Автоматизированная информационная система испытаний вертолетов, оборудованных системами ночного видения, на основе диагностики функционального состояния экипажа

Солдатов Алексей Сергеевич кандидат технических наук заместитель начальника центра по испытательно-методической и научно-исследователськой работе Государственного летно-испытательного центра имени В.П.Чкалова 141102, Россия, Чкаловский область, пгт. Чкаловский, ул. Чкалова, 1, оф. 221 Soldatov Aleksei Sergeevich PhD in Technical Science Deputy Head of the Center for Testing, Methodological and Research Work of the V.P. Chkalov State Flight Test Center 141102, Russia, Chkalovskii oblast', pgt. Chkalovskii, ul. Chkalova, 1, of. 221 gniiivm.s@ya.ru Маслов Сергей Владимирович кандидат технических наук ведущий летчик-испытатель Национального центра вертолетостроения имени М.Л.Миля и Н.И.Камова 115054, Россия, г. Москва, ул. Большая Пионерская, 1, оф. 111 Maslov Sergei Vladimirovich PhD in Technical Science leading test pilot of the M.L.Mil and N.I.Kamov National Helicopter Building Center 115054, Russia, g. Moscow, ul. Bol'shaya Pionerskaya, 1, of. 111 gniiivm-m@yandex.ru

Кукушкин Юрий Александрович доктор технических наук ведущий научный сотрудник Центрального научно-исследовательского института ВВС Минобороны России 127183, Россия, г. Москва, Петровско-Разумовская аллея, 12, оф. А Kukushkin Yurii Aleksandrovich Doctor of Technical Science Leading Scientific Associate Central Scientific Research Institute of Air Force of the Ministry of Defense of Russia 127183, Russia, Moskovskaya oblast', g. Moscow, Petrovsko-Razumovskaya alleya, 12, of. A prof.Kukushkin@yandex.ru Другие публикации этого автора

Исследование выполнено при поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-013-00306.

Введение

Выполнение задач вертолетом ночью значительно снижает возможности летчика по полноценному использованию как внекабинной, так и внутрикабинной информации, затрудняют ведение ориентировки на местности ^[1-3]. Для успешного выполнения экипажем вертолета поставленных задач, основное значение приобретают инструментальные средства отображения внекабинного пространства, системы автоматизации процессов пилотирования, навигации и боевого применения ^[4-6]. Информация о параметрах полета, состав и характеристики таких средств должны соответствовать психофизиологическим возможностям и ограничениям лётчика по восприятию, переработке, своевременному и грамотному использованию информации для принятия решения ^[7-9].

Очки ночного видения (ОНВ) обеспечивают возможность пилотирования вертолета на предельно малых высотах, поиск целей, обнаружение отдельных объектов (здания, деревья, линии электропередач и т.п.) на дальностях, обеспечивающих безопасное выполнение маневра для обхода препятствий, подбор площадки с воздуха и выполнение посадки в сумерках и ночью в условиях естественной ночной освещенности (ЕНО) на местности от 10-4 до 1,0 лк, а в ряде случаев – при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь и др.) (рисунок 1).

Рисунок 1. Очки ночного видения «ГЕО-ОНВ-1-01»

При выполнении полетов с использованием ОНВ летчику необходимо учитывать целый ряд особенностей. Так, пилотировать вертолет необходимо более плавно, чем без очков, не допускать энергичных изменений крена, тангажа и курса, высоты и скорости полета ^{[10, 11]}. При пилотировании больше внимания следует уделять просмотру внекабинного пространства с целью своевременного обнаружения препятствий ^[12]. Взгляд на приборы для контроля режима полета, работы силовой установки и систем должен быть непродолжительным и выполняется из-под очков. Летчику вертолета необходимо быть постоянно готовым к облету препятствий, появляющихся по курсу полета, а также к переходу на пилотирование по приборам ^[13-15].

Дальность видимости наземных объектов по курсу полета зависит от их геометрических размеров, контрастности на фоне подстилающей поверхности и уровня естественной ночной освещенности (рисунок 2).

Рисунок 2. Наблюдение вертолета типа Ми-8 ночью через ОНВ

Обнаружение и распознавание объектов на фоне подстилающей поверхности при уровне ЕНО 5×10-3 лк, для ОНВ типа «ГЕО-ОНВ1-01» приведены в таблице 1 ^[16].

Таблица 1 Обнаружение и распознавание объектов на фоне подстилающей поверхности в ОНВ типа «ГЕО-ОНВ1-01»

При этом, в случае попадания в поле зрения очков интенсивных источников света (луч прожектора, фары автомобилей, красные фонари и т.п.) работоспособность очков сохраняется, но дальность обнаружения объектов поиска уменьшается, а качество просмотра подстилающей поверхности ухудшается ^[10]. Для выполнения полетов в горной местности с применением ОНВ летному составу необходимо пройти программу специальной летной подготовки. Выполнение полетов в условиях горной местности ночью с применением ОНВ в простых метеоусловиях возможно и безопасно при дальности видимости более 3 км и уровне ЕНО 5 х 10-3…10-1 лк ^{[1, 10]}. В этих условиях также, возможно и безопасно выполнение захода на посадку и посадки ночью, как на оборудованные, так и на необорудованные, неподготовленные высокогорные площадки.

Для определения величин уклонов на площадках требуются навыки, приобретаемые при полетах в горах, в том числе и ночью, с применением ОНВ. Наблюдение с помощью ОНВ внекабинного пространства и ведение визуальной ориентировки при ЕНО 5×10-3 лк затруднено из-за невозможности определения уклонов и границ горных массивов, естественных и искусственных объектов и сооружений, а также возможности появления в ОНВ мерцающих помех. Склоны гор, покрытые травой и не имеющие изменений в рельефе, обнаруживаются позже, чем склоны со скалистыми образованиями и покрытые лесом и кустарником, потому что в ОНВ воспринимаются как менее контрастные. Резко снижается контрастность подстилающей поверхности при выполнении полета в сторону захода или восхода Солнца, восхода Луны. При этом возможно появление в окулярах очков структурных линий в виде «сот», что свидетельствует об излишней освещенности закабинного пространства. В этом случае летчику необходимо перевести взгляд в сторону более темного участка горизонта.

Для успешного применения ОНВ светотехническое (осветительное и светосигнальное) оборудование летательных аппаратов, должно быть адаптировано к применению очков ночного видения.

При адаптации внутрикабинного светотехнического оборудования летательного аппарата осуществляется замена штатных светофильтров и источников излучения на адаптированные фильтры и источники излучения с дополнительной установкой адаптированных фильтров. В результате в кабине не остается неадаптированных к применению ОНВ или излишне ярких источников света, которые уменьшают дальность видимости закабинного пространства и существенно сокращают ресурс ОНВ (рисунок 3).

Рисунок 3. Пример адаптации информационного поля кабины вертолета

Материалы исследований деятельности лётчика, полученные при летных испытаниях вертолетов, оборудованных ОНВ, свидетельствуют, что применение ОНВ предъявляет особые требования к организации распределения внимания, ведению пространственной ориентировки, построению управляющих движений органами управления и сопровождается возрастанием уровня нервно-эмоционального напряжения.

Цель исследования – разработка автоматизированной информационной системы испытаний вертолетов, оборудованных системами ночного видения, на основе диагностики функционального состояния экипажа.

Материалы и методы

Разработка автоматизированной информационной системы испытаний вертолетов, оборудованных системами ночного видения, на основе диагностики функционального состояния экипажа, основана на опыте организации и проведения таких испытаний.

Для обоснования архитектуры автоматизированной системы применялись методы структурного системного анализа, поддержки принятия решений и схемотехники.

Диагностика функционального состояния экипажа осуществлялась по показателям активности кардиореспираторной и центральной нервной системы, регистрация показателей активности которых осуществлялась в процессе пилотирования бесконтактными методами, а также с применением специальных опросников до и после пилотирования ^{[1, 16]}.

Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с применением методов математической статистики: описательная статистика и анализ наличия в ряде измерений аномальных значений.

Результаты и обсуждение

При выполнении полетов в ОНВ средние величины отклонений параметров полёта от заданных значений на участках экспериментальных режимов составляли: по крену от +3,00 до – 2,90; по тангажу – от +2,20 до – 2,30; по высоте полёта от 10,4 м в наборе высоты и до -14,9 м при снижении, что практически не отличается от полученных значений в визуальном полёте днём. Однако высота и скорость полёта в ночных условиях выдерживались летным составом с более высокой точностью. Это объясняется тем, что в визуальном полёте, лётчик имеет возможность более точно оценить критичность изменения параметров полёта.

Пилотирование в ночных условиях с ОНВ сопровождается с увеличением двигательной нагрузки лётчика. Общее количество управляющих движений рычагом общего шага, ручкой управления и педалями возрастало на 44% по сравнению с дневными полётами и достигало 70 движений за одну минуту ^[1]. При этом установлено, что лётчик в полётах с ОНВ уделяет около 40% времени контролю показаний приборов. Такая структура распределения внимания, в общем, соответствует данным, полученным в дневных визуальных полётах. Вместе с тем, лётчик в основном получает информацию о высоте полёта, которую в ОНВ он определяет с ошибкой в 10% по сравнению с визуальной оценкой.

Оценка структуры распределения внимания лётчика в зависимости от параметров высоты, скорости полёта и уровня ЕНО позволила установить, что при увеличении высоты полёта и, следовательно, уменьшения риска столкновения с наземными объектами, обращаемость к внекабинному пространству через ОНВ уменьшается. Так, если на высоте 50 м лётчик 84% времени уделяет внекабинному пространству (что характерно для визуального дневного полёта на высотах менее 15 м), то на высотах 100 и 150 м время наблюдения внекабинного пространства соответственно уменьшается до 54,8% и 55,6% ^{[1, 4, 9, 10, 12]}.

Аналогичная зависимость наблюдается при изменениях уровня ЕНО. Установлено, что чем ниже уровень освещенности и, следовательно, видимость наземных объектов, тем больше времени лётчик наблюдает за внекабинным пространством.

Анализ материалов исследования функционального состояния лётчика показал, что уровень нервно-эмоционального напряжения лётчика в полётах с ОНВ определяется сложностью выполняемого режима, характером подстилающей поверхности и степенью естественной освещенности ^{[1, 17]}. Однако, в исследуемых режимах уровень нервно-эмоционального напряжения лётчика не превышал умеренной степени напряжения (таблица 2) .

Таблица 2 Показатели основных физиологических функций лётчика вертолёта в зависимости от уровня естественной ночной освещённости при полётах в ОНВ ^[1]

Проведенные исследования и многолетний опыт эксплуатации вертолетов с ОНВ свидетельствуют о положительном эффекте применения ОНВ, что позволяет обосновать целесообразность их использования экипажем круглосуточного вертолёта для решения поставленных задач.

Опыт применения летным составом ОНВ показал, что психологический комфорт летчика в основном зависит от качества узнавания знакомых ориентиров. Поскольку невооруженным глазом лётчик в ночных условиях практически ничего не видит, то эффект от использования ОНВ создаёт впечатление, что пилотировать можно почти как днём. Если при этом полеты выполняются над знакомой местностью, то впечатление трансформируется в психологическую уверенность, которая, с одной стороны, снижает психофизиологическую напряженность лётчика, а с другой – может ослабить внимание, резервы которого зависят как от уровня подготовки лётчика к ночным полётам по приборам, так и от уровня сложности режимов полёта.

Увеличение дальности видимости ориентиров на местности и улучшение ситуационной информированности экипажа возможно получить как путем улучшения характеристик ОНВ, так и путем реализации в вертолете систем технического зрения ^[18-20].

Системы технического зрения (СТЗ) являются перспективным направлением совершенствования бортового оборудования и средством повышения как безопасности, так и эффективности применения вертолетов.

Многообразные вариации разработки аппаратно-программных комплексов «улучшенного видения» (Enhanced Vision Systems, EVS) представлены разработками компаний Rockwell Collins Inc. (США), Thales (Франция), CMC Electronics Inc. (Канада), Max-Viz Inc. (США), SELEX Galileo (Италия) и др. ^[18-21].

В качестве источников информации в таких системах используются телевизионные, инфракрасные, радиолокационные каналы, лазерные локаторы, базы данных рельефа местности, базы данных аэропортов и объектов взлётно-посадочной полосы, навигационные параметры и ряд других. Сформированная системой EVS оперативная графическая информация далее представляется пилоту в реальном времени на соответствующем устройстве отображения – индикаторе на лобовом стекле. (ИЛС) или многофункциональном индикаторе (МФИ), представляющем собой компьютерный дисплей, входящий в состав бортовой системы отображения информации ^{[18, 22]}.

При этом в составе EVS выделяются две основные подсистемы: система технического зрения (СТЗ), выполняющая операции ввода и обработки видеоинформации, и система компьютерной визуализации (СКВ), непосредственно формирующая и представляющая пилоту графические образы закабинной обстановки ^[18].

Системы СКВ и СТЗ обеспечивают экипажу увеличение дальности видимости ориентиров на местности и улучшение ситуационной информированности при заходе на посадку, посадке и рулении по взлетно-посадочной полосе в темное время суток и в сложных метеоусловиях за счет формирования средствами технического зрения и компьютерной визуализации обогащенного графического образа закабинного пространства и вывода этого изображения на индикаторы экипажу (рисунок 4).

Рисунок 4. Системы синтезированного видения визуализируют данные о рельефе, используют БД рельефа местности

Примером комбинированной системы видения является система FalconEye на самолете Falcon 8X компании Dassault Aviation. Она одновременно отображает на ИЛС как расширенную систему видения (EVS), так и систему искусственного видения (SVS), с регулируемым пилотом распределением между изображениями EVS и SVS. При этом, часть территории аэропорта, окружающего взлетно-посадочную полосу, всегда отображается SVS, а посадочные огни и часть аэропорта, демонстрируется EVS (рисунок 5).

Рисунок 5. Система улучшенного видения FalconEye с отображением информации на ИЛС компании Dassault Aviation ^[19].

Многообразие разрабатываемых СТЗ и возможных сочетаний их интеграции в состав бортового оборудования вертолета (например, полет в ОНВ с реализацией СТЗ на одном из МФИ) предъявляет особые требования как к подтверждению правильности выбора того или иного технического решения, так и к определению психофизиологических особенностей летного экипажа при работе с составом вновь установленного оборудования ^[1].

Пример структуры перспективной информационной системы испытаний вертолетов, оборудованных ОНВ и системой технического зрения, с оценкой функционального состояния экипажа представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. Перспективная автоматизированная информационная система оценки функционального состояния экипажа в летных испытаниях вертолета, оборудованного системами ночного видения

В отличие от предложенного в ^[23] для регистрации и обработки биометрии членов экипажа предлагается использовать интеллектуальные датчики (ИД) (кожно-гальванической реакции, пульса, сердечных сокращений, температуры и др.) ^[24-28] и соответствующее программное обеспечение ^[29-31].

ИД может выдавать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейности чувствительного элемента или температурной зависимости. Такой датчик способен работать с большей разновидностью разных типов чувствительных элементов, а также комбинировать два или более измерений в одно новое измерение, например, объединять измерения физиологических параметров в сводный показатель психофизиологической нагрузки ^[32-35]. ИД позволяет производить настройку на другие диапазоны измерений или полуавтоматическую калибровку, а также осуществлять функции внутренней самодиагностики, что упрощает техническое обслуживание. Наряду с усовершенствованием работы, дополнительные функциональные возможности интеллектуальных устройств снижают размерность обработки сигналов системой управления и приводят к тому, что несколько разных приборов заменяются прибором одной модели, что даёт преимущество как в самом производстве, так и в стоимости обслуживания ^[24].

Для регистрации направления взгляда в кабине вертолета располагается система видеокамер, позволяющая на основе цифрового комплекса распознавания образов в автоматическом режиме определить и зарегистрировать направление взгляда каждого члена экипажа в течение всего полета. Современные системы обработки видеопотока достаточно достоверно позволяют определить, в какой момент времени летчик смотрит на приборную доску, а в какой во внекабинное пространство.

Полученная информация через блок коммутации и синхронизации дополняется текущими значениями параметров полета и величинами отклонений органов управления, поступающих от системы бортовых измерений, а также записью системы видеорегистрации, которая содержит запись текущего отображения ИЛС и всех МФИ в кабине вертолета.

Заключение

Таким образом, предлагаемая автоматизированная система позволит регистрировать, обрабатывать и накапливать полетную и психофизиологическую информацию в реальных испытательных полетах при выполнении всей программы летных испытаний, предоставив специалистам в области авиационной медицины и эргономики точные количественные характеристики исследуемых параметров при оценке перспективных систем ночного видения.

Внедрение современных информационных технологий позволит объективно и высокой точностью проанализировать и оценить содержание и психофизиологическую структуру деятельности летчика на основе сопоставления изменений параметров полета, перемещения органов управления, направления взгляда летчика и его биомедицинских параметров и рекомендовать для внедрения конкретные варианты систем ночного видения.