Индукционный датчик магнитного курса. Особенности конструкции. Анализ источников погрешностей. Датчики магнитного курса с использованием эффекта Холла.

Датчик индукционного компаса включает чувствительный элемент, платформу, поплавок, карданов подвес и девиационный прибор. Внутренняя полость датчика заполнена жидкостью (75% лигроина и 25% масла МВП).

Основным компонентом индукционного компаса является чувствительный элемент из 2-х прямоугольных пластин из пермолоя с обмотками. На каждый стержень наносится первичная обмотка, соединенная встречно. Стержни соединены вплотную.

 

При пропускании потока первичная обмотка индуцирует магнитное поле, которое имеет удвоенную частоту. Вследствие равенства магнитных потоков в стержнях U₂ = 0. При определенном положении сердечника относительно магнитного меридиана U₂ = 0.

Магнитные сердечники жестко связаны с корпусом ЛА. При изменении положения ЛА относительно плюса изменяется намагничивание сердечника магнитным полем земли. При этом во вторичной обмотке возникает ЭДС, промодулированное удвоенной частотой питания.

На практике магнитоиндукционные датчики выполняются в виде 3-х стержней, соединенных отдельным образом, обычно под углом 120 градусов.

Обмотки соединяют по схеме треугольника.

В качестве измерительной схемы используют сельсин, указатель и соответствующий преобразователь.

Ротор выполнен в виде обмотки.

Сельсин имеет ротор, выполненный в виде обмотки. Выходной сигнал ИД подается на статорные обмотки сельсина.

Принципиальная схема индукционного компаса:

1 – чувствительный элемент; 2 – статор сельсина; 3 – ротор сельсина; 4 – усилитель; 5 – двигатель.

При изменении положения изменяются токи и, в зависимости от протекания токов в статорной обмотке, происходит изменение углового положения ротора. Изменение угла определяют углом поворота ротора сельсина. Сигнал с ротора, через усилители, подается на двигатель. С двигателя, через систему редуцирования, сигнал подается на указатель, величина которого определяется изменением меридиана (система астатического уравновешивания). Через двигатель и редуктор, ротор возвращается в обратное положение.

Магнитно-индукционные датчики монтируются с ГМК и используются с ДГМК.

Погрешности индукционного компаса при нормальных условиях не превышают ±1,5°.

Индукционному компасу присущи те же погрешности, что и магнитному:

1) наличие сил трения в опорах;

2) погрешность, связанная с воздействием ускорения на стрелку;

3) погрешность от положения ЛА (в северном или южном полушарии).

4) погрешность, обусловленная девиацией – наличие ферромагнитных материалов на ЛА, высокая коэрцитивная сила, материалы с малой остаточной намагничиваемостью (высокоуглеродистые стали и их намагничивание).

Различают полукруговую и четвертную девиации.

Для устранения девиации используются антидевиационные устройства.

Для устранения полукруговой девиации применяют девиационный прибор, по устройству подобный девиационному прибору недистанционного магнитного компаса.

 

Гироскопические датчики, их погрешности и математическая модель.

 

Гироскопом называют вращающееся вокруг оси симметрии с большой угловой скоростью тело вращения (ротор), одна из точек которого неподвижна. Ось zсимметрии ротора 1 (рис 1.1) называют осью фигуры или осью ротора гироскопа.

В большинстве гироскопических приборов для обеспечения свободы вращения ротора гироскопа вокруг неподвижной точки применяют карданов подвес, который состоит из двух рамок 2 и 3. Ротор 1 гироскопа с большой угловой скоростью W_y вращается вокруг оси y₁относительно внутренней рамки 2, которая может поворачиваться вокруг оси z относительно рамки 3, а последняя - вокруг оси x относительно неподвижной подставки 4.

Карданов подвес обеспечивает ротору гироскопа свободу вращения относительно трех осей (x, y₁ и z). Поэтому гироскоп, установленный в кардановом подвесе, называют гироскопом с тремя степенями свободы. Если центр масс гироскопа совпадает с точкой пресечения осей карданова подвеса, то такой гироскоп называется астатическим.

Рис.1.1. Гироскоп в кардановом подвесе:

                         

1 – ротор гироскопа; 2 – внутренняя рамка гироскопа; 3 – наружная рамка гироскопа; 4 – подставка; W_y – собственная угловая скорость вращения ротора гироскопа; w_x - вектор переносной угловой скорости.

Для рассмотрения математической модели гироскопа обратимся к рис. 1.2. Положение ротора относительно подставки (оси xhz) определяется тремя углами a, b и g, которые получаются при последовательных поворотах гироскопа и отклонении его собственных осей x, y и z от осей неподвижного основания.

Согласно рисунку H – кинетический момент гироскопа; J_x и J_y – моменты инерции ротора гироскопа относительно осей x и y.

Рис.1.2. Маховик с тремя степенями свободы – гироскоп

 

Уравнения движения гироскопа согласно принципу Д’Аламбера имеют вид

(1.1)

 

 

 

где M_x и M_y – внешние моменты, действующие вокруг осей x и y (моменты от сил сопротивления трения в осях корданова подвеса, момент от силы тяжести, моменты, накладываемые на гироскоп специальными коррекционными устройствами и т. д.).

Уравнения (1.1) можно переписать так:

(1.2)

 и - полное инерционное сопротивление, развиваемое гироскопом при действии на него внешних моментов M_x и M_y.

В теоретической механике при изучении законов движения гироскопа различают свободное и вынужденное движение гироскопа; свободное движение гироскопа, называемое нутацией, представляет собой движение по инерции, когда моменты внешних сил не действуют на гироскоп. Движение гироскопа, нагруженного моментом внешних сил, представляет собой совокупность вынужденного и свободного движения. Вынужденное движение гироскопа называется прецессией.

Закон нутационного движения можно получить, приняв в уравнениях (1.2) M_x=M_y=0.

Тогда

 (1.3)

Решая систему уравнений (1.3) получаем дифференциальные уравнения, описывающие нутационное движение гироскопа.

 (1.4)

Закон прецессии гироскопа можно получить из уравнений (1.2), если пренебречь инерционными моментами  и  по сравнению с гироскопическими моментами  и . Тогда имеем

(1.5)

Наиболее важными бортовыми гироскопическими приборами являются авиагоризонты, указатели поворота, гирополукомпасы, а также выключатели коррекции. [1].

Геометрические (карданные), погрешности. Определение положения летательного аппарата относительно оси ротора, производится посредством намерения углов поворота a и b. Направление осей, вокруг которых отсчитываются углы a и b, в общем случае не совпадает с направлением осей отсчета углов, определяющих угловое положение летательного аппарата относительно опорной (базовой) системы координат. Это несовпадение осей является причиной появления карданных погрешностей.

Скоростные кинематические погрешности. Скоростные погрешности возникают вслед­ствие движения опорной системы координат в инерциальном пространстве. Например, если в качестве опорной системы (координат выбран географический трехгранник в точке старта летательного аппарата, то скоростные погрешности определяются угловой скоростью вращения Земли. Для некорректируемых гироскопов скоростные погрешности находятся из кинематических соотношений при необходимости и могут быть учтены в бортовом вычислительном устройстве.

Кинематические погрешности. Кинематические погрешности возникают вследствие конического движения измерительных осей гироскопа в инерциальном пространстве. Такое коническое движение имеет место в результате действия инерционных моментов от рамок карданова подвеса или моментов сухого трения, которые возникают вследствие угловых колебаний ле­тательного аппарата, динамической несбалансированности ротора гироскопа или угловых вибраций основания.

Инструментальные погрешности. Вследствие несовершенства элементов прибора на гироскоп действуют возмущающие моменты трения, моменты от статической несбалансированности, неравножесткости конструкции и т. п. Под действием этих моментов ось ротора прецессирует в инерциальном пространстве, отклоняясь от заданного направления, что приводит к по­явлению инструментальных погрешностей при определе­нии углового положения летательного аппарата. К инструментальным погрешностям относятся также погрешности начальной выставки, погрешности датчиков угла и т. п.

 

Радиокомпас, принцип действия и его погрешности.

 

Курсовым углом радиостанции КУР называется угол, заключенный между продольной осью самолета и действительным направлением на радиостанцию. КУР отсчитывается от продольной оси самолета по ходу часовой стрелки до направления на радиостанцию от 0 до 360°.

Отсчетом радиокомпаса ОРК называется угол, заключенный между продольной осью самолета и измеренным направлением на радиостанцию. ОРК отсчитывается от продольной оси самолета до измеренного направления на радиостанцию от 0 до 360°.

Радиодевиация р- это угол, заключенный между измеренным и действительным направлениями на радиостанцию. Радиодевиация отсчитывается от измеренного к действительному направлению на радиостанцию вправо со знаком плюс (+), а влево со знаком минус (-). В современных радиокомпасах обеспечивается компенсация радиодевиации, и поэтому исправлений измеренной величины отсчета радиокомпаса производить не требуется.

Пеленгом радиостанции ПР называется угол между меридианом начала отсчета курса и направлением от самолета на радиостанцию. ПР отсчитывается от северного направления меридиана по ходу часовой стрелки до направления на радиостанцию от 0 до 360°.

В зависимости от начала отсчета курса самолета пеленги радиостанции могут быть истинными ИПР и магнитными МПР.

Пеленгом самолета ПС называется угол между меридианом радиостанции и направлением от радиостанции на самолет. ПС отсчитывается от северного направления меридиана по ходу часовой стрелки до направления на самолет от 0 до 360°. В зависимости от начала отсчета курса самолета пеленги самолета могут быть истинными ИПС и магнитными МПС.

 

 

Принцип работы радиокомпаса (кратко!!!)

Блок-схема радиокомпаса:

1 – рамочная антенна; 2 – открытая антенна; 3 – усилитель сигнала рамки; 4 – электронный переключатель; 5 – приемник; 6 – управляющая схема; 7 – звуковой генератор; 8 – двигатель поворота рамки; 9 – сельсин-датчик; 10 – указатель с сельсин-приемником.

В основу работы радиокомпаса заложен принцип измерения направления радиостанций по сигналу рамочной антенны.

Радиокомпас в своем составе имеет рамочную и открытую антенну. Диаграмма направленности для открытой антенны – круг:

Чувствительность рамочной антенны зависит от положения радиостанции. Если рамочная антенна находится перпендикулярно оси направления к радиостанции, то , если вдоль .

В состав АРК входят усилители, звуковой генератор для генерирования высокочастотных колебаний, система обратной связи, которая работает с использованием сельсина.

Сигнал с сельсина и двух антенн подается на усилитель. Двигатель поворачивает рамку до тех пор, пока сигнал по фазе сельсина не будет равен нулю и одновременно подается на указатель.

 

Принципы построения курсовых систем. Комплексная обработка информации от разных датчиков в курсовых системах и причины ее низкой эффективности.

Принципы построения курсовых систем.

Курс является одним из важнейших параметров, знание которого необходимо для решения задач навигации и управления. Для определения курса самолетов была создана самая многочисленная группа курсовых приборов и систем, основанных на различных физических принципах.

Направление меридиана можно определить на борту летательного аппарата с помощью компаса, гирокомпаса, радиокомпаса и астрокомпаса.

Первыми курсовыми приборами, применявшимися на самолетах, были авиационные магнитные компасы (АМК). В зависимости от назначения они отличались по своим точностным, габаритным и массовым данным. Наиболее точными были штурманские компасы типа А, использовавшиеся в навигационных целях, менее точными с меньшими габаритными размерами были компасы для пилота, а также аварийные (дублирующие) типа КИ.

Развитие идей и на их основе создание курсовых приборов и систем шло по линии обеспечения повышения точности и надежности определения курса в различных условиях и режимах по­лета, в различных географических районах, включая полярные области и области больших магнитных аномалий, а также по линии устранения дублирования.

Одна из первых таких идей состояла в том, чтобы в дополнение к АМК с целью облегчения управления (пилотирования) и обеспечения возможности выполнения разворотов в азимуте на заданные углы. использовать трехстепенный астатический гироскоп с горизонтальной осью собственного вращения ротора. Был создан прибор гирополукомпас (ГПК).

Пользование двумя приборами АМК и ГПК с периодической коррекцией показаний ГПК через каждые 10 ... 15 мин практи­чески весьма затруднительно. Для решения этого вопроса и для последующего развития идей построения курсовых систем был разработан прибор с автоматической коррекцией на базе двух указанных. Магнитная система устанавливалась в опорах на кожухе гироузла. При рассогласовании положений оси гироскопа (кожуха) и магнитной системы на гироскоп (посредством пневмосистемы) накладывался момент, приводящий его в согласованное положение (в меридиан). Прибор получил название - гиромагнитного компаса (ГМК).

Магнитные дистанционные гидроскопические компасы типа ДГМК предназначены для определения курса и углов разворота ЛА. Чувствительным элементом ДГМК является магнитная система, устанавливающаяся по направлению компасного меридиана. В компасах ДГМК применяется потенциометрическая дистанционная передача. Указатели магнитного дистанционного компаса ДГМК-3 выдают компасный курс, указатели компаса ДГМК-5 совместно с радиокомпасом выдают компасный курс, курсовой угол радиостанции и магнитный пеленг радиостанции.

Наряду с курсовыми системами, основанными на использовании свойств МПЗ и применении гироскопов, с целью повышения точности и надежности определения курса в различных условиях и географических районах выдвигались и развивались идеи определения курса на другой физической основе. Используя закономерность движения небесных светил (в первую очередь Солнца), были созданы астрокомпасы для определения истинного курса.

Основными идеями построения астрокомпасов являются две: первая - построение модели автоматически действующей небесной сферы (точнее части ее), в результате чего образуется указатель истинного меридиана (экваториальный астрокомпас); другая - измерение курсового угла светила путем пеленгации последнего и вычисление азимута светила по данным координат местонахождения объекта и географического места светила (гори­зонтальный астрокомпас). Суммирование этих двух углов дает истинный курс. Астрокомпасы находят широкое применение, они лишены большинства недостатков, присущих компасам АМК и ДМК. Однако их функционирование возможно при оптической видимости Солнца и знании географических координат местонахождения.

 

Комплексная обработка информации от разных датчиков в курсовых системах и причины ее низкой эффективности.

 

Курсовые системы типа КС предназначены для определения и указания курса ЛА и углов его разворота, а также для указания пеленгов и курсовых углов радиостанции. Курсовые системы типа КС имеют три режима работы: гирополукомпаса (ГПК), магнитной коррекции (МК) и астрокоррекции (АК). Режим ГПК является основным режимом, Благодаря стабилизации гироузлов по крену в курсовых системах КС исключена карданная погрешность при кренах ЛА. В режиме ГПК система одновременно выдает гироскопический (ортодромический), магнитный и истинный курсы.

Курсовые системы типа КСИ предназначены для определения магнитного или гироскопического курса при любых углах крена и тангажа ЛА и определения курсовых углов и пеленгов радиостанций.

Курс ЛА определяется с помощью датчика с индукционным чувствительным элементом. Благодаря стабилизации гироузла гироагрегата по крену и тангажу по сигналам гировертикали в курсовых системах типа КСИ исключена карданная погрешность. Основным режимом работы КСИ является режим гирополукомпаса. Режим МК (при нажатой кнопке согласования) используется для начальной выставки системы по магнитному меридиану.

Курсовертикали типа СКВ-2Н являются централизованным устройством, объединяющим гироскопические и магнитные средства определения курса, гироскопические средства определения крена, и тангажа и выдачи их на указатели типа НПП, КПП и в бортовые системы, решающие задачи навигации, пилотирования и др.

Общее количество потребителей может быть: по курсу - 4, по крену - 7, по тангажу - 5. Для увеличения количества потребителей сигналов могут устанавливаться распределитель сигналов 1186В (по крену и тангажу) и блок БР-40 (по курсу).

Режимы работы.

Канал курса имеет три режима работы: гирополукомпаса (основной режим работы), магнитной коррекции, начальной выставки курса. Канал вертикали работает в одном режиме, обеспечивающем определение крена и тангажа ЛА.

Курсовые системы типа ТКС по принципу действия аналогичны курсовым системам КС и от курсовых систем этого типа отличаются выгодно тем, что имеют в 2-3 раза меньше величины ухода гироскопов в азимуте (0,5- град/ч, в то время как у курсовых систем типа КС допускается 2 град/ч).

Кроме того, при работе курсовой системы ТКС в режиме ГПК оба курсовых гироскопа работают в этом же режиме вне зависимости от положения переключателей "Коррекция" и "Потребители"; в курсовых системах типа КС с двумя гироагрегатами один гироскоп (основной или запасной) работает в режиме ГПК, а другой в режиме МК.

 

Роль и назначение СОИ на борту современных ЛА. Виды представления пилотажной, навигационной и иной информации на борту ЛА. Условия эксплуатации.

Роль и назначение СОИ на борту современных ЛА.

В процессе управления ЛА между пилотом и ЛА в комплексе осуществляется непрерывное информационное взаимодействие. Характер определяется типом и назначением ЛА, а также задачами полета.

Параметры, значения передаются по СОИ. Данную информацию пилот дополняет собственной информацией, получаемой от различных органов осязания.

На основании имеющейся информации формируется описание о состоянии ЛА. Пилот принимает решение о полученном параметре и воздействует на систему управления.

Система отображения информации – посредник между пилотом и ЛА.

Система отображения информации представляет различные виды отображения информации.

Практически пилот воспринимает информацию зрением, слухом и тактильным чувством, но до 90% всей информации приходится на органы зрения.

СОИ подразделяются на различные классы по 4-м признакам:

1)  форма представления информации;

2)  характер;

3)  структура;

4)  конструктивные признаки реализации.

По форме представления информации СОИ подразделяется на ассоциативные, текстовые, изобразительной формы отображаемой информации, цифровая, знаковая, алгоритмическая, структурная.

По характеру СОИ реализуются в виде постоянного представления информации, переменной информации, текущей информации, прогнозирующей информации.

По структуре СОИ подразделяются на однопараметрические, суммирующие, интегральные (обобщает несколько параметров), синтезирующая, командующая.

Конструктивный признак характеризуется компоновкой:

1)  в виде приборных досок;

2)  систем индикации информации на лобовом стекле (ИЛС);

3)  шлемофоны.

Виды представления пилотажной, навигационной и иной информации на борту ЛА.

Выполненные в виде приборных досок, блоков сопряжения, панелей управления, систем звуковой и световой сигнализации, использ. защиту сети от к.з. и всевозможные преобразователи информации.

Все приборы подразделяются на 5 типов:

1)  пилотажные приборы;

2)  навигационные приборы;

3)  приборы указывающие параметры других приборов и систем;

4)  обзорные индикаторы;

5)  Индикаторы подвижных средств и технических систем ЛА.

Вся информация, реализуемая СОИ оптимизируется для восприятия. Форма и цвет предмета при яркости символа 10 Кд/м, при 0,03 Кд/м – сумеречное восприятие. Восприятие возможно при значительной яркости символа.

Наравне с яркостью, важное значение имеет цветовое отображение информации: чувствительность глаза желтых и зеленых цветовых гамм, значительно ниже красных.

При проектировании происходит рассмотрение бинокулярного зрения. Моторная деятельность характеризуется моторным полем, скоростью перемещения, энергетическими затратами.

Скорость реакции зависит от типа и интенсивности раздражителя, подготовки настроения, возраста и определяется в секундах.

При обращении пилота к клавиатуре у него должна быть высокая скорость.

Этапами переработки информации пилотом можно перенести к выполнению следующих операций.

Этапы выполнения – сводятся к следующим операциям:

Опознавание и отбор, оценка приоритета, отброс устаревшей информации, получение недостающих данных, принятия решения, ввод информации в систему, управление – вмешательство в систему управления.

Как правило, пилот вводит поправку информации в систему, исходя из опыта, знаний и интуиции.

Оператор является неотъемлемой частью управления, следовательно создается интерфейс машина – человек.

 

Психофизическая деятельность человека на борту ЛА. Особенности деятельности человека-оператора на борту ЛА.

Психофизиологическая деятельность человека.

Информация  на борту ЛА выдается на СОИ в форме, пригодной для восприятия человеком, поэтому их создание требует учета психологических и физиологических возможностей человека. Далее  излагаются устройство зрительного анализатора, характеристики зрительного восприятия человека, моторные компоненты действия и психофизиологические требования, предъявляемые к системам отображения информации.

Для человека в АСУ органом, воспринимающим основное количество информации, является зрительная система.

Зрительные ощущения вызывает только свет, действующий на палочки и колбочки. в центральной части сетчатки — зоне наиболее ясного видения (область желтого пятна и центральной ямки) имеются только колбочки. В сетчатой оболочке имеется участок, с угловым размером в 5°; без фоторецепторов — слепое пятно. При наблюдении только одним глазом в отдельные моменты фиксации взгляда участок зрительного поля соответствующего размера не воспринимается. При взгляде на пред мет глаз непроизвольно устанавливается так, чтобы изображение предмета попадало на желтые пятна обоих глаз. Форма и цвет предмета воспринимаются только при яркости зрительного стимула не менее или равного 10 кд/м. При яркостях менее 0,003 кд/м функционируют только палочки (сумеречное зрение). Следовательно, различение цветов возможно лишь при достаточно высоких значениях яркости зрительного стимула. надежное и более тонкое различие цветовых оттенков возможно при яркости 175 кд/м Колбочки чувствительны к длине световых волн. При равенстве энергии воздействующих волн различия их длин ощущаются, как различия в цвете зри тельных стимулов. Глаз различает семь основных цветов и более сотни их оттенков. С изменением длины волны изменяется и качество ощущений. Длинам волн от 380 до 445 мкм соответствует ощущение фиолетового цвета, от 455 до 470 — синего, от 470 до 500 голубого, от 500 до 540— зеленого, от 540 до 590 — желтого, от 590 до 610— оранжевого, от 610 до 780 — красного.

Строением сетчатки объясняется факт лучшего обнаружения слабого светового стимула, если проекция его осуществляется на периферические отделы сетчатки, а не на центральные. В других условиях центральная зона сетчатки имеет преимущество в процессе зрения. Механизм преобразования зрительной информации следующий. Воздействие светового потока вызывает возбуждение фоторецепторов. В каждый момент времени совокупность возбужденных и невозбужденных фоторецепторов образует мозаичную картину изображения, проецируемого на сетчатку. Возбуждение фоторецепторов передается вторым нейронам сетчатки. Далее сигналы генерируются ганглиозными клетками. Кроме того, в сетчатке в это время осуществляется ряд операций преобразования первоначального нервного сигнала. Нервное возбуждение не является копией возбуждения фоторецепторов. Дальнейшее преобразование сигнала как процесс описания изображения осуществляется системами рецептивных полей более высокого ранга. Формирование же сложных признаков и принятие решения о визуально воспринимаемом объекте происходит как процесс преобразования информации в высших корковых отделах зрительного анализатора в их взаимодействии с корковыми отделами других анализаторов. Чувствительность фоторецепторов неодинакова к разным участкам спектра: наиболее высока к желтым и зеленым и значительно ниже к красным.

Ограничения поступления светового сигнала к фоторецепторам характеризуются величиной пространства, в пределах которого возможна проекция изображения на сетчатку глаз. Границы такого пространства, называемого полем зрения, определяются возможностями оптической системы глаз, площадью, характером распределения фоторецепторов и выступающими частями лица. Поле бинокулярного зрения является производным полей зрения обоих глаз. Оно состоит из участка, видимого двумя глазами одновременно (в центре) и участков в периферической области, входящих в поле зрения только одного из глаз. Область перекрытия полей зрения левого и правого глаз является областью наиболее ясного видения . Возможности обнаружения сигнала существенно возрастают за счет поворотов головы и глазных яблок. Но рабочая зрительная зона близка по размерам к участку бинокулярного поля зрения, который может рассматриваться двумя глазами. Надежное обнаружение сигналов осуществляется в более узких ( в 2 раза) границах.

Ощущение, характеризующее световую энергию, излучаемую поверхностью называется видимой яркостью.

Адаптирующая яркость — яркость, к которой приспособлен глаз. определяется исходя из яркости фона. Если же рассматривается сложное изображение, то адаптирующая яркость определяется как средняя из суммы яркостей, воспринимаемых глазом.

Контраст - отношение разности изображения и фона к яркости фона (степень воспринимаемого различия между двумя яркостями).

Оператором осуществляются и управляющие воздействия (нажатие кнопок, переключение тумблеров, включение — выключение аппаратуры) — различные двигательные реакции. Конструирование СОИ невозможно без учета моторной деятельности человека. Моторная деятельность характеризуется размерами моторного поля, формой траектории и скоростью движения, силовыми параметрами, точностью движений и энергетическими затратами.

Время реакции человека зависит от ряда факторов:

–вида раздражителя (звуковой или зрительный). Скорость реакция на звуковой раздражитель выше;

–интенсивности раздражителя. Чем выше интенсивность раздражителя, тем меньше время реакции. Закономерность справедлива до достижения интенсивностью раздражителя определенного предела;

–тренированности оператора. Тренировки уменьшают время реакции;

–настройки оператора на то или иное восприятие; возраста и пола;

–строения организма;

–сложности реакции.      

Время реакции может быть определено по выражению

 мс,                                (3)

где В — число возможных альтернатив.

 

Реакция может быть простой (нажатие на кнопку при любом световом раздражителе) и сложной (нажатие на кнопку при определенном цветовом раздражителе).

Движение рук человека могут выполняться со скоростью 5—800 см/с. движения в направлении «от себя» выполняются быстрее движений «к себе», зато движения «к себе» характеризуются большей точностью. Если требуется остановка объекта управления, направление движения рукоятки, рычага должно быть «к себе».

Вращательные движения встречаются при ручном регулировании. Они выполняются в 1,5 раза быстрее поступательных. Максимальная скорость вращения соответствует радиусам 30— 50 мм. для радиусов до 120 мм скорость поворота растет с уменьшением нагрузки. Максимальное рабочее пространство рук человека приближается к полусфере. Эллиптические в круговые движения рук обеспечивают наибольшую производительность труда. Правой рукой удобнее двигать в горизонтальной плоскости против часовой стрелки, левой — по часовой.

При удалении органов управления на расстояние более 15— 20 см в средней зоне и 30—40 см в крайних обеспечивается наивысшая скорость прицельных движений рук оператора.

Важной характеристикой является темп вращательных движений. Максимальное значение этой характеристики для ведущей (чаще правой) руки составляет 4,83 об/с, для неведущей примерно 4 об/с и приходится на рукоятки радиусом З см. для рукояток радиуса 24 см численное значение темпа уменьшается в два раза. Максимальное значение темпа нажимных движений составляет 5—6 нажимов/с. Нажимы, совершаемые в ответ на дискретные, отличные друг от друга, сигналы, должны следовать с интервалом не менее 0,5с с целью устранения задержки в реакции.

Усилие, развиваемое рукой, зависит от положения руки:

мгновенная сила притяжения к корпусу двумя руками достигает 10 Н; длительно действующая сила — до З Н; сила разгибания руки в крайних положениях — до 0,6 Н, согнутой под прямым углом — 1,4 Н; мгновенная сила сжатия кистью — 4 Н, длительно действующая сила — 1,2—1,5 Н.

Кисть в плоскости ладони может поворачиваться на 10°. в перпендикулярной плоскости—на 80° (в сторону ладони) и на 40° в противоположную сторону.

Физическая работа мышц разделяется на динамическую (мышцы растягиваются и сокращаются) и статическую (мышцы неподвижны). Статическая работа более утомительна.

Как только авиация перешла от простых визуальных полётов к приборному пилотированию в сложных метеоусловиях, при отсутствии видимости линии естественного горизонта и наземных ориентиров, очень остро встала проблема иллюзий в определении пилотом пространственного положения. И первые попытки научно исследовать подобные явления натолкнулись на серьёзные барьеры.
   Во-первых, в подавляющем большинстве случаев невозможно было получать достоверные описания оригинальных картин происшедшего. Специально ставившиеся эксперименты вызывали процесс лишь искусственно. Они могли довольно полно смоделировать психологический механизм «блуждания» пилота в пространстве, но на основные вопросы: а каков же механизм возникновения самого первого «расстройства», какой из факторов становится решающим «провокатором», как целенаправленно защищать от него пилота - отвечали лишь приближенно.

   Во-вторых, в тех - вероятно достаточно многочисленных - случаях, когда лётчик терял-таки из-за иллюзий в полёте пространственную ориентировку, получить достоверный материал для исследователей было весьма и весьма проблематичной задачей. Благополучно вышедший из такой ситуации летун, разумеется, не был заинтересован в том, чтобы подробно описывать все детали происшедшего, кому бы то ни было - за этим неизбежно последовали бы «оргвыводы» о степени его профессиональной пригодности. Если благополучного выхода в полёте из подобной усложнённой ситуации у пилота не находилось, то ожидать достоверного рассказа было вообще не от кого. Материалы же бортовых регистраторов и иных средств объективного контроля - какими бы совершенными они ни были - представления о механизме возникновения подобных процессов в принципе не могут дать, по ним можно констатировать только сам факт потери лётчиком представления о пространственном положении... Да и то - лишь предположительно, с той или иной степенью достоверности.

 

Проблема человеческого фактора в системе оператор-система управления - ЛА с учетом СОИ. Основные этапы переработки информации оператором.

Особенности деятельности человека-оператора с учетом СОИ.Для оптимизации СОИ большое значение имеет проблема моделирования поведения человека-оператора. В настоящее время разработано достаточное количество математических моделей поведения человека. В основном модели предназначаются для исследования систем человек — машина» в режиме регулирования (динамического звена)

Структура системы управления с человеком-оператором, работающим в замкнутом контуре управления,  приведена на рис.

Рис. 3 Структура системы управления с человеком оператором.

При выработке закона регулирования человек отслеживает входную величину по случайной траектории. Задачей математического описания действий человека является наиболее полная формализация и учет в модели преимуществ человека. Рассмотрим линейную непрерывную модель. В задачах с непрерывным ручным управлением действия человека, стремящегося совместить выходной сигнал х(i) с непрерывно изменяющимся входным сигналом х_о(i), можно описать линейными дифференциальными уравнениями. Правомочность этих выводов подтверждается такими фактами, как независимость переходной характеристики реакции человека от величины скачка входного сигнала  независимость частотных характеристик оператора от амплитуды входного сигнала. В режиме отслеживания действия оператора описываются линейной моделью вида

,                                (4)

соответственно операторы: характеризующий стабилизирующие свойства человека в системе, учитывающий естественную задержку реакции оператора, отражающий динамику нервно-мышечной системы человека.

Инерционность человека-оператора объясняется необходимостью обобщения информации, воспринимаемой человеком в СОИ. τ – величина чистого латентного запаздывания, определяется Тренированностью операторов. Для обученных операторов τ=(0,1-0,З)с. Нижний предел τ характерен для случаев, когда оператор имеет возможность использовать некоторое предсказание при непрерывно изменяющемся входном сигнале х₀(t). Верхний предел τ характерен для случаев скачкообразного изменения х₀(t). Если анализируется многократно изменяющаяся величина по повторяющемуся закону, τ уменьшается до значения 0,008 с.

Постоянная времени Т₂ увеличивается с усложнением законов изменения входных переменных х₀(t) и с ростом объема входной информации. Значение Т₂ определяется также и средствами отображения информации; чем совершеннее они, тем Т₂ меньше. Оператор (Т₁p+1) характеризует способность человека упреждать развитие процесса регулирования. Изменением постоянной Т₁ оператор стремится скомпенсировать инерционность объекта и собственную.

Конкретные значения параметров передаточной функции оператора можно указать только для определенных задач. На пример, для систем с входными сигналами, случайно повторяющимися, но непрерывно изменяющимися по регулярным законам (типа гармонического колебания при безынерционном объекте управления, поведение человека-оператора описывается упрощенной передаточной функцией

                                   (5)

 

Оператор справляется вплоть до частот f=2.5Гц при отслеживании случайных процессов.

Свойства системы управления определяются характеристика составляющих звеньев. Наибольшее значение оказывают динамические свойства человека. Динамические свойства одноконтурной системы управления определяются временем цикла регулирования, которое представляет собой время перевода объекта управления из исходного состояния в заданное. Время цикла регулирования составляет

  чел,                                      (6)

–время задержки сигнала в машинных звеньях системы;

–время реакции человека;

Основные этапы переработки информации оператором.

Этапы переработки информации человеком-оператором на ЛА, могут быть сведены к выполнению следующих операций:

–анализу и отбору поступающей информации;

–опознанию и обобщению информации:

–оценке степени приоритета;

–отфильтровыванию избыточной или устаревшей информации;

–уточнению и получению недостающих данных;

–вводу информации в систему и выдаче ее в линии связи:

–принятию решения;

управлению и контролю за работой аппаратуры.

Без направляющего участия человека процессы неизбежно отклоняются от норм, соответствующих интересам людей, только эволюция этих интересов человеком приводит к желательным изменениям. Человек поправляет машину, исходя из своих знаний, опыта, интуиции. Кроме того, человек и машина во многих случаях выступают как равноправные партнеры обмениваются данными и выполняют различные преобразования информации.

Сравнительно новой формой взаимодействия человека и ЛА, как с машиной, является диалоговая, основной идеей которой является распределение функций между человеком и машиной на основе взаимного дополнения и использования имуществ каждой стороны, осуществляемая с помощью средств общения (в первую очередь дисплеев). Диалог осуществляется в виде обмена текстовыми директивами в сообщениями

Поэтому ясно — человек является неустранимым звеном АСУ, и это порождает проблему согласования конструкций характеристик машин с возможностями человека. При решении этой проблемы должна быть достигнута оптимальность синтеза компонентов «человек — средства отображения — рабочая среда».

 

Информационная и концептуальная модели полета, неинструментальная информация. Ошибки оператора вследствие недостатков средств отображения информации. Оценка пропускной способности оператора.

Инструментальная и неинструментальная информация.

То, что в авиации называют образом полета, сопоставимо с понятием концептуальная модель. Это — базовый компонент психического отражения, сформированный в процессе обучения и профессиональной практики. Образ полета включает задачи и цели, стоящие перед летчиком, систему знаний об объекте управления, систему двигательных программ, реализуемых в полете. При выполнении конкретных действий в образе полета на первый план выступает (в зависимости от условий полета и цели, которую ставит летчик) один из трех компонентов: образ пространственного положения, чувство самолета, восприятие приборного отображения (или приборной модели). В летной практике для обозначения последнего компонента употребляют термин "образ вилки", т.е. расхождение между наличным и требуемым показателями. Для краткости иногда этим термином пользуемся и мы.

Рассмотрим подробнее каждый из компонентов образа полета.

Образ пространственного положения регулирует пространственную ориентацию летчика: осознание летчиком положения самолета в пространстве относительно плоскости земли. Для летчика, на которого действуют разнонаправленные ускорения, ориентировка в пространстве требует активной настройки сознания на постоянную интеллектуальную оценку информации. Это значит, что человек в полете должен получать и перерабатывать информацию, преследуя, кроме цели управления, еще и цель ориентировки в пространстве.

Ориентация в пространстве у человека выражается в способности воспринимать свое положение во внешнем мире: расстояние, на котором объекты внешнего мира расположены относительно друг друга и самого человека, направления, в котором они перемещаются (находятся), и, наконец, величины и формы объектов.

В авиационной практике понятие пространственной ориентировки обычно сводится к способности определять свое положение относительно вектора тяжести и различных объектов, находящихся на земле. Исходя из такого определения, большинство авиационных психофизиологов главное значение в ориентации придавали трем системам (триада ориентации): зрительный аппарат (а), лабиринтный аппарат стато–кинестетического анализатора (б), кинестезия (в).

для человека фундаментальной координатой, относительно которой строится образ пространства в целом, является направление силы земного притяжения. Отсюда, собственно, и проистекает закономерное возникновение у здорового человека нарушения афферентного синтеза неинструментальных сигналов, на основе которых формируется восприятие и представление пространственного положения (иллюзий). Причиной этому является подмена системы координат, связанной с направлением силы земного притяжения, результирующей силой перегрузки. Иначе говоря, человек в полете может результирующую силу перегрузки, направленную от головы к тазу, принять за точку опоры.

Классическим примером пространственной иллюзии служит смещение горизонта во время выполнения самолетом такой обычной фигуры, как вираж. В современном полете пилотажные сигналы в основном поступают от визуальных индикаторов и выдерживание режима полета определяется удержанием стрелок приборов в заданном положении. Но практика показывает, что процесс управления (эффективное и надежное пилотирование) невозможен без оценки пространственного положения. Летчик не может выполнять пилотирование, абстрагируясь от представления о перемещении самолета в пространстве, о положении его относительно трех осей и определенной местности.

При этом летчику желательно не только знать (на основании умственной оценки показаний приборов), но и необходимо наглядно представлять пространственное положение так, чтобы его представление соответствовало знанию о реальном положении самолета. Однако условия полета нередко не обеспечивают, скорее мешают этому соответствию; ощущения и восприятие противоречат интеллектуальной оценке, так что возникают затруднения в создании образа представления пространственного положения. В последнем случае требуется значительное волевое усилие и сознательная регуляция действия, направленная на преодоление невольного стремления пилотировать по "непосредственному впечатлению". Хотя именно интеллектуальная оценка дает объективное знание о пространственном положении, но для субъективной уверенности, способствующей надежности действий, необходимо соответствие субъективного ощущения объективному знанию.

Итак, особенности восприятия в полете обусловлены необычностью физических воздействий на человека, которые не соответствуют сложившейся на земле привычной схеме ориентировки (стереотипу). Возникающие в полете ускорения действуют на анализаторы человека, такие, как сила тяжести, но при этом они не являются постоянными ни по направлению, ни по величине, что нарушает естественную схему ориентирования. Возникает противоречие между визуальными и интероцептивными сигналами, между восприятием и мышлением, ощущением и мысленной оценкой положения тела летчика (и самолета) в пространстве.

Если это противоречие осознается, летчик усилием воли старается подавить ложные ощущения. Именно в данном случае действия должны регулироваться вербально–логическими (речемыслительными) процессами.

Для ориентировки в пространстве летчик должен целенаправленно отбирать информацию, активно использовать опыт предыдущих. визуальных полетов, осознанно формировать образ пространственного положения. Это — важнейшая специфическая особенность восприятия в полете, что означает, что летчик, решая сложную саму по себе задачу управления, одновременно выполняет целенаправленное действие — пространственную ориентировку. На земле последняя осуществляется автоматически, а в полете она невозможна без осознанного формирования наглядного образа, базового компонента образа полета. Именно этот компонент выполняет когнитивную функцию, обеспечивая общее представление об основных параметрах полета, об этапе полета, о степени приближения к цели. Адекватность предметного содержания этого компонента образа сохраняется через преодоление противоречивости поступающих к летчику сигналов: когда приборная информация противоречит непосредственным ощущениям положения тела. Отсюда включенность в содержание образа актуально осознаваемой цели: сохранить ориентацию при поступлении противоречивой информации.

Первый базовый компонент образа полета — образ пространственного положения — должен постоянно поддерживаться, видоизменяться соответственно эволюциям самолета, противостоять разрушительному влиянию неинструментальных сигналов, если они выдают информацию, противоречащую инструментальной. Обеспечивая общую ориентировку летчика, в том числе осознание глобальной цели полета, данный компонент образа играет все же вспомогательную роль в непосредственной регуляции управляющих движений. Функцию регуляции выполняет второй компонент образа — образ приборной модели.

Образ приборной модели — "приборный образ", "образ вилки" — это отражение рассогласований между заданным и текущим режимами полета, формируемое на основе восприятия информации о расхождении между заданным значением параметра полета и фактическим положением индекса. Этот образ регулирует моторный компонент действий, обеспечивая реализацию двигательной программы.

Специфическим содержанием обладает третий компонент образа полета — чувство самолета. Его формирование связано с поступлением неинструментальных сигналов: ускорений, вибраций, сопротивления органов управления, шумов и пр. Эти сигналы играют сложную и противоречивую роль. Во–первых, они относятся к так называемым отрицательным факторам полета, выступая как неприятные, иногда — вредные для организма физические воздействия. Во–вторых, они могут неправильно интерпретироваться летчиком и служить причиной ошибочных решений. Однако они очень важны для ощущения летчиком своей слитности с самолетом, которая помогает упреждать изменения его положения, обеспечивает экономный способ выполнения движения и, кроме того, создает общий положительный эмоциональный фон деятельности летчика.

Роль мышечного чувства, по–видимому, связана с тем, что мышечные рецепторы по сложности своей организации и функциям приближаются к рецепторам самых сложных органов чувств — глаза и уха. Основные мышечные веретена связаны не только с толстыми афферентными нервными волокнами, но еще и с такими, которые оказались эфферентными путями. Это значит, что при растяжении веретен (порог 1—2г) импульс проходит одновременно к сократительным волокнам и к проприоцепторам, т.е. возбуждение проводится по двум эфферентным путям, из которых один ведет к мышечным волокнам, определяющим сократительную функцию, а другой — к рецепторным аппаратам кинестетического анализатора.

Чувство самолета — это своеобразное сращивание человека с самолетом, которое позволяет физически ощущать движения самолета, способность человека к правильному и чуткому восприятию и подсознательному выбору всех важных для управления самолетом сенсорных раздражителей и к успешным реакциям на них движениями органов управления. Вот как оценивается роль чувства самолета, или летного чувства, авиационным психологом Э. Гератеволем: «Необходимая для управления самолетом координация движений осуществляется не столько продуманно и осознанно, сколько с помощью чувствительной связи с машиной и приспособлением полета к естественной закономерности полета. Эта "естественная закономерность" может передать впечатлительным натурам такие своеобразные и исключительно живые эстетические переживания, которые могут превратить полет в эмоциональное событие и даже страсть». Мышечное чувство, чувство давления, возникающие при изменении положения самолета, позволяют непосредственно оценивать, поднимается или, наоборот, опускается нос самолета так, как требуется при взлете или посадке; летчик чувствует, готов ли самолет сесть или взлететь на основании комплексного чувства самолета, и это помогает ему выполнить не только своевременные, но и — что особенно важно — упреждающие движения. В формировании и функционировании чувства самолета играют роль и тактильное восприятие кожей, и более глубокое восприятие за счет мышечного чувства. Если машина испытывает крен, то перемещение давления в мышцах воспринимается точнее и быстрее, чем раздражение рецепторов силы тяжести (отолитов). Восприятие давления и мышечное чувство дают возможность судить о правильности угла крена при развороте. При активных движениях тактильное ощущение, связанное с органами управления, основывается на ощущениях давления и мышечном чувстве.

Итак, образ полета — подвижная, динамическая, изменчивая структура. Компоненты образа вступают между собой в сложные, подчас противоречивые взаимоотношения. Сенсорно–перцептивное наполнение свойственно преимущественно образу пространственного положения и чувству самолета; моторная регуляция осуществляется на основе чувства самолета и приборного образа (образа вилки). Эффективность регуляции действий на основе чувства самолета связана с осознанием сигнальной значимости ощущений, включенных в данный компонент образа. Преобладание образа приборов как регулятора моторных действий способствует автоматизации действий и, следовательно, фиксации функциональной деформации образа, что может привести к снижению надежности системы "летчик—самолет". Осознание летчиком актуальной значимости образа пространственного положения — одно из необходимых условий сохранения надежности действий в любых ситуациях пилотирования.

 

Компоновка авиационных эргатических комплексов. Особенности, факторы и виды компоновки.

Авиационные эргатические системы относятся к классу больших эргатических систем, для которых характерно наличие совокупности взаимосвязанных управляемых подсистем, объединенных общей целью функционирования. Согласно определению система является большой с точки зрения оператора, если она превосходит его возможности в каком-либо аспекте, важном для достижения поставленной перед ним цели.

Компоновка эргатической системы является важным этапом ее проектирования, во многом определяющим ее рациональную органи­зацию.

Рациональная компоновка больших эргатических систем является достаточно сложной задачей, при решении которой должны учитываться многочисленные независимые, иногда противоречивые факторы и тре­бования, вследствие чего она относится к классу задач многофакторной оптимизации.

Основной задачей компоновки является создание оператору усло­вий, необходимых для эффективного выполнения эксплуатационных задач, при сохранении достаточно высокого уровня безопасности работы.

Рациональная организация авиационной эргатической системы затруднена из-за:

·       весьма ограниченных размеров кабин экипажа;

·       большого количества средств отображения информации и средств управления, устанавливаемых на рабочих местах членов экипажа;

·       недостатка места, особенно в наилучших по досягаемости и обзору зонах, приводящего к невозможности разместить все необходимое оборудование в этих зонах;

·       быстротечности процессов управления и как следствие этого — дефицита времени у экипажа на выполнение операций управления и контроля;

·       невозможности "остановить" рабочий процесс в случае отказа техники;

работы члена экипажа одновременно обеими руками с разными объектами управления;

·       необходимости быстрого включения члена экипажа в контур управ­ления при отказах или отключениях автоматики.

Связь компоновки с безопасностью полета достаточно ясна: она особенно проявляется при дефиците времени, в аварийных ситуациях.

Не говоря уже о роли унификации компоновки в выработке и сохранении  стереотипов  действий — определенных навыков управления и контроля при переходе экипажа от управления самолетом одного типа к другому, можно указать следующие  правила компоновки, выпол­нение которых непосредственно влияет на безопасность полета:

·       рациональная компоновка группы основных пилотажно-навигационных индикаторов должна обеспечивать минимальные углы (марш­рут) переноса взгляда пилота на наиболее напряженных этапах полета и единообразное их размещение в группе;

·       резервный авиагоризонт на самолетах с двумя пилотами следует размещать в непосредственной близости от основного индикатора или так, чтобы обеспечить возможность контроля его показаний обоим пилотам;

·       органы управления следует группировать и размещать с учетом тре­бований мнемоники;

·       органы управления, случайное включение или выключение которых может привести к аварийной ситуации, должны иметь фиксаторы, пре­дохранительные устройства, блокировку и т.п.;

·       запрещается размещать рядом органы управления, используемые в каждом полете и при аварийной ситуации.

Компоновка   эргатической   системы   хотя   и  имеет  специфические особенности,  но так же, как и проектирование ЛА в целом и его сис­тем, обычно состоит из двух стадий.

На первой стадии компоновки проектируемый объект (кабина, рабочее место) рассматривают как элемент (подсистему) системы более высокого ранга (уровня), т.е. акцентируют внимание на связях проектируемого объекта с этой системой.

Необходимость этой стадии при проектировании вытекает из тре­бований системного подхода, в соответствии с которым любой объект (система) разрабатывается и компонуется прежде всего в интересах достижения целей того комплекса, в который он входит как составная часть (подсистема).

На второй стадии компоновки рассматривают внутреннюю струк­туру проектируемого объекта, выявляют его составные части и связи между ними.

Цели этой стадии компоновки являются подчиненными по отно­шению к первой и заключаются в нахождении такого местоположения компонуемого объекта (параметра), которое обеспечивало бы его эффективное использование в составе системы более высокого уровня.

Отсюда можно заключить, что все средства, компонуемые на рабочих местах экипажа, следует рассматривать как комплекс, состоящий из двух иерархических систем: системы средств отображения информации и системы органов управления, в которых каждому из объектов в за­висимости от его места в общей структуре предписан определенный уровень иерархии, такой, что уровнем ниже располагаются все компо­нуемые объекты, являющиеся составными частями данного объекта, а уровнем выше — объект, в который компонуемый объект входит как составная часть.

Такой подход можно рассматривать как структурную иерархию построения комплекса систем отображения информации и органов управления (КСОИ-ОУ).

В частности, применительно к структуре системы отображения информации такими иерархическими уровнями являются:

·       система отображения информации экипажу ЛА;

·       система отображения информации данному члену экипажа;

·       подсистема или группа средств отображения информации (индика­торов, сигнализаторов), относящихся к одной функциональной систе­ме, мнемосхема;

·       отдельный   индикатор    (комплексный   или   комбинированный);

·       указатель параметра.

Таким образом, в зависимости от состава экипажа и вида средств структура системы отображения информации ЛА может быть трех-, четырех- или пятиуровневой.

ВИДЫ   И  ФАКТОРЫ   КОМПОНОВКИ.

Применительно к компоновке рабочих мест экипажа изложенный выше общий подход позволяет выделить три вида компоновки, отли­чающихся между собой масштабами объектов компоновки (площадями и объемами организуемого пространства), а также принципами ком­поновки:

·       компоновка рабочих мест членов экипажа в кабине, в результате которой устанавливают взаимное размещение рабочих мест, а также расположение их относительно направления полета;

·       компоновка рабочего места члена экипажа — его приборной доски и пультов кабины (бортовых, потолочных, центрального), представляющая собой процесс размещения средств отображения информации и средств управления на рабочем месте;

·       компоновка в пределах одного многофункционального экранного (или комбинированного) индикатора, мнемоиндикатора или пульта (щитка) управления, одной мнемосхемы, сводящаяся к взаимному размещению шкал и указателей отдельных параметров на лицевой части индикатора, расположению сигнальных устройств (светосигнализаторов, бленкеров), органов управления (тумблеров, кнопок, клавиш и т. п.) на пульте управления или на мнемосхеме или, наконец, органов управления на комбинированных рычагах (штурвале).

Таким образом, первый вид компоновки представляет собой разме­щение членов экипажа в кабине — размещение активной части эргатической системы, а второй и третий виды компоновки связаны с проек­тированием технических средств.

Если компоновка первого вида является в основном объемной задачей, то при компоновке второго вида в первую очередь приходится решать задачу на плоскости (хотя при компоновке также учитывают длину средств СОИ-ОУ), а компоновка третьего вида, например лицевой части экранного индикатора, представляет собой исключительно плос­кую задачу.

Компоновку второго вида (технических устройств) обычно назы­вают "внешней", а компоновку третьего вида (в пределах одного уст­ройства) — "внутренней".

При проектировании эргатических систем экипаж - ЛА - среда приходится иметь дело со всеми указанными видами компоновки, причем учет их тесной взаимосвязи и взаимообусловленности является условием реализации системного подхода, обеспечивающего рациональ­ную компоновку. Все виды компоновки должны быть увязаны друг с другом, хотя они выполняются разными бригадами в ОКБ или разными ОКБ (например, разработка пультов управления систем).

С  другой  стороны, рациональная   компоновка  эргатической сис­темы может быть достигнута лишь при реализации рациональной компо­новки каждого вида для всех относящихся к нему элементов.

Разделение компоновки на три вида отражает объективно сущест­вующую иерархическую структуру, которая проявляется и в последова­тельности выполнения компоновки, и в связях, существующих между отдельными ее видами.

Характерной особенностью всех видов компоновки является не только единый системный подход, но и единый исходный, принцип компоновки: общий эргономический принцип максимального сниже­ния трудоемкости процессов контроля и управления.

Общими факторами, влияющими на все виды компоновки, яв­ляются:

·       геометрические параметры (соответственно кабины экипажа, рабо­чего места, индикатора или пульта);

·       состав (соответственно экипажа, КСОИ-ОУ, индицируемых парамет­ров или органов управления);

·       принципы компоновки.

В табл. 1 эти факторы конкретизированы для каждого вида ком­поновки.

 

Основные параметры СОИ: информационная емкость, быстродействие, изобразительная возможность, достоверность отображения, точность воспроизведения, надежность, мощностные, стоимостные и другие показатели.

В зависимости от условий работы, области применения и кон­кретного назначения СОИ и УОИ бывают универсальными или специализированными; работают в ускоренном, реальном или за­медленном масштабе времени; выдают информацию отдельным лицам, группам или коллективу пользователей; обладают возмож­ностью ведения диалога или нет; имеют с ЭВМ непосредственную связь или дистанционную; обеспечивают непосредственное ото­бражение информации или через промежуточный носитель; осу­ществляют вычислительные операции или нет; имеют внутреннюю память или нет; обладают определенными, операционными воз­можностями—выделение (отметка) части изображения, снятие отметок, стирание всего изображения или выборочное, указание на экране точки для записи изображения, вычерчивание линий, ввод и редактирование текста наложение одного вида информа­ции на другой и так далее. В зависимости от требований, предъявляемых к параметрам, которые определяются сложностью задач, выполняемых УОИ, работающих с ЭВМ, разделяют на три категории. Для каждой из категорий задаются соответственно высшие и низшие значения параметров. К основ­ным характеристикам УОИ кроме рассмотренных выше относят быстродействие, точность, информационную емкость, разрешаю­щую способность и надежность.

 

Быстродействие УОИ. Характеризует максимально возможный темп приема, отображениями смены информации. Одна из ха­рактеристик быстродействия УОИ — время воспроизведения зна­ка, измеряемое от момента поступления кодовой посылки до мо­мента полного образования знака в заданном месте экрана. Время воспроизведения знака составляет единицы и десятки микросекунд для устройств первой категории и десятки миллисекунд для уст­ройств третьей категории и зависит от типа УОИ, схемных реше­ний, элементов, применяемых в схеме, и вида индикаторных элементов. Оно связано со временем, отводимым на формирование и смену кадра. В устройствах отображения информации, позво­ляющих наблюдать за событиями в реальном масштабе времени, время воспроизведения кадра не превышает 20—30 мс. Такое вре­мя воспроизведения кадра свойственно в основном устройствам индивидуального пользования на ЭЛТ и обеспечивает отображе­ние информации без мелькания кадров.

Быстродействие систем отображения характеризуется време­нем вызова и временем обновления данных. Под временем вы­зова понимают время, измеряемое с момента подачи команды на отображение нужной информации до момента воспроизведе­ния ее УОИ. Это время определяется в основном временем вы­борки требуемой информации из памяти ЭВМ и временем вос­произведения ее на УОИ. Желательно, чтобы время вызова не превосходило 2—3 с. В противном случае ухудшаются условия оперативного принятия решения оператором. Кроме того, при уве­личении времени вызова значительно повышается вероятность того, что оператор может забыть, какие данные он запросил.

 

Точность. Воспроизводимая устройством отображения инфор­мация должна соответствовать входным данным. Точность вос­произведения информации должна быть не ниже точности обра­ботки ее техническими средствами, обеспечивающими ввод вход­ных данных. Особо высокие требования предъявляются, как пра­вило, к точности устройств индивидуального пользования, исполь­зуемых для количественной оценки информации, точных расче­тов, точных графических построений и т. п.

Так как точность считывания информации в значительной степени зависит от оператора, то требования, предъявляемые к точности УОИ, должны согласовываться с конкретными зада­чами, решаемыми системами, и возможностями оператора. Ис­ходя из этого, в устройствах, где информация в основном оце­нивается качественно, например, у многих УОИ коллективного пользования, требования к точности отображения менее жесткие.

Для УОИ свойственны систематические и случайные погреш­ности при отображении информации. Систематические по­грешности в большинстве случаев могут либо устраняться, либо учитываться с помощью поправочных таблиц и графиков. Случайные погрешности вызваны воздействием различных случайных факторов и исключить их невозможно.

 

Информационная емкость УОИ. Под информационной емкостью УОИ понимают максимальное количество информации, которое может быть на нем отображено. Значение информа­ционной емкости УОИ зависит от количества позиций в нем и числа символов в алфавите, закрепленном за позицией.

Если в УОИ для любой из позиций информационного поля используются алфавиты с одинаковым чис­лом символов, то информационная емкость (бит)

I_и=n Iog₂ m,                                                 (1)

где n — количество позиций, которые могут занимать в пределах информационного поля элементы отображения; m — число состоя­ний, в которых может находиться каждый элемент (длина алфа­вита).

Если в УОИ информационные поля используют алфавиты с различным числом символов, закрепленные за определенными группами позиций, то информационная емкость (бит)

I_и=Σn_ilog₂m_i, i=1..M,                                        (2)

Где М — число различных алфавитов, используемых в данном ин­формационном поле; n_i — число позиций, занимаемых символами i-гo алфавита; m_i— длина i-гo алфавита.

Количество информации, воспроизводимой УОИ, обычно не равно информационной емкости. Равенство возможно лишь в слу­чае, если для любой позиции информационного поля равновероят­но появление любого из символов алфавита, относящегося к ней.

Если появление символов алфавита длиной m равновероятно для любой из n позиций информационного поля, то количество отображаемой информации (бит)

I = -nSP_jlog2P_j, j=1..m,                                            (3)

где Р_j — вероятность появления j-го символа.

В случае, когда алфавиты различны для разных групп позиций, соотношение (3) принимает следующий вид

I=-Sn_iSP_jlog₂P_j.                                                (4)

Формулы (3) и (4) не учитывают статистических связей между появлением различных символов алфавита.

В ряде случаев пользуются понятием удельной информационной емкости I_ио, под которой понимают количество информации, приходящейся на единицу площади экрана. Информационная емкость экрана

I_и=I_иоS,                                                          (5)

где S — площадь экрана.

Рассмотрим примеры оценки информационной емкости:

а)   на экране УОИ    построчно  в  виде  текста    отображается  информация. Всего на экране помещается n=10³ знаков, причем алфавит содержит 32 рус­ские буквы, 10 арабских цифр, 5 арифметических знаков, и  13 знаков препинания. Информационная емкость экрана (бит)

I_и=10³log₂60 = 5,907*10³;

б)   число точек, образующих полный растр изображения на экране ЭЛТ, л=5*10⁵. Оператор различает восемь ступеней яркости изображения. Информа­ционная емкость экрана (бит)

I_и = 5*10⁵log₂8=15*10⁵.

Для обзорных экранов коллективного пользования число зна­ков N₃, отображаемых на квадратном экране со стороной L, может быть ориентировочно определено по формуле

N₃=(D/L)^-2*10⁵,                                                  (6)

где D — расстояние считывания.

Зависимость N₃=f(D/L) показана на рис. 1. Предполагает­ся, что оператор, занимая фиксированное положение, может без напряжения рассматривать экран, угловой размер которого 50°. Из соотношения (6) следует, что при L=D объем информации на экране N_з=l0⁵ знаков, что соответствует относительному размеру символа 1:300. Такой объем информации на экране позволяет ре­шать любые задачи, предъявляемые к УОИ при его работе в слож­ной системе.

Разрешающая способность УОИ. Это один из важнейших пока­зателей его эффективности и характеризует способность устройст­ва воспроизводить мелкие детали. В качестве количественной меры разрешающей способности используют число телевизионных линий либо число пар оптических линий (линия-промежуток), приходя­щихся на 1 мм или 1 см. Разрешающая способность связана с остротой зрения. Если разрешающая

                                           

Рис. 1. Зависимость числа знаков от отношения расстояния считывания к стороне квадратного экрана.

способность устройства ото­бражения чрезмерно высока, то оператор не сможет воспринимать многие детали изображения, в то время как сложность УОИ будет большой. С другой стороны, низкая разрешающая способность ограничивает возможности воспроизведения большого количества информации и повышения точности устройства.

Правильность решений оператора в значительной степени зави­сит от полноты и достоверности полученной информации.

 

Надежность УОИ. Эффективность использования сложной си­стемы существенно зависит от надежности УОИ. В качестве коли­чественных характеристик надежности УОИ используют вероят­ность безотказной работы, интенсивность отказов, среднее время безотказной работы, частоту отказов, наработку на отказ и т. д. Очевидно, эти характеристики могут использоваться в предполо­жении, что УОИ должны находиться либо в работоспособном со­стоянии, либо в состоянии полного отказа, т. е. они рассматрива­ются как простые системы.

Однако в большинстве случаев УОИ при отказе одного или не­скольких элементов продолжают функционировать, отображая информацию в полном объеме или частично (это связано с их струк­турной избыточностью) непосредственно для человека, считываю­щего и использующего ее для решения конкретных задач.