ИНТЕРАКТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ

Полезная модель относится к компьютеризированным виртуальным мультимедийным тренажерам операторов систем управления (СУ) динамическими объектами (ДО), в частности дистанционно управляемыми робототехническими системами (РТС), применяемыми в сложных условиях в реальном масштабе времени при ограничениях на моторные функции оператора и может быть использована при обучении и тренировке соответствующих специалистов, оценке подготовленности операторов и оптимизации процессов их профессиональной подготовки с помощью обучающих и тренирующих мультимедийных комплексов, применяемых автономно и в составе СУ ДО при работе в штатном режиме.
7
Известен «Виртуальный мультимедийный тренажер коллектива операторов системы управления динамическими объектами» (патент РФ №2239234 от 06.10.2003 по кл. МПК G09В 9/00), содержащий пульты обучаемых, обучающего, коммутатор пультов, блоки памяти, ввода, вывода информации, формирования аудиоинформации, видеоинформации, имитации объектов управления, возмущающих воздействий, воспроизведения мультимедийной информации, программного управления, отображения информации коллективного пользования, приоритета, контроля действий обучаемых, программируемый таймер, формирователь управляющих импульсов, распределители кодов.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются: рабочее место обучаемого; блок имитации объектов управления (блок моделирования динамики ДО), возмущающие воздействия; блок формирования видеоинформации; блок ввода-вывода мультимедийной информации;
блок программного управления (блок информационного обеспечения), а так же присущий только устройству-аналогу блок отображения информации коллективного пользования. Причем с неформальной точки зрения блок формирования мультимедийной информации и отображения информации коллективного пользования функционально эквивалентен блоку формирования и отображения виртуальной реальности на экране ЭЛТ монитора в комплекте с затворными очками предлагаемой полезной модели.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: определенность сценария тренажа, предпочтение количества одновременно обучаемых по схожим условиям разнообразию индивидуального обучения отработки поставленной задачи по изменяемым условиям с учетом индивидуальных особенностей обучаемого.
7
Известный также «Виртуальный тренажер самолета» (патент РФ №2191432 от 20.10.2002 по кл. МПК G09В 9/08) относится к области авиационных тренажеров, а более конкретно к системам имитации элементов пилотажа по реальным записям полетной информации, содержит рабочее место, блоки систем контроля и управления вооружением, адаптер, выход которого соединен со входом шлема с виртуальными очками, блок обработки полетной информации, содержащий модуль воспроизведения полетной информации, модуль сравнения параметров управления самолетом в полете и в режиме тренажа, модуль анимации приборной доски летчика и закабинного пространства, модуль предполетной подготовки и тестирования, модуль базы данных расчетных и регистрируемых параметров в полете, модуль контроля и управления режимами тренажа, блок отображения и документирования оценок рациональной деятельности как в полете, так и в режиме тренажа, а также блок виртуальной
реальности, причем рабочее место находится в кабине реального самолета.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются: рабочее место обучаемого, с которого и задается сценарий тренажа для конкретного задания, блоки систем объективного контроля и управления внешней системой, блок воспроизведения внешней информации, адаптер, выход которого соединен с виртуальными очками, модуль базы данных расчетных и регистрируемых параметров, модуль сравнения оптимальных параметров управления и в режиме тренажа.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: определенность сценария тренажа, одновременное обучение только одного оператора (используется макет кабины, анимационное представление внекабинной обстановки и приборной доски), акцент сделан на отработку элементов пилотажа и выработку автоматических действий в предопределенном порядке, не предусмотрено выполнение в реальном масштабе времени разнообразных интеллектуальных и моторных функций обработки информации и принятия управляющих решений в потенциально конфликтных условиях.
7
Известен «Пилотажно-тренировочный комплекс» (патент РФ №2263973 от 10.11.2005 по кл. МПК G09В 9/08), включающий системы визуализации и отображения информации с соответствующими системами и вычислителями управления, органы управления, связанные с вычислителем динамики полета, вычислителями автоматической системы управления, пилотажно-навигационного оборудования, связанный с ними главный процессор, выход которого связан через вычислитель информационного обеспечения с вычислителями управления системой отображения информации и системой управления визуализацией, блоки задания начальных
условий и возмущений в полете, пульт управления с дисплеем в кабине пилота и экспертная система с базой данных. Целью разработки по этому патенту является создание системы тренировки летного состава при катастрофических ситуациях в случае отказа бортового оборудования ЛА. Принятие решений человеком, управляющим сложной системой, затруднено вследствие многомерности фактов для анализа, неопределенности и неоднозначности описания критических ситуаций, малым резервом времени и большой психологической нагрузкой. Сценарии тренажа предусматривают рассмотрение известных и новых примеров критических ситуаций; в диалоге с ЭВМ заполняется БД критических ситуаций.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются: системы визуализации и отображения информации с соответствующими системами и вычислителями управления; органы управления, связанные с вычислителем динамики полета (перемещения); главный процессор, блок задания начальных условий, блок задания возмущений, блок прогноза (блок моделирования динамики ДО), блок распознавания аварийной ситуации, система документирования.
Причинами, препятствующими достижению технического результата по патенту РФ №2263973, являются: визуализация окружающего летательный аппарат (который можно рассматривать как ДО) пространства в реальном времени выполняется с формированием плоского (2D) изображения, рабочее место представляет собой макет кабины в виде полунатурной модели реальной кабины, требующей довольно громоздкое материально-техническое сопровождение.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение реалистичности изображения окружающего ДО
пространства в реальном времени и динамики виртуальных объектов управления, разработка удобной для оператора подсистемы ввода управляющих данных.
Технический результат достигается тем, что в известное устройство введены дополнительно аппаратно-программные средства (АПС) с программным обеспечением для создания виртуальных сцен и синхронизации работы отдельных компонентов системы, база данных с описанием виртуальных моделей ДО (подсистема обработки базы данных моделей ДО и синтеза изображения), подсистема рендеринга для графического преобразования описания моделей в визуальное представление на экране с возможностью преобразования виртуальных моделей в два изображения с точки зрения левого и правого глаз пользователя, экран для визуального отображения ВР, адаптер и затворные стереоочки, подсистема голосового ввода и манипуляции данными, консоль запуска и управления системой, блок информационного обеспечения, блок формирования сообщения о критической ситуации.
Для достижения технического результата в устройство, содержащее системы визуализации и отображения информации с соответствующими системами и вычислителями управления; органы управления, связанные с вычислителем динамики перемещения; главный процессор, блок задания начальных условий, блок задания возмущений, блок моделирования динамики ДО, блок распознавания аварийной ситуации, систему документирования введены программное обеспечение для создания виртуальных сцен и синхронизации работы отдельных компонентов системы, база данных с описанием виртуальных моделей ДО, подсистема рендеринга для графического преобразования описания моделей в визуальное представление на экране с возможностью преобразования
виртуальных моделей в два изображения с точки зрения левого и правого глаз пользователя, экран для визуального отображения ВР, адаптер и затворные стереоочки, подсистема голосового ввода и манипуляции данными, консоль запуска и управления системой, блок информационного обеспечения, блок формирования сообщения о критической ситуации, причем системы визуализации и отображения информации с соответствующими системами и вычислителями управления объединены в подсистему формирования ВР, органы управления содержат устройство для ввода аудио информации и являются частью подсистемы голосового ввода и манипуляции данными.
Интерактивная система управления РТС поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема системы тренировки оператора.
1. Блок распознавания аварийной ситуации и эталонного управления
2. Блок моделирования динамики ДО
3. Консоль запуска и управления системой
4. Блок формирования сообщения о критической ситуации
5. Инструктор
6. Экран оператора
7. Подсистема голосового ввода и манипуляции данными
8. Блок вычисления динамики перемещения ДО
9. Система документирования
10. Блок задания начальных условий тренировки
11. Подсистема формирования ВР
12. Подсистема рендеринга
13. Адаптер и затворные стерео очки (подсистема визуализации ВР)
14. Главный процессор (программное обеспечение для создания виртуальных сцен и синхронизации работы отдельных компонентов системы, база данных с описанием виртуальных моделей ДО - подсистема обработки базы данных моделей ДО и синтеза изображения)
15. Блок информационного обеспечения
16. Блок задания возмущений
В интерактивной системе управления РТС имеются связанные последовательно подсистема формирования ВР 11, подсистема рендеринга 12 и подсистема визуализации ВР 13 (адаптер и затворные стерео очки). Выход подсистемы рендеринга 12 связан с экраном оператора 6 (визуальное отображение ВР) и входом подсистемы визуализации ВР 13. Вход подсистемы формирования ВР 11 связан с выходом главного процессора 14. Входы главного процессора 14 соединяются с выходом блока распознавания аварийной ситуации и эталонного управления 1, с выходом блока вычисления динамики перемещения ДО 8, выходом блока информационного обеспечения 15. Консоль запуска и управления системой 3 (пульт инструктора 5) связана с блоком задания начальных условий тренировки 10, блоком задания возмущений 16, выходы которых связаны с блоком информационного обеспечения 15. Выходы блока информационного обеспечения 15 соединены с системой документирования 9 и входом главного процессора 14. Вход системы документирования 9 связан также с выходом блока задания начальных условий тренировки 10 и выходом блока вычисления динамики перемещения ДО 8. Блок вычисления динамики перемещения ДО 8 соединен с блоком моделирования динамики ДО 2, выход которого связан с входом блока распознавания аварийной ситуации и эталонного управления 1. Выходы блока распознавания
аварийной ситуации и эталонного управления 1 соединяются с входом блока формирования сообщения о критической ситуации 4, с входом главного процессора 14. Вход блока вычисления динамики перемещения ДО 8 соединен с выходом подсистемы ввода и манипуляции данными 7. Вход подсистемы ввода и манипуляции данными 7 - команды от оператора.
Система работает следующим образом.
С консоли запуска и управления системой 3 вводятся задания начальных условий тренировки (формирование сценария деятельности оператора).
Воспроизведение динамики управления ДО в среде ВР выполняется последовательно подсистемой формирования ВР 11, подсистемой рендеринга 12 и подсистемой визуализации ВР 13 по информации моделирования, полученной в блоке 14 на основе информации из блоков 1, 8, 15. Оператор на основе топологии отстоящих объектов и ДО сформированной среды ВР, отображенной на экране 6 ЭЛТ монитора в стерео режиме или режиме 3D визуализации (по выбору), подает команды управления ДО подсистеме ввода и манипуляции данными 7 голосом через устройство ввода аудио информации или с помощью виртуального пульта управления подсистемы 7. Подсистема ввода и манипуляции данными 7 обрабатывает голосовые команды оператора из набора команд управления ДО или введенные с пульта управления подсистемы 7 и передает информацию управления в блок вычисления динамики перемещения ДО 8. Задание команд управления голосом и виртуальный пульт управления подсистемы 7 на экране предлагают удобный интерфейс для оператора, работающего в штатном режиме в скафандре.
Экран 6 ЭЛТ монитора, подсистема визуализации ВР 13 и средства ввода команд управления ДО подсистемы 7, с которыми непосредственно работает оператор, образуют рабочее место оператора.
Блок 8 вычисляет предполагаемое положение ДО в среде деятельности после отработки команды оператора. Блок моделирования динамики ДО 2 рассчитывает траекторию перемещения ДО от предыдущего положения объекта управления до желаемого. Блок распознавания аварийной ситуации и эталонного управления 1 анализирует возможность нештатной ситуации, а блок формирования сообщения о критической ситуации 4 формирует команды выдачи предупреждающих сообщений или запрет на отработку введенных команд, если это приведет к аварийной ситуации.
На основе баз данных пространственных моделей объектов, математической модели динамики перемещения объекта управления (информация от блока 8) главный процессор 14 рассчитывает информацию, необходимую для объемных построений объектов в пространстве ВР в текущий момент времени подсистемой формирования ВР 11, подсистемой рендеринга 12.
Информационная модель комплекса имитирует процесс управления, сохраняя все существенно важные свойства реального ДО и процессов управления. Она обеспечивает все виды операторской деятельности при управлении реальным ДО.
Подсистема формирования ВР 11 - комплекс программных средств для разработки 3D сцены среды ВР в зависимости от точки наблюдения.
Подсистема рендеринга 12 - комплекс программных средств для графического преобразования описания среды ВР в визуальное представление на экранную плоскость (в два изображения на экранную плоскость с точки зрения левого и правого глаз пользователя).
Подсистема визуализации ВР 13 - комплекс АС преобразования и синхронизации информации с возможностью просмотра изображения пользователем в затворных стерео очках.
Данная интерактивная система управления робототехническими средствами может быть реализована с использованием, например, следующей программно аппаратной конфигурации.
Программное обеспечение всей системы в целом строится на базе ОС Windows XP, средствами инструментальной графической библиотеки OpenGL и языка C++. Интерактивная система управления робототехническими средствами предъявляет следующие технические требования для блока 14:
- материнская плата класса ASUS P5AD2;
- процессор класса Pentium IV 3.6 Ghz;
- оперативная память 2 Gb Dual channel;
- винчестер объемом не менее 120 Gb;
- корпус с хорошей вентиляцией.
- клавиатура, «мышь» - стандартные.
- видеокарта фирмы NVIDIA;
- микрофон;
- аналого-цифровой преобразователь акустического сигнала, входящий в состав персонального компьютера.
Состав программной части стенда интерактивной системы управления робототехническими системами для представления стереоизображения определяют следующие требования:
DirectX 8 или поздней версии;
графический драйвер NVIDIA Force Ware;
стереодрайвер NVIDIA Force Ware 3D Stereo. Интерактивная система управления робототехническими средствами для ввода голосовой информации использует дикторозависимую систему распознавания речи Dragon Dictate for Windows Version 2.5
Использование общедоступных высокопроизводительных персональных компьютеров, элементов виртуального окружения, свободно-распространяемого программного обеспечения, а также включение в систему разработанных программных модулей позволило создать программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий решение задач, ранее доступных лишь сложным и дорогим комплексам.