика определения степени зрительного утомления аналогична соответствующей методике прототипа.

Для определения степени зрительного утомления не только центральной, но и периферийных зон зрительного аппарата точечный источник света может перемещаться относительно оптической оси поля зрения оператора с помощью блока 34, а величина этого перемещения может измеряться с помощью датчика отклонения 21.

При необходимости расширения возможностей устройства и приближения условий проведения испытаний к реальным условиям включаются блоки 25 и 26. Датчик световых помех 25 обеспечивает формирование световых помех с параметрами, близкими к параметрам подсветки визирного индекса (на основании сигналов с выхода блока 8) и характеристикам реальных условий.

При выключенных блоках 20-26 предлагаемое устройство работает как прототип (в части общих элементов), а при дополнительно выключенных блоках 1, 2, 13, 14 и 17 - как устройства современных боевых машин (например, танков Т-72, Т-80 и др.).

Введение новых элементов и связей позволило в существенной степени устранить отмеченные недостатки и достичь положительного эффекта. Регулируя и амплитуду, и частоту изменения периодического сигнала, операторы могут (как и в прототипе) не только выбирать для себя оптимальный с учетом реальных условий режим изменения подсветки визирного индекса, но и оценивать свое состояние, в частности степень зрительного утомления, что позволяет своевременно принимать соответствующие меры по коррекции и выполняемых функциональных действий, и характеристик операторов. После 2 часов непрерывной работы наводчиков-операторов такие меры позволяют уменьшить снижение эффективности их работы на 15-17%. Применение точечного источника света позволяет дополнительно повысить достоверность оценки операторов-наводчиков, а использование датчика световых помех совместно с другими элементами и связями - расширить возможности устройства по приближению условий испытаний к реальным условиям.

Кроме того, предлагаемое устройство позволяет проводить оценку влияния различных внешних условий на эффективность действий операторов. Повышает достоверность и надежность испытаний за счет резервирования средств испытаний.

Устройство для визирования, содержащее пульт управления оператора и соединенную с его первым выходом оптическую формирующую систему, последовательно соединенные источник питания, блок изменения яркости, второй вход которого соединен со вторым выходом пульта управления оператора, сумматор, фильтр низкой частоты, блок подсветки визирного индекса, второй вход которого соединен с третьим выходом пульта управления оператора, блок светофильтров и блок формирования визирного индекса, последовательно соединенные генератор периодических сигналов, блок регулировки периодических сигналов и датчик частоты периодических сигналов, первый выход которого соединен со вторым входом фильтра низкой частоты, первый и второй блоки управления, датчик амплитуды периодических сигналов, указатели амплитуды и частоты периодических сигналов, блок экранирования, выполненный с возможностью экранирования блока формирования визирного индекса от оптической формирующей системы, вход датчика амплитуды периодических сигналов соединен со вторым выходом блока регулировки периодических сигналов, третий выход которого соединен со вторым входом сумматора, первые входы указателей амплитуды и частоты периодических сигналов соединены с выходами датчиков соответственно амплитуды и частоты периодических сигналов, а вторые входы - с выходами соответственно первого и второго блоков управления, отличающееся тем, что для определения степени зрительного утомления оператора оно снабжено дополнительным блоком экранирования, датчиком отклонения, датчиком световых помех, блоком сравнения частот, вход которого соединен со вторым выходом датчика частот, а выход - со входом датчика световых помех, последовательно соединенными приводом точечного источника света, блоком формирования точечного источника света, со вторым, третьим и четвертым входами которого соединены соответственно блок сравнения частот, датчик световых помех и фильтр низкой частоты, и блоком ввода дополнительной информации в поле зрения оператора, со вторым и третьим входами которого соединены соответственно датчик отклонения и дополнительный блок экранирования.