Введение к работе
Актуальность темы. Для обеспечения высокого уровня профессиональной подготовки операторов, управляющих сложными наземными, воздушными и морскими объектами, успешно используются тренажеры и тренажерные комплексы, в которых в максимально полной мере воспроизводятся условия реальной деятельности этих операторов. Наряду с полномасштабными (натурными) тренажерами, которые строятся на базе использования на рабочих местах операторов физических макетов управляемого оборудования, широкое применение находят компьютерные тренажеры, в которых ограничиваются схемной визуализацией приборного оборудования; при этом программно моделируется динамика протекающих процессов и логика функционирования управляемых оператором систем. В связи с отсутствием реального оборудования компьютерные тренажеры значительно дешевле, однако в силу того, что окружающая среда в них не воспроизводится, уровень адекватности условий деятельности оператора в таких тренажерах существенно ниже.
Последние годы все более широкое применение при создании средств подготовки операторов находят технологии виртуальной реальности. В системе виртуальной реальности (СВР) органы управления и другие объекты окружающей среды тоже моделируются в соответствии с воспроизводимой ситуацией путем геометрического моделирования каждого объекта сцены. Таким образом, применение СВР в тренажеростроении позволяет достигать достаточно высокого уровня подобия воспроизводимого процесса управления при меньших затратах на имитацию оборудования рабочего места оператора.
Однако в настоящее время при использовании СВР не предусматривается визуальное присутствие человека-оператора в виртуальной среде. Изменение положения органов управления и перемещение объектов виртуальной среды производится условным воздействием на некоторые активные зоны экрана. Следовательно, и в этом случае имеет место условность выполнения действий, связанных с тем, как взаимодействует человек с объектами виртуальной среды. Для повышения адекватности процесса моделирования управляемого оператором объекта становится актуальной задача непосредственного помещения человека (аватара) в виртуальную среду.
В зависимости от характера процесса обучения и отрабатываемых на тренажере задач оператор должен иметь возможность либо наблюдать себя в виртуальной среде «со стороны», либо видеть свои руки, когда он осуществляет воздействие на какой-либо объект виртуальной среды. Одной из важнейших задач, которые решаются на базе тренажеров, является отработка взаимодействия нескольких членов экипажа при выполнении комплексных задач (например, при ликвидации аварийной ситуации). В этом случае обучаемый оператор должен видеть аватаров (виртуальные копии других членов экипажа), которые совместно с обучаемым участвуют в выполнении упражнения.
Следует отметить, что аналогичная задача моделирования действий аватара в условиях изменяющейся виртуальной среды успешно решается в компьютерных играх. Однако при использовании модели человека в тренажерах возникают принципиальные трудности, связанные с высоким уровнем неопределенности тех действий, которые должен будет осуществить обучаемый в следующий момент времени с учетом моделируемой ситуации (ситуацию задает и может постоянно изменять инструктор). Хотя и в игровых комплексах в реальном масштабе времени моделируется не полностью определенный процесс, тем не менее, всю совокупность возможных действий пользователя обычно удается свести к ограниченному набору типовых операций, которые формируются заранее и заносятся в библиотеку фрагментов действий, а в процессе игры производится выбор и «склеивание» соответствующих фрагментов.
В тренажерах не всегда удается свести множество действий оператора к ограниченному набору. Например, если требуется включить определенный тумблер в некоторой зоне пульта, а исходное положение аватара заранее не определено, то существует бесконечное множество траекторий перемещения пальца аватара из исходного положения к заданной точке пульта. Поэтому возникает задача разработки и программной реализации в реальном масштабе времени алгоритмов координированного перемещения человека в виртуальной среде при заданном начальном и конечном положении частей его тела.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы повышения эффективности и качества профессиональной подготовки специалистов путем осуществления компьютерного моделирования действий операторов современных тренажно- моделирующих комплексов (ТМК), построенных с использованием технологий виртуальной реальности. Общие подходы к проектированию тренажеров и повышению качества обучения персонала на тренажерах отражены в работах Шукшунова В.Е., Потоцкого С.И., Циблие- ва В.В., Безрукова Г.В., Душенко А.Г., Жука Е.И., Зубова Н.Е., Макарова А.М., Наумова Б.А., Фоменко В.В., Кобзева В.В., Шилова К.Ю., Бобровича В.Ю., Алтунина В.К.
Диссертационная работа соответствует перспективным планам Центра тренажеростроения и задачам обеспечения Федеральной космической программы России на 2006-2015 годы. Работа выполнена в рамках утвержденных в ЮРГТУ (НПИ) научных направлений «Проблемы автоматизации и обработки информации в тренажерах, информационных и обучающих комплексах» и «Интеллектуальные тренажно-обучающие комплексы, тренажеры, системы виртуальной реальности, виртуальные лаборатории - основа инновационных образовательных программ в технических университетах».
Целью диссертационной работы является разработка, исследование и реализация математических моделей движения оператора в виртуальной среде моделируемого объекта, которым управляет обучаемый оператор, позволяющие увеличить эффективность обучения персонала за счет воспроизведения непосредственного воздействия аватара на орган управления и обеспечения возможности проведения комплексных упражнений группой операторов.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи исследования:
анализ существующих методов и средств моделирования аватара в СВР;
построение математической модели аватара, учитывающей специфику ее применения в составе тренажера;
разработка модели перемещения аватара в виртуальном мире тренажера с использованием технологий компьютерной анимации персонажа;
разработка математической модели движения аватара в зоне оперативного пространства в штатных и экстремальных ситуациях;
реализация численных методов оптимизации движения при моделировании перемещения аватара в зоне оперативного пространства;
построение комплекса программных средств, обеспечивающего моделирование ситуации, в которой человек выполняет операции по управлению сложным динамическим объектом;
проведение теоретических и экспериментальных исследований эффективности применения модели аватара в составе тренажера: а) оценка временных характеристик разработанной математической модели движения руки аватара к целевой точке в процессе решения практической задачи, связанной с управлением сложным объектом; б) проведение экспериментального исследования, связанного со структурой геометрической модели аватара;
оценка адекватности разработанных моделей перемещения аватара в виртуальном мире тренажера и движения в оперативном пространстве.
Методы исследований и достоверность результатов. В работе использованы методы математического и компьютерного моделирования, компьютерной графики, линейной алгебры, стереометрии, аналитической геометрии, вычислительной математики, робототехники и теоретической механики. Достоверность научных результатов и выводов подтверждается непротиворечивостью теоретических положений, корректным использованием математического аппарата матричных преобразований, линейной алгебры, теории вероятностей и методов оптимизации. Обоснованность принятых допущений и достоверность предложенных моделей подтверждается результатами практической реализации разработанных моделей.
Объектом исследования является представление деятельности человека в виртуальной среде при его перемещении и взаимодействии с оборудованием управляемого объекта.
Предметом исследования являются математические модели перемещения аватара в виртуальном мире тренажера и движения в зоне оперативного пространства, численные методы их описывающие.
Научная новизна. Основные научные результаты, содержащиеся в диссертации:
разработана общая концепция построения и структура системы моделирования действий аватаров в виртуальном пространстве, отличительной особенностью которой является комбинированное использование заранее подготовленных анимаций перемещения тела аватара в виртуальном мире тренажера и генерации движения руки аватара в зоне оперативного пространства в реальном масштабе времени;
математическая модель скелета аватара как многозвенного комплекса, позволяющая имитировать действия оператора при управлении технической системой, особенностью которой является обеспечение возможности изменения структуры скелета руки аватара в реальном масштабе времени, что позволяет значительно упростить решение задачи подведения руки аватара в целевую точку;
новый метод решения задачи моделирования движения аватара в области оперативного пространства как задачи оптимального перемещения руки аватара в целевую точку воздействия на объект виртуального мира, основанный на допустимых траекториях движения элементов скелета руки аватара;
экспериментальное исследование моделей движения аватара в оперативном пространстве, подтвердившее эффективность разработанной модели аватара на основе допустимых траекторий движения элементов руки;
численные методы программной реализации предложенных моделей, позволяющие в реальном масштабе времени воспроизводить в виртуальном пространстве действия человека по управлению техническими объектами. На основе этого сформированы рекомендации к построению геометрической модели аватара.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
Общая концепция построения системы моделирования действий аватаров в виртуальном мире тренажера.
-
Оптимизационная модель движения аватара в зоне оперативного пространства и численный метод ее реализации, учитывающие ограничения на движения элементов руки аватара и допустимые траектории перемещения ее элементов.
-
Результаты моделирования и экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность разработанных моделей и эффективность предложенных алгоритмов перемещения аватаров в виртуальном мире тренажера и движения в зоне оперативного пространства.
-
Комплекс программ, реализующих предложенные модели движения аватара в виртуальном мире тренажера.
Практическая ценность работы заключается в создании моделей и алгоритмов, обеспечивающих возможность строить СВР, в которой воспроизводится работа виртуального оборудования с имитацией действий одного или нескольких операторов, работающих в виртуальной среде. Такие системы могут эффективно использоваться в тренажерах для подготовки операторов к управлению сложными объектами. Возможности разработанного программного обеспечения (ПО) позволяют построить траекторию перемещения аватара в заданную точку виртуального пространства тренажера из произвольного начального положения, воспроизвести плавное движение аватара по вычисленной траектории, а также моделировать взаимодействие аватара с заданным объектом виртуального мира.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в процессе создания стенда для отработки планируемых полетных операций на основе моделирования действий экипажа в виртуальной среде интерьера Международной космической станции (МКС) и транспортного корабля «Союз-ТМА» с применением технологий виртуальной реальности и в процессе разработки трехмерных моделей и виртуальных руководств в рамках эксперимента «ВИРУ». Разработанные математические модели и научные результаты работы также внедрены в учебный процесс ЮРГТУ (НПИ).
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались, обсуждались и получили одобрение на:
седьмой международной научно-практической конференции «Пилотируемые полеты в космос», 2007 г. (Звездный городок);
научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) «Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем» в 2008, 2009 и 2010 гг.;
научно-технической конференции факультета информационных технологий ЮРГТУ (НПИ) по проблемам автоматизации обработки информации в информационных и управляющих комплексах, 2009 г.;
XIX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, посвященная 50-летию первого полета человека в космос, 2011 г. (ОАО «РКК «Энергия»).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась и обсуждалась в ООО «Донской филиал Центра тренажеростроения» (г. Новочеркасск). Получено 2 акта внедрения в комплексные ТМК и акт внедрения научных результатов в учебный процесс ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ, из них 3 в рекомендованных ВАК изданиях, получено 4 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений, изложена на 204 страницах и содержит: 5 таблиц, 100 рисунков и список литературы, включающий 115 наименований.
Автор выражает благодарность к.т.н., проф. А.Н. Иванченко за ценные замечания и помощь в оформлении диссертационной работы.
Особую благодарность и признательность автор выражает к.т.н., проф. С. И. Потоцкому за руководство научными исследованиями, ценные рекомендации по подготовке и оформлению диссертационной работы, а также помощь в становлении автора как ученого и специалиста в области тренажеростроения.
Похожие диссертации на Моделирование перемещения аватара в пространстве и его взаимодействия с объектами виртуальной среды
-
