автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Обеспечение подобия подвижным наземным объектам при создании измерительно-информационной и управляющей систем тренажеров

На правах рукописи

КУРОЧКИН Сергей Александрович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДОБИЯ ПОДВИЖНЫМ НАЗЕМНЫМ ОБЪЕКТАМ ПРИ СОЗДАНИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННОЙ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМ ТРЕНАЖЕРОВ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2004

Работа выполнена на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" в Тульском государственном университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ЛАРКИН Евгений Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ПАНАРИН Владимир Михайлович;

кандидат технических наук, доцент ПРИВАЛОВ Александр Николаевич.

Ведущее предприятие:

Открытое акционерное общество «Муромское специальное конструкторское бюро»

Защита состоится 2004 года ъ/Р часов на заседании диссер-

тационного совета Д 212.271.07 при Тульском государственном университете (300600, Тула, проспект им. Ленина, 92) в аудитории 9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета (300600, Тула, проспект им. Ленина, 92).

Автореферат

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Ф.А. Данилкин

-3-ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современный этап развития техники подвижных наземных объектов (ПНО) характеризуется существенным усложнением процедуры управления ею. В реальных условиях оператор ПНО, принимает решения, от которых зависит не только эффективность применения управляемого оборудования, но и в ряде случаев целостность самого объекта и безопасность находящихся в нем людей. Согласно известной статистике, аварии, возникающие по причине неадекватной реакции операторов на возникающие ситуации, составляют от 40 % до 80 %, от общего количества аварий.

С другой стороны, развитие рыночных отношений предопределяет жесткую конкуренцию на рынке подвижных наземных объектов, что предполагает постоянное обновление оборудования и связанную с этим процессом проблему подготовки и переподготовки кадров. Поэтому в условиях рыночной экономики остро стоит проблема повышения уровня профессионализма операторов при существенном сокращении времени и стоимости их подготовки.

Указанные обстоятельства привели к тому, что тренажеры, как устройства, представляющие физические модели реальных объектов, стали важнейшим звеном в системе подготовки операторов. Степень статического, динамического и информационного подобия тренажеров реальным объектам определяет эффективность их применения при подготовке кадров. Любой тренажер, как объект проектирования, представляет собой сложную измерительно-информационную систему, сенсорная подсистема которой, наряду с системами управления исполнительными устройствами, входит в интерфейс человек/объект, и свойства именно этой подсистемы определяют качество тренажера, как физической модели, подобной реальному объекту. Методология проектирования тренажеров как измерительно-информационных систем, реализующих принцип подобия, проработана слабо, что объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.

Таким образом, объектом исследования диссертационной работы являются измерительно-информационные системы тренажеров, формирующие интерфейс оператор/тренажер и обеспечивающие в совокупности с управляющей системой динамическое и информационное подобие моделируемым подвижным наземным объектам.

Следует подчеркнуть, что методы достижения подобия, разработанные в диссертации для ПНО, могут быть применены для разработки тренажерных систем другого назначения, например, систем управления летательными аппаратами, железнодорожным или морским транспортом, следовательно, объект исследования может быть расширен до класса объектов.

Предметом исследования диссертационной работы являются характеристики тренажеров как физических моделей, обеспечивающие статическое, динамическое и информационное подобие реальным объектам.

Общими вопросами теории подобия занимались П.М. Алабужев, В.Б. Ге-ронимус, ВАВеников, Г.В. Веников, М.В. Кирпичев, М.А Мамонтов, Л.М.Мин-

1РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА } С.Летер£ ОЭ

|ци1ычл 1

кевич, Б.М. Шелоховцев и др. Вопросы обеспечения подобия в тренажерных комплексах за счет измерительно-информационных систем разрабатывали А. С. Бабенко, В.А. Боднер, Р.А. Закиров, B.C. Шукшунов, и др. Психологическими аспектами подобия занимались В.Ф. Венда, B.C. Зайцев и др. Из зарубежных специалистов подобные исследования проводили Д.А.Браун, И. Голдстейн, Ж. Кристенсен, Дж. О'Брайен, Г. Савледи, Д. Холдинг, Р. Эбертс и др.

В известных работах по предмету исследования показано, что необходимым при разработке тренажеров является этап создания аналитических моделей процессов в реальных объектах, которые затем реализуются в виде аппаратных и программных средств, реализующих те или иные виды подобия. Подходов к разработке измерительно-информационных и управляющих систем, целенаправленно обеспечивающих требуемую степень подобия, в настоящее время не существует. Ниже исследуется подход к разработке, который опирается на аналитические методы математического моделирования процессов.

Для этого используются теория подобия, теория случайных процессов, теоретическая механика, аналитическая геометрия, теория управления, теория формирования и обработки изображений.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов обеспечения подобия при проектировании измерительно-информационных и управляющих систем тренажеров как физических моделей ПНО.

Задачи исследований. 1. На основании исследования особенностей реализации принципов подобия в тренажерах ПНО, разработка критериев при достижении статического, динамического и информационного подобия, обеспечиваемых при создании тренажеров.

2. Исследование статистических свойств дороги, как возмущающего фактора, воздействующего на ПНО при его движении; введение ограничений на управление движением тренажера, создающим достаточную степень динамического подобия реальному объекту.

3. Формирование математических моделей процессов обработки сигналов датчиков сенсорной системы тренажера, необходимое для создания динамического и информационного подобия управления движением ПНО.

4. Исследование влияния собственных движений ПНО на системы тренажера, осуществляющих информационное подобие.

5. Разработка метода реализации информационного подобия путем формирования изображения местности на экране монитора, имитирующего оптическую систему ПНО.

6. Экспериментальная проверка методов обработки сигналов сенсорной системы для создания статического, динамического и информационного подобия при разработке и внедрении в промышленность реальных тренажерных систем.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

-51. Сформулирована задача исследования методов управления тренажером как физической моделью реального подвижного наземного объекта, обеспечивающей заданный уровень статического, динамического и информационного подобия; получены критерии оценки ошибки в достижении динамического и информационного подобия при исследовании характеристик подвижного наземного объекта и тренажера в сигнальной и спектральной областях.

2. На основании исследования дороги, как возмущающего фактора, и объекта, как механической системы, показано, что спектр вынужденных движений кабины ПНО содержит характерные частоты воздействия, которые зависят от механических параметров объекта и скорости его движения по дороге и могут быть использованы при создании эффекта динамического подобия при управлении тренажером.

3. Разработана математическая модель процессов управления двигательной установкой, трансмиссией и направлением движения ПНО, используемая при обработке сигналов с датчиков имитаторов органов управления объектом при создании динамического и информационного подобия управления движением ПНО.

4. Разработан метод создания эффекта информационного подобия путем наложения на естественное изображение местности синтезированного изображения цели и преобразования сформированной таким образом модели сцены в соответствии с реальными движениями тренажера, измеренными с помощью сенсоров информационно-измерительной системы.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные в диссертации методы ориентированы на использование при проектировании измерительно-информационных и управляющих систем как вновь разрабатываемых, так и модернизируемых тренажеров, что позволяет повысить уровень их статического, динамического и информационного подобия при сокращении сроков разработки.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается результатами апробаций методологии при решении практических задач разработки управляющих систем ряда тренажеров подвижных наземных объектов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Выражения для критериев оценки ошибки в достижении динамического и информационного подобия при исследовании характеристик подвижного наземного объекта и тренажера в сигнальной и спектральной областях.

2. Условие достижения достаточной степени динамического подобия в тренажере при воздействии на оператора синусоидальным сигналом с одной единственной частотой, полученное на основании аналитического описания дороги как возмущающего фактора, воздействующего при движении на реальный ПНО, и аналитического описания ПНО, как механического фильтра.

3. Математическая модель процесса управления системами ПНО, используемая при обработке сигналов с датчиков имитаторов органов управления

объектов при создании динамического и информационного подобия управления движением ПНО.

4. Метод создания эффекта информационного подобия путем наложения на естественное изображение местности синтезированного изображения цели и преобразования сформированной таким образом модели сцены в соответствии с реальными движениями тренажера, измеренными с помощью сенсоров измерительно-информационной системы.

Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения нижеследующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО "Центральное конструкторское бюро аппаратостроения":

«Разработка динамического тренажера экипажа танка Т-90»;

«Модернизация динамического тренажера механика-водителя танка Т-80У до уровня динамического тренажера экипажа танка Т-80У»;

«Разработка.тренажеров боевых отделений танков Т-80У и Т-90 для подготовки командиров и наводчиков».

Результаты, внедрены в ОАО "ЦКБА" в следующих технических системах: ПКБО.ДТЭ-219К; ПКБО.ДТЭ-188; 9Ф867 и 9Ф868.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.

1. XVI Международная научная конференция ММТТ-16. Математические методы в технике и технологиях. - Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный технический университет, 2003.

2. 6-я научно-техническая конференция. "Проблемы специального машиностроения". - Тула, Тульский государственный университет, 2003.

3. XXI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский государственный университет, 2003.

4. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2002,2003 и 2004 гг.

По теме диссертации опубликовано 17 работ, включенных в список литературы, в том числе: 5 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях, 7 статей, 5 авторских свидетельств на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста и включающих 61 рисунок и 2 таблицы, двух приложений на двух страницах и списка использованной литературы из 123 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана постановка задачи разработки измерительно-информационных систем тренажеров как физических моделей, обладающих требуемым уровнем статического, динамического и информационного подобия реальным подвижным наземным объектам.

В первом разделе показано, что системотехника тренажеростроения осно-

вана на методологии создания физической модели реального объекта, воспроизводящей релевантные свойства и характеристики оригинала и заменяющей реальный объект при обучении личного состава.

Отмечается, что все существовавшие и существующие в настоящее время тренажеры подвижных наземных объектов (ПНО) условно можно разделить на четыре поколения.

Тренажеры первого поколения характеризуются применением статических кабин, кинопроекционных и оптико-механических систем в качестве индикаторов и аналоговых вычислительных устройств в качестве технических средств моделирования объекта.

Для тренажеров второго поколения характерным является наличие подвижной платформы с информационно-измерительной системой, телевизионных систем с оптико-коллимационными устройствами для отображения внешней обстановки и аналого-цифровых систем управления.

В тренажерах третьего поколения используются в основном подвижные платформы, управляемые цифровыми ЭВМ, которые применяются также для синтеза изображений.

В последнее время имеется тенденция перехода к четвертому поколению тренажеров, обладающих основными признаками тренажеров третьего поколения, но использующих вычислительные системы, работающие в мультипрограммном режиме.

Показано, что тренажеры должны состоять в отношении подобия к реальным объектам, вследствие чего аппаратные и программные средства измерительно-информационных систем определяются спецификой объектов, для которых готовятся операторы. В частности технические средства тренажеров по обучению операторов ПНО имеют структуру, _ приведенную на рис. 1.

Внешнее управление

♦1 Ч_| ДА «¡1

Сенсорная система *

АЦП

Я

14

дц

.1

Средства физического воздействия

2

т

о

еч ->

<

3

я

0?

ч

т

<

си

С

>.

_ 3 «

« X о

Р о X

еЗ сз

и О. ^ ь

ао ? 5

О Р з >о

ь Ш о

С! X

О. О

ю

-*

ей

О

(-

<

а.

ш ->

С

О

п.

с >>

о.

о

Рис. 1. Рабочее место тренажера по подготовке операторов ПНО Сенсорная система тренажера включает аналоговые и цифровые датчики, формирующие информацию о состоянии средств физического воздействия (подвижной платформы) на обучаемого оператора и органов управления. На основании полученной информации и в соответствии с заданием инструктора, получаемым по интерфейсу 1п, управляющей ЭВМ формируются показания

приборов, отображаемые в соответствующих имитаторах, и визуальная информация, наблюдаемая оператором в средствах наблюдения.

Отмечается, что физическое моделирование ПНО на тренажере представляет собой воспроизведение определенных его свойств и характеристик для формирования у обучаемого оператора навыков управления с последующим переносом полученных навыков на моделируемый объект-оригинал. При этом моделируется процесс функционирования ПНО, т.е. изменение его состояний или режимов, зависящее от собственных параметров системы и параметров возмущающих воздействий со стороны окружающей среды.

Показано, что изменение состояния ПНО происходит в пространстве/ времени и характеризуется некоторыми показателями

которые называются текущими переменными или обобщенными координатами. Тренажер, как физическая модель системы, в свою очередь, описывается переменными при этом в тренажере должно быть реализовано отношение подобия модели оригиналу. Под реализацией отношения подобия в работе понимается установление системы правил, которые определяют переход от совокупности обобщенных координат X = (х^ .... д:,-, .... Хн) к обобщенным координатам я = .... •••» £л/)> т-е- установление соответствия 2 = Ф(Х), где Ф(...) - векторная функция векторного аргумента. Степень подобия тренажера и ПНО определяется скалярной функцией которая должна достигать экстремума при оценке реальной конструкторской разработки.

Простейший случай, статического (геометрического) подобия в отношении к тренажерам предполагает прямую идентичность зоны обучения, доступной оператору, на тренажере и на объекте. Высокая степень геометрического подобия является основой для достижения других видов подобия, в частности информационного. В тренажерах статическое подобие создают: приборы (стрелочные и цифровые индикаторы, транспаранты и т.п.); органы управления (педали, рукоятки, рули, кнопки и т.п.); геометрические размеры и интерьер кабины, расположение и размеры приборов и органов управления, рабочие зоны органов управления;

расположение имитаторов внешней обстановки, подсветка приборов и

т.п.

Динамическое подобие является частным случаем подобия физических процессов, при котором ПНО и тренажер совершают в пространстве подобные движения. Если некоторый вектор параметров Х= (Х|, ..., хп, ..., Хлт) в реальном ПНО описывается системой уравнений:

а в тренажере некоторый вектор подобных параметров Е = ..., ..., описывается системой уравнений:

и решением (1) является кривая

ДО = (*!«, .», *„(/), ..., ДГд(0),

Q

dZ d2S

,.;P{t)

л

= 0'

(2)

Л Л2

и решением (2) является кривая

эю = (&(»),-...4(0.....&(/)).

то количественная оценка ошибки при реализации динамического подобия имеет вид

где t - время; У(...) и £3(...) некоторые функция; U(t) = (mi(î),..., ut(t),Ug(t))

вектор внешнего воздействия; P(t) = (pi(t), pi(t)) - вектор имитации

внешнего воздействия; pi(...) - некоторая неотрицательнаямера;.Сп- коэффициент, характеризующий вес соответствующего параметра в создании эффекта подобия.

Показано, что количественно ошибка при реализации динамического подобия тренажера может также быть оценена в частотной области

e=fiCn]fi[xn(co)-Uco)]dû)+ % Cn]rtxn(œ)]dQ) приM<N:

где 01 - круговая частота; £Я(<У), x„(d)) - спектры соответствующих параметров.

Ошибку при реализации информационного подобия предложено оценивать по зависимостям:

для показаний приборов

у-«

при отображении изображений на экране черно-белого монитора

£ = С,ц(т) + С, - г) - и"и (г)] :

в=с, m+- т)- «"! coi+

при от у,i ipa

M J=l i»l j-1

где Н] - информационная емкость у-го индикатора реального ПНО; Ц - информационная емкость у-го имитатора индикатора; где - пиксель изображения, полученного с учетом условий наблюдения; - соответствующий пиксель исходного изображения; - время задержки между фактически изменившимися условиями наблюдения сцены, соответствующими пространственной ориентации макета кабины тренажера и аппаратно-программным формированием модели изображения; С, - коэффициент, учитывающий важность временной задержки на степень информационного подобия; С1 - коэффициент, учитывающий важность погрешностей программной обработки изображений на степень информационного подобия; - коэффициенты, учитывающие важность погрешностей программной обработки изображений на степень информационного подобия, соответственно в красной, зеленой и синей областях частотного спектра.

С учетом необходимости обеспечения статического, динамического и информационного подобия разработаны требования к измерительно-информационной системе и структуре математического обеспечения тренажеров.

Во втором разделе разработаны математические модели управления объектом, используемые при обработке сигналов с датчиков сенсорной системы, а также математическая модель движения ПНО, что позволило сформулировать требования к аппаратной и программной частям тренажеров, осуществляющим принцип динамического подобия.

В органах управления, имитирующих управление скоростью движения за счет манипуляций педалями сцепления и газа, используются датчики перемещения, а в имитаторе рычага переключения скоростей используются контактные датчики положения рычага. Реальные характеристики органов управления, формируются за счет соответствующего математического моделирования сигналов указанных датчиков.

Система дифференциальных уравнений, описывающих двигательную установку до коробки скоростей, имеет вид

+ № + Мсд +М„=МЩ'

где СГа - угловая скорость вращения вала двигателя; Jd - момент инерции подвижных частей двигательной установки, приведенный к валу двигателя; Щ коэффициент сил вязкого трения, приведенных к валу двигателя; - момент сопротивления движению подвижных частей двигательной установки, приведенный к валу двигателя; М„ - внешний момент сопротивления, приведенный к валу двигателя; Мц - момент, создаваемый на поршнях цилиндров двигателя внутреннего сгорания, представляющий собой последовательность прямоугольных импульсов, ширина которых зависит от скорости вращения вала двигателя, а величина - от положения педали газа.

Уравнения, описывающие скорость вращения и передаваемый момент вала

коробки скоростей, имеют вид:

= тд Ках, Мх = Мд Кшх,

где VJX и Мх - соответственно, угловая скорость и момент вала коробки скоростей; X - текущее значение передаточного числа коробки скоростей; Кш - коэффициент, зависящий от положения педали сцепления.

Угол рыскания у и угол поворота ведущих колес (разность скоростей на левой и правой гусеницах) Уде связаны уравнением первого порядка:

где параметр kj определяется конструктивными особенностями ПНО.

Кроме того, в математическую модель управления направлением движения входит зависимость, описывающая люфт.

Дорогу предложено рассматривать как некоторый источник случайного сигнала, являющегося стационарным при постоянной скорости движения ПНО.

Показано, что для формирования учебно-тренировочных задач в тренажерах целесообразно классифицировать дороги по величине неровностей, определяемых корреляционной функцией или спектральной плотностью. Для цели моделирования конкретных дорожных условий на тренажере корреляционные функции реальных дорог предложено определять экспериментально и аппроксимировать функцией вида:

к (г) = 2 А. ехр(-а„ | т |) cos Д,т •

Л=1

со спектральной плотностью

где <Хп И Д, - параметры корреляционной функции; Dn - дисперсия.

Показано, что приведенная зависимость имеет максимумы, поэтому предложено генерировать воздействие на экипаж на характерных частотах, которые зависят от скорости ПНО. При увеличении скорости характерные частоты смещаются в высокочастотную область спектра.

С применением уравнений Лагранжа второго рода разработаны математические модели движения подрессоренной кабины ПНО. Показано, что общая модель движения объекта под действием возмущающих факторов, описывающая три поступательных и три вращательных движения, сложна поэтому -малоэффективна.

Для исследования движений объекта применен принцип раздельного описания вращательных движений по углам в тангажа (галопирования) и у/ крена (потаптывания), а также поступательного движения по вертикальной координате

Z. Моделирование позволяет получить следующие передаточные функции:

= *("*>)=__;

hXico) -ВД+яда.2-ад,)

У/в{ко)=в(1<о)=_

-12-

Ш,-АД1)

« ъ1й{мРк„(с1ис1ъ -адо+ед, -ад+ого(ад2 -ад

И'йО'Ю) = =_^у^ш^п^гг ~ ^12^21)_;

А'С'а») -ам-к2ап +

Жр(1<0) =

н]т-К+пт их кИт<133т

где

£/„ =(/©)2 +/'(оа„ +о1о; </)2 =6п(/й)) + 610; <*2] =а21(/й))-а20;

I,

V.

2л1

^22 =('«) +¿20*' А", = £[?]Д/й)) + с,]А(со)ехр

= + су]/^(<в)ехр

>1

7=1

' Кш = ЁСшуЛ'еХР

7=1

V.

/у - расстояние между опорами; с, - жесткость у'-й опоры; - жесткость у-й цш ны (при их наличии); г}} - вязкое трение в у-й опоре; ух • продольная скорость ПНО; а,о, ап, а2о> а21> Ьго> ¿20 - коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров кабины ПНО; Л и У, - моменты инерции кабины относительно продольной х и поперечной у осей; / = -7-1'.т - количество пар колес; А - мик ропрофиль дороги; К - перемещение рессоры, демпфированное шиной.

Показано, что энергетический амплитудный спектр вынужденных дви жений кабины ПНО (указанные движения в данном случае имеют форму вы нужденных колебаний) получается умножением энергетических спектров воз действия микропрофиля дороги, продольного 5'(ш) и поперечного 5'4(й)), на квадраты соответствующих амплитудных частотных характеристик, т.е.

(со) = К (ш)|2 5»; 5в (со) = \Жв (/'(0)|2 5»: (СО) = ^ (/й))|2 ^ (ю) •

Вид спектров воздействий и амплитудных характеристик при разных скоростях движения ПНО приведен на рис. 2 и 3, соответственно.

0}/тх\<(Ота^<(Отах3<СОтах4 О)

Рис. 2. Спектры воздействий при разных скоростях движения ПНО

I\Щ(0)\2 .^тч. Iщ<0, У*г)\2 Ч,,< ул < V* А—к \

СО'ц £«21 СО'и (У31

0)22

£0 ->

Рис. 3. Амплитудные характеристики при разных скоростях движения ПНО

Показано, что спектральная плотность движения кабины, получающаяся перемножением спектра рис. 2 на спектр рис. 3, обусловлена периодически повторяющимися воздействиями на кабину ПНО, передаваемыми последовательно через ряд подрессоренных опор при движении. Явление, которое возникает при этом, имеет характер резонанса на частотах, определяемых конструктивными особенностями ПНО. Сделан вывод о возможности реализации в тренажере ПНО воздействий на частоте резонанса.

Определены параметры движений управляемого оборудования тренажера, влияющие на смещение изображения в поле зрения оператора.

В третьем разделе исследуются системы, создающие эффект информационного подобия ПНО в тренажерах при движении объекта относительно окружающей среды.

Информационное подобие при отображении изображений проявляется как физическое (определяется точностью воспроизведения светового потока от сцены потоком от макета сцены), психофизическое (устанавливается на уровне зрительных ощущений с использованием свойства ограниченности светосигнальных характеристик зрительного анализатора) или психологическое (устанавливается на уровне восприятия информации). При обработке сигналов датчиков положения подвижной платформы тренажера реализуется психологическое подобие. Информационное подобие предложено создавать за счет наложения синтезированного изображения цели на изображение, полученное путем видеосъемки реальной местности.

В обобщенном виде процедура синтеза изображения, формируемого средствами наблюдения ПНО, представляется как двухступенчатый процесс:

где М - исходная математическая модель сцены; А^ - оператор преобразования исходной математической модели в факсимильную цифровую модель изображения (ФЦМИ), (н(у ) = ([и*, Му Ау - оператор преобразования ФЦМИ в результате движения со скоростью V; к,; - код, характеризующий пиксель ФЦМИ;*', у'- координаты экранного пространства; R, G, В- координаты

ф"(х\ у\ V, /) = АУ[Л,(А*)],

цвета; /,у - дискретные координаты пикселя матрицы ФЦМИ.

При формировании образа цели проводятся следующие операции.

1) Разбиение цели на примитивы и формирование изображения из примитивов. В качестве примитивов предложено использовать следующие: точка, плоскость, тетраэдр, параллелепипед, тело вращения с произвольной образующей, поверхности второго порядка. Для каждого примитива определены параметры, описывающие его расположение в трехмерном пространстве.

2) Формирование изображения из примитивов с применением дизъюнктивной или конъюнктивной нормальной формы, для описания изображения

где П, и П', могут принимать значения как примитива, так и его отрицания.

3) Проекция примитивов на плоскость под заданным ракурсом.

4) Определение видимых поверхностей и их окраска с учетом их цвета (текстуры), условий освещения и заданием типов отражающих поверхностей.

Информационное подобие маневрирования объекта и цели в окружающем пространстве обеспечивается путем аффинных преобразований. При получении зависимостей для аффинных преобразований было учтено, что ПНО осуществляет поступательное движение по координатам гида также три вращательных движения: по углу тангажа (галопирование) в, по углу крена (потаптывание) \jf и по углу курса (рыскание) у. Вследствие значительной удаленности цели по координате х от ПНО, а также наличия средств стабилизации поля зрения, сптаведливы допущения, что tg в = sin в = 0; tg у= sin Y~ Y-

'Уь

Вектор

, положения точки b в пространстве, в вектор

(Y Л Z.

опре-

деляющий положение изображения точки на экране монитора, преобразуется следующим образом:

N

eos V -sin у

sin у/ cosy

Y +

У-Уъ

6 +

где К0 - коэффициент передачи оптической системы ПНО.

Информационное подобие движения объекта осуществляется путем геометрического смещения кадра, относительно предыдущего положения. В общем случае последовательность отображаемых кадров определяется рекурсией:

Рв(к* 1) = Рв{к)Ак + йк где Рв(к) - местоположение отображаемой точки на экране в к-м кадре;

местоположение отображаемой точки в (к + 1)-м кадре; Ац и О* - матрица и вектор аффинных преобразований, определяемые маневрами ПНО и цели.

Показано, что маневры цели изменяют только местоположение самой

цели на экране устройства отображения, а маневры ПНО изменяют как местоположение цели, так и местоположение точек, принадлежащих к неподвижным объектам сцены. Если цель, отображаемая в к-и кадре, имеет скорость у* с составляющими ухк, уук, у^, а угловые скорости собственных движений ПНО равны, соответственно Вк,ук,\ук, и регенерация изображения программными

средствами вычислительной системы производится за время г, то координаты Увд+1)» изображения В точки Ь в (к + 1)-й момент, занимавшей в к-и мо-

мент времени положение Ь(к) и отображавшейся на экране в виде точки В(к) с координатами Кщ), 2в(1о, определяется в виде:

(Y > — ' eos у/г siny/r^

-sinl/iT COSty/T^

+

%В(к) +

Y +

Ьу

xb+vxT

0+-

vbz

Хь+УгТ

\ \ {~К0г)

Если точка В принадлежит неподвижным элементам сцены, то преобразование принимает вид:

(Y Л

1 ВЦ* I)

eos у/т smy/r siny^r COSV¡T^

^í(t) - К0тв

При продольном движении ПНО: Рт = =у^к) +4(*+о;

1) — ^S(i) + А

Для ускорения вычислений предлагается наблюдаемые точки пространства Ь, с считаются спроецированными на проекционную плоскость Ок с координатами Уь Zt- При центральном проецировании указанных точек с помощью лучей ОЬ и Ос, где О - центр входного зрачка объектива оптической системы ПНО, в проекционной плоскости Ок формируются проекции указанных точек, соответственно Ьк И Ск. При перемещении ПНО со скоростью на экране монитора ПНО пере-считываются координаты Л*, Yk не самих точек Ъ, с, а их проекций Ьк И ск на плоскость Ок что существенно сокращает объем проводимых вычислений.

Одной из проблем, возникающих при реализации аффинных преобразований или изменении масштаба при имитации движения ПНО, является проблема формирования значений пикселей преобразованного ФЦМИ при несовпадении сеток матриц исходного и преобразованного изображений. В цветном изображении три координаты цвета iRl, iGl И Ш1 и общие интенсивности излучений pi пикселей, описывающих вычисленный (к + 1)-й кадр, преобразуются в три компоненты 1аф и 1д(у) и общую интенсивность p(i, j) излучения (i, у)-го физического пикселя (к + 1)-го кадра экрана устройства отображения.

Соотношение интенсивностей формируемых составляющих twiift, ^д и lBí.u> а также их общая интенсивность определяются в виде:

Для ускорения пересчета применено раздельное линейное суммирование по координатам У и Ъ, причем соотношение интенсивностей цветовых составляющих нормируется, что дает окончательное значение соотношения цветов 1д(у> ^ и \Bitjy

+ "со

'шл ; ^ к*!,» ; ^ ^ _ Чл

'.;) + 1ШК]) V/) + +

Чл+ Ьи)+ Ъци)

Четвертый раздел содержит экспериментальное подтверждение теоретических положений диссертации на основе применения разработанных методов при практическом проектировании тренажера подвижного объекта. В системе кабина с обучаемым оператором помещается на подвижной платформе, которая вместе с устройством для компенсации силы тяжести устанавливается на жесткое основание. Кабина приводится в действие приводом, управление на который через усилитель мощности сигнала подается с ЭВМ. Положение платформы контролируется датчиками обратной связи (датчики ОС), сигналы с которых вводятся в ЭВМ. Кроме того, в ЭВМ вводятся сигналы с датчиков органов управления движением и команды инструктора. ЭВМ, на основании введенной информации, вырабатывает сигналы, отображаемые в показаниях приборов пульта управления кабины тренажера, и образ сцены, отображаемый на мониторе рабочего места оператора. Статическое подобие тренажера реальному объекту осуществляется за счет соответствующего макетирования интерьера рабочего места. Динамическое подобие тренажера обеспечивается на аппаратно-программном уровне. Информационное подобие обеспечивается программно.

В моделируемом объекте перемещение кабины, связанное с галопированием и потаптыванием машины происходит на углы ±15° относительно центра масс. Линейное перемещение вдоль оси г лежит в пределах 1166 мм. Другие угловые и линейные перемещения кабины незначительны. Анализ возможных технических решений показал, что рациональное сочетание сложности изделия с достигаемой степенью динамического подобия обеспечивается в конструкции динамической опоры с трехзвенным рычажным механизмом. Конструкция обеспечивает следующие параметры:

при качании макета кабины водителя гусеничной машины относительно оси у (канал тангажа, или крена) диапазон воспроизводимых углов меняется в

интервале в, ЦГ= ± 0,24 рад (± 14°);

максимальная скорость изменения углов тангажа и крена не менее в, у = 0,87 рад/с (50 % );

максимальное ускорение углов тангажа и крена не менее в, \jf =3,12 1/с2

(180 %2) при моменте инерции качающихся масс450 КГ-М^/^ЗбОкРМ2;

при качании центра масс вдоль оси z (канал подъема) диапазон воспроизводимых перемещений меняется в интервале z = ± 0,3 м;

максимальная скорость изменения координаты г не менее z =1,1 м/с; максимальное ускорение по координате z не менее z = 4 м/с2 при массе нагрузки m ^ 500 кг;

законы изменения всех перечисленных параметров - синусоидальные с круговой частотой О =3,61 1/с.

В качестве исполнительных двигателей в системе использован электродвигатель ЭДМ-46В с усилителем мощности ПБ 2.035.067-01, построенным на кремниевых биполярных транзисторах. Приводы работают на подъем, при этом максимальная мощность каждого из них составляет 1,2 кВт.

Сенсорная и исполнительная системы используются совместно с цифровой системой управления. Осредненная реакция тренажера по углу тангажа на единичное управляющее воздействие (переходная характеристика) при возрастании нагрузки (Jx3 > Jx2 > Jxl > JxO) приведена на рис. 4.

Нормированная ошибка при достижении динамического подобия оценивалась по зависимости:

Рис. 4. Характер переходного процесса в тренажере Для рассматриваемого тренажера обеспечивается нормированная ошибка в достижении динамического подобия в пределах от 16,0 % (см. 8(1x3)) до 8,5 % (см. 6(1x1)).

Информационное подобие при обучении водителя обеспечивается формированием изображения, пример которого приведен на рис. 5.

Рис. 5. Изображение цели на фоне местности

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертации решена научно-техническая задача, имеющая важное народно-хозяйственное значение, и заключающаяся в разработке подхода к проектированию тренажеров, как физических моделей реальных объектов, в которых реализованы принципы статического, динамического и информационного подобия.

В целом по работе можно сделать следующие выводы.

1. Сформулирован подход к проектированию тренажеров как к физической модели объекта, воспроизводящей его свойства, релевантные с точки зрения использования объекта для решения целевых задач и реализующего принципы статического, динамического и информационного подобия реальному подвижному наземному объекту.

2. Получены критерии для оценки ошибок при реализации статического, динамического и информационного подобия реального ПНО и тренажерной системы.

3. Разработан комплекс математических моделей обработки сигналов датчиков имитаторов органов управления движением, включающий модель сцепления, двигателя, коробки передач и рулевого управления для выработки динамических и информационных воздействий на оператора, подобных воздействиям в реальных ПНО.

4. Проведен общий анализ движений реального ПНО по его математической модели, показано, что результирующие амплитудные характеристики спектральных плотностей движений кабины представляют собой кривые, имеющие ряд максимумов, что позволяет существенно упростить аппаратную часть тренажеров, реализующих физические динамические воздействия ПНО на оператора

5. На основании анализа сцен, формируемых при создании информационного подобия движения ПНО на реальной местности, сделан вывод о целесообразности раздельного синтеза образа сцены, при котором изображение неподвижных предметов сцены создается путем видеосъемки реальной местности, а изображение цели создается искусственно из примитивов путем проекции на некоторую условную плоскость, отображаемую на экране монитора оптико-электронной системы наблюдения ПНО.

-196. Получены рекуррентные зависимости, связывающие геометрические и колориметрические параметры образа сцены на экране монитора с параметрами линейных и угловых движений тренажера, а также с параметрами имитации продольного движения объекта по закрытой и открытой местности.

7. Разработанные в диссертации методы апробированы путем использования при проектировании реальных тренажерных систем, на предприятии ОАО "Центральное конструкторское бюро аппаратостроения", и в учебном процессе Тульского государственного университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Публикации по теме диссертации

1. Курочкин С А. Моделирование на тренажере управляемого движения // Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-16: XVI Международная научная конференция. - СПб.: СП6ТТИ (ТУ), 2003. - С. 199 - 201.

2. Курочкин С.А., Ларкин Е.В. Математическое моделирование тренажерных систем // Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-16. XVI Международная научная конференция: - СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2003. - С. 201 - 202.

3. Курочкин С.А., Ларкин Е.В. Принцип моделирования динамики движения кабин наземных транспортных средств в тренажерах // XXI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: ТулГУ, 2003. - С. 22 - 24.

4. Курочкин С.А., Ларкин Е.В. Движение кабин наземных. транспортных средств // XXI научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: ТулГУ, 2003.-С. 24-26.

5. Курочкин С Л. Модели переходных процессов, возникающих при движении транспортных средств // XXI научная сессия, посвященная Днкъ радио: - Тула: ТулГУ, 2003. - С. 26 - 28.

6. Курочкин С.А., Пушкин А.В. Создание моделей объектов при проектировании тренажеров // Проблемы специального машиностроения. Вып. 6. Т. 2. -Тула: ТулГУ, 2003. - С. 188 -190.

7. Курочкин С.А., Ларкин Е.В. Моделирование движения наземного объекта в тренажере // Проблемы специального машиностроения. Вып. 6. Т. 2. - Тула: ТулГУ, 2003. - С. 190 -197.

8. Курочкин С.А., Чугреев А.А. Выделение полезного сигнала при моделировании акустического шума объектов // Проблемы специального машиностроения. Вып. 6. Т. 2. -Тула: ТулГУ, 2003. - С. 65 - 68.

9. Курочкин С.А. Об одном подходе к разработке тренажеров наземных комплексов // Приборы и управление. - Тула: ТулГУ, 2003. - С. 41 - 47.

10. Курочкин С.А., Нуждихин В.Г. Тренажер подвижного наземного объекта // Приборы и управление. - Тула: ТулГУ, 2003. - С. 57 - 50.

11. Курочкин С.А. Моделирование движения наземного объекта со стабилизированной платформой в тренажере // Известия ТулГУ. Серия: Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления.

»-5867

Вып. 4. Том 3: Системы управления. - Тула: ТулГУ, 2003. С: 84 - 89.

12. Курочкин С.А., Пушкин А.В. Математическое описание модуля наведения тренажера // Известия ТулГУ. Серия: Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Вып. 4. Том 3: Системы управления. - Тула: ТулГУ, 2003. С: 89 - 91.

13. Свидетельство на полезную модель РФ № 20685 // С.А Курочкин и др. Тренажер для подготовки операторов управляемого вооружения. - МКИ 7 в 09 В 9/08. - Опубликовано 20.11.2001. Бюлл. № 32.

14. Свидетельство на полезную модель РФ № 31669 // С.А. Курочкин и др. Тренажер для подготовки операторов танка. - МКИ 7 в 09 В 9/08. -Опубликовано 20.08.2003. Бюлл. № 23.

15. Свидетельство на полезную модель РФ № 31670 // С.А. Курочкин и др. Приборный комплекс боевого отделения динамического танкового тренажера. - МКИ 7 в 09 В 9/08. - Опубликовано 20.08.2003. Бюлл. № 23.

16. Свидетельство на полезную модель РФ № 36540 // С.А. Курочкин и др. Аппаратно-программный комплекс тренажера для подготовки операторов. - МКИ 7 в 06 Б 17/00. - Опубликовано 10.03.2004. Бюлл. № 7.

17. Свидетельство на полезную модель РФ № 36549 // С.А. Курочкин и др. Тренажер для подготовки операторов управляемого вооружения. - МКИ 7 в 09 В 9/08. - Опубликовано 10.03.2004. Бюлл. № 7.

Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага типографская № 2.

Офсетная печать. Усл. печ. л. 1,1. Усл. кр.-отт. 1,1. Уч. изд. л. 1,0.

Тираж 85 экз.

ОАО Центральное конструкторское бюро аппаратостроения. 300034, г. Тула, ул. Демонстрации, 36.

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПОДОБИЯ 12 В ТРЕНАЖЕРАХ

1.0. Введение

1.1. Тренажеры как измерительно-информационные системы

1.1.1. Обобщенная структура тренажеров

1.1.2. Классификация тренажеров

1.2. Подобие тренажеров реальным подвижным наземным объектам

1.2.1. Типы подобия тренажеров и ПНО

1.2.2. Статическое подобие в тренажерах

1.2.3. Динамическое подобие !

1.2.4. Информационное подобие в тренажерах

1.3. Моделирование изображения окружающей среды

1.4. Принципы проектирования измерительно-информационных 48 и управляющих систем тренажеров

1.5. Выводы

2. РЕАЛИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОДОБИЯ ДВИЖЕНИЯ 54 НАЗЕМНОГО ОБЪЕКТА В ТРЕНАЖЕРАХ

2.0. Введение

2.1. Моделирование измерительно-информационной системы, имитирующей управление продольным движением ПНО

2.1.1. Моделирование переключения скоростей

2.1.2. Моделирование сцепления

2.1.3. Моделирование двигательной установки и трансмиссии

2.1.4. Моделирование стартера

2.2. Изменение угла курса (рыскание) ПНО

2.3. Характеристика возмущающих воздействий на ПНО

2.3.1. Возмущающее воздействие дороги как случайный процесс

2.3.2. Случайное воздействие в поперечной плоскости

2.3.3. Спектральная плотность воздействия

2.3.4. Имитация воздействия при проведении тренировок

2.4. Движение кабины ПНО

2.4.1. Движение ПНО в трехмерном пространстве

2.4.2. Простейшая модель движения ПНО

2.4.3. Модель, учитывающая угловые колебания

2.4.4. Продольно угловые перемещения

2.4.5. Поперечно угловые перемещения

2.5. Частотный анализ движения ПНО

2.6. Моделирование управляемого оборудования

2.7. Выводы

3. РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ПОДОБИЯ

ОТОБРАЖЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ОБСТАНОВКИ В ТРЕНАЖЕРАХ

3.0. Введение

3.1. Имитация цели

3.1.1. Моделирование условий освещения

3.1.2. Моделирование отражающих поверхностей цели

3.1.3. Синтез проекций

3.1.4. Формирование изображений из примитивов

3.1.5. Определение видимых точек изображения цели

3.1.6. Общее описание изображения цели

3.2. Создание информационного подобия маневров цели и движений ПНО

3.2.1. Статическое положение отображаемых точек на экране монитора

3.2.2. Динамика движения точек по экрану монитора

3.3. Создание информационного подобия при моделировании продольного движения ПНО

3.3.1. Движение ПНО на препятствие

3.3.2. Движение ПНО в открытом пространстве

3.4. Определение значений пикселей при преобразованиях ФЦМИ

3.5. Выводы

4. СОЗДАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННОЙ

СИСТЕМЫ ТРЕНАЖЕРА ТАНКА Т

4.0. Введение

4.1. Общая структура тренажера

4.2. Статическое подобие кабины тренажера

4.3. Структура информационных потоков тренажера

4.4. Сенсорная система тренажера

4.5. Исполнительные устройства и приводы

4.6. Создание информационного подобия

4.7. Выводы

Актуальность темы. Современный этап развития техники подвижных наземных объектов (ПНО) характеризуется существенным усложнением процедуры управления ею. В реальных условиях оператор ПНО, принимает решения, от которых зависит не только эффективность применения управляемого оборудования, но и в ряде случаев целостность самого объекта и безопасность находящихся в нем людей [40, 33, 43, 57, 58, 59, 60, 64, 112, 115, 116, 117]. Согласно известной статистике, аварии, возникающие по причине неадекватной реакции операторов на возникающие ситуации, составляют от 40 % до 80 %, от общего количества аварий [104].

С другой стороны, развитие рыночных отношений предопределяет жесткую конкуренцию на рынке подвижных наземных объектов, что предполагает постоянное обновление оборудования и связанную с этим процессом проблему подготовки и переподготовки кадров. Поэтому в условиях рыночной экономики остро стоит проблема повышения уровня профессионализма операторов при существенном сокращении времени и стоимости их подготовки.

Указанные обстоятельства привели к тому, что тренажеры, как устройства, представляющие физические модели реальных объектов, стали важнейшим звеном в системе подготовки операторов [74, 79, 81, 101, 102, 111, 121, 122]. Степень статического, динамического и информационного подобия тренажеров реальным объектам определяет эффективность их применения при подготовке кадров. Любой тренажер, как объект проектирования, представляют собой сложную измерительно-информационную систему, сенсорная подсистема которой, наряду с системами управления и исполнительными устройствами, входит в интерфейс человек/объект. Свойства именно этой подсистемы определяют качество тренажера, как физической модели, подобной реальному объекту. Методология проектирования тренажеров как измерительно-информационных систем, реализующих принцип подобия, проработана слабо, что объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.

Таким образом, объектом исследования диссертационной работы являются измерительно-информационные системы тренажеров, формирующие интерфейс оператор/тренажер и обеспечивающие в совокупности с управляющей системой динамическое и информационное подобие моделируемым подвижным наземным объектам.

Следует подчеркнуть, что методы достижения подобия, разработанные в диссертации для ПНО, могут быть применены для разработки тренажерных систем другого назначения, например, систем управления летательными аппаратами, железнодорожным или морским транспортом, следовательно, объект исследования может быть расширен до класса объектов.

Предметом исследования диссертационной работы являются характеристики тренажеров как физических моделей, обеспечивающие статическое, динамическое и информационное подобие реальным объектам.

Общими вопросами теории подобия занимались П.М. Алабужев, В.Б. Ге-ронимус, В.А.Веников, Г.В. Веников, М.В. Кирпичев, М.А. Мамонтов, JI.M. Минкевич, Б.М. Шелоховцев и др. Вопросы обеспечения подобия в тренажерных комплексах за счет измерительно-информационных систем разрабатывали А.С. Бабенко, В.А. Боднер, Р.А. Закиров, B.C. Шукшунов, и др. Психологическими аспектами подобия занимались В.Ф. Венда, B.C. Зайцев и др. Из зарубежных специалистов подобные исследования проводили Д.А.Браун, И. Голдстейн, Ж. Кристенсен, Дж. О'Брайен, Г. Савледи, Д. Холдинг, Р. Эбертс и др.

В известных работах по предмету исследования показано, что необходимым при разработке тренажеров является этап создания аналитических моделей процессов в реальных объектах, которые затем реализуются в виде аппаратных и программных средств, реализующих те или иные виды подобия. Подходов к разработке измерительно-информационных и управляющих систем, целенаправленно обеспечивающих требуемую степень подобия, в настоящее время не существует. Ниже исследуется подход к разработке, который опирается на аналитические методы математического моделирования процессов.

Для этого используются теория подобия, теория случайных процессов, теоретическая механика, аналитическая геометрия, теория управления, теория формирования и обработки изображений.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов обеспечения подобия при проектировании измерительно-информационных и управляющих систем тренажеров как физических моделей ПНО.

Задачи исследований.

1. На основании исследования особенностей реализации принципов подобия в тренажерах ПНО, разработка критериев при достижении статического, динамического и информационного подобия, обеспечиваемых при создании тренажеров.

2. Исследование статистических свойств дороги, как возмущающего фактора, воздействующего на ПНО при его движении; введение ограничений на управление движением тренажера, создающим достаточную степень динамического подобия реальному объекту.

3. Формирование математических моделей процессов обработки сигналов датчиков сенсорной системы тренажера, необходимое для создания динамического и информационного подобия управления движением ПНО.

4. Исследование влияния собственных движений ПНО на системы тренажера, осуществляющие информационное подобие.

5. Разработка метода реализации информационного подобия путем формирования изображения местности на экране монитора, имитирующего оптическую систему ПНО.

6. Экспериментальная проверка методов обработки сигналов сенсорной системы для создания статического, динамического и информационного подобия при разработке и внедрении в промышленность реальных тренажерных систем.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Сформулирована задача исследования методов управления тренажером как физической моделью реального подвижного наземного объекта, обеспечивающей заданный уровень статического, динамического и информационного подобия; получены критерии оценки ошибки в достижении динамического и информационного подобия при исследовании характеристик подвижного наземного объекта и тренажера в сигнальной и спектральной областях.

2. На основании исследования дороги, как возмущающего фактора, и объекта, как механической системы, показано, что спектр вынужденных движений кабины ПНО содержит характерные частоты воздействия, которые зависят от механических параметров объекта и скорости его движения по дороге и могут быть использованы при создании эффекта динамического подобия при управлении тренажером.

3. Разработана математическая модель процессов управления двигательной установкой, трансмиссией и направлением движения ПНО, используемая при обработке сигналов с датчиков имитаторов органов управления объектов при создании динамического и информационного подобия управления движением ПНО.

4. Разработан метод создания эффекта информационного подобия путем наложения на естественное изображение местности синтезированного изображения цели и преобразования сформированной таким образом модели сцены в соответствии с реальными движениями тренажера, измеренными с помощью сенсоров информационно-измерительной системы.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные в диссертации методы ориентированы на использование при проектировании измерительно-информационных и управляющих систем как вновь разрабатываемых, так и модернизируемых тренажеров, что позволяет повысить уровень их статического, динамического и информационного подобия при сокращении сроков разработки.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается результатами апробаций методологии при решении практических задач разработки управляющих систем ряда тренажеров подвижных наземных объектов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Выражения для критериев оценки ошибки в достижении динамического и информационного подобия при исследовании характеристик подвижного наземного объекта и тренажера в сигнальной и спектральной областях.

2. Вывод о достижении достаточной степени динамического подобия в тренажере при воздействии на оператора синусоидальным сигналом с одной единственной частотой, сделанный на основании аналитического описания дороги как возмущающего фактора, воздействующего при движении на реальный ПНО, и аналитического описания ПНО, как механического фильтра.

3. Математическая модель процесса управления системами ПНО, используемая при обработке сигналов с датчиков имитаторов органов управления объектов при создании динамического и информационного подобия управления движением ПНО.

4. Метод создания эффекта информационного подобия путем наложения на естественное изображение местности синтезированного изображения цели и преобразования сформированной таким образом модели сцены в соответствии с реальными движениями тренажера, измеренными с помощью сенсоров измерительно-информационной системы.

Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения нижеследующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО "Центральное конструкторское бюро аппаратостроения":

Разработка динамического тренажера экипажа танка Т-90»;

Модернизация динамического тренажера механика-водителя танка Т-80У до уровня динамического тренажера экипажа танка Т-80У»;

Разработка тренажеров боевых отделений танков Т-80У и Т-90 для подготовки командиров и наводчиков».

Результаты, внедрены в ОАО "ЦКБА" в следующих технических системах: ПКБО.ДТЭ-219К; ПКБО.ДТЭ-188; 9Ф867 и 9Ф868.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.

1. XVI Международная научная конференция ММТТ-16. Математические методы в технике и технологиях. - Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный технический университет, 2003.

2. 6-я научно-техническая конференция "Проблемы специального машиностроения". - Тула, Тульский государственный университет, 2003.

3. XXI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский государственный университет, 2003.

3. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского I состава Тульского государственного университета 2002, 2003 и 2004 гг.

По теме диссертации опубликовано 15 работ, включенных в список литературы, в том числе: 5 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях [56, 57, 59, 60, 62], 7 статей, включая материалы конференции [58, 61, 63, 64, 65, 66, 67], 3 авторских свидетельства на полезную модель [92, 93,94].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста и включающих 61 рисунок и 2 таблицы, двух приложений на трех страницах и списка использованной литературы из 123-х наименований.

4.7. Выводы I

1. Приводятся технические решения, использованные при проектировании измерительно-информационной и управляющей частей тренажера, обеспечивающие достаточную степень динамического подобия реальному объекту (танк Т-90).

2. Приводятся результаты программного моделирования реальных сцен, обеспечивающие информационное подобие в тренажере танка Т-90 для водителя и оператора спецоборудования. j I i I I

I i

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом по работе можно сделать следующие выводы.

1. Сформулирован подход к проектированию тренажеров как к физической модели объекта, воспроизводящей его свойства, релевантные с точки зрения использования объекта для решения целевых задач и реализующего принципы статического, динамического и информационного подобия реальному подвижному наземному объекту.

2. Получены критерии для оценки ошибок при реализации статического, динамического и информационного подобия реального ПНО и тренажерной системы.

3. Разработан комплекс математических моделей обработки сигналов датчиков имитаторов органов управления движением, включающий модель сцепления, двигателя, коробки передач и рулевого управления для выработки динамических и информационных воздействий на оператора, подобных воздействиям в реальных ПНО.

4. Проведен общий анализ движений реального ПНО по его математической модели, показано, что результирующие амплитудные характеристики спектральных плотностей движений кабины представляют собой кривые, имеющие ряд максимумов, что позволяет существенно упростить аппаратную часть тренажеров, реализующих физические динамические воздействия ПНО на оператора.

5. На основании анализа сцен, формируемых при создании информационного подобия движения ПНО на реальной местности, сделан вывод о целесообi разности раздельного синтеза образа сцены, при котором изображение неподвижных предметов сцены создается путем видеосъемки реальной местности, а изображение цели создается искусственно из примитивов путем проекции на некоторую условную плоскость, отображаемую на экране монитора оптико-электронной системы наблюдения ПНО.

6. Получены рекуррентные зависимости, связывающие геометрические и колориметрические параметры образа сцены на экране монитора с параметрами линейных и угловых движений тренажера, а также с параметрами имитации продольного движения объекта по закрытой и открытой местности.

7. Разработанные в диссертации методы апробированы путем использования при проектировании реальных тренажерных систем, на предприятии ОАО "Центральное конструкторское бюро аппаратостроения", и в учебном процессе Тульского государственного университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

1. Автомобильные тренажеры / B.C. Гуслиц и др. М.: Транспорт, 1975. -97 с.

2. Алимов И.Д., Закиров Р.А. Авиационные тренажеры для летного и технического состава // Итоги науки и техники: Воздушный транспорт. М.: ВИНИТИ, 1976. - 206 с.

3. Аммерал Л. Машинная графика на персональном компьютере. М.: Сол Систем, 1992. - 230 с.

4. Андриянов А.В., Шпак И.И. Цифровая обработка информации в измерительных приборах и системах. — Минск: Вышэйшая школа, 1987. 176 с.

5. Артамонов Г.Т., Тюрин В.Д. Топология сетей ЭВМ и многопроцессорных систем. М.: Радио и связь, 1991. - 248 с.

6. Бабенко B.C. Имитаторы визуальной обстановки тренажерных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978. - 142 с.

7. Боресков А.В., Шикин Е.В., Шикин Г.Е. Компьютерная графика: первое знакомство. М.: Финансы и статистика, 1996. - 176 с.

8. Бобрышев Д.Н. Организация управления разработками новой техники. М.: Экономика, 1971. - 167 с.

9. Богачев С.К. Авиационная эргономика. — М.: Машиностроение, 1978. -138 с. !I

10. Ю.Боднер В.А., Закиров Р.А., Смирнова И.И. Авиационные тренажеры. -М.: Машиностроение, 1978. 192 с.

11. И.Боднер В.А. Оператор и летательный аппарат. М.: Машиностроение, 1976.-222 с.

12. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1973. - 506 с.

13. Бойко Е.И. Время реакции человека. М.: Медицина, 1964. - 440 с.

14. Бурдаков С.Ф., Стельмаков Р.Э., Мирошкин И.В. Системы управления движением колесных роботов. С.-Пб: Наука, 2001. - 227 с.

15. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1968.356 с.

16. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977. - 239 с.

17. Бутаков Е.А., Островский В.И., Фадеев Л.И. Обработка изображений1.на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1987. - 236 с.

18. Варламов Р.Г. Использование общей методологии моделирования в теории радиоаппаратостроения // Кибернетику на службу коммунизму: Т. 7.

19. М.: Энергия, 1973.-228-231.

20. Венда В.Ф. Инженерная психология и синтез систем отображения информации. М.: Машиностроение, 1975. - 395 с.

21. ВендаВ.Ф. Средства отображения информации. М.: Энергоатомиз-дат, 1969. - 304 с.

22. Венда В.Ф. Видеотерминалы в информационном взаимодействии: Инженерно-психологические аспекты. М.: Энергия, 1980. - 200 с.i i

23. Веников В.А. Применение теории подобия и физического моделирования в электротехнике. М.: ГЭИ, 1949. - 196 с.

24. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирование. М.: Высшая школа, 1984. - 440 с.

25. Веретенников Л.П., Потапкин А.И., Раимов М.М. Моделирование, вычислительная техника и переходные процессы в судовых электроэнергетических системах. Л.: Судостроение, 1964i - 382 с.

26. Вилкис Э.И., Майминас Е.З. Решения: теория, информация, модели1рование. М.: Радио и связь, 1981. - 328 с.;

27. Виттих В.А., Цыбатов В.А. Оптимизация бортовых систем сбора и обработки данных. М.: Наука, 1985. - 176 с.

28. Вунш Г. Теория систем. М.: Сов. радио, 1978. - 288 с.

29. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 317 с.

30. Гольберг Л.М. Цифровая обработка сигналов. — М.: Радио и связь, 1990.-325 с.1 1бо

31. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. JL: Энергоатомиздат, 1990. — 288 с.

32. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. М.: Высшая школа, 1973.206 с.9 32.Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов.-М.: Мир, 1988.-488 с.1.;

33. Денисов В.Г. Космонавт летает на земле. М.: Машиностроение, 1964.j 152 с.

34. Денисов В.Г., Онищенко В.Ф. Инженерная психология в авиации и космонавтике. М.: Машиностроение, 1972. - 316 с.

35. Динамическое моделирование и испытания технических систем // И.Д.Качубиевский и др. М.: Энергия, 1978. - 302 с.

36. Долгоносов Н.С., Ципцюра Р.Д. Участковые тренажеры регулирования технологических параметров энергоблока. Киев: Знание. - 1978. - 40 с.

37. Зайцев B.C. Системный анализ операторской деятельности. М.: Радио и связь, 1990. - 120 с.40.3акиров Р.А., Рубин В.М. Какими быть тренажерам? // Авиация и космонавтика.-№ 10. 1978. - С. 46 - 47.

38. Иванов В.П., Батраков А.С. Трехмерная компьютерная графика. М.:

39. Радио и связь, 1995. 224 с. i

40. Игнатьев В.М. Системы отображения, записи и ввода видеоинформащ I1.ции повышенных объемов и плотности. Саратов: СГУ, 1990. - 160 с.

41. Иовенко О.В., Чачко А.Г. Подготовка оперативного состава с помощью тренажеров // Теплоэнергетика. № 11. - 1973. - С. 25 - 28.

42. Катыс Г.П. Обработка визуальной информации М.: Машиностроение, 1990.-320 с.

43. Кирпичев МБ. Теория подобия. М.: Изд. АН СССР, 1953. - 94 с.

44. Кирпичев М.В., Конаков П.К. Математические основы теории подобия. -М.:ГЭИ, 1949.-87 с.

45. Клайн Д.С. Подобие и приближенные методы. М.: Мир, 1968. - 302 с.

46. Кондратенко Г.С. Прикладные модели управления случайными процессами. М.: Машиностроение, 1993. - 224 с.

47. Котик М.А. Краткий курс инженерной психологии. Таллинн: Валгус, 1971.-292 с.

48. Котик М.А. Саморегуляция человека-оператора. Таллинн: Валгус,I1971.- 164 с.

49. Копылов И.П., Мамедов Ф.А., Беспалов В.Я. Математическое моделирование асинхронных машин. М.: Энергия, 1969. - 97 с.

50. Коутс Д., Влейминк И. Интерфейс "Человек-компьютер". М.: Мир, 1990.-501 с.

51. Краснощекое П.С., Петров А.А. Принципы построения моделей. М.: Изд-во МГУ, 1983. - 264 с.

52. Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. М.: Наука, 1973. - 558 с.i

53. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы. — М.:1. Мир, 1975.-312 с.

54. Курочкин С.А., Ларкин Е.В. Движение кабин наземных транспортных средств // XXI научная сессия, посвященная Дню радио. Тула: ТулГУ, 2003. -С. 24-26.

55. Курочкин С.А., Ларкин Е.В. Математическое моделирование тренажерных систем // Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-16. XVI Международная научная конференция. СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2003. - С. 201 -202.

56. Курочкин С.А., Ларкин Е.В. Моделирование движения наземного объiекта в тренажере // Проблемы специального машиностроения. Вып. 6. Т. 2.

57. Тула: ТулГУ, 2003. С. 190 - 197.

58. Курочкин С.А., Ларкин Е.В. Принцип моделирования динамики движения кабин наземных транспортных средств в тренажерах // XXI Научная сессия, посвященная Дню радио. Тула: ТулГУ, 2003. - С. 22 - 24.

59. Курочкин С.А. Модели переходных процессов, возникающих при движении транспортных средств // XXI научная сессия, посвященная Дню радио. -Тула: ТулГУ, 2003. С. 26 - 28.

60. Курочкин С.А. Моделирование на тренажере управляемого движения // Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-16: XVI Международная научная конференция. СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2003. - С. 199 - 201.

61. Курочкин С.А., Нуждихин В.Г. Тренажер подвижного наземного объекта // Приборы и управление. — Тула: ТулГУ, 2003. — С. 47 — 50.

62. Курочкин С.А. Об одном подходе к разработке тренажеров наземных комплексов // Приборы и управление. Тула: ТулГУ, 2003. — С. 41 - 47.

63. Курочкин С.А., Пушкин А.В. Математическое описание модуля наведения тренажера // Известия ТулГУ. Серия: Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Вып. 4. Том 3: Системы управления. Тула: ТулГУ, 2003. С.: 89 - 91. ;

64. Курочкин С.А., Пушкин А.В. Создание моделей объектов при проектировании тренажеров // Проблемы специального машиностроения. Вып. 6. Т. 2. -Тула: ТулГУ, 2003. С. 188 - 190.I

65. Курочкин С.А., Чугреев А.А. Выделение полезного сигнала при моделировании акустического шума объектов // Проблемы специального машиностроения. Вып. 6. Т. 2. Тула: ТулГУ, 2003. - С. 65 - 68.

66. Ларкин Е.В., Первак И.Е. Отображение графической информации. -Тула: ТулГУ, 2000. 109 с.1.163

67. Лапшин Е. Графика для IBM PC. М.: Солон, 1995. - 228 с.

68. Леонтьев А.Н., Кринчик Е.П. Переработка информации человеком в ситуации выбора // Инженерная психология. М.: МГУ, 1964. - с. 295 - 325.

69. Литвак И.И., Ломов Б.Ф., Соловейчик И.Е. Основы построения аппаратуры отображения в автоматизированных системах. — М.: Советское радио, 1975.-353 с.

70. Ломов Б.Ф. Человек и техника. М.: Советское радио, 1966. - 464 с.

71. Мамонтов М.А. Аналогичность. М.: Изд-во МО СССР, 1971. - 60 с.i

72. Марасанов В.В. Модели связи человека с внешней средой. Кишинев.: Штиница, 1982.- 183 с.

73. Медведев С.С. О некоторых закономерностях в работе оператора // Автоматика и телемеханика. 1956. - Т. 17. - № 11. - С. 985 - 999.

74. Мельник А.А. Тренажеры для обучения водителей. Киев: Техника, 1973.- 140 с.

75. Месарович М., Такахара Л. Общая теория систем: математические основы. М.: Мир, 1978. - 312 с.i

76. Методы инженерно-психологических исследований в авиации // Ред. Ю.П. Доброленского. М.: Машиностроение, 1975. - 280 с.

77. Моделирование в тренажерных системах // Сб. Ин-та проблем моделирования в энергетике АН УССР. Киев: Наукова Думка, 1990. - 156 с.

78. Мозжечков В.А. Моделирование технических систем. Тула: ТулГТУ, 1992.-96 с.

79. Натурный эксперимент // Н.И. Баклашов и др. М.: Радио и связь, 1982.-300 с.

80. Новик И.Б. О моделировании сложных систем. М.: Мысль, 1965.325 с.83.0чин Е.Ф. Вычислительные системы обработки изображений. Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 132 с.

81. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. М.: Радио и связь, 1986. - 400 с.

82. Парамонов П.П. Основы проектирования авионики. Тула: ТулГУ, 2003.- 164 с.

83. Подчуфаров Ю.Б. Физико-математическое моделирование систем уп-1 равления и комплексов. М.: Физматгиз, 2002. - 168 с.

84. Попов Г.П. Инженерная психология в радиолокации. М.: Советское радио, 1971. - 186 с.

85. Присняков В.Ф., Присняков JI.M. Математическое моделирование переработки информации оператором человеко-машинных систем. М.: Машиностроение, 1990. - 247 с.

86. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника. М.: Радио иiсвязь, 1990. 528 с.

87. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики. М.: Мир, ' 1989. - 504 с.1.;

88. Ротенберг Р.В. Подвеска автомобиля и его колебания. М.: Машгиз, 1960. - 257 с.

89. Свидетельство на полезную модель РФ № 20685 // С.А. Курочкин и др. Тренажер для подготовки операторов управляемого вооружения. МКИ 7 G 09

90. В 9/08. Опубликовано 20.11.2001. Бюлл. № 32.i 93.Свидетельство на полезную модель РФ № 31669 // С.А. Курочкин и др.

91. Тренажер для подготовки операторов танка. 7 G 09 В 9/08. - Опубликовано 20.08.2003. Бюлл. №23.

92. Свидетельство на полезную модель РФ № 31670 // С.А. Курочкин и др. 1 Приборный комплекс боевого отделения динамического танкового тренажера.

93. G 09 В 9/08. -Опубликовано 20.08.2003. Бюлл. № 23.

94. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике. М.: Наука, 1981.-447 с.

95. Силаев А.А. Спектральная теория подрессоривания транспортных машин. М.: Машиностроение, 1972. - 192 е.1.1

96. Сипайлов Г.А., Лоос А.В. Математическое моделирование сложныхмашин. М.: Высшая школа, 1980. - 175 с.

97. Теория подобия и размерностей: Моделирование /П.М. Алабужев и др. М.: Высшая школа, 1068. - 208 с.

98. Топчеев Ю.И., Потемкин В.Г., Иваненко В.Г. Системы стабилизации. -М.: Машиностроение, 1974. 247 с.

99. Тренажерные системы / В.Е.Шукшунов и др. М.: Машиностроение, 1981.-256 с.

100. Тренажеры и имитаторы ВМФ / В.Ю. Ралль и др. М.: Воениздат, 1969.-215 с.

101. Фрейдзон И.Р., Филиппов Л.Г. Математические модели в судовых обучающих комплексах. Л.: Судостроение, 1972. - 350 с.

102. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. Передача и компьютерная обработка видеоинформации М.: Машиностроение, 1990.-320 с.

103. Человеческий фактор: Эргономика комплексная научно-техническая дисциплина / Т. 1. Ж. Кристенсен и flpi - М.: Мир, 1991. - 599 с.

104. Человеческий фактор: Моделирование деятельности, профессиональное обучение и отбор операторов / Т. 3. Д. Холдинг и др. М.: Мир, 1991. -302 с.

105. Человеческий фактор: Эргономическое проектирование деятельности и систем / Т. 4. Дж. О'Брайен и др. М.: Мир, 1991. - 496 с.

106. Шаракшанд А.С., Железнов И.Г. Испытания сложных систем. М.: Высшая школа, 1974. - 180 с. j

107. Шикин Е.В., Плис А.И. Кривые и поверхности на экране компьюiтера: Руководство по сплайнам для пользователей. М.: Диалог МИФИ, 1996. -240 с.

108. Штейнбух К. Автоматы и человек. М.: Советское радио, 1967.490 с.

109. Boisvert D., Mgnehat-Thalmann S., Thalmann D. An integrated control view of synthetic actors // Theoretical foundations of computer graphics and CAD. -Berlin: Springer-Verlag, 1988. Pp. 277 - 283.

110. Brown D.A. Military use seen for visual simulators // Aviation Week and Space Technology. N. 23. - Vol. 107. - 1977. - Pp. 60-63.

111. Brown D.A. Simulator aids aircraft // Aviation Week and Space technology. Vol. 96. - N. 6. - 1972. - Pp. 38-41.

112. Brown L.L. Visual elements in flight simulation // Aviation, Space and Environmental Medicine. N. 9. - Vol. 47. - 1976. - Pp. 19 - 28.

113. Grigoriadis K.M., Skelton R.E. Low order comtrol design for LMI problems using alternating projection methods // Automatica. 1995. - V. 32. - N. 8. Pp. 1117-1125.

114. Handberg C.O. Advanced CGI Visual technology reshapes pilot training possibilities // ICAO Bulletin. N. 4. - 1977. - Pp. 11 - 19.

115. Haxthausen B. Toward the zero hour what next for flight simulators // Airline Management. N. 4. - 1972. - Pp. 18 - 22.

116. Jacobs R.S., Williges R.C., Poscol S.N. Simulator motion as a factor in flight director display evaluation // Humanity factor. - 1973. - Vol. 101. - Pp. 569 -582.

117. McPhail G.D. Apollo External visual simulation display systems//AAIA Paper. -N. 253. 1967. - Pp. 61 - 74.

118. Rogers G.F., Earnshaw RA. Techniques for computer graphics. Berlin: Springer-Verlag, 1987. - 512 P.

119. Silveron S. Image processing // Computer Design — 1995. № 10. - Pp. 137- 139.

120. Stein K.J. USAF plans new stress an simulators // Aviation Week and Space Technology. Vol. 96. N. 26. - 1972. - Pp. 147 - 154.

121. Welford A.T. On the human demands of automation, mental work, conceptual model, satisfaction and training // Proc. of the XIV intern. Congress of Applied Psychology. Copenhagen, 1961. - V.5.

122. Yamaguchi F. Curves and surfaces in computer aided geometric design. ! Berlin: Springer-Verlag, 1988. - 378 p.