Способ воспроизведения условий полета при помощи использования технологии виртуальной реальности на настольном пилотажном стенде для проведения эргономических исследований по информационно-управляющему полю пилотажной кабины
METHOD FOR REPRODUCING FLIGHT CONDITIONS USING VIRTUAL REALITY TECHNOLOGY ON A DESKTOP FLIGHT STAND FOR ERGONOMIC RESEARCH IN THE INFORMATION AND CONTROL FIELD OF THE FLIGHT COCKPIT

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к способам воспроизведения условий полета и информационно-управляющего поля пилотажной кабины при помощи использования технологии виртуальной реальности.
Известны способы моделирования полета летательного аппарата (ЛА), на пилотажных стендах и тренажерах (RU 2149462 С1 от 20.05.2000, RU 2128860 С1 от 10.04.1999, RU 2191432 С1 от 20.10.2002, RU 2249856 С1 от 10.04.2005) включающие формирование виртуальных трехмерных изображений объектов окружающей обстановки с помощью системы визуализации моделирующего комплекса, снабженного макетом летательного аппарата, и имитацию полета летательного аппарата.
Также известны способы моделирования динамики полета летательного аппарата с использованием технологии виртуальной реальности, в частности, с использованием очков виртуальной реальности (US 5388990 А от 14.02.1995, US 10635164 В2 от 28.04.2020, US 20200160742 А1 от 21.05.2020, ЕР 3136372 А1 от 28.08.2015), включающие изменение оператором положения рычагов управления, передачу информации об изменении положения этих рычагов в блок-вычислитель динамики движения летательного аппарата, расчет в блоке-вычислителе параметров движения летательного аппарата и визуализацию на основе этих параметров приборов и внекабинной обстановки.
Недостатком рассмотренных аналогов является то, что в них не рассматривается возможность проведения предварительных эргономических исследований по информационно-управляющему полю пилотажной кабины.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу, является способ отработки, в частности, эргономических характеристик самолета (рычаги управления, виды индикации) на пилотажном стенде ЦАГИ ПСПК-102 (https://tsagi. ru/ex periinenta 1 base/pi 1 otazhn у y-stend-pspk-102/). Указанный пилотажный стенд позволяет сопровождать разработки новых самолетов и их летных испытаний, проводить теоретические и экспериментальные исследования с целью повышения безопасности полетов, разрабатывать перспективные системы управления, проводить тематические исследования, совершенствовать методы и модели имитации условий полета, развивать тренажерные технологии и создавать базовые средства моделирования полета. Однако для предварительного исследования состава, типа, формы, вида и способа представления пилотажно-навигационной информации, а также вариантов носителей этой информации как части информационно-управляющего поля пилотажной кабины, для обеспечения реальных размеров элементов информационно-управляющего поля пилотажного стенда, необходимо внесение изменений в конструкцию приборной доски пилотажного стенда, что представляется достаточно сложным технически.
Таким образом, задачей изобретения является создание возможности воспроизведения условий полета на пилотажном стенде для проведения эргономических исследований по информационно-управляющему полю пилотажной кабины с учетом полученных данных ее предварительного моделирования на настольном пилотажном стенде.
Техническим результатом заявленного способа является повышение эффективности предварительных исследований элементов информационно-управляющего поля пилотажной кабины за счет применения технического средства (моделирующего комплекса), реализующего технологию виртуальной реальности с использованием устройства отображения, исследования на котором будут требовать меньших затрат времени и средств, а также способствовать уменьшению износа оборудования полномерного пилотажного стенда.
Дополнительным техническим результатом является расширение арсенала технических средств для проведения исследований состава, типа, формы, вида и способа представления пилотажно-навигационной информации, а также вариантов носителей этой информации как части информационно-управляющего поля пилотажной кабины.
Задача и технический результат достигаются следующими этапами способа.
Способ воспроизведения условий полета на настольном пилотажном стенде для проведения эргономических исследований по информационно-управляющему полю пилотажной кабины, характеризуется тем, что объединяют элементы настольного пилотажного стенда в единый комплекс с помощью локальной сети, при этом элементами настольного пилотажного стенда являются, по меньшей мере, один персональный компьютер, устройство отображения, органы управления пилотажным стендом. Разрабатывают тестируемую среду пространственного движения летательного аппарата (ЛА), включающую блок дифференциальных уравнений пространственного движения ЛА, блок модели двигательной установки ЛА, блок аэродинамических характеристик ЛА, блок модели системы управления, блок обмена данными по локальной сети настольного пилотажного стенда. Посредством технологии виртуальной реальности формируют образ моделируемого трехмерного пространства пилотажной кабины в реальном геометрическом масштабе, включающий используемые в процессе проведения исследований элементы интерьера пилотажной кабины, предназначенные для размещения пилотажно-навигационной, а также другой информации, используемой в процессе пилотирования, а именно: модель индикатора на лобовом стекле, модели многофункциональных индикаторов, модели многофункциональных пультов управления, модель нашлемной системы индикации. Задают положение образов моделируемого пространства относительно базовой системы координат. Реализуют трех плановую систему визуализации - ближний, средний и дальний планы, при этом на ближнем плане размещают внутренний интерьер пилотажной кабины с информационными кадрами многофункциональных индикаторов и пультов управления, на среднем и дальнем планах размещают систему визуализации внекабинного пространства с наложенным информационным кадром индикатора на лобовом стекле и информационное поле нашлемной системы отображения информации в виде дополненной реальности.
Посредством устройства отображения выводят информацию, используемую в процессе пилотирования в реальном геометрическом масштабе, реальной цветовой гамме, коллимированном виде, стереорежиме.
В случае если в настольном пилотажном стенде использовано больше одного персонального компьютера, дополнительно в тестируемую среду включают блок обеспечения межмашинного обмена по локальной сети пилотажного стенда, блок вспомогательной обработки результатов моделирования, как в реальном масштабе времени, так и послеполетной и блок дублирующей системы визуализации.
Процесс исследований информационно-управляющего поля пилотажной кабины сложился на основании многолетнего опыта работы на пилотажных стендах и состоит из последовательности этапов исследований.
Этап предварительных исследований является обязательным и, как правило, проводится на пилотажном стенде и содержит рассмотрение ряда вариантов распределения информации. Основным условием проведения исследований является обеспечение реальных размеров элементов информационно - управляющего поля. На этапе предварительных исследований данное условие на конкретном пилотажном стенде реализовать достаточно сложно, поскольку отнимает много времени и, как правило, требует внесение изменений в конструкцию приборной доски.
Заявленный способ позволяет устранить указанные сложности и особенности реализации процесса исследований (поскольку все вышеуказанные особенности организации исследований решаются на программном уровне, а не на аппаратном), что повышает эффективность и сокращает время их проведения.
В качестве устройства отображения могут быть выбраны очки виртуальной реальности, шлем виртуальной реальности или любое аналогичное устройство.
В качестве органов управления пилотажным стендом может быть выбран, например, джойстик, двухмерный кибернетический орган управления, устройство управления в виде консоли или любая другая подходящая конструкция органа управления.
В качестве примера осуществления предложенного изобретения, рассмотрим реализацию способа в среде моделирующего комплекса настольного пилотажного стенда, представляющего собой четыре ПК (персональные компьютеры), объединенные в локальную сеть, устройство отображения (например, очки виртуальной реальности), органы управления пилотажным стендом (например, джойстик).
На фиг. 1 представлена структурная схема моделирующего комплекса (технического средства) для реализации предлагаемого способа воспроизведения условий полета с использованием технологии виртуальной реальности на настольном пилотажном стенде.
На фиг. 2 приведена горизонтальная проекция 3-х мерной модели кабины экипажа с указанием углов обзора по горизонтали с кресла пилота.
На фиг. 3 приведена вертикальная проекция 3-х мерной модели кабины экипажа с указанием углов обзора по вертикали с кресла пилота.
На фиг. 4 представлено размещение комплексной пилотажно-навигационной информации на центральном мониторе системы визуализации кабины ЛА.
На фиг. 5 представлено размещение комплексной пилотажно-навигационной информации на информационном кадре коллимированного авиационного индикатора (ИЛС).
Позиции на чертежах обозначают:
1 - ПК №1 с монитором;
2 - ПК №2 с монитором;
3 - ПК №3 с монитором;
4 - ПК №4 с монитором;
5 - устройство отображения;
6 - органы управления пилотажным стендом;
7 - левый многофункциональный пульт управления (МФПУ);
8 - левый монитор системы визуализации пилотажной кабины;
9 - центральный монитор системы визуализации пилотажной кабины;
10 - информационный кадр ИЛС;
11 - правый монитор системы визуализации пилотажной кабины;
12 - правый МФПУ;
13 - неподвижный секторный стрелочный индикатор угла атаки;
14 - шкала угла тангажа, вид отображения - прямой;
15 - подвижный индекс угла крена;
16 - нулевой индекс угла тангажа (совпадает с видимой естественной линией горизонта);
17 - подвижные по вертикали индексы тангенциального ускорения (маркеры полной энергии);
18 - цифровое значение приборной скорости, км/ч;
19 - подвижная по горизонтали шкала угла курса (сжата относительно внешнего пространства);
20 - подвижный по горизонтали и вертикали индекс вектора скорости;
21 - цифровое значение радиовысоты, м;
22 - цифровое значение баровысоты, м;
23 - цифровое значение вертикальной скорости, м/с;
24 - неподвижный секторный стрелочный индикатор вертикальной скорости;
25 - индексная индикация навигационного режима полета (взлет, маршрут, посадка);
26 - центральная отсчетная точка ИЛС;
27 - планки (вертикальная и горизонтальная) отклонения от заданной траектории полета.
Элементы моделирующего комплекса имеют следующие функциональные предназначения (см. фиг. 1):
- ПК №1, включает блок управления моделирующим комплексом (блок дифференциальных уравнений пространственного движения ЛА, блок модели двигательной установки ЛА, блок аэродинамических характеристик ЛА, блок модели системы управления, блок обмена данными по локальной сети пилотажного стенда);
- ПК №2, включает блок вспомогательной обработки результатов моделирования, как в реальном масштабе времени, так и послеполетную;
- ПК №3, включает блок системы визуализации для устройства отображения, блок трехмерной модели пилотажной кабины (фиг. 2, 3) и блок трехмерной модели внекабинного пространства;
- ПК №4, включает блок дублирующей системы визуализации;
При этом каждый из четырех ПК включает блок обеспечения межмашинного обмена по локальной сети пилотажного стенда. В случае, если используется один ПК достаточной мощности, разработка данного блока не требуется, а вышеперечисленные блоки, расположенные на ПК №1 и ПК №3 располагаются на одном мощном ПК. При этом блоки, обеспечивающие дополнительные возможности, расположенные на ПК №2 и №4, как опционные, не используется.
Средство отображения, в частности очки виртуальной реальности, отображают для оператора вид на синтезированное внекабинное пространство, информационный кадр ИЛС и интерьер кабины экипажа с места пилота (см. фиг. 4, поз.7-12).
Орган управления пилотажным стендом, в частности джойстик, позволяет оператору выбирать посредством кнопок, расположенных на джойстике, навигационные режимы (взлет, маршрут, посадка и т.п.) в процессе исследования.
Особенностью предлагаемого способа является то, что данный способ в первую очередь предназначен для работ по предварительному исследованию состава, типа, формы, вида и способа представления пилотажно-навигационной информации, а также вариантов носителей этой информации как части информационно-управляющего поля пилотажной кабины.
Носителями информации в данном случае являются:
- многофункциональные индикаторы на основе ЖК дисплеев, в том числе и сенсорных;
- многофункциональные пульты управления на основе сенсорных ЖК дисплеев;
- индикатор на лобовом стекле на основе коллимированной оптической системы;
- нашлемная система индикации на основе стереоскопической коллимированной оптической системы.
Также особенностью данного настольного пилотажного стенда является использование в его составе устройства отображения (очков виртуальной реальности), посредством которого реализуют визуализацию внутреннего интерьера пилотажной кабины и внекабинного пространства одновременно в стереоскопическом варианте и в варианте использования коллимированного изображения внекабинного пространства и совмещенного с ним информационного кадра ИЛС, т.е. реализована трех плановая система визуализации - ближний, средний и дальний планы. При этом на ближнем плане размещен внутренний интерьер пилотажной кабины с информационными кадрами многофункциональных индикаторов и пультов управления, на среднем и дальнем планах размещена система визуализации внекабинного пространства с наложенным информационным кадром ИЛС (поз. 7-12 на фиг. 4) и информационное поле нашлемной системы отображения информации в виде дополненной реальности (на чертеже не показано). Способ осуществляется следующим образом.
Оператор надевает очки виртуальной реальности, а инженер-исследователь наблюдает вид на синтезированное внекабинное пространство, информационный кадр ИЛС, информационное поле нашлемной системы отображения информации в виде дополненной реальности и интерьер кабины экипажа с места пилота на мониторе ПК №1.
В процессе исследования оператор, при помощи кнопок джойстика выбирает разные навигационные режимы, при этом ИЛС отображает информацию о полете (поз.13-27 на фиг. 5). При разных навигационных режимах информация, отображаемая ИЛС разная. На фиг. 5 представлен пример информационного кадра ИЛС при включении навигационного режима «Посадка». В процессе исследования оператор и инженер-исследователь определяют, в каком виде та или иная информация о полете, отображенная на ИЛС воспринимается лучше оператором (в дальнейшем пилотом), в виде цифр, в виде шкалы, в каком месте ИЛС лучше расположить тот или иной индикатор (поз. 13-27 на фиг. 5) и т.д. Далее состав, тип, форма, вид и способ представления пилотажно-навигационной информации, а также варианты носителей этой информации меняются на программном уровне и исследование повторяется до тех пор, пока не будут выбраны оптимальные состав, тип, форма, вид и способа представления пилотажно-навигационной информации, а также варианты носителей этой информации.
При использовании дополнительных опционных возможностей (вспомогательной обработки результатов моделирования, как в реальном масштабе времени, так и послеполетной и дублирующей системы визуализации) инженер-исследователь получает дополнительные возможности.
На мониторе ПК №2 появляется возможность контролировать, параметры, отображенные в виде графиков, такие как, например, высота, скорость, ускорение, углы крена, тангажа и т.д. как в реальном времени в процессе исследования, так и по окончании исследования анализировать всю накопленную в процессе исследования и записанную информацию по всем параметрам полета. Например, посчитать среднее значение какого-либо параметра, дисперсию и т.д. Это так называемая статистическая инженерная обработка результатов эксперимента.
На мониторе ПК №4 появляется возможность, например, посмотреть на самолет со стороны с возможностью регулирования угла обзора, с возможностью видеть отклонение рулей, изменение положения шасси, режим работы двигателя, спутные, форсажные струи и т.д. (дублирующая система визуализации).
Такие возможности могут оказаться полезными в процессе исследования.
Описанный процесс является вариантом эргономических исследований по информационно-управляющему полю пилотажной кабины.
На основании проведенных исследований разрабатывают методики проведения экспериментов на пилотажном стенде с участием операторов и летного состава, и послеполетной обработки результатов экспериментов.
Предложенный способ позволяет повысить эффективность предварительных исследований элементов информационно-управляющего поля пилотажной кабины, ускорить заключительную отработку этих элементов на пилотажном стенде с участием операторов и летного состава, а также способствует сбережению эксплуатационного ресурса оборудования полномерного пилотажного стенда.
Следует отметить, что предложенный моделирующий комплекс не является цифровым двойником пилотажного стенда, поскольку представляет собой один из вариантов полноценного специализированного пилотажного стенда.