Оценивание возможностей звуковой индикации при приборном заходе на посадку
Просмотров: 1614
2017 год
Корсун О.Н., Бурлак Е.А., Набатчиков А.М. Оценивание возможностей звуковой индикации при приборном заходе на посадку // Сборник докладов юбилейной Всероссийской научно-технической конференции "Авиационные системы в XXI веке". Т. 2. Секция 3-6. – М.: ФГУП "ГосНИИАС", 2017. – С. 330-336.
Мероприятие: Юбилейная Всероссийская научно-техническая конференция "Авиационные системы в XXI веке" (Россия, Москва, 26-27 мая 2016 г.)
Пилот современного самолета в процессе пилотирования перегружен информацией, воспринимаемой, главным образом, визуально (показания приборов) [1]. При этом "наметившийся в конце 70-х годов ХХ века разрыв между физиологическим пределом человека и техническими возможностями техники прогрессирует"[1, 2]. Возросший в последнее время интерес к использованию в различных сферах [3] беспилотных летательных аппаратов (БЛА) повысил востребованность операторов подобных средств [4, 5]. Оператор, управляющий БЛА лишён части информации, поступающей неявно посредством ощущения перегрузки, ощущения положения и ориентации своего тела в пространстве, восприятия шума, сопровождающего работу двигателя и т.п. Таким образом, дистанционное пилотирование сопряжено с дефицитом информации, который могут компенсировать дополнительные средства индикации.
Эксперименты по управлению самолётом при помощи предъявления оператору звуковых сигналов, проводились ещё в первой половине прошлого века [6]. Как и сейчас, основная цель подобных экспериментов – снизить загруженность пилота, используя для индикации не только визуальные стимулы. Использование аудиосигнализации оправдано «впечатлением непосредственной внешней локализации» [7] (без дополнительных усилий по проецированию субъекта и источника звука). При восприятии двумя ушами звук слышен в одном определённом направлении (без ощущений разного уровня слышимости отдельным ухом), формируя единый звуковой образ, соответствующий, по своему характеру, образу визуального восприятия. Источники звука, расположенные на небольшом удалении (до 1,5 м) хорошо локализуются по расстоянию, при этом удалённость так же воспринимается субъектом непосредственно (формируется образ) и с относительно большой точностью. Один из нюансов восприятия заключается в том, что доносящиеся справа и слева звуки не смешиваются, а звучащие для слушателя спереди-сзади, сверху-снизу – смешиваются довольно часто. Вторая особенность: локализация шумов происходит лучше, чем простых звуков и звона.
В целях исследования возможности использования аудиоканала для предоставления лётчику пилотажной информации, были проведены эксперименты по выполнению высокоточных манёвров на авторском пилотажном исследовательском стенде [8-12].
В ходе экспериментов были проведены пробные инструментальные посадки (без визуализации внекабинной обстановки), причём информация о положении летательного аппарата относительно глиссады предъявлялась оператору только посредством аудиосигнализации, при этом курсо-глиссадные планки, расположенные на приборе ПНП, заблокированы в среднем положении.
Модель аудиоиндикации подключается к блоку, вычисляющему угловую ошибку позиционирования ЛА на глиссаде по двум осям. Так как система представляет собой замену (или дублирование) планок ПНП, то «работает» она с тем же соглашением об интерфейсе, что и ПНП: величины рассогласований в горизонтальной и вертикальной плоскости, соответственно:
Как было отмечено выше, человек хорошо локализует источник звука справа-слева, и значительно хуже - сверху-снизу [13-15]. Исходя из этого, стереоэффект используется только для горизонтальной плоскости, для вертикальной же используются три различных звука, определяющих знак ошибки как «больше нуля», «около нуля» (допустимая малая ошибка), «меньше нуля». Величина рассогласования по вертикали кодируется путём изменения уровня громкости пропорционально модулю ошибки, при этом для ошибки близкой к нулю громкость дополнительно усиливается в ZG раз, чтобы не ухудшать распознаваемость индикации боковых отклонений.
Для предъявления оператору ЛА, использовался набор из 21 звукового фрагмента, образующих матрицу звуков:
где «врх» - фрагменты с «верхним» звуком, и соответствующими угловыми отклонениями в горизонтальной плоскости, «нз» и «грзнт» - аналогичные аудиофрагменты для «нижнего» звука и звука «около нуля», соответственно.
Синтез фрагментов для различной величины бокового отклонения был произведён в соответствии с [16, 17].
Ниже на рисунке 1 представлены фонограммы «верхнего» (А), «нулевого» (Б) и «нижнего» (В) звуков для нулевой ошибки по боку.
Алгоритм выбора фрагмента спроектирован таким образом, чтобы оперативно менять соответствие между величиной Vx и звуком, предъявляемым лётчику, для чего дополнительно определяется вектор U:
Выше приведены окончательные значения элементов вектора U, полученные в ходе калибровки (на основании комментариев оператора) после серии предварительных полётов. Для корректной работы алгоритма необходимо выполнение следующего требования:
где cols(M) - количество столбцов в матрице M.
Для выделения допустимо малых ошибок, были определены «мёртвые зоны» для каждой оси: DZx и DZy.
С учётом сказанного выше, алгоритм выбора индексов фрагмента (Ix и Iy) в матрице M и его громкости воспроизведения (VGAIN) следующий:
где floor – округление в меньшую сторону, size(U) – длина вектора U,
где ceil - округление в большую сторону, sgn - функция-знак,
то есть InDZx равен единице если условие выполняется и нулю в противном случае,
Если признак InDZx равен единице - X обнуляется; аналогично для Y. После этой корректировки индексы находится как:
где rows(M) - количество строк в матрице M.
В случае если одновременно оба признака - InDZx и InDZy - истинны, то индикация отключается, так как ошибки не превышают допустимых.
В алгоритме предусмотрено зацикленное воспроизведение фрагмента и защита от повторного выбора.
Далее устанавливается текущая громкость воспроизведения фрагмента:
Если Iy=ceil(rows(M)/2), то выставляется громкость:
в остальных случаях, выбирается громкость:
В результате работы алгоритма, для предъявления оператору будет выбран фрагмент MIy,Ix для воспроизведения с громкостью VGAIN.
На рисунке 2 визуализировано соответствие величин рассогласований Vx и Vy (изменяются от -1 до 1 по абсциссе и ординате соответственно) и индексов Ix, Iy (указаны в квадратных скобках).
На рисунках 3, 4 представлены траектории инструментального захода на посадку в вертикальном и горизонтальном каналах, полученные в ходе экспериментов на стенде для вариантов:
Как видно из рисунка, качество посадок, выполненных с предложенным аудиометодом представления информации, свидетельствует о том, что точность, обеспечиваемая аудиосигнализацией, сопоставима со штатным заходом по планкам.
В дальнейшем предполагается проведение исследований по возможности использования данного метода индикации ошибки для выполнения других высокоточных манёвров: дозаправки в воздухе, полёта строем и т.п.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 15-08-06946-а.
Эксперименты по управлению самолётом при помощи предъявления оператору звуковых сигналов, проводились ещё в первой половине прошлого века [6]. Как и сейчас, основная цель подобных экспериментов – снизить загруженность пилота, используя для индикации не только визуальные стимулы. Использование аудиосигнализации оправдано «впечатлением непосредственной внешней локализации» [7] (без дополнительных усилий по проецированию субъекта и источника звука). При восприятии двумя ушами звук слышен в одном определённом направлении (без ощущений разного уровня слышимости отдельным ухом), формируя единый звуковой образ, соответствующий, по своему характеру, образу визуального восприятия. Источники звука, расположенные на небольшом удалении (до 1,5 м) хорошо локализуются по расстоянию, при этом удалённость так же воспринимается субъектом непосредственно (формируется образ) и с относительно большой точностью. Один из нюансов восприятия заключается в том, что доносящиеся справа и слева звуки не смешиваются, а звучащие для слушателя спереди-сзади, сверху-снизу – смешиваются довольно часто. Вторая особенность: локализация шумов происходит лучше, чем простых звуков и звона.
В целях исследования возможности использования аудиоканала для предоставления лётчику пилотажной информации, были проведены эксперименты по выполнению высокоточных манёвров на авторском пилотажном исследовательском стенде [8-12].
В ходе экспериментов были проведены пробные инструментальные посадки (без визуализации внекабинной обстановки), причём информация о положении летательного аппарата относительно глиссады предъявлялась оператору только посредством аудиосигнализации, при этом курсо-глиссадные планки, расположенные на приборе ПНП, заблокированы в среднем положении.
Модель аудиоиндикации подключается к блоку, вычисляющему угловую ошибку позиционирования ЛА на глиссаде по двум осям. Так как система представляет собой замену (или дублирование) планок ПНП, то «работает» она с тем же соглашением об интерфейсе, что и ПНП: величины рассогласований в горизонтальной и вертикальной плоскости, соответственно:
Как было отмечено выше, человек хорошо локализует источник звука справа-слева, и значительно хуже - сверху-снизу [13-15]. Исходя из этого, стереоэффект используется только для горизонтальной плоскости, для вертикальной же используются три различных звука, определяющих знак ошибки как «больше нуля», «около нуля» (допустимая малая ошибка), «меньше нуля». Величина рассогласования по вертикали кодируется путём изменения уровня громкости пропорционально модулю ошибки, при этом для ошибки близкой к нулю громкость дополнительно усиливается в ZG раз, чтобы не ухудшать распознаваемость индикации боковых отклонений.
Для предъявления оператору ЛА, использовался набор из 21 звукового фрагмента, образующих матрицу звуков:
где «врх» - фрагменты с «верхним» звуком, и соответствующими угловыми отклонениями в горизонтальной плоскости, «нз» и «грзнт» - аналогичные аудиофрагменты для «нижнего» звука и звука «около нуля», соответственно.
Синтез фрагментов для различной величины бокового отклонения был произведён в соответствии с [16, 17].
Ниже на рисунке 1 представлены фонограммы «верхнего» (А), «нулевого» (Б) и «нижнего» (В) звуков для нулевой ошибки по боку.
Рисунок 1. Фонограммы звуковых сигналов
Алгоритм выбора фрагмента спроектирован таким образом, чтобы оперативно менять соответствие между величиной Vx и звуком, предъявляемым лётчику, для чего дополнительно определяется вектор U:
Выше приведены окончательные значения элементов вектора U, полученные в ходе калибровки (на основании комментариев оператора) после серии предварительных полётов. Для корректной работы алгоритма необходимо выполнение следующего требования:
где cols(M) - количество столбцов в матрице M.
Для выделения допустимо малых ошибок, были определены «мёртвые зоны» для каждой оси: DZx и DZy.
С учётом сказанного выше, алгоритм выбора индексов фрагмента (Ix и Iy) в матрице M и его громкости воспроизведения (VGAIN) следующий:
где floor – округление в меньшую сторону, size(U) – длина вектора U,
где ceil - округление в большую сторону, sgn - функция-знак,
то есть InDZx равен единице если условие выполняется и нулю в противном случае,
Если признак InDZx равен единице - X обнуляется; аналогично для Y. После этой корректировки индексы находится как:
где rows(M) - количество строк в матрице M.
В случае если одновременно оба признака - InDZx и InDZy - истинны, то индикация отключается, так как ошибки не превышают допустимых.
В алгоритме предусмотрено зацикленное воспроизведение фрагмента и защита от повторного выбора.
Далее устанавливается текущая громкость воспроизведения фрагмента:
Если Iy=ceil(rows(M)/2), то выставляется громкость:
в остальных случаях, выбирается громкость:
В результате работы алгоритма, для предъявления оператору будет выбран фрагмент MIy,Ix для воспроизведения с громкостью VGAIN.
На рисунке 2 визуализировано соответствие величин рассогласований Vx и Vy (изменяются от -1 до 1 по абсциссе и ординате соответственно) и индексов Ix, Iy (указаны в квадратных скобках).
Рисунок 2. Сопоставление аудио фрагментов соответственно величине рассогласования
На рисунках 3, 4 представлены траектории инструментального захода на посадку в вертикальном и горизонтальном каналах, полученные в ходе экспериментов на стенде для вариантов:
- штатный заход на посадку по курсо-глиссадным планкам (рис. 3,4, линия (а) );
- заход только с использованием только аудиосигнализации без курсо-глиссадных планок (рис. 3, 4, линия ( б) );
Рисунок 3. График посадки в вертикальном канале
Рисунок 4. График посадки в боковом канале
Как видно из рисунка, качество посадок, выполненных с предложенным аудиометодом представления информации, свидетельствует о том, что точность, обеспечиваемая аудиосигнализацией, сопоставима со штатным заходом по планкам.
В дальнейшем предполагается проведение исследований по возможности использования данного метода индикации ошибки для выполнения других высокоточных манёвров: дозаправки в воздухе, полёта строем и т.п.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 15-08-06946-а.
Литература
- Себряков Г.Г. Проблемы проектирования полуавтоматических систем наведения летательных аппаратов // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2007. № 10. С. 2-7.
- Ростопчин В.В., Румянцев С.С. Беспилотные авиационные системы, 2002 // Режим доступа: http://www.avia.ru/author/04.shtml (дата обращения 24.03.2016)
- А.М. Набатчиков, Е.А. Бурлак Этические вопросы использования беспилотных летательных аппаратов в гражданской сфере // Искусственный интеллект: философия, методология, инновации. Сборник трудов IX Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. г. Москва, МИРЭА, 10-11 декабря 2015 г. Под общей редакцией Е.А. Никтиной - М.: МИРЭА, 2015. - С. 190-195.
- Ивашкин Г. Подготовка специалистов беспилотных авиационных систем в Израле // Зарубежное военное обозрение. - 2012. - № 3. - С. 95.
- United States Air Force needs a few hundred good drone pilots // Режим доступа: http://arstechnica.com/tech-policy/2015/06/united-states-air-force-needs-a-few-hundred-good-drone-pilots/ (дата обращения 24.03.2016)
- Forbes T. W., Auditory signals for instrument flying, J Aeronaut. Sc., 13 (1946).
- Гератеволь З. Психология человека в самолёте. — М.: издательство иностранной литературы, 1956. — 356 с.
- Корсун О.Н., Бурлак Е.А., Набатчиков А.М. Исследовательский полунатурный стенд для анализа задач пилотирования и алгоритмов обработки полетных данных // Седьмой международный аэрокосмический конгресс IAC’2012. Сб. научн. тр. М.: 2013. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) рег. № 0321303652/03.06.2013.
- Бурлак Е. А., Набатчиков А. М. Полунатурный исследовательский стенд для оценивания характеристик деятельности человека-оператора при управлении дистанционно-пилотируемым летательным аппаратом // Электронный журнал «Труды МАИ», ISSN: 1727-6942. Выпуск № 68 от 03 сентября 2013. Режим доступа: http://mai.ru/science/trudy/published.php?ID=41725 (дата обращения 24.03.2015)
- Корсун О.Н., Семенов А.В. Оценка пилотажных характеристик самолетов по результатам летного эксперимента, идентификации и моделирования // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2007. № 7. С.2-7.
- Е.А. Бурлак, А.М. Набатчиков. Практические проблемы моделирования интерактивных систем в масштабе реального времени в операционной системе WINDOWS // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2015. №7. С.47-51.
- Корсун О. Н., Набатчиков А. М., Бурлак Е. А. Синхронизация информационных потоков при полунатурном моделировании движения летательных аппаратов // Электронный научно-технический журнал "Инженерный вестник", – 2013. – №10. - С. 1-16. Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/628235.html (дата обращения 09.01.2014)
- Лаврова Г.А. Оценка характеристик 3D-аудио, реализованной с учетом поворота головы испытуемого // Вестник компьютерных и информационных технологий. №3, 2015
- Корсун О.Н., Лаврова Г.А. Современные методы реализации технологии 3D-аудио и оценка ее возможностей для улучшения звукового интерфейса кабины летательного аппарата // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. № 2. С. 173-188.
- А.А.Огинский, Е.А.Бурлак, А.М.Набатчиков. Аппаратно-программный комплекс для проведения экспериментов по изучению работы человека-оператора в системах слежения // 60 Научно-техническая конференция. Сборник трудов. Ч.1. Информационные технологии и системы. Вычислительная техника. / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики". - М., 2011. - С. 87-91.
- Корсун О.Н., Лаврова Г.А. Использование гармонических и полигармонических сигналов при создании эффекта 3D-аудио // Вестник компьютерных и информационных технологий. №8, 2012. С. 8-13.
- Корсун О.Н., Лаврова Г.А., Себряков Г.Г. Синтез 3D-аудио сигналов для звукового интерфейса перспективной кабины летательного аппарата // Всерос. науч.-техн. конф. «Моделирование авиационных систем»: материалы конф. М.: ФГУП ГосНИИАС, 2011. т. 3. С. 452 -458
Файлы к скачиванию:
- Отсканированные страницы (2.07 МБ)
Комментарии