Введение к работе
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, МА Мамонтов, Л.М.Минное НАЦИОНАЛЬНАЯ і
СЛегерД 09
НОСНАЦИОНАЛЬНАЯ|
БИБЛИОТЕКА I
-4-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.
Задачиисследований. 1. На основании исследования особенностей реализации принципов подобия в тренажерах ПНО, разработка критериев при достижении статического, динамического и информационного подобия, обеспечиваемых при создании тренажеров.
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.
Формирование математических моделей процессов обработки сигналов датчиков сенсорной системы тренажера, необходимое для создания динамического и информационного подобия управления движением ПНО.
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 подо
бия при разработке и внедрении в промышленность реальных тренажерных
систем.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
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.
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.
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.
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.
Выражения для критериев оценки ошибки в достижении динамического и информационного подобия при исследовании характеристик подвижного наземного объекта и тренажера в сигнальной и спектральной областях.
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.
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.
XVI Международная научная конференция ММТТ-16. Математические методы в технике и технологиях. - Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный технический университет, 2003.
6-я научно-техническая конференция. "Проблемы специального машиностроения". - Тула, Тульский государственный университет, 2003.
XXI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский государственный университет, 2003.
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.
