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.
           Временные характеристики зрительного анализатора определяют
способность восприятия движущихся объектов. Минимальная скорость
движения, которая может быть замечена глазом, зависит от наличия в поле
зрения фиксированной точки отсчета. При наличии такой точки абсолютный
порог восприятия скорости равен 1–2 угловых минуты в секунду, без нее –
15-30 угл. мин/с. Следует заметить, что хотя острота зрения в периферической
зоне меньше, чем в центральной, движущиеся объекты лучше обнаруживаются
именно периферическим зрением, причем чувствительность периферической
зоны к движению по горизонтали вдвое выше, чем к движению по вертикали.
       Часто встречающейся задачей деятельности пилота является
информационный поиск – нахождение на индикаторе объекта с заданными
признаками. Такими признаками может быть мигание, особая форма или цвет
объекта, отклонение стрелки за допустимое значение и т.д. Время поиска
занимает десятые доли секунды, например, поиск отметки на экране РЛС –
0,37 с, чтение буквы или цифры – 0,31 с, поиск простых геометрических
фигур – 0,2 с. Время опознавания реального предмета составляет около 0,4 с,
время опознавания изображения – 0,9 с для цветного изображения и 1,2 с для
черно-белого. Время восприятия показаний приборов составляет 0,2-0,8 с.
Время визуального определения положения ЛА в пространстве составляет в
среднем 1,35 с, по приборам – 1,55 с.
       Основной информационной характеристикой зрительного анализатора
является пропускная способность, т.е. то количество информации, которое
анализатор способен принять в единицу времени. На уровне фоторецепторов
пропускная способность имеет порядок 109 бит/с, однако на корковом уровне
лишь 20–70 бит/с. Еще меньше пропускная способность для деятельности в
целом (с учетом ответных действий человека): всего 2-4 бит/с.

     Слуховой анализатор

     Физически звук характеризуется амплитудой (интенсивностью), частотой
и формой звуковой волны.
     Интенсивность звука (сила звука) – средняя по времени энергия,
переносимая за единицу времени звуковой волной через единичную площадку,
перпендикулярную направлению распространения волны. Интенсивность звука
измеряется в Вт/см2. Так как сила звука пропорциональна квадрату звукового
давления, то на практике в качестве уровня интенсивности звука чаще всего
используется непосредственно звуковое давление, выраженное в децибелах от
исходного уровня, соответствующего нижнему абсолютному порогу звукового
анализатора:
                                         P
                              U = 20 ⋅ lg зв ,
                                          P0




                                     51


где U - сила звука в децибелах; Pзв – звуковое давление; P0 – нижний
абсолютный порог.
      За исходный уровень условно принято давление P0 = 2⋅10-5 Па. Это
значение звукового давления на частоте 1 кГц, при котором звук становится
уже слышимым. На самом деле нижний абсолютный порог (порог слышимости)
зависит от частоты звука. При этом реальному нижнему абсолютному порогу
для разных частот звука будет соответствовать интенсивность звука 0-60 дБ.
Верхний абсолютный порог (порог болевых ощущений) соответствует
интенсивности звука 130 дБ.
      Длительное воздействие шума большой интенсивности негативно
сказывается на чувствительности звукового анализатора. Так, после
воздействия на человека шума интенсивностью 120 дБ требуется около 5 ч,
чтобы у него восстановилась нормальная острота слуха.
      Наряду с объективной мерой звукового воздействия применяется
субъективная мера ощущения звука – громкость звука. Единицей измерения
громкости является единица ощущения – фон. В таблице 2.2 [13] приведена
субъективная оценка действия звука различной интенсивности на человека.
      На оценку человеком интенсивности звука влияет его частота. При
одинаковой интенсивности звуки с более высокой частотой воспринимаются
как более громкие. Например, тон с интенсивностью 120 дБ и частотой 10 Гц
оценивается как равный по громкости тону, имеющему интенсивность 100 дБ и
частоту 1000 Гц. Таким образом, снижение интенсивности как бы
компенсируется увеличением частоты.

                                                         Таблица 2.2
                            Действие звука на человека
     Уровень
               Интенсивность
 интенсивности                            Субъективная оценка звука
                звука, Вт/см2
    звука, дБ
 0               10-16         Порог слышимости
                       -8
 до 80           ≤ 10          Звук воспринимается нормально
                               Звук беспокоит, разговор требует повышенного
 90              10-7
                              голоса
 100             10-6          Звук мешает
                    -5
 110             10            Разговор невозможен
                    -4
 120             10            Звук подавляет и раздражает
                    -3
 130             10            Болевые ощущения

      Слуховой аппарат человека воспринимает как слышимый звук колебания
с частотой 16 Гц - 20 кГц. Инфразвуки и ультразвуки также могут оказывать
воздействие на организм, но оно не сопровождается слуховым ощущением.
      Человек наиболее чувствителен к колебаниям в области средних частот -
от 1000 до 4000 Гц. К сожалению, основные шумы в кабине ЛА, вызываемые


                                    52


работой двигателя и набегающим на ЛА потоком воздуха, имеют тот же
диапазон частот.
      Субъективная мера частоты звука называется высотой звука. Как уже
говорилось, в субъективном ощущении звука его интенсивность и частота
тесно связаны. На низких частотах (до 1000 Гц) при увеличении интенсивности
звука кажется, что его высота уменьшается, хотя частота звука остается той же
самой. На высоких частотах (выше 3000 Гц) при увеличении интенсивности
звука кажется, что его высота увеличивается. Только в диапазоне 1000-3000 Гц
субъективное ощущение высоты звука соответствует его высоте независимо от
его интенсивности.
      Дифференциальный порог по интенсивности звука составляет примерно
10%. Дифференциальный порог по частоте зависит как от частоты исходного
звука, так и от его интенсивности. При интенсивности звука выше 30 дБ
относительная величина дифференциального порога для звуков в зоне
200-16000 Гц является почти константой и равна примерно 0,2%. При
сокращении интенсивности звука ниже 30 дБ величина дифференциального
порога резко возрастает.
      Временной порог чувствительности слухового анализатора, т. е.
длительность звукового раздражителя, необходимая для возникновения
ощущения, так же как пороги по громкости и высоте, не является постоянной
величиной. С увеличением как интенсивности, так и частоты он сокращается.
При достаточно высокой интенсивности (30 дБ и более) и частоте (1000 Гц и
более) слуховое ощущение возникает уже при длительности звукового
раздражителя 1 мс. Однако при уменьшении интенсивности звука той же
частоты до 10 дБ временной порог достигает 50 мс. Аналогичный эффект дает и
уменьшение частоты.
      Оценка громкости и высоты очень коротких звуков затруднена. При
длительности синусоидального тона 2–3 мс человек лишь отмечает его
наличие, но не может определить его качеств. Любой звук оценивается только
как «щелчок». С увеличением длительности звука слуховое ощущение
постепенно проясняется: человек начинает различать высоту и громкость.
Минимальное время, необходимое для отчетливого ощущения высоты тона,
равно примерно 50 мс.
      Дифференциация двух звуков по частоте и интенсивности также зависит
от отношения их по длительности и от интервала между ними. Как правило,
звуки, равные по длительности, различаются точнее, чем неравные.
      Латентный период для звукового сигнала средней интенсивности
составляет 120-180 мс.
      Слуховой анализатор обеспечивает также определение положения
источника звука в пространстве: его расстояние и направление относительно
оператора. Точность звуковой пеленгации в горизонтальной плоскости может
достигать 2°. Исследования, проведенные в Air Force Research Laboratory
(США) показали, что пилот способен определить направление звука в


                                     53


горизонтальной плоскости с точностью 20%, при воздействии перегрузок
точность падает, но незначительно (до 30% при 7g). Однако у людей возникают
трудности, если источник звука расположен точно впереди или сзади. В
результате человек может ошибиться на 180°.

     Вестибулярный анализатор

       Вестибулярный (акселерационный) анализатор воспринимает перегрузки
и угловые ускорения. Для пилота он имеет очень важное значение, так как
информация об изменении пространственной ориентации быстрее проходит по
вестибулярному каналу, чем по визуальному. Воспринимаются вестибулярные
воздействия рецепторами расположенного в голове вестибулярного аппарата, а
также кожно-мышечными рецепторами, ощущающими опору (кресло) и
напряжение мышц шеи.
       Абсолютный порог чувствительности по угловым ускорениям в полете
достигает 0,5 град/с2. При длительности воздействия 0,1-3 с пороговое
ускорение составляет от 5 до 1 град/с2, причем сокращение времени
воздействия приводит к увеличению порога чувствительности. Абсолютный
порог чувствительности по перегрузкам в полете достигает 0,02-0,05. При
длительности нарастания перегрузки от 1,5 до 4,5 с порог чувствительности
меняется в пределах от 0,24 до 0,1.
       Важнейший фактор, вызывающий акселерационные ощущения –
градиент нарастания перегрузки. При градиенте 0,03-0,12 с-1 величина
латентного периода ощущения составляет 3,5 с, а при большем градиенте 0,12-
0,15 с-1 - всего 1,2 с.
       Пороговое значение восприятия угловых скоростей за время 0,1 с
составляет: по крену – 3,2 град/с, по тангажу – 2,6 град/с, по рысканью – 1,1
град/с.

     Тактильный анализатор

     Тактильный анализатор служит чувству осязания, обеспечивая человека
информацией как о факте прикосновения к его телу внешнего объекта, так и о
величине производимого им давления. Для этой цели в разных слоях кожи
расположены четыре вида рецепторов. Тактильный анализатор играет важную
роль в восприятии человеком информации об окружающем мире, тактильная
обратная связь существенно повышает качество управления.
     Тактильная чувствительность зависит от ряда объективных и
субъективных факторов. Так, она повышается при нагревании кожи и
уменьшается при ее охлаждении. При продолжительной неизменной
стимуляции тактильная чувствительность может адаптироваться к
определенным раздражителям. В этом случае характерные ощущения не
возникают.


                                     54


      Для тактильного анализатора абсолютный порог составляет примерно
3-300 мг/мм2. Величина порога снижается по мере увеличения
продолжительности воздействия. Дифференциальный порог составляет 7-30%
от исходной интенсивности. Латентный период для тактильных раздражителей
составляет 90-220 мс.
      Важным свойством тактильного анализатора является его способность
воспринимать и оценивать вибрации в диапазоне от 0,4 до 1000 Гц. Вибрации с
частотой свыше 70 Гц воспринимаются уже при воздействии точечного
тактильного стимула, восприятие более низких частот требует участия участка
поверхности кожи.
      Кожа ладоней рук и кончиков пальцев относится к числу наиболее
восприимчивых к внешним механическим раздражениям участков тела
человека. Разрешающая способность подушечек пальцев составляет около 0,15
мм.


2.2. Оборудование кабины экипажа

      На борту ЛА экипаж располагается в кабине, которая, как правило,
отделена от остальных помещений ЛА (на больших самолетах члены экипажа
могут располагаться в разных кабинах). В кабине сосредоточены органы
управления и необходимые для полета приборы.
      В начале развития авиации потребности пилота были очень невелики. Он
летал днем, в хорошую погоду, всегда имел в поле зрения земную поверхность,
поэтому получал основную часть информации о положении самолета в
пространстве и траектории его движения путем визуального наблюдения.
Двигатель был прост, о его состоянии можно было судить по очень
ограниченному числу параметров – температуре головок цилиндров, остатку
топлива, давлению. Поэтому приборов и органов управления в кабине было
немного.
      Стремление летать ночью, в облаках, в условиях плохой видимости
потребовало дополнительных приборов, так как пилот в этих случаях не был
способен получить нужную ему информацию визуально. В кабине появились
авиагоризонт, указатели поворота, крена, скорости, высоты. Потребность во
внутреннем и внешнем освещении привела к появлению системы
электроснабжения. Внедрение новых и более сложных двигателей, появление
гидравлических и электрических бустеров потребовало дополнительных
переключателей и приборов. Самолет стал летать долго и далеко, пилоту теперь
требовалась радиосвязь с землей и более совершенное навигационное
оборудование. Новыми системами нужно было управлять, их нужно было
контролировать. Поэтому количество приборов и органов управления в кабине
выросло. На приборной доске стало тесно. Приборы, лампочки-сигнализаторы,
ручки и переключатели расползлись по кабине, заняли боковые панели и


                                     55


потолок. В конце концов, когда был достигнут предел и пилот уже не мог
видеть дополнительные шкалы и не мог оперировать дополнительными
органами управления, пришлось расширить кабину и добавить еще одного
члена экипажа – второго пилота. На время это решило проблему и до 80-х
годов развитие шло в этом направлении: когда нужно было усложнить самолет,
увеличивали кабину и численность экипажа (штурман, бортинженер, радист).
Когда и здесь достигали предела, искали компромиссное решение: делали
комбинированные приборы, способные показывать несколько параметров,
сокращали занимаемое приборами место, например, скручивая вертикальные
шкалы термометра в круговые.
       Наконец кабина стала переполнена информацией и требовались какие-то
новые меры. Тут вовремя появились экранные индикаторы на ЭЛТ. Они как бы
придали приборной доске дополнительную емкость. Теперь не было
необходимость иметь все приборы одновременно, они вызывались на экраны
по мере надобности. Количество индицируемой информации резко возросло:
любой параметр или сигнал, который мог понадобиться пилоту, был доступен.
Но теперь узким местом кабины стал сам пилот: он просто не мог переработать
столько информации. Оказалось, что сваленная в груду информация
бесполезна, необходимо грамотно строить интерфейс пилот-самолет,
уменьшить загрузку экипажа и обеспечить эффективное использование
имеющейся информации.
       Потребовалось добавление новых «членов» экипажа – бортовых
компьютеров, которые обработают эту информацию и представят пилоту
вовремя и в удобном виде.
       Экипаж современного ЛА управляет его движением (пилотаж),
двигателями, конфигурацией (тормозные щитки, шасси, парашют и т.п.),
системами, навигацией, связью. Пилоты военных ЛА дополнительно управляют
вооружением, сенсорами (радиолокатором, оптико-локационной станцией и
т.п.), спецоборудованием для разведки и других целей. Для решения всех этих
задач управления кабина ЛА оборудуется:
       средствами управления, обеспечивающими восприятие и передачу
команд пилота к системам и управляющим поверхностям;
       средствами связи;
       средствами индикации, сигнализации, оповещения, представляющими
пилоту информацию о положении и состоянии ЛА, его систем и двигателей, об
окружающей/тактической обстановке.
       Органы управления обычно группируют на щитках и пультах управления
по функциональному признаку.
       Экипаж осуществляет контроль полета и бортовых систем при помощи
установленных в кабине визуальных средств индикации и сигнализации. Это, в
первую очередь, электронные экранные индикаторы, в том числе - индикаторы
на лобовом стекле, а также отдельные приборы и светосигнализаторы. Кроме
того, для сигнализации используются кнопки-табло на пультах бортовых


                                    56


систем, а экраны многофункциональных пультов можно отнести к средствам
индикации, так как через них пилоты имеют доступ к части полезной
информации, касающейся выполнения плана полета и настройки радиосредств.
       Приборы и индикаторы располагают на приборных досках перед
пилотами (рис.2.5). Они индицируют основную необходимую пилотам
информацию: пилотажную, навигационную, по двигателям и самолетным
системам. На современных ЛА вся эта информация выводится на экраны
электронных индикаторов. Состав индицируемой на приборной доске
информации отличается для разных классов ЛА. Как минимум,
предусматривают индикацию:
       - пространственного положения (крен, тангаж);
       - направления полета (курс);
       - скорости;
       - высоты;
       - вертикальной скорости;
       - температуры наружного воздуха;
       - превышения максимально-допустимой скорости;
       - параметров силовой установки (обороты, температуру выходных газов,
тягу, количество топлива и др.).


          1




         2                                   Рис.2.5. Кабина вертолета AB-139:
                                            1 - верхняя панель управления, 2 -
                                            приборная доска с индикаторами, 3 -
                                            средний пульт управления




         3




      Все   ЛА     обязательно   оборудуют      средствами     сигнализации,
предупреждающими экипаж о возникновении различных ситуаций, в первую
очередь – опасных. По способу воздействия на экипаж сигнализация бывает
визуальной, звуковой и тактильной. Звуковая сигнализация выдается либо в
виде тональных сигналов (звонков, гудков, сирен и т.п.), либо в виде речевых


                                     57


сообщений. Для выдачи пилоту визуальной сигнализации используют те же
электронные индикаторы, а также специальные светосигнализаторы.
Светосигнализатор представляет собой табло с нанесенным на него трафаретом
(рис.2.6). При поступлении соответствующего сигнала лампочки или
светодиоды внутри табло загораются и подсвечивают надпись. Как и
                       индикаторы,     светосигнализаторы     размещаются     на
                       приборных досках (рис.2.9). На современных ЛА
                       количество светосигнализаторов резко сократилось -
                       основная сигнализация выводится на экраны электронных
                       индикаторов. Оставшиеся светосигнализаторы служат в
 Рис.2.6. Светосиг-    качестве резерва на случай отказа основных индикаторов.
 нализатор                   Светосигнализатором может быть и обыкновенная
                       лампочка на панели какого-либо пульта или на щитке
управления. Например, на приборе контроля положения шасси загорание
подобных лампочек может сигнализировать о том, что стойки шасси
выпущены.
       Функции контроля и управления                           кнопки-табло
совмещает          кнопка-табло,     которая
представляет         собой      кнопку      с
подсвечиваемой надписью. Например,
кнопка управления аккумулятором может
содержать два подсвечиваемых поля –
«ОТКАЗ» и «ВЫКЛ». В случае отказа
аккумулятора         подсвечивается     поле
«ОТКАЗ», привлекая внимание пилота к
этому событию; при нажатии пилотом на
кнопку        неисправный        аккумулятор
отключается и подсвечивается поле
«ВЫКЛ». На вертолетах и больших Рис.2.7. Верхняя панель самолета MD-11
самолетах кнопки-табло (отдельные или в
составе пультов управления системами самолета) устанавливают на верхней
панели управления (рис.2.7). На легких самолетах, имеющих прозрачный
фонарь, кнопки-табло не могут размещаться над головой пилота, их
располагают на панелях сбоку от кресла пилота или на приборной доске.
       Многофункциональные пульты служат для управления системами ЛА,
требующими сложной настройки. С их помощью, например, вводят и
корректируют план полета, осуществляют настройку частот радиотехнических
систем. Эти пульты имеют клавиатуру и экран (рис.2.8).
       Индикатор на лобовом стекле (рис.2.9) представляет собой экран,
расположенный перед глазами пилота, на который проецируется изображение
шкал и символов, создаваемое специальным проектором. В настоящее время
индикаторы на лобовом стекле применяются, в основном, на военных ЛА, но в



                                      58


последнее время они активно внедряются и на гражданских самолетах в
качестве «искусственного зрения» для условий плохой видимости (глава 6).


многофункци-
ональный пульт                                    Рис.2.8. Фрагмент среднего
                                                  пульта управления MD-11




     Кабину пилотов и установленное там оборудование конструируют так,
чтобы:
     - у пилотов не возникало чрезмерное напряжение и утомляемость;
     - обеспечивался хороший обзор;
     - не было слепящего света и отражений;
     - ошибка параллакса на индикаторе/пульте с рабочего места пилота не
превышала 2°;
     - индикаторы легко читались во всех условиях освещенности в кабине.




                                         2

                                         3
                                             Рис.2.9. Кабина истребителя
                                             МиГ-31ФН:
     1
                                             1 – отдельные приборы, 2 -
                                             индикатор на лобовом стекле, 3 -
                                        4    светосигнализаторы, 4 - экран
                                             электронного индикатора




     При этом исходят прежде всего из целевой направленности ЛА: кабина
должна обеспечивать максимальную вероятность решения экипажем
поставленной перед ним задачи.


                                   59


      Пилотажно-навигационные приборы и приборы силовой установки,
необходимые для управления тягой двигателя, располагают так, чтобы пилот
мог контролировать траекторию полета с минимальными отклонениями головы
и глаз.
      Методы проектирования кабин. При проектировании кабин экипажа
используют следующие методы:
- метод прототипа;
- аналитический метод;
- метод исследований на статическом макете кабины;
- полунатурное моделирование;
- летные исследования.
      Метод прототипа основан на применении в новом ЛА решений,
которые либо рекомендованы в Руководствах, либо предписаны нормами
летной годности, ГОСТами, другим нормативным документам, либо
реализованы и практически подтверждены в других отечественных или
зарубежных ЛА. Основой использования метода прототипа является
обоснование возможности переноса решений прототипа на вновь
разрабатываемый ЛА. Обоснование производится путем составления таблиц
соответствия условий, необходимых и достаточных для применения данного
решения, условиям разрабатываемого образца.
      Аналитический метод основан на анализе деятельности экипажа и
расчете на его основе состава и компоновки кабины. Аналитические методы
используют при проектировании ЛА, отличающихся принципиально новыми
задачами и техническими решениями, например, при сокращении состава
экипажа или при внедрении электронных систем индикации.
      Исследования на статическом макете кабины используются на ранних
стадиях проектирования для оценки средств индикации и управления,
алгоритмов деятельности экипажа, компоновки рабочих мест. Для уточнения
результатов аналитического расчета и исследований на статическом макете
используют исследования на моделирующих стендах и летающих
лабораториях. После исследований вносятся необходимые изменения.


2.3. Принципы проектирования интерфейса пилот - ЛА

      Принципы проектирования бортовых информационных систем вытекают
из более общих принципов проектирования интерфейса пилот-ЛА, частью
которого являются БИС. Рассмотрим их.
      Прежде всего, следует помнить что назначением интерфейса пилот-ЛА
является обеспечение эффективного и безопасного полета. Поэтому при
решении каждого вопроса проектирования следует рассматривать
безопасность и эффективность всего ЛА. Эффективное взаимодействие



                                   60



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика