Měření a hodnocení reakcí pilota

15. mezinárodní vědecká konference „Měření, diagnostika, spolehlivost palubních soustav letadel“

2015

Měření a hodnocení reakcí pilota Measurement and assessment of pilot reaction Ing. Miroslav Jirgl Ústav automatizace a měřicí techniky, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně, Technická 3082/12, 616 00 Brno, email: [email protected], prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. Katedra leteckých elektrotechnických systémů, Fakulta vojenských technologií, Univerzita obrany, Kounicova 65, 662 10 Brno, email: [email protected]. Resumé: Letecký výcvik představuje v současné době velmi nákladnou činnost. Všechna výcviková zařízení se snaží náklady na výcvik snížit. Při tomto šetření ovšem nemohou jít za hranice bezpečnosti samotného výcviku. Článek představuje jeden z přístupů, jak zjišťovat schopnosti a stav vycvičenosti pilotů již v průběhu samotného výcviku, aniž by se náklady na výcvik zvýšily. Currently, flight training is very costly affair. The training centres are trying to reduce these costs. This costs reduction should not be at the expense of training safety. The paper presents an approach to examine the skills and the level of training of pilots during actual training without the training costs increased.

1

Úvod

Cílem již několikaleté práce autorů článku je navázat na základy popisu lidského chování pomocí matematických modelů [1] prezentované týmem vědců v čele s profesorem McRuerem v 70-tých letech minulého století a využitím moderních simulačních a výpočetních prostředků tuto teorii dále rozvinout. Pro získání experimentálních dat je využit stacionární letecký simulátor na Univerzitě obrany v Brně. Na základě měření odezev pilota na vizuální podněty je možné tato data použít pro základní vstupně/výstupní popis (model) chování pilota. Tyto modely je pak možné využít pro objektivní posouzení pilotových schopností, zejména jeho reakční doby a stav připravenosti pilota.

-109-


2

2015

Matematický model chování pilota

V současnosti stále nejpoužívanějším modelem pro popis dynamického chování pilota je přenosová funkce s dopravním zpožděním ve tvaru rovnice (1), kterou jako první sestavil na základě řady experimentů prof. McRuer [1,3]. F( s ) 

Y( s ) X (s)

K

T3 s  1  exp(  s ) , T1 s  1T2 s  1

(1)

kde K

Zesílení reprezentující pilotovy zvyklosti na daný akční zásah. Souvisí také s poměrem vstupního a výstupního signálu.

T1

Setrvačná konstanta udávající pilotovo zpoždění činnosti dané neuromuskulárním systémem. Pohybuje se v rozsahu 0,05 až 0,2 s a není závislá na míře tréninku [2,4].

T2

Zpožďující setrvačná konstanta charakterizující pohotovost a hbitost pilota. Souvisí tedy s prováděním naučených stereotypů a rutinních postupů. Pohybuje se v rozsahu 0,1 až jednotky sekund.

T3

Je prediktivní časová konstanta související se zkušenostmi pilota. Odráží pilotovu schopnost předvídat situaci, která může nastat. Tuto schopnost operátor získá výcvikem a zkušenostmi a pohybuje se v rozsahu 0,2 až jednotky sekund [2,4].

τ

Časová konstanta udávající zpoždění odezvy mozku pilota na pohybový a oční vjem. Vlivem únavy může dojít k prodloužení této konstanty a následnému selhání regulačních schopností pilota. Regulační systém se tak stane nestabilním. Tato konstanta se pohybuje nejčastěji v rozsahu 0,1 až 1 s.

s

Laplaceův operátor

Model ve tvaru rovnice (1) je obecný model využitelný v širokém spektru činností spojených s řízením či pilotováním. Jednotlivé konstanty nabývají nejčastěji hodnot v uvedených rozsazích a jsou závislé na pilotových schopnostech přizpůsobit se řízené dynamice (adaptovat se). Pro posouzení těchto pilotových schopností a vlastností se často používá model ve zjednodušeném tvaru (2), který neuvažuje neuromuskulární časovou konstantu T1 a zaměřuje se zejména na vyhodnocení poměru časových konstant T2 a T3 a celkového dopravního zpoždění τN [3, 7] F( s ) 

Y( s ) X (s)

K

T3 s  1  exp(  N s ) , T2 s  1

(2)

-110-


2015

kde τN

Časová konstanta udávající celkové zpoždění odezvy mozku pilota na pohybový a oční vjem. Tato konstanta zahrnuje i vliv zpoždění dané neuromuskulárním systémem, přibližně tedy platí τN = τ + T1.

3

Měření odezvy pilotů na vizuální podnět

Experiment měření odezev pilotů vychází ze vzájemné interakce pilota (Human Operator) a letounu, resp. leteckého simulátoru (Controlled Element), jež lze obecně znázornit pomocí blokového schématu na obr. 1. [5], které předpokládá měření odezvy pilota na vizuální podnět.

Obr. 1: Blokové schéma popisující experiment Měření odezev pilotů jsou prováděna na stacionárním leteckém simulátoru na Univerzitě obrany v Brně. Simulátor je vybaven softwarem X-Plane 10, jež umožňuje sběr různých letových a provozních dat s frekvencí až 20 Hz [4]. Tento simulátor je dnes na celém světě považován za komplexní, obsáhlý a zároveň vysoce efektivní letový simulátor pro osobní počítače nabízející nejpokročilejší letové modely. Jde o inženýrský nástroj sloužící pro snadný odhad letového modelu letadel všech kategorií i konstrukčních řešení.

3.1

Měření dat na leteckém simulátoru

Pro měření byl vybrán dvoumotorový vrtulový letoun King Air C90B a dále zvolen jeden definovaný režim letu (výška letu 2900 ft, rychlost letu 170 mph, úhel náběhu a podélný sklon i jejich změna přibližně 0), kdy pilotu byla v určitém okamžiku letu změněna skokem výška letu na 2600ft a pilot měl za úkol co nejdříve tuto výšku korigovat zpět na 2900ft. Takto nachystaným režimem letu bylo proměřeno celkem 8 budoucích pilotů, kteří měli v době testování nalétáno cca 40-50 hod. na letounu Zlín Z141. Každému pak byla výška změněna několikrát za sebou, vždy s uvedením letounu do počátečního stavu letu. Takto získaná data pak byla podrobena analýze v prostředí MATLAB. Pro demonstraci je vybrán a popsán experiment s pilotem č. 1, kde bylo provedeno 8 testovacích měření. Naměřená data ze simulátoru reprezentující popsaný experiment jsou na obr. 2. -111-


2015

1

dv [-]

0.5

0

-0.5

-1 0

10

20

30

40 t [s]

50

60

70

80

10

20

30

40 t [s]

50

60

70

80

3000

H [ft]

2900 2800 2700 2600 2500 0

Obr. 2: Naměřená data ze simulátoru (Pilot č.1) V horní části Obr. 2 je zobrazena časová závislost výchylky kniplu dv [-] pro jednotlivá měření a v dolní části obrázku pak změna výšky letounu H[ft] jako odezva letounu na pilotův akční zásah (výchylku kniplu). Červená křivka na obrázcích pak znázorňuje průměrnou odezvu získanou aritmetickým průměrem.

3.2

Identifikace parametrů modelu chování pilota

Obr. 2 demonstruje naměřená data získaná pomocí popsaného experimentu s pilotem č. 1. Z obrázku je vidět, že při prvních měřeních docházelo postupně k seznamování pilota s řízenou dynamikou, tudíž jednotlivé odezvy se poměrně liší. Jejich rozptyl od průměrné hodnoty je tedy poměrně značný. Zhruba po prvních 3 až 4 měřeních se pilot dokázal dobře adaptovat na řízenou dynamiku a rozptyl odezev již není tak značný. Tato skutečnost se dále projevila i v rozptylu identifikovaných parametrů modelu. Naměřená data byla podrobena identifikačnímu algoritmu napsaném v prostředí MATLAB. Tento algoritmus je založen na využití funkce fminsearch s využitím kriteriální funkce pro hledání minima kvadrátu odchylek. Ukázka výsledku identifikace je na Obr. 3.

-112-


2015

300 e(t) [ft]

200 100 0 -100

0

5

10

15

20

25

30

35

t [s]

knipl [ft]

1 estimated data measured data

0.5 0 -0.5

0

5

10

15

20

25

30

35

t [s]

Obr. 3: Ukázka výsledku identifikace (Pilot č.1 – Měření 1) Identifikovaný model je potom ve tvaru rovnice (3).

F( s )  7.16  10 4

1.92s  1  exp(1.00s) 0.46s  1

(3)

Celkové výsledky a vyhodnocení identifikace parametrů modelu chování pilota z provedených měření shrnuje Tab. 1. Měření (mise) Měření_1 Měření_2 Měření_3 Měření_4 Měření_5 Měření_6 Měření_7 Měření_8 Průměr (všechna měření): Sm. odchylka (všechna měření): Průměr (měření 4-8): Sm. odchylka (měření 4-8):

K [-] . 10-4 7.16 6.81 6.10 6.47 6.81 7.24 6.73 5.63 6.62 0.54 6.60 0.69

T2 [s]

T3 [s]

[ ]

0.46 0.53 0.51 0.31 0.34 0.40 0.46 0.44 0.43 0.08 0.41 0.05

1.92 1.66 2.43 1.56 1.20 1.18 1.22 1.31 1.56 0.44 1.23 0.06

1.00 0.75 0.80 0.75 0.55 0.70 0.65 0.70 0.74 0.13 0.65 0.07

Best fit [%] 33.97 31.82 23.49 32.38 25.82 24.39 34.61 25.51

Tab. 1: Identifikované parametry modelu chování pilota (Pilot č. 1) Tab. 1 obsahuje hodnoty identifikovaných parametrů modelu chování pilota podle rovnice (2). Tyto parametry charakterizují konkrétního pilota a jeho chování při jednotlivých misích. Z parametrů je na základě hodnot směrodatné odchylky od průměru patrné, že zejména -113-


2015

v případě prvních čtyřech měření mají některé parametry (T3 a τN) poměrně velký rozptyl, což odpovídá výše uvedené diskuzi naměřených odezev. V případě posledních čtyř měření jsou odezvy pilota velmi podobné, což dokladují i hodnoty identifikovaných parametrů pro poslední čtyři měření a taktéž hodnoty směrodatné odchylky.

4

Závěr

Cílem příspěvku je ukázat možnost měření a vyhodnocení reakcí pilota pomocí modelování jeho dynamických vlastností s využitím reálných dat získaných z leteckého simulátoru. Získané výsledky navazují na již dříve získané poznatky a ukazují, že je možné charakterizovat pilota a jeho dynamické vlastnosti pomocí matematických metod. Na základě těchto výsledků je pak možné do určité míry popsat schopnosti pilota a při opakovaných měřeních také míru jeho vycvičenosti.

Literatura (pouze v anglickém jazyce) [1] [2] [2] [3]

[4] [5]

[6]

[7]

McRuer, D. T., Krendel, E. S.: Mathematical Models of Human Pilot Behavior. AGARD AG-188, 1974. Hess, R. A., Marchesi, F.: Analytical Assessment of Flight Simulator Fidelity Using Pilot Models. Journal of Guidance, Control and Dynamics. 2009, ISSN 0731-5090. Havlíková M.: Diagnostic Of Systems with a Human Operator, Doctoral Thesis, Brno University of Technology, 2008, 153 p. M. Lone, A. K., Development of a pilot model suitable for the simulation of large aircraft, in: 27th International Congress of the Aeronautical Sciences, Cancun, 2010, p. 15. Bořil, J.: Analýza mechatronické soustavy pilot - letadlo - autopilot z hlediska systémů automatického řízení letu, Disertační práce, Univerzita obrany, Brno, 2005. Bořil, J., Jalovecký, R., Rashid, A. Human: Machine Interaction and Simulation Models Used in Aviation. In: Proceedings of 15th International Conference on Mechatronics – Mechatronika 2012. Prague: Czech Technical University in Prague, 2012, p. 314-317. D. M. Pool, P. M. T. Zaal, H. J. Damveld, M. M. Van Paassen, M. Mulder, Pilot equalization in manual control of aircraft dynamics, in: Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, 2009, pp. 2480–2485. Jirgl, M., Havlikova, M. Bradac, Z.: The Dynamic Pilot Behavioral Models. In: 25th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation, DAAAM. Vienna, 2014.

Dedikace Tato publikace vznikla za podpory grantu "Výzkum nových řídicích metod, měřicích postupů a inteligentních prostředků v automatizaci" financované z Interní grantové agentury Vysokého učení technického v Brně (číslo grantu FEKT-S-14-2429) a projektu Technologické agentury České republiky - TA04031376 Výzkum/vývoj metodiky výcviku leteckých specialistů L410 UVP - E20. -114-

Měření a hodnocení reakcí pilota

Recommend Documents