Применение аудио технологий в процессе захода на посадку

Современный лётчик, 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 [4-6]. 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 [7]. Как и сейчас, основная цель подобных экспериментов – снизить загруженность пилота, используя для индикации не только визуальные стимулы. Использование аудиосигнализации оправдано «впечатлением непосредственной внешней локализации» [8] (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.

Способность человека распознавать положение источника звука в пространстве объясняется тем, что он оценивает искажение спектра сигнала при взаимодействии с головой и ушной раковиной, которое зависит от расположения источника звука. При смещении в направлениях лево-право также влияют такие параметры как внутрислуховое отношение интенсивностей и внутрислуховая временная разность (очевидно, что звук будет громче, и достигнет раньше ухо, ближе к которому расположен источник).

Изменение сигнала характеризуется таким понятием как Head Related Impulse Response (Антропозависимая Импульсная Характеристика) – HRIR. HRIR измеряется экспериментально, с помощью микрофонов, размещенных во внешнем слуховом проходе человека или манекена. Строго говоря, антропозависимая импульсная характеристика зависит от направления на источник звука, различна для левого и правого уха и объекта. Процесс измерения HRIR достаточно трудоемкий, поэтому на данном этапе принято решение воспользоваться общедоступной библиотекой, а именно базой данных центра обработки изображений и интегрированных вычислений университета Калифорнии в Дэвисе [9].

Для получения эффекта пространственного звука необходимо взять моно-сигнал, обработать его методами цифровой фильтрации с помощью антропозависимой импульсной характеристики (HRIR) соответствующего направления для левого и правого уха. Результаты объединить в стерео-файл из соответствующих каналов, и подать на воспроизведение в наушники [10, 11].

Антропозависимая импульсная характеристика для конкретного направления (правого и левого уха) в базе данных CIPIC [9] представляет собой последовательность из 200 значений (h_l – для левого уха и h_r – для правого). Как правило, звуковой сигнал представляет собой последовательность (s) из большего числа элементов. Для обработки звукового сигнала необходимо произвести операцию свертки этих последовательностей для левого s_l и правого уха s_r:


где N и M – количество число элементов в звуковом сигнале и импульсной характеристике соответственно.

В целях исследования возможности использования аудиоканала для предоставления лётчику пилотажной информации, были проведены эксперименты по выполнению высокоточных манёвров на стенде [12-15].

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.

Так как человек практически не локализует направление звука вверх-вниз [8, 16-18], то для вертикальной ошибки использовались различные мелодии. Использование мелодий вместо простых звуков объясняется тем, что спектр мелодий шире, и потому локализуется лучше. Для индикации горизонтальных рассогласований использовалось включение зуммера на соответствующий наушник, причём громкость сигнала менялась пропорционально величине ошибки. Для обоих типов индикации была определена зона нечувствительности – порог, до превышения которого, ошибка не сообщалась оператору. Отказ от использования заранее записанного голосового оповещения, позволяет избежать затруднений при одновременном восприятии оператором радиопереговоров.


На рисунке 1 представлены траектории инструментального захода на посадку в вертикальном канале, полученные в ходе экспериментов на стенде для вариантов:

• штатный заход на посадку по курсо-глиссадным планкам (рис. 1, линия (а) );
  
• заход только с использованием только аудиосигнализации без курсо-глиссадных планок (рис. 1,линия ( б) );
  
• заход только по пилотажным приборам (вариометр, высотомер, указатели курса и приборной скорости) без использования и курсо-глиссадных планок, и аудиосигнализации (рис. 1, линия (в) ).
  

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, а заход по третьему варианту, то есть без индикации величины отклонения от глиссады, приводит к недопустимым ошибкам.

Данный метод индикации ошибки можно использовать и 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". С. 190-195. 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. - 360 с.
  
• 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)
  
• Министр Максим Топилин — о ситуации на рынке труда // Режим доступа: http://www.rosmintrud.ru/employment/employment/474 (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.
  
• V. R. Algazi, R. O. Duda, D. M. Thompson, and C. Avendano, “The CIPIC HRTF database,” Proc. IEEE Workshop on Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics, New York, 2001, pp. 99–102
  
• 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. Использование гармонических и полигармонических сигналов при создании эффекта 3D-аудио // Вестник компьютерных и информационных технологий. №8, 2012. С. 8-13.
  
• Себряков Г.Г. Характеристики деятельности человека-оператора в динамических системах слежения и наведения летательных аппаратов // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2007. № 11. С. 2-8.
  
• 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.
  
• Корсун О.Н., Тихонов В.Н. Определение пилотажных характеристик на основе моделирования экспертных оценок в системе «летчик-самолет» // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2008.Т.6. № 2. С. 45-50.
  
• 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.
  
• 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