Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Бортовые информационные системы: Курс лекций

Голосов: 89

Изложены основы проектирования бортовых информационных систем, используемых для представления информации экипажу самолетов и вертолетов - систем отображения информации, речевого оповещения, звуковой и тактильной сигнализации. Рассмотрены различные типы бортовых информационных систем, их внутреннее устройство и характеристики. Приводится обзор основных тенденций развития подобных систем, рассмотрено влияние на них новых информационных технологий и эволюции современных комплексов авионики. Курс лекций предназначен для студентов специальности 190300 - "Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы", а также может быть полезен для аспирантов и специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией систем отображения информации, других бортовых информационных систем.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    Глава 2
ИНТЕРФЕЙС ПИЛОТ-ЛА


       Бортовые информационные системы являются той частью бортового
оборудования, с которой пилоты непосредственно взаимодействуют. На основе
их информации у пилота создается мысленная модель процесса управления, с
которой он работает в ходе своей деятельности. Поэтому эффективное
использование таких систем невозможно без рассмотрения при их
проектировании всего комплекса отношений «человек-машина» (в нашем
случае – «пилот-летательный аппарат»). Взаимодействие пилота с БИС можно
представить как взаимодействие двух мощных информационных процессоров,
человека и компьютера, пытающихся общаться посредством интерфейса с
узкой полосой пропускания и с множеством других ограничений. Повышение
эффективности и пропускной способности этого интерфейса является важной
задачей. Так как изменить человеческую компоненту в системе «пилот-
информационная система» затруднительно, для создания эффективного
интерфейса нужно приспосабливать к пилоту вторую компоненту – бортовые
информационные системы. При этом нужно знать возможности и ограничения
пилота. Этот вопрос рассмотрен в разделе 2.1. Необходимо также представлять
условия его работы. Оборудование кабины экипажа, используемое пилотами,
методы проектирования кабин кратко описаны в разделе 2.2.
       Отношения «пилот – информационная система» являются частью более
общих отношений «пилот – летательный аппарат». Взаимодействие пилота с
ЛА включает, с одной стороны, воздействие на ЛА и его системы при помощи
различных средств и органов управления, с другой стороны – информирование
пилота о состоянии объекта управления и окружающей обстановке
посредством бортовых информационных систем. Весь комплекс этих
взаимодействий, следуя принятой за рубежом терминологии (pilot-vehicle
interface), будем называть в дальнейшем интерфейсом пилот-ЛА
       При создании бортовых информационных систем необходимо исходить
из прогрессивных принципов проектирования интерфейса пилот-ЛА. Эти
принципы изложены в разделе 2.3. Раздел 2.4 посвящен перспективному
направлению организации интерфейса пилот-ЛА – адаптивному интерфейсу.
       Далее рассматриваются общие принципы представления информации
пилоту, которыми следует руководствоваться при разработке любой БИС
(раздел 2.5). В завершающем главу разделе 2.6 обсуждаются те недостатки
первых поколений БИС, которые выявились в результате их практического
применения. Уроки, которые можно извлечь из этого, являются залогом
совершенствования подобных систем в будущем.
       Следует подчеркнуть, что летный экипаж совсем не обязательно состоит
только из пилотов. В соответствии со сложностью и назначением ЛА в состав
экипажа могут входить и другие специалисты – бортинженер, штурман,


                                    41


оператор вооружения и т.д. Все, о чем пойдет речь далее, относится к
взаимодействию с БИС и с ЛА в целом не только пилота, ни и любого члена
экипажа, поэтому нужно понимать, что слово «пилот» в понятии «интерфейс
пилот-ЛА» и далее в тексте употребляется только для краткости, в равной мере
все сказанное относится и к другим членам экипажа.


2.1. Возможности и ограничения пилота

      Важным параметром, характеризующим способность человека
воспринимать поступающую информацию, является его пропускная
способность или скорость переработки информации. Пропускная способность
человека зависит от степени участия памяти в процессе переработки и передачи
информации. Максимальная пропускная способность не превышает нескольких
десятков бит/с и достигается в тех случаях, когда память не используется, что
характерно для бессознательных рефлексов. Хорошо обученный и
тренированный пилот отрабатывает часть своих действий до автоматизма, то
есть использует канал без памяти. Пропускная способность при этом
приближается к предельно возможной величине и составляет 10-50 бит/с. При
использовании оперативной памяти пропускная способность снижается до 0,5-5
бит/с, если же используется долговременная память, то пропускная
способность составляет всего 0,04-0,2 бит/с.
      Пропускная способность человека-оператора связана также с темпом
поступления к нему информации от машины. Если темп слишком низкий,
активность оператора падает («засыпание»). Высокий темп подачи входной
информации приводит к резкому росту ошибок и отказу оператора от
выполнения задачи (рис.2.1) [13].



                                            Рис 2.1. Зависимость пропускной
                                            способности человека от скорости
                                            поступления информации:
                                            1 - перегрузка, 2 - нормальная, работа,
                                            3 - затухание активности




      Прием информации человеком-оператором представляет собой процесс
формирования чувственного образа. Физиологической основой этого процесса
является работа анализаторов. Анализаторы состоят из множества
рецепторов, проводящих нервных путей и центров в коре полушарий головного
мозга. Рецепторы воспринимают воздействие раздражителя (стимула)

                                     42


определенной физической природы, осуществляют первичную обработку
информации и передают ее дальше в мозг. Каждый анализатор
специализируется на восприятии определенных раздражителей, основные
анализаторы человека – зрительный, слуховой, тактильный, вкусовой,
обонятельный, температурный, вестибулярный. Тактильный анализатор
отвечает за осязание, вестибулярный анализатор воспринимает положение
организма в пространстве, назначение остальных ясно из названий. В процессе
полета пилот использует информацию всех анализаторов, однако для передачи
ему информации БИС подходят только три из них – зрительный, слуховой и
тактильный.
      Основными характеристиками любого анализатора являются абсолютный
и дифференциальный пороги. Нижним                абсолютным       порогом
чувствительности называется минимальная величина раздражителя (сигнала),
вызывающая едва заметное ощущение. Сигналы, величина которых меньше
нижнего порога, человеком не воспринимаются. Верхним абсолютным
порогом чувствительности называется максимально допустимая величина
раздражителя. Увеличение интенсивности сигнала сверх верхнего порога
(сверхгромкий звук, слепящая яркость и т.д.) вызывает у человека болевое
ощущение. Интервал между верхним и нижним порогами называется
диапазоном чувствительности. У человека диапазоны чувствительности
анализаторов достаточно велики, что обеспечивается разными видами
адаптации. Под дифференциальным             порогом     ∆Smin понимается
минимальное различие между двумя раздражителями либо между двумя
состояниями одного раздражителя, вызывающее едва заметное различие
ощущений. Доказано, что относительная величина дифференциального порога
примерно постоянна:

                   ∆ S min
                           = const
                      S
где S – интенсивность раздражителя.
      Вследствие такого свойства анализаторов человека дифференциальный
порог обычно выражают в относительных единицах (в %). Постоянство
относительного дифференциального порога является следствием основного
психофизического закона Вебера-Фехнера, согласно которому интенсивность
ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя.

     Зрительный анализатор

      Зрительный анализатор является важнейшим из всех, так как более 90%
всей информации человек воспринимает с его помощью.
      Большую роль в процессе зрительного восприятия играют движения глаз.
С их помощью осуществляется поиск заданного объекта, установка глаза в
исходную позицию, обследование объекта, его опознание и различение его

                                     43


деталей. С помощью трех пар мышц глаза способны совершать вращательные
движения с тремя степенями свободы. Оба глаза обычно движутся синхронно.
Исключение представляет случай, когда глаза движутся по отдельности
навстречу друг другу (конвергенция) или в противоположных направлениях
(дивергенция).    Таким     образом    работает    один     из   механизмов
стереоскопического зрения.
      Движение глаз по большей части не плавное, а состоит из коротких
установочных движений – скачков, которые чередуются с относительно
неподвижным состоянием глаз – фиксациями. Цель скачка: спроецировать
изображение интересующей детали объекта на определенный участок
сетчатки - fovea. Этот участок располагается в центре так называемого
желтого пятна, которое наиболее насыщенно рецепторами. Угловой размер
fovea всего 1°. При чтении, например, в зоне fovea может уместиться только
изображение одного небольшого слова. Поэтому зрительная работа состоит из
непрерывных скачков, по окончании каждого из которых зрительный
анализатор получает новую порцию информации во время фиксации. Время
фиксаций составляет свыше 90% времени зрительного восприятия.
Продолжительность фиксации обычно 200-600 мс, но может отклоняться как в
меньшую, так и в большую сторону.
      Во время скачков глаз почти не получает никакой информации. Это очень
быстрое движение, скорость поворота глаза может достигать 600 °/с. Причем
такое движение носит баллистический характер, то есть если оно начато, то уже
не может быть остановлено или направлено к другому положению фиксации.
Продолжительность скачка составляет 10-100 мс. За это время глаз успевает
повернуться на угол до 50° (обычно 15-20°).
      Направление очередной фиксации выбирается периферийным зрением.
Когда цель намечена, скачок следует не мгновенно, а с задержкой, как
минимум, 100 мс. Также скачки не могут следовать друг за другом без
перерыва: после предыдущего скачка должно пройти не менее 100-200 мс
прежде, чем станет возможен следующий.
      Плавные движение глаза совершают только в редких случаях: при
слежении за движущимся объектом или компенсируя движение головы. Если
объект движется со скоростью свыше 100 °/с, плавное преследование его
глазами становится невозможно. Уже при скорости более 30 °/с плавное
следование глаз за объектом чередуется со скачками, корректирующими
запаздывание.
      Движения глаз необходимы для зрительного восприятия. В ряде опытов
при помощи специального устройства изображение объекта стабилизировалось
относительно сетчатки глаза и уже через 2–3 с после стабилизации человек
переставал видеть объект.
      Движение глаз – неосознанный процесс и сознательно управлять им
человек почти не может.



                                     44


      Характеристики зрительного анализатора делятся на энергетические,
пространственные, временные и информационные.
      К основным энергетическим характеристикам относятся диапазон
яркостей и относительная видность.
      Диапазон яркостей, воспринимаемых глазом, очень велик: примерно от
10 до 1,6•105 кд/м2. Однако глаз не способен в каждый момент времени
   -7

воспринимать изображения во всем диапазоне яркостей. Такой широкий
диапазон обеспечивают несколько адаптационных механизмов: изменение
апертуры зрачка, зажмуривание и др. В процессе адаптации в значительной
степени (до 108 раз) меняется чувствительность глаза. При данном состоянии
адаптации глаз чувствителен только к двум из двенадцати порядков диапазона
воспринимаемых яркостей. Различают светловую и темновую адаптацию.
Время светловой адаптации, т.е. адаптации к большей освещенности,
составляет 6-8 мин. Темновая адаптация занимает порядка 30 мин.
      С яркостью выше 106 кд/м2 адаптация глаза не справляется и такая
яркость воспринимается как слепящая.
      Минимально обнаруживаемая яркость знака составляет 10 кд/м2.
      Дифференциальный порог зрительного анализатора по яркости
составляет 1%.
      Относительная видность характеризует цветовое восприятие
зрительного анализатора. Глаз человека воспринимает электромагнитные
волны в диапазоне 380–760 нм.        Kλ
Однако чувствительность глаза к
волнам       различной      длины
неодинакова.          Наибольшую
чувствительность глаз имеет по
отношению к волнам в середине
спектра видимого света (500–600
нм). Этот диапазон соответствует
излучению желто-зеленого цвета. В
дневное        время       пиковая
чувствительность             глаза
соответствует длине волны 555 нм, Рис.2.2. Чувствительность человека к цвету
в ночное время – 507 нм.
      Относительная видность цветных изображений оценивается как

                               Rλ
                        Kλ =
                               R 550 ,

где R550 – зрительное ощущение, вызываемое источником излучения длиной
волны 550 нм; Rλ – зрительное ощущение, вызываемое источником той же
мощности, но генерирующим излучения, длина волны которых равна λ.


                                         45


      Кривая относительной видности приведена на рис.2.2 [10].
      Для каждого из трех основных цветов (красный, желтый, зеленый)
зрительный анализатор человека способен в дневное время различить до 1000
различных уровней интенсивности. Однако восприятие цвета очень сильно
зависит от положения объекта относительно глаза. За пределами зоны ±60°
относительно линии визирования по горизонтали большинство цветов уже не
различается.
      Восприятие цвета в значительной мере зависит от окружающих цветов,
особенно если цветная область окружена областью другого цвета. Если
окружающая область темнее, область внутри будет казаться более яркой и
менее серой, если окружающая область светлее – внутренняя область будет
казаться темнее и серее.
      Цветовое восприятие объекта зависит также от того, на какой цвет был
обращен взгляд до момента наблюдения. Например, после синего цвета
красный кажется в первый момент оранжевым, после зеленого синий цвет
воспринимается как фиолетовый и т.п. В табл. 2.1 [13] приведены кажущиеся
цвета при переносе взгляда от одного объекта к другому.

                                                                             Таблица 2.1
                       Кажущиеся цвета после переноса взгляда
    Цвет поверхно- Цвет поверхности на которую переносится взгляд
    сти на которую Красный     желтый       зелёный    синий       фиолетовый белый
    глаз   смотрел
    раньше          Цвет поверхности, видимый сразу после переноса взгляда
                    Грязно -   Зеленовато - Насыщенно-                        Изумрудно-
    Красный                                            Голубой     Синий
                    красный    желтый       зелёный                           зелёный
                               Серовато - Голубовато- Насыщенно- Насыщенно-
    Желтый         Пурпурный                                                  Фиолетовый
                               желтый       зелёный    синий       фиолетовый
                   Насыщенно-               Серовато -                        Пурпурно -
    Зелёный                    Оранжевый               Фиолетовый Пурпурный
                   красный                  зелёный                           красный
                               Лимонно - Желтовато - Серовато -
    Синий          Оранжевый                                       Пурпурный Оранжевый
                               зелёный      зелёный    синий
                               Лимонно - Желтовато - Голубовато- Серовато - Зеленовато -
    Фиолетовый     Оранжевый
                               желтый       зелёный    синий       фиолетовый желтый


      К пространственным характеристикам зрительного анализатора
относятся поле зрения, острота зрения, стереоскопичность и объем зрительного
восприятия.
      Мгновенное поле зрения глаза имеет овальную форму. Его размеры
обычно: 110°-135° по вертикали и 140°-160° по горизонтали (рис.2.3).
      В поле зрения выделяют три зоны: центрального зрения, где возможно
наиболее четкое различение деталей; ясного видения, где при неподвижном
глазе можно опознать предмет без различных мелких деталей; периферического
зрения, где предметы обнаруживаются, но не опознаются.
      При центральном положении предмета его изображение попадает на
наиболее чувствительный участок сетчатки – желтое пятно. Размер желтого


                                             46


пятна обуславливает угловой размер зоны центрального зрения Ш2°. Зона
ясного видения занимает участок поля зрения от зоны центрального зрения до
Ш30-35°. За пределами зоны ясного видения располагается зона
периферического зрения, она играет большую роль при ориентации во внешней
обстановке. Объекты, находящиеся в этой зоне, легко и быстро могут быть
перемещены в зону ясного видения с помощью установочных движений
(скачков) глаз.
                                        С учетом двух глаз горизонтальный
                                  размер мгновенного поля зрения человека
                                  составляет 180-200°, причем средняя
                                  область поля зрения (120°) – бинокулярная,
                                  т.е.   видимая     двумя    глазами,    что
                                  обеспечивает        в       этой       зоне
                                  стереоскопичность изображения (рис.2.4).
                                  При концентрации внимания эффективное
                                  поле зрения сужается до Ш30°.
        60°
                                        Мгновенное поле зрения – это размер
                                  той области пространства, которую человек
    60°                  100°     способен видеть в каждый момент времени.
                                  Общее поле зрения человека больше
                                  мгновенного за счет движения глаз, головы
            75°                   и туловища. Благодаря способности глаза
                                  поворачиваться вокруг вертикальной оси на
    Рис.2.3. Поле зрения глаза    угол около 45°, общее поле зрения человека
без поворота головы достигает 270°. За счет поворота головы нормальный
взрослый человек может увеличить поле зрения еще на 90° влево и на 90°
вправо от нейтрального положения. При необходимости переноса линии
взгляда на угол свыше 20° движение глаз обычно сопровождается и движением
головы. Без участия шеи человек может двигать головой на 25° вверх и на 10°
вниз, с участием шеи и с наклоном туловища общее поле зрения еще более
расширяется.
      Медицинские исследования показали, что скорость движения головы
может достигать 350 град/с.
      Считается, что в кабине ЛА без поворота головы и глаз зона наблюдения
пилота, в которой он может ясно видеть, ограничивается телесным углом Ш10°.
С поворотом глаз и, как исключение, головы размер зоны наблюдения
увеличивается до углов 31° влево/вправо и 23° вверх/вниз. С поворотом головы
и наклоном туловища зона наблюдения увеличивается до 53° влево/вправо, 42°
вверх и 57° вниз.
      Остротой зрения называется способность глаза различать мелкие детали
предметов. Острота зрения зависит от многих факторов, главные из которых:
вид объекта, уровень освещенности, расстояние до рассматриваемого предмета


                                     47


и его положение относительно наблюдателя, возраст пилота, спектральное
распределение энергии излучения, контраст между объектом и фоном,
продолжительность действия зрительных стимулов. Острота зрения в
отношении движущихся объектов зависит от скорости движения.
Максимальная разрешающая способность обеспечивается в зоне центрального
зрения, для нормального зрения в комнатных условиях и при черно-белом
изображении она составляет меньше угловой минуты - около 50". При высокой
освещенности, при большом контрасте, при наблюдении цветных и
движущихся изображений острота зрения еще более увеличивается. Видимые
глазом звезды и световые блики имеют размер меньше 20". При качаниях и
вибрациях острота зрения уменьшается до 3′. В направлении от зрительной оси
глаза к периферии острота зрения быстро ухудшается, под углом 20° острота
зрения в 2 раза меньше, под углом 10° - в 10 раз меньше, а под углом 30° - уже
в 23 раза меньше, чем прямо перед собой. Однако благодаря способности глаза
поворачиваться на 45° вокруг вертикальной оси, можно в любой момент
обеспечить максимальную остроту зрения в пределах телесного угла Ш90-95°.

                                     Бинокулярная область зрения




                                                                            Правая моноку-
    Левая моноку-                                                           лярная область
    лярная область


                      Поле зрения
                                                            Поле зрения
                      левого глаза
                                                            правого глаза




                        Рис.2.4. Общее поле зрения человека



      Стереоскопичность зрения позволяет воспринимать окружающую
обстановку объемно: оценивать взаимное расположение предметов, расстояние
между ними и удаленность от наблюдателя. Стереоскопичность обеспечивается
за счет использования нескольких физиологических и психических механизмов,
обычно действующих одновременно. Основной из них, бинокулярный
параллакс, основан на том, что за счет небольшого расстояния между глазами


                                            48


один и тот же предмет видится ими несколько по-разному, что позволяет
оценить расстояние до него. Это свойство зрения эффективно только при
удаленности предмета наблюдения от 20 см до 5,5 м. За пределами этой зоны
визуальная система человека автоматически использует другие средства и
способы.      К физиологическим механизмам стереоскопичности кроме
бинокулярного параллакса относятся аккомодация, конвергенция и
монокулярный параллакс движения. Конвергенция и бинокулярный
параллакс – бинокулярные механизмы, то есть требуют участие обоих глаз.
      Аккомодация заключается в фокусировке оптической системы глаза при
расстояниях до предмета наблюдения до 1,8 м. При удалении на большее
расстояние глаз фокусируется в бесконечность.
      Конвергенция заключается в нацеливании зрачков обоих глаз на одну
деталь. Конвергенция проявляется на расстояниях, меньших 6 м.
      Монокулярный параллакс движения как и бинокулярный параллакс
использует два изображения с разных ракурсов, но получены они могут быть от
одного глаза за счет движения головы, т.е. как два последовательных кадра
изображения. Сравнение этих двух изображений обеспечивает человека
информацией о расстоянии до объектов. Диапазон действия этого механизма
такой же как у бинокулярного параллакса.
      Наряду с физиологическими механизмами стереоскопичности визуальная
система человека использует и известные свойства изображений. Обработка
этой информации и пространственное упорядочивание объектов производится
подсознательно мозгом человека. Используются следующие закономерности.
      1) Когда размер реального объекта известен, мозг может вычислить
расстояние до него путем оценки размера изображения объекта на сетчатке.
      2) Когда мы смотрим на параллельные линии, уходящие вдаль, мы видим
их сходящимися по мере удаления к горизонту. Этот эффект, называемый
линейной перспективой, также используется мозгом при оценке
удаленности объектов.
      3) Чем ближе мы находимся к объекту, тем более нам видна текстура его
поверхности. Поэтому объекты с более гладкой текстурой обычно
интерпретируются мозгом как более удаленные.
      4) Расположенные ближе объекты перекрывают нам видимость частей
более удаленных объектов. Это свойство используется для упорядочивания
объектов в пространстве.
      5) Объекты, находящиеся очень далеко, кажутся подернутыми дымкой
из-за неидеальной прозрачности воздуха, наличия в нем частиц влаги и пыли.
Поэтому ясность изображения объекта служит для мозга мерой удаленности
этого объекта от наблюдателя.
      6) Когда нам известно расположение источника света, то по степени
освещенности объекта и по отбрасываемым объектом теням мы можем
определить степень близости его к этому источнику.



                                    49


      При использовании свойств 1)-6) достаточно изображения одного глаза,
бинокулярность упрощает дело, но не является обязательным условием работы
этих способов стереоскопического видения.
      Важной характеристикой является объем зрительного восприятия:
число объектов, которые может охватить человек в течение одной зрительной
фиксации. При предъявлении не связанных между собой объектов объем
восприятия составляет 4–8 элементов (в зрительном образе может отражаться
значительно большее число объектов, однако они не могут быть
воспроизведены из-за ограниченного объема памяти).
      Временные характеристики зрительного анализатора определяются
временем, необходимым для возникновения зрительного ощущения при тех
или иных условиях работы оператора. К ним относятся: латентный (скрытый)
период зрительной реакции, длительность инерции ощущения, критическая
частота мельканий, длительность информационного поиска.
      Латентным периодом называется промежуток времени от момента
подачи сигнала до момента возникновения ощущения. Это время зависит от
интенсивности сигнала (так называемый закон силы: чем сильнее
раздражитель, тем реакция на него короче), его значимости (реакция на
значимый для оператора сигнал короче, чем на сигналы, не имеющие для него
значения), сложности работы оператора (чем сложнее выбор нужного сигнала
среди остальных, тем реакция на него будет больше), возраста и других
индивидуальных особенностей человека. В среднем же латентный период
зрительной реакции лежит в пределах 160–240 мс.
      Если же возникает необходимость в последовательном реагировании
оператора на дискретно появляющиеся сигналы, то период их следования
должен быть не меньше времени сохранения ощущения, равного 0,2–0,5 с.
В противном случае будут замедляться точность и скорость реагирования,
поскольку во время прихода нового сигнала в зрительной системе оператора
еще будет оставаться образ предыдущего сигнала.
      Критической частотой мельканий называется та минимальная
частота проблесков, при которой возникает их слитное восприятие. Эта частота
увеличивается при увеличении яркости и размеров изображения. При
зрительном утомлении она несколько понижается по сравнению с обычным
состоянием человека. Зависимость критической частоты от яркости подчинена
основному психофизическому закону и определяется выражением

                          fкр =a⋅lgB+C ,

где а и С – константы, зависящие от размеров и конфигурации знаков, а также
от спектрального состава мелькающего изображения, B - яркость.
      При малой яркости величина критической частоты мельканий составляет
5 Гц, при высокой яркости – 50-60 Гц.


                                      50



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика