Взлетная школа: модель пилота поможет проектировать воздушные и космические корабли
- Статьи
- Наука и техника
- Взлетная школа: модель пилота поможет проектировать воздушные и космические корабли
В России создали модель «виртуального летчика», воспроизводящую действия человека при управлении летательными аппаратами — самолетами, вертолетами, космическими кораблями и другими судами. Технология учитывает визуальную информацию, сигналы вестибулярного и нервно-мышечного аппарата, а также алгоритмы центральной нервной системы по обработке данных и выработке команд. С помощью модели на этапе проектирования можно выявлять недочеты конструкций машин и органов управления. Разработку уже применяют при создании авиационной и космической техники.
Как математическая модель имитирует действия человека
Ученые-инженеры Московского авиационного института (МАИ) создали «виртуального летчика» — математическую модель, которая описывает поведение пилота при управлении летательным аппаратом. Разработка позволяет на этапе проектирования оценить, насколько удобно и безопасно будет управлять конкретными воздушными судами или космическими кораблями.
Модель включает в себя три функциональных блока. Первый отвечает за восприятие информации, второй — за обработку данных и выдачу команд, третий — за воспроизведение работы нервно-мышечной системы пилота при перемещении рычагов управления.
— В первом блоке основной объем данных поступает через зрительные анализаторы. При этом программа принимает во внимание зоны нечувствительности, запаздывание и «шумы» визуального восприятия. Вместе с тем модель учитывает сигналы от сенсоров внутреннего уха, пропорциональные действующим на летчика угловым и линейным ускорениям, а также импульсы так называемых мышечных веретен, которые формируют информацию о перемещении рук пилота, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, заведующий кафедрой «Аэродинамика, динамика и управление летательных аппаратов» Александр Ефремов.
Второй блок модели имитирует работу центральной нервной системы, формируя алгоритмы обработки данных и выработки команд управления летательным аппаратом, пояснил ученый. Это ключевая часть модели, поскольку она описывает процесс адаптации человека к различным режимам движения. При оптимальной динамике поведение летчика пропорционально поступающим сигналам. В сложных ситуациях необходимы более продвинутые реакции, включая упреждающие действия и участие в нескольких контурах и каналах управления одновременно.
Третий, завершающий блок воспроизводит работу нервно-мышечной системы пилота и его взаимодействие с органами управления. В совокупности модель способна одновременно обрабатывать множество сигналов: следить за показаниями приборов, воспринимать крены и перегрузки, а также оценивать силу воздействия на органы управления летательных аппаратов.
— Сейчас инженер может оценить эффективность предлагаемых проектных решений только «в железе» — на пилотажных стендах или в условиях реального полета. При этом зачастую корректность их выбора осознается только после того, как испытатели подняли машину в небо и поделились впечатлениями. Но на этом этапе что-то менять сложно и дорого, — пояснила один из авторов работы, аспирант кафедры «Аэродинамика, динамика и управление летательных аппаратов» Алена Гришина.
Предложенная модель позволяет на этапе расчетов увидеть, как разные варианты системы управления и особенности динамики летательного аппарата влияют на пилота и меняют скорость его реакции в зависимости от нагрузок, отметила она. Такие данные помогают экономить время и средства при разработке систем и проведении натурных испытаний.
Как виртуальный пилот оценит посадку на Луну
Разработка применима к различным типам летательных аппаратов, отметил Александр Ефремов. Она уже используется при создании новых отечественных самолетов и вертолетов, а также перспективного российского сверхзвукового пассажирского лайнера второго поколения. Модель также будет востребована при проектировании стыковки новых космических кораблей на орбите и мягкой посадки на Луну.
По словам ученого, технология может пригодиться для анализа некоторых авиационных происшествий и для «обучения» искусственных систем управления беспилотными летательными аппаратами.
— При разработке сложных бортовых систем математическому моделированию отводится ведущая роль. При этом баланс между программными подходами и человеческим фактором — важное условие успешных испытаний авиационной и космической техники. Особенно при рассмотрении нестандартных и экстремальных ситуаций, — рассказал «Известиям» начальник отделения Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского, доктор технических наук Сергей Баженов.
Летчики-испытатели — очень занятые специалисты, и пилотов, способных оценивать новые системы, немного, отметил он. Модель позволяет отобрать оптимальные варианты, а окончательное решение о том, что исправить, а от чего отказаться, принимает реальный летчик. При этом существует риск, что программа отбросит варианты с рациональным элементом, поэтому важна интуиция специалиста-человека.
— «Виртуальный летчик» — эффективный инструмент ускорения проектирования и огромная ниша для развития технологий, учета индивидуальных особенностей пилотов, моделирования сценариев чрезвычайных ситуаций, формирования адаптивного обучения моделей и так далее. В перспективе возможно развитие проекта до универсальной платформы улучшения безопасности, обучения и автоматизации, — считает директор передовой инженерной школы, доцент и ведущий научный сотрудник центра композитных технологий Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева — КАИ Леонид Шабалин.
Имитационное и математическое моделирование различных систем — один из самых эффективных способов оценки и прогнозирования поведения исследуемых объектов, отметил он. В перспективе модель может полностью заменить этапы испытаний, связанные с эргономикой и базовыми реакциями пилота.
При этом все модели должны проходить проверку и обеспечивать высокую достоверность результатов, добавил эксперт. Важно учитывать границы эффективности «виртуального летчика»: например, зона ответственности человека начинается там, где действуют непредсказуемые отказы, усталость и стресс — то есть реальные условия полета и аварийные ситуации.
