Применение аппаратно-программного полунатурного пилотажного стенда для исследований по созданию индивидуально-адаптированной модели пилота

Аннотация

В работе предлагается структура полунатурного пилотажного стенда для апробации алгоритмов цифровой постобработки полётных данных, изучения характеристик деятельности человека-оператора в процессе управления летательным аппаратом (в том числе, пилотируемым дистанционно), проверке пригодности новых методов отображения полетной информации пилоту. Отличие предлагаемого стенда от применяемых в настоящее время стендов полунатурного моделирования заключается в относительной простоте и низкой стоимости реализации при обеспечении высококачественного решения поставленных задач. Это достигается корректным выбором алгоритмического обеспечения, включающего точную модель пространственного движения самолета, модели аэродинамики и системы управления, а также органов управления и визуализации пилотажных приборов. В работе рассматриваются используемые модели и приводятся примеры решения практических задач.

Введение

Полунатурные моделирующие стенды являются эффективным средством создания авиационной техники. Они широко применяются для отработки систем бортового оборудования, оценивания режимов ручного и автоматизированного управления, а также для проверки алгоритмов обработки и анализа полетных данных. В таких стендах вычисления и операции ввода-вывода необходимо выполнять в реальном масштабе времени, что обусловлено наличием в контуре моделирования реального бортового оборудования и, в необходимых случаях, человека-оператора [1,2]. При этом одним из важнейших требований является необходимость точной синхронизации сигналов, особенно входящих в разные информационные потоки, поскольку рассогласования по времени, не соответствующие процессам в моделируемом объекте, могут приводить к сбоям в реальном оборудовании, входящем в состав стенда, искажениям характеристик ручного пилотирования, погрешностям результатов послеполетной обработки.

Традиционным решением является применения операционных систем (ОС) реального времени [3]. Этим исключается возможность использования при полунатурном моделировании широко распространенных ОС семейства Windows, которые не являются системами реального времени, поскольку не гарантируют постоянной скорости выполнения одних и тех же команд и не удовлетворяют требованиям точного выдерживания временных интервалов [3].

Между тем существующие ОС Windows имеют ряд достоинств: низкая стоимость, удобство работы, наличие многочисленных приложений, упрощающих разработку программ моделирования, а также обработку и документирование результатов [1]. Поэтому актуальным является исследование и оценка возможностей ОС Windows по обеспечению синхронности информационных потоков в реальном масштабе времени [4].

В современных пилотажных стендах большое внимание уделяется визуализации (приборной панели и внекабинной обстановки) и взаимодействию оператора с оборудованием летательного аппарата (ЛА), диспетчером, оборудованием аэродрома, тактической обстановкой. Однако такие стенды, как правило, дороги, требуют организационных усилий как при создании, так и в процессе эксплуатации. Модификация, в силу сложности и многозадачности программного обеспечения, сильно затруднена или может быть формально запрещена условиями сертификации. Поэтому возникает "ниша" других стендов: быстро создаваемых при помощи простых средств, однако включающих точную и корректную модель динамки ЛА и его системы управления. Подобные стенды находят широкое применение при решении большого класса задач пилотирования и обработки полётных данных.

Обоснование облика стенда

Стенд предназначен для моделирования динамики летательных аппаратов(ЛА) самолетного типа.

Структурная схема стенда показана на рис.1…3. В состав стенда входят:

• имитаторы РУС, РУД, педалей;
  
• математические модели движения ЛА, аэродинамические характеристики ЛА, модели двигателя и комплексной системы управления (КСУ);
  
• визуализация приборной панели и схематичной внекабинной обстановки.
  

На рис. 1 показана структура модуля управляющих сигналов, который включает в себя:

• модули взаимодействия с имитаторами РУС, РУД, педалей;
  
• имитаторы РУС, РУД, педалей;
  
• алгоритмы КСУ, в виде модулей с возможностью оперативной замены;
  
• блок ввода начальных условий балансировки самолета.
  

На рис. 2 представлен модуль математической модели летательного аппарата, который включает в себя:

• уравнения пространственного движения при совпадении и несовпадении связанных осей и главных осей инерции;
  
• модуль расчета матрицы направляющих косинусов (для моделирования режимов полета при углах тангажа вблизи ±90°);
  
• блок расчета координат в земной нормальной системе и отклонений от глиссады;
  
• блок расчета стандартной атмосферы;
  
• блок расчета влияния постоянного ветра и порывов ветра, произвольной формы, заданных в виде функции времени.
  

Рис. 3 иллюстрирует состав модуля отображения и анализа выходных данных, который включает в себя:

• визуализацию показаний пилотажных приборов;
  
• блок регистрации с заданной частотой основных параметров полета в файл;
  
• программу графического анализа полетных данных;
  
• программу комплексной проверки правильности моделирования и регистрации на основе уравнений движения ЛА.
  

Разработка системы визуализации

Полетная информация доводится до оператора (пилота) путем визуализации основных пилотажных приборов, стилизованных под аналогичные в реальных ЛА. Так, на экран выводятся (рис. 4): углы крена, тангажа, атаки, курсовой угол, скорость, высота, значения перегрузок, числа Маха, выбранной тяги, курсоглиссадные планки и прочее.

Пример использования стенда

На предлагаемом стенде специалистами ГосНИИАС и МАИ проводятся исследования по созданию индивидуально-адаптированных моделей пилотов, постоянно обновляемых в процессе профессиональной деятельности летчиков с учетом их текущего опыта, квалификации и изменения психофизиологических реакций. Такие модели действий пилота при выполнении посадочного режима предполагается использовать в целях индивидуально-адаптированной поддержки летчика путем коррекции положения курсоглиссадных планок за счет добавления индивидуальных «стимулирующих» поправок [5].

Рассмотренный стенд, кроме того, успешно использовался в следующих задачах:

• апробация алгоритмов раздельной идентификации сил тяги и аэродинамического сопротивления по данным летных испытаний;
  
• апробация алгоритмов оценивания погрешностей измерения воздушной скорости и аэродинамических углов методами идентификации;
  
• апробация алгоритмов оценивания аэродинамических коэффициентов ЛА по данным летных испытаний;
  
• отработка новых методов индикации полетной информации.
  

Заключение

Таким образом, в работе представлен стенд, характеризующийся простотой, дешевизной, легкостью ввода изменений в используемые алгоритмы и модели ЛА. Данный стенд в дальнейшем планируется использовать, например, для апробации алгоритмов и методик цифровой обработки полетных данных, а также задач других классов [6].

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (15-08-06237-а).

Список источников

• 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., Огинский А.А. Повышение производительности систем моделирования полета на базе многоядерных ПЭВМ. // Сб. докл. IX-й Всерос. науч.-техн. конф. "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". - М.: МАИ-ПРИНТ, 2012. С. 334-339.
  
• Таненбаум Э. Современные операционные системы. 3-е изд. – СПб.: Питер, 2010. 1120 с.
  
• 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.
  
• Евдокименков В. Н., Красильщиков М. Н., Себряков Г. Г. Контроль и интеллектуальная поддержка действий летчика при выполнении типовых полетных режимов на основе индивидуально-адаптированного подход // Мехатроника, Автоматизация, Управление – М.: 2014 – №8 – С. 16—22.
  
• Корсун О.Н., Леонов В.А., Поплавский Б.К. Оценивание силы тяги двигателей и аэродинамического сопротивления по данным летных испытаний // Седьмой международный аэрокосмический конгресс IAC’2012. Сб. научн. тр. – М.: 2013. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) гос. рег. № 0321303652/03.06.2013.