Летающая лаборатория с реконфигурируемым рабочим местом лётчика-испытателя для опережающих лётных исследований взаимодействия "экипаж-автоматика" и экипаж - БПЛА" Российский патент 2023 года по МПК G05D1/00 G05B23/02 B64C99/00 

Изобретение относится к средствам летных испытаний, а именно, к средствам проведения летных экспериментов на этапе опережающих исследований в интересах совершенствования средств взаимодействия экипажа с высокоавтоматизированными и беспилотными авиационными системами.

Актуальной технической проблемой является отсутствие эффективной технологии согласования характеристик оператора (летчика) и объекта управления (человеко-машинной адаптации), встроенной в процесс разработки, испытаний, освоения и эксплуатации авиационной техники и позволяющей своевременно выявлять и устранять технические предпосылки ошибок экипажа при внедрении перспективных информационных технологий в авиационные системы (технологий автоматизации, дистанционного управления, сетецентрических и межмашинных взаимодействий, искусственного интеллекта, виртуальной и дополненной реальности и т.д.).

Нерешенные проблемы «человеческого фактора» превращаются в критический элемент технологий автоматизации, подвергающий угрозе безопасность полетов.

Важным этапом учета «человеческого фактора» в авиации являются опережающие исследования, позволяющие определить общий облик новых систем «летчик-самолет» и определить эргономические требования к летательному аппарату до того, как появится опытный летный образец.

Практика автоматизации авиационных систем Европы и США показывает, что использование аналитических, экспертных и полунатурных методов в опережающих исследованиях взаимодействия «летчик-самолет», оказывается недостаточным для решения таких задач, как определение трансформации деятельности летчиков под влиянием внедряемых информационных технологий, проверка работоспособности эргономических принципов проектирования (принципов адаптации техники к человеку), необходимых для обновления эргономических требований к перспективным летательным аппаратам.

Для достижения цели своевременного предотвращения технических предпосылок ошибок экипажа в высокоавтоматизированных и беспилотных авиационных системах необходимо техническое средство опережающих летных исследований, позволяющее изменять и регистрировать параметры взаимодействия «летчик-самолет» в полете, что предполагает наличие реконфигурируемого информационно-управляющего поля и средства измерения параметров деятельности летчиков. К средству опережающих летных исследований предъявляется дополнительно требование обеспечения безопасности полета при отработке концепций автономных БПЛА и средств дистанционного управления, а также требование безопасного возвращения к использованию штатного оборудования кабины при неэффективности экспериментальных информационно-управляющих средств. Также необходимо предусмотреть возможность отработки концепций бортовых систем, которые не будут установлены на борту летающей лаборатории в аппаратном исполнении.

Известен способ конфигурирования или оснащения салона транспортного средства, патент Российской Федерации №2591833, Шмидт-Шеффер Тобиас и др. «Способ конфигурирования или оснащения салона транспортного средства, в частности, летательного аппарата», Эйрбус, дата приоритета 14.04.2011). Салон ЛА подразделен на несколько зон, в котором предусмотрены зона параметров и динамичная зона, прилегающие друг к другу. При конфигурировании выбирают отдельный модуль или несколько отдельных модулей, автоматически размещают в зоне параметров в соответствии с предварительно заданными параметрами для полного конфигурирования зоны и выбирают отдельные компоненты. Затем автоматически рассчитывают конфигурации отдельных компонентов динамичной зоны в соответствии с размещением модуля в зоне параметров и автоматически размещают отдельные компоненты в динамичной зоне в соответствии с их рассчитанной конфигурацией.

Предложенный способ не касается компоновки рабочего места пилота в части информационно-управляющего поля кабины.

Известен способ конфигурации приборной доски, заключающийся в изменении угла поворота элементов информационного поля кабины. по отношению к местам пилотов. Сущность изобретения заключается в расположении приборных панелей по т.н. «сфере обзора» для каждого пилота, центр которой совпадает с плоскостью, в которой расположена проекция зрачка пилота воздушного судна, а также в сегментации панелей, расположенных на приборной доске пилотов, таким образом, что каждый прибор или индикатор располагается по нормали к сфере обзора, обеспечивая улучшение фокусировки взгляда летчика при контроле индикаторов (патент Российской Федерации №2733178, Галайко Нина Михайловна, Соловьев Виктор Константинович, «Способ конфигурирования информационного поля кабины пилотов воздушного судна», дата приоритета 16.12.2019).

Основным недостатком этого патента для задачи оснащения самолета - ЛЛ (летающей лаборатории) является то, что не предусмотрена перестановка элементов информационного поля (перекомпоновка) в ходе эксперимента.

В качестве ближайшего аналога выбрана опционально-пилотируемая летающая лаборатория фирмы «ВАе systems», созданная на основе самолета Jetstream 31 путем установки системы дистанционного управления. Опционально-пилотируемая ЛЛ включает рабочее место пилота в кабине самолета, рабочие места экспериментатора и специалиста по спецоборудованию в пассажирской кабине, бортовая часть связана с наземным блоком, в котором размещены рабочие места внешнего пилота и экспериментатора, антенна спутниковой связи, внутрикабинная видеокамера переднего обзора, инфракрасная камера и несколько видеокамер, прикрепленных под фюзеляжем ЛА, антенна АЗС-В. ЛЛ предназначена для отработки режимов автоматических полетов БПЛА, основанных на использовании технологии машинного зрения в сочетании с системами спутниковой навигации., включая ситуации аварийного прекращения полета и посадки.

В качестве недостатка данной системы беспилотных технологий следует указать отсутствие средств исследования деятельности пилотов и оптимизации средств взаимодействия «летчик-самолет».

Технический результат, на который направлено изобретение, заключается в расширении арсенала технических средств для проведения опережающих летных исследований взаимодействия «экипаж-автоматика» и «экипаж-БПЛА».

Указанный результат достигается тем, что в летающей лаборатории с реконфигурируемым рабочим местом летчика-испытателя для опережающих летных исследований взаимодействия «экипаж-автоматика» и «экипаж-БПЛА», содержащей рабочее место летчика, дополнительную систему дистанционного управления, бортовую информационную систему, рабочее место летчика на борту выполнено по реконфигурируемой схеме, по структуре и составу одинаковой с реконфигурируемым рабочим местом внешнего пилота и экспериментатора на наземном блоке управления для обеспечения управления летным экспериментом; дополнительная система дистанционного управления выполнена съемной. Реконфигурируемое рабочее место летчика-испытателя содержит каркас переменной геометрии для размещения экспериментальных информационных и управляющих элементов, состоящий из втулок, регулируемых по длине посредством телескопической части втулок, закрепляемый защелками на штанге, устанавливаемой на верхней части приборной доски, при этом на каркасе установлен блок коммутации, подключающий экспериментальные информационные и управляющие элементы к бортовой информационной системе и осуществляющий телеметрическую связь бортовой информационной системы с наземным блоком управления для передачи на борт информации из базы динамических моделей воздушных объектов и спецоборудования с целью реализации режимов дополненной реальности. Также реконфигурируемое рабочее место летчика на борту содержит носимые элементы - шлем дополненной реальности, биоизмерительный костюм, перчатку - жестовый манипулятор. Экспериментальные информационные элементы содержат дисплей с сенсорными экранами и плату со встроенными датчиками контроля параметров полета для отработки автономного информационного обеспечения летчика при отказе бортовой авионики, а также наборное поле органов управления самолетом, его системами, БПЛА. В кабине ЛЛ установлены видеокамеры для фиксации действий летчика и текущей конфигурации информационно-управляющего поля, передаваемых на наземный блок управления в реальном времени для управления летным экспериментом.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 представлена структурная схема реконфигурируемого рабочего места летчика на борту.

Каркас переменной геометрии 1 закрепляется защелками 3 на штанге 4, размещенной на козырьке приборной доски, и состоит из трехсекционных втулок с телескопической центральной частью 2. К каркасу 1 крепятся раздвижные втулки-держатели 5, на которые устанавливаются съемные экспериментальные информационные элементы 6, состоящие из сенсорного экрана 6а, платы с встроенными датчиками контроля базовых параметров полета 66, держателя 6в; экспериментальные управляющие элементы 7, реализованные в виде наборных полей с органами управления; блок коммутации 8, соединенный с бортовой информационной системой и через специальный телеметрической канал 9 с наземным блоком управления 10. К выходам блока коммутации 8 подсоединяются экспериментальные информационные элементы 6 и управляющие элементы 7, шлем дополненной реальности 11 и перчатка - жестовый манипулятор 12.

В состав рабочего места летчика также входит биоизмерительный костюм (не показан) с датчиками, предназначенный для фиксации движений летчика, при этом экспериментальные информационные и управляющие элементы, помимо каркаса 1, крепятся к биоизмерительному костюму на рукавах, на брюках (в месте, отведенном для планшета летчика).

Устройство работает следующим образом.

1. При подготовке летающей лаборатории к полету к штанге 4, укрепленной на козырьке верхней части кабины с помощью защелок, крепится каркас 1, вертикальные и горизонтальные несущие части каркаса раздвигаются таким образом, чтобы не заслонять встроенные элементы приборной доски ЛЛ.

2. На каркас 1 устанавливается блок коммутации 8 с встроенным телеметрическим блоком. Блок коммутации подсоединяется к бортовой информационной системе.

3. К втулкам-держателям 5 прикрепляются экспериментальные информационные 6 и управляющие 7 элементы, которые будут отрабатываться в летном эксперименте. Экспериментальные информационные элементы могут перекрывать все штатное информационное поле кабины, могут замещать одну из информационных зон приборной доски, могут также создавать дополнительную информационную зону.

4. К разъемам блока коммутации 8 подсоединяются экспериментальные информационные и управляющие элементы 6 и 7, шлем дополненной реальности 11, перчатка - жестовый манипулятор 12.

5. В полете отрабатываются варианты обеспечения взаимодействия летчика с самолетом при частичных отказах автоматики, при отказах ЭДСУ и «стеклянной кабины» (штатного информационного обеспечения летчика), а также управление БПЛА с борта пилотируемого самолета.

6. В информационном обеспечении летчика через шлем дополненной реальности представляются виртуальные объекты, в том числе, элементы воздушной обстановки, например виртуальные БПЛА, виртуальные перспективные системы, например метеорадар, функционирование которых моделируется на наземном блоке управления и передается по специальному телеметрическому каналу на борт ЛЛ.

7. Запись параметров деятельности летчика ведется через биоизмерительный костюм и видеокамеры, расположенные в кабине ЛЛ; видеокамеры также фиксируют текущую конфигурацию информационного управляющего поля кабины. Параметры деятельности и функционирования информационного управляющего поля передаются через телеметрической канал на наземный блок управления для контроля за летным экспериментом.

8. В случае неэффективности испытываемого информационного или управляющего элемента производится его отсоединение от блока коммутации, что приводит к переходу на работу со штатной системой самолета, экспериментальный элемент отводится в сторону или снимается с держателя для обеспечения видимости штатного оборудования, которое он замещал.

Летающая лаборатория с реконфигурируемым рабочим местом летчика-испытателя для опережающих летных исследований взаимодействия «экипаж-автоматика» и «экипаж-БПЛА» содержит рабочее место летчика, выполненное по реконфигурируемой схеме, одинаковой с рабочим местом внешнего пилота и экспериментатора на наземном блоке управления и содержащее каркас переменной геометрии, выполненный определенным образом, дополнительную систему дистанционного управления, бортовую информационную систему, экспериментальные информационные элементы, содержащие дисплей с сенсорными экранами, плату с встроенными датчиками контроля, наборное поле органов управления самолетом, его системами, БПЛА, а также носимые элементы, а именно: - шлем дополненной реальности, биоизмерительный костюм, перчатку - жестовый манипулятор. Дополнительно установлены видеокамеры для фиксации действий летчика и текущей конфигурации информационно-управляющего поля. Обеспечивается расширение арсенала технических средств для проведения опережающих летных исследований взаимодействия «экипаж-автоматика» и «экипаж-БПЛА». 1 ил.

Летающая лаборатория с реконфигурируемым рабочим местом летчика-испытателя для опережающих летных исследований взаимодействия «экипаж-автоматика» и «экипаж-БПЛА», содержащая рабочее место летчика, дополнительную систему дистанционного управления, бортовую информационную систему, отличающаяся тем, что рабочее место летчика на борту выполнено по реконфигурируемой схеме, по структуре и составу одинаковой с реконфигурируемым рабочим местом внешнего пилота и экспериментатора на наземном блоке управления для обеспечения управления летным экспериментом; дополнительная система дистанционного управления выполнена съемной; реконфигурируемое рабочее место летчика на борту содержит каркас переменной геометрии для размещения экспериментальных информационных и управляющих элементов, состоящий из втулок, регулируемых по длине посредством телескопической части втулок, закрепляемый защелками на штанге, устанавливаемой на верхней части приборной доски; на каркасе установлен блок коммутации, подключающий экспериментальные информационные и управляющие элементы к бортовой информационной системе и осуществляющий телеметрическую связь бортовой информационной системы с наземным блоком управления для передачи на борт информации из базы динамических моделей воздушных объектов и спецоборудования с целью реализации режимов дополненной реальности, экспериментальные информационные элементы содержат дисплей с сенсорными экранами и плату с встроенными датчиками контроля параметров полета для отработки автономного информационного обеспечения летчика при отказе бортовой авионики, кроме того, экспериментальные управляющие элементы содержат наборное поле органов управления самолетом, его системами, БПЛА; также реконфигурируемое рабочее место летчика на борту содержит носимые элементы - шлем дополненной реальности, биоизмерительный костюм, перчатку - жестовый манипулятор; дополнительно в кабине летающей лаборатории установлены видеокамеры для фиксации действий летчика и текущей конфигурации информационно-управляющего поля, передаваемые на наземный блок управления в реальном времени для управления летным экспериментом.