77321

ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ В СИСТЕМЕ ИСКУССТВЕННОГО ВИДЕНИЯ ДЛЯ ПИЛОТОВ МАЛОЙ АВИАЦИИ

Научная статья

Информатика, кибернетика и программирование

Это вызвано тем что данные летательные аппараты перемещаются на относительно небольшой высоте в области действия природного ландшафта и искусственных высотных объектов и управляются пилотом в ручном режиме а не на автопилоте. На основе этих данных пилотажный монитор должен в реальном режиме времени строить трёхмерное представление о реальной картине окружающей самолёт. Экран пилотажного монитора Программа пилотажного монитора получает данные от сервера данных о текущих параметрах полёта и в режиме реального времени строит соответствующее...

Русский

2015-02-02

1.39 MB

2 чел.

ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ В СИСТЕМЕ ИСКУССТВЕННОГО ВИДЕНИЯ ДЛЯ ПИЛОТОВ МАЛОЙ АВИАЦИИ

Букреев А.С., Васёв П.А., Кузнецов Я.Д., Овечкина Е.В., Штуркин Н.В.

ООО УралАвиаПроект, г. Екатеринбург
Институт Математики и Механики УрО РАН, г. Екатеринбург

Введение

В настоящее время малая авиация получает всё более широкое распространение. Это обусловлено рядом экономических преимуществ, которые несёт малая авиация по сравнению с авиацией дальнего действия или другими видами транспорта – мобильность и высокая скорость реагирования, сокращенное время перемещения, относительно невысокая стоимость обслуживания. Особенно выгодным данный вид транспорта оказывается по мере роста благосостояния страны применения.

Однако малой авиации, при всех её преимуществах, присущи также индивидуальные особенности и недостатки. Одним из таких недостатков считается повышенная аварийность по сравнению с дальней авиацией. Это вызвано тем, что данные летательные аппараты перемещаются на относительно небольшой высоте, в области действия природного ландшафта и искусственных высотных объектов, и управляются пилотом в ручном режиме (а не на автопилоте). Также самолеты малой авиации более зависимы от природных атмосферных явлений и визуальной обстановки, которые в том числе могут привести к дезориентации пилота в пространстве.

На данном этапе развития компьютерной и геолокационной техники и накоплением актуальных геодезических данных проблемы, обозначенные выше, стали решаемы. В авиации, начиная с армейской и затем в дальней гражданской, стали появляться так называемые системы искусственного видения (synthetic vision) [1]. Эти системы, обладая информацией о текущих параметрах полёта, включая географическое положение, высоту, скорость и направление полёта, производят в реальном времени компьютерное моделирование текущей обстановки и искусственно воссоздают реальную картину. Они могут отображать трёхмерную сцену окружения вокруг летательного аппарата, показывать его местоположение на карте, сопоставлять характеристики полёта с имеющимися географическими данными и заданным полётным режимом и так далее. Таким образом, пилот летательного аппарата получает дополнительную информационную поддержку при ориентировании в текущей обстановке, а в отдельных случаях – например при плохой видимости – и реальный шанс сохранить возможность управления летательным аппаратом.


Рис. 1. Пример системы искусственного видения

На рисунке 1 изображен пример внешнего вида системы искусственного видения. В частности, на левом экране показан уже упомянутый выше пилотажный монитор, который призван воспроизводить трёхмерную обстановку, по которой пилот может ориентироваться в пространстве.

Создание программного обеспечения пилотажного монитора – серьёзная задача. Серьёзными являются и выгоды, получаемые при наличии такого монитора в кабине летательного аппарата. Настоящая работа посвящена вопросам создания такого программного обеспечения.

Возможности пилотажного монитора

Конкретизируем постановку задачи. Пилотажный монитор является частью программно-аппаратного комплекса, включающим в себя навигационные приборы, центральный компьютер и программы для обработки и отображения навигационных данных. С помощью аппаратуры система определяет местоположение и вектор перемещения самолёта, а также дополнительные данные о полёте и состоянии летательного аппарата. На основе этих данных пилотажный монитор должен в реальном режиме времени строить трёхмерное представление о реальной картине, окружающей самолёт. Кроме того, пилотажный монитор должен отображать и информацию о параметрах полета (высота, скорость, азимут, тангаж и другие) с тем, чтобы пилот мог получить основную информацию об обстановке без необходимости перемещать взгляд между монитором и приборной доской.

На основе данной постановки группой авторов была проведена работа по созданию пилотажного монитора. В результате разработок, которые велись несколько лет, удалось получить действующий многофункциональный программный продукт, пример работы которого представлен на рисунке 2.  


Рис. 2
. Экран пилотажного монитора

Программа пилотажного монитора получает данные от сервера данных о текущих параметрах полёта и в режиме реального времени строит соответствующее им визуальное представление. В основе такого представления – окружающий ландшафт с наложенными на него информационными слоями. Среди поддерживаемых слоёв: векторные, площадные, точечные и особые. Таким образом, монитор по состоянию на текущий момент отображает информацию об авто- и железных дорогах, руслах рек, площадных водных объектах, городской застройке, высотных объектах и взлетно-посадочных полосах. Присутствие данной информации позволяет ориентироваться в окружающей обстановке на существенно более качественном уровне по сравнению с отображением исключительно ландшафта.

Отдельного упоминания заслуживают так называемые «масштабные объекты». Это специально размещенные на поверхности ландшафта типовые объекты: автомобили, здания, деревья и так далее. Каждому такому объекту в реальности соответствует конкретная высота в метрах. Поэтому присутствие этих объектов на мониторе даёт важное визуальное понимание относительно высоты полёта и расстояния до тех или иных ландшафтных особенностей.

Также на пилотажном мониторе размещен так называемый «курсовой рельеф» (на рисунке 2 его окно можно видеть в левой нижней части). Это окно показывает, как текущий тангаж самолёта (отклонение от горизонта) сопоставляется с рельефом по курсу. Всё сечение ландшафта, которое находится выше линии текущего курса, окрашивается в особый цвет. Таким образом, пилот получает дополнительную информацию о высоте рельефа перед летательным аппаратом относительно текущего курса и тангажа.

При проведении работ коллектив столкнулся с множеством задач. Одной из таких задач явилась необходимость восстановления рельефа на ряде участков. Проблема заключается в том, что все имеющиеся на настоящий момент данные о земной поверхности являются неполными. Они содержат в себе так называемые «дыры», что связано с погрешностью или невозможностью проведения измерений на некоторых участках земной поверхности. В частности, это особенно актуально для горных районов. В случае присутствия «дыр» в кадре их необходимо как-то отображать. В связи с этим было принято решение: для того, чтобы избежать визуальных артефактов и ухудшения восприятия необходимо постараться восстановить рельеф, при этом ясно показав пилоту неоднозначность представления на экране. Был создан ряд алгоритмов, и в результате удалось прийти к приемлемому варианту, результат работы которого представлен на рисунке 3.

Рис. 3. Пример восстановленного ландшафта

Восстановленные участки показаны красным цветом, который сообщает об опасности – отсутствующих данных и о том, что на данные участки нельзя полагаться при принятии решений о пилотировании.

Созданный пилотажный монитор может работать не только в режиме полёта, но также в режиме воспроизведения трасс и в режиме обучения. В режиме воспроизведения монитор показывает записанные ранее полёты с возможностью паузы, ускоренного воспроизведения и так далее. В режиме обучения программа управляется джойстиком или другими устройствами ввода и позволяет изучать те или иные участки в интерактивном режиме.

Также были проведены эксперименты по работе с системой с применением средств виртуальной реальности. Пользователь находится в специальном шлеме стерео-видения и управляет программой с помощью джойстика. Поворот головы отслеживается и картинка строится таким образом, чтобы следовать взгляду пользователя. В результате таких экспериментов был получен ряд выводов о перспективности использования виртуальной реальности при обучении пилотированию.

Заключение

Системы искусственного видения позволяют снизить риски при пилотировании самолётов в малой авиации за счёт компьютерного воссоздания окружающей обстановки. Таким образом, пилот может ориентироваться в пространстве вне зависимости от погодных условий. Создание таких систем стало возможным благодаря современному уровню развития аппаратных средств отслеживания параметров полёта, накопленной цифровой информации о поверхности земли и средствам трехмерной графики. Разработки в области искусственного видения проводятся как государственными учреждениями [2], так и коммерческими организациями [3,4], преимущественно иностранными.

В настоящей статье представлен краткий обзор разрабатываемого пилотажного монитора – основной компоненте систем искусственного видения. Программа отображает ландшафт по курсу летательного аппарата, дороги, водные объекты, высотные объекты, взлетно-посадочные полосы и другую информацию. Отображение проводится в режиме реального времени со средней задержкой 0,05 секунды (то есть порядка 4 метров отставания по оси движения при пилотировании со скоростью 300 километров в час). Как показали предварительные испытания, созданный монитор способен отображать обстановку вокруг летательного аппарата с большой степенью реалистичности и информативности.

Разработка данного программного продукта ведется в связи с работами по созданию самолётов для малой авиации, проводимых в компании УралАвиаПроект.

Литература

  1.  Synthetic Vision Systems / Wikipedia. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_vision_system (дата обращения: 15.01.2008)
  2.  NASA Synthetic Vision / NASA. URL: http://www.nasa.gov/centers/langley/news/factsheets/SynthVision.html
    (дата обращения: 02.02.2010)
  3.  Rockwell Collins Synthetic Vision / Rockwell Collins. URL: http://www.rockwellcollins.com/syntheticvision/index.html  (дата обращения: 07.04.2010)
  4.  VistaNav Portable Synthetic Vision Systems  / Bendix Kink. URL: https://www.bendixking.com/vistanav/ (дата обращения: 07.04.2010)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10333. Философские, психологические и педагогические проблемы духовного развития личности, ее мировоззрения, формирование личностного смысла научных и этических знаний 36.5 KB
  Философские психологические и педагогические проблемы духовного развития личности ее мировоззрения формирование личностного смысла научных и этических знаний. Ступени духовного роста человека. Духовное развитие личности ребенка в учебновоспитательном процессе в
10334. Нравственное воспитание как фундамент системы воспитательной работы. Задачи, содержание, методы нравственного воспитания в современных условиях 37 KB
  Нравственное воспитание как фундамент системы воспитательной работы. Задачи содержание методы нравственного воспитания в современных условиях. Моральные чувства их характеристика. Нравственное воспитание формирование системы моральнонравственных норм установ
10335. Трудовое воспитание, задачи, содержание и методы. Ушинский, Макаренко о роли труда в развитии личности. Профессиональное самоопределение 64.5 KB
  Трудовое воспитание задачи содержание и методы. Ушинский Макаренко о роли труда в развитии личности. Профессиональное самоопределение. Отечественные и зарубежные теории профессионального самоопределения Д. Сьюпер Э. Гинзберг Е.А. Климов И.С. Кон. Проф. ориентация и эк...
10336. Физическое воспитание. Понятие о здоровом образе жизни. Задачи, содержание, методы и формы ФВ в современной школе 36.5 KB
  Физическое воспитание. Понятие о здоровом образе жизни. Задачи содержание методы и формы ФВ в современной школе. Учет индивидуальнотипологических особенностей субъектов образовательного процесса в экологически неблагополучных регионах. Здоровьесберегающие технолог...
10337. Эмоционально-волевая сфера личности. Задачи, содержание и методы эстетического воспитания учащихся в современной школе 52 KB
  Эмоциональноволевая сфера личности. Задачи содержание и методы эстетического воспитания учащихся в современной школе. Воспитание эстетических чувств вкусов понятий идеалов; формирование умений навыков воплощения прекрасного в жизнь. Эмоциональные процессы – пси
10338. Воспитательная система: сущность, структура, функции, динамика. Взаимодействие дидактической и воспитательной подсистем школы 42 KB
  Воспитательная система: сущность структура функции динамика. Взаимодействие дидактической и воспитательной подсистем школы. Отечественные и зарубежные воспитательные системы В.А. Караковский А.А. Захаренко Р. Штайнер М. Монтессори. Проектирование психологически ко
10339. Семья и ее воспитательные возможности. Школа и семья как институты социализации. Проблемы современной семьи 60.5 KB
  Семья и ее воспитательные возможности. Школа и семья как институты социализации. Проблемы современной семьи. Психологическая характеристика стилей семейного воспитания. Модели семьи. Содержание формы и методы взаимодействия школы и семьи в целостном педагогическом про...
10340. Целостный педагогический процесс, его структура, закономерности и принципы. Психолого-педагогические основы гуманизации обучения и воспитания 60 KB
  Целостный педагогический процесс его структура закономерности и принципы. Психологопедагогические основы гуманизации обучения и воспитания. Развитие субъектности школьника его ценностносмысловой сферы в ЦПП. Целостный педагогический процесс ЦПП – это специальн
10341. Дидактика как теория образования и обучения, ее современные проблемы. Психология обучения (В.В. Давыдов, Д.Б. Эльконин) 73 KB
  Дидактика как теория образования и обучения ее современные проблемы. Психология обучения В.В. Давыдов Д.Б. Эльконин. Соотношение психологии обучения и дидактики. Когнитивная сфера личности как основа процесса обучения. Проблема соотношения обучения и развития в истори