Способ моделирования психофизиологических эффектов в тренажере и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2369909:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования РФ Пензенская государственная технологическая академия (RU)
Изобретение относится к области тренажерной техники и направлено на обеспечение возможности воспроизведения психофизиологических ощущений, возникающих у обучающегося оператора, при определенных режимах работы транспортных средств, а именно: состояние укачивания, болевых ощущений, страха, эйфории, утомления. Этот результат обеспечивается за счет того, что в реальном времени вычисляют параметры поведения объекта, синтезируют N физических эффектов и преобразуют их в ощущения пространственного движения, визуальной внутрикабинной и внекабинной информации, слуховой, тактильно-кинестетической информации. При этом, согласно изобретению, с пульта инструктора производят синтезирование в информационных каналах пораздельно или в комплексной взаимосвязи инфразвуковых колебаний и воздействуют на оператора частотой и интенсивностью, при которых возникают ощущения страха, эйфории, утомления, укачивания и болевых ощущений, при этом кабину тренажера с рабочим местом оператора, с источником и анализатором инфразвука помещают в акустический демпфер. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к тренажерной технике, в частности к способам моделирования у операторов в тренажерах психофизиологических эффектов по физиологическому влиянию наиболее схожих с ощущениями на реальном объекте и может быть использовано для обучения экипажей транспортных средств, операторов энергетических и стратегически важных объектов, а также при подготовке персонала, профессиональная или иная деятельность которых сопряжена с нервно-психологическим напряжением и где повышены требования к эмоционально-волевым качествам, памяти, восприятию, психической и психологической выносливости.
В настоящее время известен ряд способов и средств моделирования психофизиологических эффектов в тренажере визуальной иллюзии, акселерационных ощущений [1, 2], слуховой информации [3], ставящих основной целью создание у операторов физических эффектов, сопровождающих ощущения пространственного движения, зрительной внекабинной и внутрикабинной информации, слуховой (шумовой, речевой) информации. Так, устройство [1], реализующее известный способ моделирования визуальных и акселерационных ощущений, содержит имитатор визуальной информации (неподвижный макет местности), имитатор акселерационных эффектов (подвижная модель транспортного средства), органы управления. Устройство [3], реализующее способ звуковых ощущений, содержит имитатор шумов, в состав которого входит звуковоспроизводящая аппаратура для создания потока звуковых колебаний в диапазоне частот, воспринимаемых органами слуха человека.
Основным недостатком известных способов является отсутствие воспроизведения психофизиологических ощущений, возникающих у обучающегося оператора при определенных режимах работы имитируемого объекта, например:
- при движении автомобиля со скоростью 100-120 км/час возникают не только вибрации с частотами 0,2-20 Гц, но и срыв потока воздуха позади автомобиля, рождающий инфразвук. Вращение колес возбуждает вертикальные колебания кузова автомобиля с частотами около 10 Гц. Неровности дорожного полотна вызывают колебания в диапазоне 0,5-11 Гц, вибрация двигателя 11-17 Гц и т.д. Интенсивность колебаний достигает 100-115 дБ. При длительной езде на большой скорости воздействие инфразвука снижает быстроту зрительной реакции водителя, особенно реакции на дорожные сигналы и на усложнения дорожной обстановки, нарушает координацию его действий при управлении автомобилем. У водителя возникают примерно такие же явления, что и при опьянении или морской болезни [4];
- затуманивания зрения, судорожное подергивание глазного яблока, нарушение чувства равновесия, усталость, нередко даже страх. Исследования показали, что аналогичные явления возникают в ряде случаев у водителей грузовых автомобилей, тракторов, самоходных машин и летательных аппаратов [4 - стр.31];
- турбулентность атмосферы, вызывающая вибрацию самолета со знакопеременными перегрузками, возникающими при сгибании складок местности и наземных препятствий, а также влияние инфразвукового поля на летчика, полученного при движении самолета в турбулентной атмосфере [5 - стр.178]. Длительное действие полета в турбулентной атмосфере может вызвать так называемую воздушную болезнь или укачивание. Причем наиболее важны замаскированные симптомы, такие как головокружение, вялость, безразличие, снижение продуктивности памяти и мышления, влияющие на дееспособность летчика.
- ощущения морской болезни, вялости и других симптомов у водителей катеров. Катер с двигателем мощностью 400 л.с. при поступлении во всасывающее отверстие карбюратора потока воздуха создает инфразвук 134 дБ на частоте 13 Гц [6];
- болевое ощущение в ушах водителей и пассажиров в троллейбусе, при работе компрессора воздушного тормоза [7].
Данные виды информации играют важную роль при обучении экипажа на тренажере, так как по ним он судит о текущем состоянии и местонахождении имитируемого транспортного средства и где необходимо проявить волевые усилия обучающегося персонала, чтобы, несмотря на все отрицательные симптомы, проявившиеся в данной ситуации, задание было выполнено на должном уровне. Все указанные особенности вызывают нервно-психологическое напряжение у операторов, повышают требования к его эмоционально-волевым качествам, памяти, восприятию, мышлению, физической и психологической выносливости.
Известен другой способ и средства моделирования психофизиологических эффектов в тренажере, реализованные в устройстве [8] и выбранный в качестве прототипа, согласно которому вычисляют в реальном времени параметры движения (поведения) объекта, синтезируют в информационных каналах психофизиологические эффекты и преобразуют их в ощущения пространственного движения, зрительной внутрикабинной и внекабинной информации, слуховой (шумовой, речевой), тактильно-кинестетической (от органов управления) в комплексной взаимосвязи, сопровождающие работу управляемого объекта с имитатора движения (параметров поведения объекта). Устройство [8], реализующее способ моделирования психофизиологических эффектов в тренажере, содержит имитатор акселерационных воздействий (кабина оператора, механически связанная с блоком имитации движения объекта, блок коммутации имитатора движения), имитатор зрительной внекабинной информации (узел индикации движения на местности), имитатор слуховой информации (узел звуковой индикации), имитатор зрительной внутрикабинной информации (приборная информация: указатель давления масла, блок сигнализации о подготовке к запуску, блок сигнализации о съезде с маркерной линии и т.п.), имитатор тактильно-кинестетической информации (имитатор органов управления: рычаг включения приводной шестерни муфты сцепления, педаль подачи топлива, рычаг управления топливным насосом, рычаг переключения передач, включатель массы стартера и т.п.), имитатор параметров поведения объекта (узел управления, блок выбора режима имитации, блок диагностики правильности перехода от пускового к основному движению, электрический генератор инфранизкой частоты, частотно - управляемой генератор импульсов, анализатор готовности к запуску, интегрирующий усилитель), пульт инструктора (информационное табло).
К недостаткам известного тренажера относятся: неполное воспроизведение информации, воспринимаемой оператором, например, в реальном полете. Это объясняется тем, что из-за конструктивных и динамических ограничений исполнительных приводов современных имитаторов акселерационных воздействий невозможно воспроизводить перемещения с амплитудами, выходящими за указанные пределы, при которых синтезируются инфразвуковые колебания той интенсивности и частоты, как на реальном объекте. В случае же масштабирования (уменьшения), по сравнению с реальным, величины воспроизводимого сигнала во всем диапазоне часть полезной информации восприниматься органами чувств оператора не будет, т.к. станет ниже порога их чувствительности. Кроме того, современные имитаторы слуховой, шумовой, речевой информации также не способны создать те ощущения, которые испытывает оператор в реальных объектах, т.к. указанные имитаторы предназначены только для воспроизведения тех диапазонов частот, которые воспринимаются органами слуха человека (свыше 20 Гц).
При использовании указанной совокупности признаков известного способа и устройства в тренажерах транспортных средств невозможно полно воспроизвести те ощущения, которые возникают на реальном объекте, например при движении реального транспортного средства с определенной скоростью по неровной дороге возникают инфразвуковые колебания с частотами в диапазоне от 0,2 до 20 Гц, вибрация двигателя создает инфразвуковые колебания в диапазоне от 11 до 17 Гц, с интенсивностью 100-115 дБ. В связи с этим у водителя появляются следующие симптомы: чувство морской болезни, снижается быстрота зрительной реакции, особенно реакции на дорожные сигналы и на усложнения дорожной обстановки, нарушается координация движений при управлении транспортным средством [4 - стр.31].
Кроме того, в известном способе и устройстве инструктор (преподаватель) играет пассивную роль, квалифицируя правильность или неправильность режима обучения, не имея возможности в процессе выполнения тренировок оператором вводить штатные программы возмущающих воздействий, например:
- воспроизведения ощущения психофизиологического дискомфорта в виде страха, возникающего на реальном объекте в аварийных ситуациях. Ощущение страха зачастую проявляется в экстремальных условиях полета, например, в турбулентной атмосфере. Турбулентная атмосфера наблюдается на малых высотах полета. А малые высоты и большие скорости придают полетам свои особенности, основными из которых являются близость земли, существенно увеличивающая риск полета, своеобразие самолетовождения: специфика пилотирования и воздействие внешних факторов. Более строгое, чем в других видах полета выдерживание высоты диктуется соображением безопасности, ибо превышение необходимой высоты увеличивает возможность обнаружения летательного аппарата радиолокационными средствами, а уменьшение ее вызывает опасность столкновения с препятствием на земле. Другой отличительной особенностью пилотирования является характер переключения внимания. Если в полетах на больших высотах на просмотр внекабинных ориентиров затрачивается около 5% общего времени полета, то на малых высотах - до 90% [9 - стр.83]. Кроме того, на процесс пилотирования дополнительно накладывается влияние инфразвукового поля, полученного при движении самолета в турбулентной атмосфере [5 - стр.178]. Длительное действие перечисленных факторов может вызвать так называемую воздушную болезнь или укачивание. Причем наиболее важны замаскированные симптомы ее: головокружение, вялость, безразличие, снижение продуктивности памяти и мышления, влияющие на дееспособность летчика. Данные виды информации в сочетании с ощущением страха, играют важную роль при обучении экипажа на тренажерах. В такой ситуации необходимо волевое усилие обучающегося, чтобы, несмотря на все отрицательные симптомы, задание было выполнено на должном уровне;
- воспроизведение психофизиологического дискомфорта в виде ощущения болей в ушах обучающегося летчика при частичной разгерметизации кабины, при повышении или понижении давления воздуха в кабине летательного аппарата;
- воспроизведение психофизиологических эффектов в форсированном режиме, когда есть необходимость создать те или иные ощущения незамедлительно.
Все указанные особенности вызывают нервно-психологическое напряжение у оператора, повышают требования к его эмоционально-волевым качествам, памяти, восприятию, мышлению, физической и психологической выносливости [10].
Техническим результатом предполагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей тренажера за счет воспроизведения психофизиологических ощущений, возникающих у обучающегося оператора при определенных режимах работы транспортных средств, а именно: состояние укачивания, болевых ощущений, утомления, страха, эйфории и т.п.
Это достигается тем, что согласно способу моделирования психофизиологических эффектов в тренажере, заключающемуся в том, что в реальном времени вычисляют параметры движения объекта, синтезируют в информационных каналах психофизиологические эффекты и преобразуют их в ощущения пространственного движения, зрительной внутрикабинной и внекабинной информации, звуковой (шумовой, речевой), тактильно-кинестетической (органы управления) информации, сопровождающие работу управляемого объекта с имитатора параметров поведения объекта, дополнительно вычисляют в реальном времени параметры движения объекта, при которых происходит синтезирование в информационных каналах инфразвуковых колебаний, по частотному и энергетическому спектру адекватных колебаниям на реальном объекте, и преобразуют их в ощущения страха, состояния укачивания, болевых ощущений, утомления, эйфории и т.п.
Для воспроизведения психофизиологических ощущений состояния укачивания, болевых ощущений, утомления, страха, эйфории и т.п. в форсированном режиме пораздельно или в определенной (комплексной) взаимосвязи производят синтезирование в информационных каналах с пульта инструктора инфразвуковых колебаний, воздействуют на обучающегося оператора частотой и интенсивностью, адекватной частотному и энергетическому спектру колебаний, при которых у оператора проявляются эти ощущения, находясь на реальном объекте.
Для ограничения неблагоприятного воздействия инфразвука на окружающую обстановку рабочее место оператора с источником инфразвука помещают в акустический демпфер.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующая предложенный способ моделирования психофизиологических эффектов в тренажере.
На фиг.2 приведен вариант технической реализации моделирования ощущений укачивания, утомления, эйфории, болевых ощущений и т.п.
На фиг.3 показан вариант технической реализации источника инфразвука.
На фиг.4 показан вариант технической реализации демпфера инфразвуковых колебаний.
Устройство для реализации способа моделирования психофизиологических эффектов в тренажере (фиг.1) содержит имитатор 1 параметров поведения объекта, пульт 2 инструктора, имитатор 3 акселерационного воздействия, имитатор 4 слуховой информации, имитатор 5 зрительной внекабинной информации, имитатор 6 зрительной внутрикабинной информации, имитатор 7 тактильно-кинестетической информации, генератор 8 инфранизкочастотных колебаний, регулируемый усилитель 9 интенсивности инфранизкочастотных колебаний, источник 10 инфразвука, анализатор 11 инфразвуковых колебаний, рабочее место оператора 12, демпфер 13 инфразвуковых колебаний.
Вход имитатора 3 акселерационного воздействия электрически связан с помощью шины 14 данных с первым выходом имитатора 1 параметров поведения объекта.
Вход имитатора 4 слуховой информации электрически связан с помощью шины 15 данных со вторым выходом имитатора 1 параметров поведения объекта.
Вход имитатора 5 зрительной внекабинной информации электрически связан с помощью шины 16 данных с третьим выходом имитатора 1 параметров поведения объекта.
Вход имитатора 6 зрительной внутрикабинной информации электрически связан с помощью шины 17 данных с четвертым выходом имитатора 1 параметров поведения объекта.
Вход имитатора 7 тактильно-кинестетической информации электрически связан с помощью шины 18 данных с пятым выходом имитатора 1 параметров поведения объекта, а электрический выход имитатора 7 связан с помощью шины 19 данных с первым входом имитатора 1 параметров поведения объекта.
Первый вход усилителя 9 электрически связан, с помощью шины 20 данных с шестым выходом имитатора 1 параметров поведения объекта.
Второй вход усилителя 9 электрически связан с помощью шины 21 данных с выходом генератора 8.
Третий вход усилителя 9 электрически связан с помощью шины 22 данных с анализатором 11.
Выход усилителя 9 электрически связан с помощью шины 23 со входом источника 10 инфразвуковых колебаний.
Вход генератора 8 электрически связан с помощью шины 24 данных с седьмым выходом имитатора 1 параметров поведения объекта.
Выход пульта 2 инструктора электрически связан с помощью шины данных 25 со вторым входом имитатора 1 параметров поведения объекта.
Вход пульта 2 инструктора электрически связан с помощью шины 26 данных с восьмым выходом имитатора 1 параметров поведения объекта.
Рабочее место оператора 12 механически связано с имитатором 3 акселерационного воздействия, акустически связано с имитатором 4 слуховой информации и с источником 10 инфразвука, визуально связано с имитаторами 5, 6 зрительной внекабинной и внутрикабинной информации, тактильно-кинестетически связано с имитатором 7 тактильно-кинестетической информации.
Анализатор 11 акустически связан с источником 10 инфразвука.
Кабина тренажера с рабочим местом оператора 12, анализатором 11, источником 10 инфразвука помещены в демпфер 13 инфразвуковых колебаний.
Устройство для реализации способа моделирования психофизиологических эффектов в тренажере работает следующим образом.
В процессе выполнения тренировочного задания оператор 12 воздействует на органы управления, расположенные в имитаторе 7. При этом электрические сигналы, сформированные в имитаторе 7 по шине 19 данных, поступают на первый вход имитатора 1 параметров поведения объекта. Имитатор 1 представляет собой комплекс вычислительных и программных средств, с помощью которых обеспечивается решение уравнений для моделирования в реальном масштабе времени работы имитатора поведения объекта, например транспортного средства, вычисление динамических, аэродинамических и других коэффициентов, кинематических соотношений, логических и дифференциальных уравнений, описывающих динамику поведения имитируемого объекта и его бортовых систем.
По сигналам, полученным с имитатора 7 тактильно-кинестетической информации, имитатор 1 синтезирует параметры режима движения и по шинам 14…18, 20, 24, 26 данных воздействует на имитаторы 3…7, пульт 2 инструктора, генератор 8 инфранизкочастотных колебаний, усилитель 9 интенсивности колебаний. В ответ на эти сигналы имитатор 3 акселерационного воздействия по программе синтеза имитации ощущения движения с помощью динамического стенда воздействует на оператора 12 и создает у него иллюзию пространственного перемещения.
Имитатор 4 слуховой информации по сигналам, полученным из имитатора 1, синтезирует звуковые сигналы и воздействует на органы слуха оператора 12, создавая у него иллюзию о работе двигателей, агрегатов внутреннего оборудования, имитируемого объекта, шумовой внекабинной обстановки и т.п.
Имитатор 5 зрительной внекабинной информации по сигналам, полученным из имитатора 1, преобразует их в информацию, пригодную для ввода в устройство генерации изображения внекабинной обстановки, создавая у оператора 12 иллюзию зрительного присутствия и движения в некотором пространстве, подобном реальному пространству.
Имитатор 6 зрительной внутрикабинной информации по сигналам, полученным из имитатора 1, выдает оператору 12 информацию о положении имитируемого объекта в пространстве с помощью приборов и индикаторов, на которых отражаются значения параметров движения транспортного средства.
Имитатор 7 тактильно-кинестетической информации по сигналам, полученным из имитатора 1 обеспечивает реалистические характеристики ощущения усилий на органах управления.
Пульт 2 инструктора по сигналам, полученным из имитатора 1, выдает инструктору информацию о работе систем имитируемого объекта, действиях оператора 12 в текущий момент времени, по которым в дальнейшем дается объективная оценка о его профессиональной подготовке. В процессе выполнения тренировочного задания инструктор, не предупреждая оператора 12, вводит с пульта 2 на второй вход имитатора 1 различные аварийные внештатные ситуации, которые могут иметь место на реальном объекте.
Источник 10 инфразвука преобразует электрические сигналы, поданные на его вход с регулируемого усилителя 9 интенсивности инфранизкочастотных колебаний в акустические волны. Частота и интенсивность этих колебаний определяется состоянием электрических сигналов на входе генератора 8 и первом входе усилителя 9 и характеризует обстановку имитируемого объекта.
Анализатор 11 осуществляет непрерывный контроль временных, энергетических и частотных характеристик инфразвуковых колебаний источника 10. При достижении или превышении предельного значения уровня интенсивности инфразвука формируется аварийный сигнал, который подается на третий вход усилителя 9 и уменьшает коэффициент усиления до безопасного значения.
Для ограничения воздействия инфразвука на окружающую обстановку кабину тренажера с местом оператора 12, анализатором 11 с источником 10 помещают в акустический демпфер 13.
Для имитации психофизиологических воздействий на оператора 12 тренажера транспортных средств используются следующие параметры, характеризующие фазовое состояние имитируемого объекта и параметры вычислительного процесса в имитаторе 1 параметров поведения объекта.
В таблице 1 в качестве примера приведены параметры, характеризующие фазовое состояние имитируемого объекта и параметры вычисленного процесса в имитаторе 1, при которых проявляются у оператора 12 такие психофизиологические ощущения, как укачивание, боль, утомление, страх, эйфория и т.п. с указанием источника информации, подтверждающего эти ощущения. На фиг.2 приведена структурная схема моделирования вышеуказанных ощущений на примере автомобильного транспорта.
1. Автомобильный транспорт
νа - троекторная скорость автомобиля в текущий момент времени [км/час];
Апол - признак включения состояния дорожного полотна [Апол=0 - не включено,
Апол=1 - включено];
Sпол - заданный процент неровностей дорожного полотна [%];
fкаб - частота вертикальных колебаний кузова автомобиля [Гц];
fдв - частота вибрации двигателя [Гц];
Vдв - рабочий объем двигателя [см3];
С - признак состояния окон кузова автомобиля [С=0 - закрыты, С=1 - открыты];
tзад - время выполнения тренировочного задания [час].
2. Летательный аппарат
νла - траекторная скорость летательного аппарата в текущий момент времени [км/сек];
Втур - признак включения турбулентности [Втур=0 - не включен, Втур=1 - включен];
Tтур - заданный процент турбулентности [%];
Pкаб - давление воздуха в кабине летательного аппарата [атм];
tзад - время выполнения тренировочного задания [час].
3. Катер
Mдв - мощность двигателя [л.с.];
D - признак поступления во всасывающее отверстие карбюратора потока воздуха [D=0 - не поступает, D=1 - поступает];
tзад - время выполнения тренировочного задания [час].
4. Троллейбус
Мквт - признак включения компрессора воздушного тормоза [Мквт=0 - не включен, Мквт=1 - включен];
tзад - время выполнения тренировочного задания [час].
5. Все виды транспортных средств
Fинф - частота инфразвуковых колебаний, синтезируемая транспортным средством [Гц];
Lинф уровень интенсивности инфразвуковых колебаний [дБ];
6. Психофизиологические параметры
αук; βбол; γут; δстр; εэйф - признаки, соответственно характеризующие ощущения укачивания, боли, утомления, страха, эйфории.
ПРИМЕЧАНИЯ:
1. Укачивание (αук) или морская болезнь - болезненное состояние, возникающее у человека во время качки на море, при "болтанке" самолетов и выполнении сложного пилотажа (воздушная болезнь), при быстрой езде по извилистой, неровной дороге. Обусловлено длительным раздражением вестибулярного аппарата, внутреннего уха, а также воздействием на вегетативную нервную систему импульсов, возникающих в этих условиях во внутренних органах [10]. Симптомы: чувство усталости (резкая слабость), головокружение, головная боль, тошнота, рвота, холодный пот, бледность кожного покрова, а в тяжелых случаях полная прострация (изнеможение), безотчетный страх [11, 12 - стр.529, 530].
2. Боль (βбол) - психическое состояние, возникающее в результате сверхсильных воздействий на организм при угрозе его существованию и целостности. С точки зрения эмоционального переживания болевое ощущение имеет гнетущий и тягостный характер, служит стимулом для разнообразных оборонительных реакций, направленных на устранение внешних или внутренних раздражителей, обусловивших возникновение этого ощущения [13 - стр.43, 44].
3. Утомление (γут) - временное снижение работоспособности. Умственное утомление характеризуется снижением продуктивности труда, падением внимания, трудностью сосредоточения, замедленностью мышления. Физическое утомление характеризуется снижением мышечной работоспособности, замедлением движения, падением интенсивности работы, нарушением точности, согласованности, ритмичности, координации [12 - стр.935-938]. Одной из форм проявления утомления является сонливость.
Сонливость - состояние организма, при котором почти прекращаются его активные связи с внешним миром, наблюдается замедление ряда функциональных процессов [12 - стр.845].
4. Страх (δстр) - эмоция, возникающая в ситуациях угрозы биологическому существованию индивида и направленная на источник действенной или воображаемой опасности. В зависимости от характера угрозы интенсивность и специфика переживания страха варьирует в достаточно широком диапазоне оттенков (опасение, боязнь, испуг, ужас). Если источник опасности является неопределенным или неосознанным, возникающее состояние называется тревогой. Фундаментально страх служит предупреждением субъекта о предстоящей опасности, позволяет сосредоточить внимание на ее источнике, побуждает искать пути ее избегания. В случае, когда страх достигает силы аффекта (панический страх, ужас), он способен навязать стереотипы поведения (бегство, оцепенение, защитная агрессия). Сформировавшаяся реакция страха является сравнительно стойкой и способна сохраняться даже при понимании их бессмысленности [13 - стр.386]. Одной из форм проявления страха является тревога.
Тревога - эмоциональное состояние, возникающее в ситуациях неопределенной опасности и проявляющееся в ожидании неблагополучного развития событий. В отличие от страха, как реакции на конкретную угрозу, тревога представляет собой генерализованный, диффузный или беспредметный страх. Функционально тревога не только предупреждает субъект о возможной опасности, но и побуждает к поиску и конкретизации этой опасности [13 - стр.407].
5. Эйфория - (εэйф) - повышенное радостное, веселое настроение, состояние благодушия и беспечности, не соответствующее ее объективным обстоятельствам, при котором наблюдается мимическое и общее двигательное оживление, психомоторное оживление [13 - стр.455].
| Вид имитируемого объекта | Фазовые параметры имитатора параметров поведения объекта | Частотный и энергетический спектр, синтезируемый имитируемым объектом | Признаки, характеризующие ощущения оператора | Источник информации, подтверждающий это ощущение |
| Автомобиль | νа=80…90 | Fинф=2…16 | αук; γут | [4] - стр.36 |
| Vдв=1000 | ||||
| С=0 | Lинф=108 | |||
| tзад>0 | ||||
| νа=80…90 | Fинф=2…16 | αук; βбол; γут | [4] - стр.31, 36 | |
| Vдв=1000 | ||||
| C=1 | Lинф=117 | |||
| tзад>0 | ||||
| νа=100…120 | Fинф=0,5…11 | αук; γут; δстр | [4] - стр.31 | |
| fкаб=10 | ||||
| Sпол>0 | Lинф=100…115 | |||
| fдв=11…17 | ||||
| tзaд>0 | ||||
| νa=100…200 | - | εэйф | [4] - стр.31 | |
| Катер | Мдв=400 | Fинф=13 | - | [6] - стр.162 |
| D=1 | Lинф=134 | |||
| Троллейбус | Мквт=1 | - | δстр | [5], [14] - стр.82 |
| Самолет | νла>0 | Fинф=2…15 | αук; γут; δстр | [4] - стр.28 [5] - стр.178 |
| Втур=1 | ||||
| Ттур>0 | Lинф=95…105 | |||
| tзад>0 | ||||
| Ркаб≠1 | Fинф=10 Гц | βбол | [4] - стр.7 | |
| Lинф=f(Pкаб) |
Следует отметить, что таблица не в полной мере отражает реальную картину возникновения ощущений при различных условиях движения транспортного средства, это зависит, в первую очередь, от недостаточной базы данных динамических и инерционных характеристик объекта, на которые можно положиться при моделировании этих ощущений. Заявленный способ даст оптимальные результаты лишь в том случае, если будут дополнительно исследованы и уточнены ряд параметров динамики движения транспортных средств с одновременным измерением и регистрацией временных, частотных и энергетических характеристик спектра инфразвуковых колебаний и полученные при этом ощущения. Все это в конечном итоге будет способствовать укреплению доверия к тренажеру в целом, подтверждая правильность его характеристик.
В процессе выполнения учебного задания оператором 12 тренажера автомобильного транспорта (фиг.2), с выхода имитатора 1 по шинам 20, 24 поступает на генератор 8 и первый вход усилителя 9 поток информации, отражающий фазовое состояние имитируемого объекта. Информация может быть выражена как в аналоговом, так и в цифровом виде.
Генератор 8 инфранизкочастотных колебаний предпочтительнее выполнить на микросхеме КМ1813 ВЕ1 [15], представляющий собой микроэлектронную систему обработки данных на цифровых процессорах с устройством аналогового ввода-вывода. Функциональную схему микросхемы условно разделяют на три составные части: аналогового или цифрового ввода-вывода, устройство цифровой обработки и память команд. Набором программ может быть охвачен широкий круг задач цифровой или аналоговой обработки сигналов с имитатора 1, в том числе и синтезирование сигналов инфранизкочастотного диапазона. С выхода генератора 8 сигнал в аналоговом виде или в его цифровом эквиваленте по шине 21 поступает через второй вход усилителя 9 интенсивности инфранизкочастотных колебаний в источник 10 инфразвука. В качестве усилителя 9 может быть использован усилитель переменного тока общего назначения фирмы Врюль и Кьер (модель 2708) [16], работающий в диапазоне частот от 0,1 Гц до 20 Гц. Необходимая мощность усилителя 9 устанавливается по сигналам, поданным на его первый вход и схемы управления, входящей в состав усилителя. Источник 10 инфразвука в такт с изменяющимся током усилителя 9 синтезирует инфразвуковые колебания. Идеальным источником 10 инфразвука является преобразовать в виде абсолютно жесткого и невесомого поршня. Сейчас уже разработаны несколько типов акустических излучателей - механических, гидравлических, гидропневматических - с плоскими или цилиндрическими мембранами [4 - стр.52, 53, рисунки 13, 14]. Однако указанные излучатели весьма далеки от этого идеала, так как жесткость их диафрагмы (диффузора) конечна и массой их подвижной системы пренебречь нельзя. В результате появляются нелинейные искажения и ограничения интенсивности излучения в области крайне низких частот. Стремясь приблизиться к идеалу, ученые и конструкторы создали ряд нетрадиционных источников инфразвука различного принципа действия. Наиболее приемлемым для заявленного способа и устройства является источник инфразвука, выполненный в виде магнепланарного типа [17]. Магнепланар (фиг.3) представляет собой плоскую полимерную диафрагму 27, которая крепится на прямоугольный жесткий каркас 28 (рама из дерева, металла и пластика) и приводится в движение электромагнитными силами. На диафрагму 27 в виде меандра наклеены алюминиевые проводники 29, они ориентированы параллельно боковой стороне каркаса 28. Расстояние между соседними отрезками проводника постоянно и равно заданной величине для данного диапазона частот (от 0,1 до 16 Гц). Параллельно диафрагме на расстоянии от 0,5 до 1,3 мм расположены полосовые магниты 30. Магниты 30 имеют форму сильно удлиненных параллелепипедов, ширина которых меньше расстояния между отрезками проводников 29. Диафрагма 27 помещена перед магнитами 30 так, что каждый длинный отрезок проводника 29 находится против зазора между магнитами 30. Магниты 30 закреплены на жестком магнитопроводе так, что их полярности чередуются. При подключении проводника 29 диафрагмы к источнику 9 ток в каждом удлиненном отрезке взаимодействует с магнитным полем магнита 30 и приводит в движение проводник 29 с током вдоль оси, перпендикулярной плоскости магнепланара. В соседних витках ток течет в противоположных направлениях. Поскольку полярность магнитов чередуется, то чередуется и направление витков магнитной индукции в зазорах. Поэтому сила, действующая на каждый проводник 29, в некоторый момент времени направлена вдоль оси, перпендикулярной плоскости магнепланаров в одном направлении, и, следовательно, все точки поверхности диафрагмы 27 движутся в одной фазе. При прохождении по проводнику 29 сигнала инфразвуковой частоты диафрагма 27 колеблется в такт с изменяющимся током. Колебания диафрагмы 27, в свою очередь, порождают инфразвуковые колебания. Особенностью магнепланаров является то, что возбуждающая сила так распределена по поверхности диафрагмы 27, что для каждого поддиапазона частот обеспечивается оптимальный режим воспроизведения. Плоская конструкция и малая толщина (от 8 до 44 мм) легко может быть размещена в кабине оператора 12, не нарушая общего интерьера имитационной модели имитируемого средства. В кабине оператора 12 с источником 10 инфразвука находится анализатор 11 инфразвуковых колебаний (модель 2031 фирмы Брюль и Кьер), предназначенный для автоматического определения энергетического спектра инфразвука в частотном диапазоне от 0,01 до 20 Гц и интенсивности до 166 дБ. Время, затрачиваемое на определение энергетического спектра частот не превышает 200 мс. Прибор 2031 содержит цифровую клавиатуру, с помощью которой вводятся пороговые значения контролируемых процессов, при совпадении или превышении последних формируются аварийные сигналы, которые по шине 22 подаются на третий вход усилителя 9 и уменьшают коэффициент усиления до безопасного значения.
На фиг.4 показана простая конструкция инфразвукопоглощающей панели [4 - стр.44, рисунок 11], служащей для ограничения интенсивности инфразвука на окружающую обстановку. Инфразвукопоглощающая панель (демпфер инфразвуковых колебаний) состоит из корпуса 31, на котором с помощью каркаса 32 крепится жесткая панель 33 с упругим воротником 34, сплошным по периметру панели 33. Корпус 31 демпфера 13 размещают перпендикулярно фронту распространения инфразвуковой волны (на фиг.4 показан штрихпунктирной линией) под кабиной 35 тренажера. Демпфер 13 представляет собой колебательную систему с одной степенью свободы. Роль массы выполняет панель 33, а упругость системы складывается из упругости воздушного зазора 36 между панелью 33 и каркасом 32 и упругости элементов подвески системы. Энергия инфразвуковых колебаний воздуха расходуется на отклонение панели 33 от равновесного состояния. Поглощение инфразвука в этом случае происходит в результате изгибных колебаний панели 33 за счет внутреннего трения, а также потерь энергии в воздушном промежутке 36. Наибольших значений коэффициент звукопоглощения достигает в области резонансных частот системы, которая зависит от массы панели 33 и воздушного зазора 36.
На основании проведенных патентных исследований не обнаружено технических решений с совокупностью признаков и решаемых задач идентичных с заявленным устройством, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию изобретения «неочевидность».
Таким образом, предложенный способ моделирования психофизиологических эффектов в тренажере и устройство для его реализации позволит расширить функциональные возможности обучающих систем за счет воспроизведения дополнительных психофизиологических ощущений, возникающих у оператора при определенных режимах работы имитируемого объекта, а именно: состояния укачивания, утомления, страха, болевых ощущений, эйфории и т.п.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1401503, G09B 9/04, аналог.
2. Патент ЧССР N 168079, G09B 9/08, аналог.
3. Авторское свидетельство СССР N 940202, G09B 23/14, аналог.
4. Е.Е.Новогрудский и др. "Инфразвук: враг или друг?", г.Москва, "Машиностроение", 1989 г.
5. И.Г.Хорбенко "Звук, ультразвук, инфразвук", г.Москва, "Знание", 1986 г., стр.178, 2-6 строки снизу.
6. Г.Чедд, "Звук", г.Москва, "Мир", 1975 г., стр.162.
7. Большая Советская Энциклопедия, том 18, второе издание, г.Москва, "Советская Энциклопедия", стр.331, 332.
8. Авторское свидетельство СССР N 678501, G09B 9/04, прототип.
9. Б.Л.Покровский "Летчику о психологии", г.Москва, Военное издательство министерства обороны СССР, 1974 г., стр.83.
10. Н.Ф.Измеров и др. "Инфразвук как фактор риска здоровью человека (гигиенические, медико-биологические и патогенетические механизмы), г.Воронеж, Воронежский государственный университет, 1998 г.
11. Большая Советская Энциклопедия, том 26, 1977 г., стр.532.
12. Бакулев А.Н., Петров Ф.Н. "Популярная медицинская энциклопедия", г.Москва, "Советская Энциклопедия", 1965 г.
13. Психология. Словарь. Под общей редакцией А.Б.Петровского, М.Г.Ярошевского, 2-е издание, г.Москва, "Политиздат".
14. Б.Л.Покровский "Летчику о психологии", г.Москва, Военное издательство Министерства обороны СССР, 1974 г.
15. В.Г.Федоров, В.А.Телец, "Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение", г.Москва, "Энергоатомиздат", 1990 г., стр.269…288.
16. Каталог 1985/86 г.г., "Электронная аппаратура", Брюль и Кьер.
17. Г.Н.Шведов, А.В.Соловьев, И.И.Чулина "Нетрадиционные электроакустические преобразователи". Обзоры по электронной технике. Серия 7. Технология, организация производства и оборудование. Выпуск 7 [1196], г.Москва, ЦНИИ "Электроника", 1986 г., стр.12…23.
1. Способ моделирования психофизиологических эффектов в тренажере, заключающийся в том, что в реальном времени вычисляют параметры поведения объекта, синтезируют N физических эффектов и преобразуют их в ощущения пространственного движения, визуальной внутрикабинной и внекабинной информации, слуховой, тактильно-кинестетической информации, сопровождающие работу управляемого объекта с имитатора параметров поведения объекта, при синтезе в информационных каналах вычисляют в реальном времени параметры инфразвуковых колебаний, частотой и интенсивностью адекватной частотному и энергетическому спектру, возникающему на реальном объекте, преобразуют их в информационных каналах в инфразвуковые колебания и воздействуют на оператора, отличающийся тем, что с пульта инструктора производят синтезирование в информационных каналах пораздельно или в комплексной взаимосвязи инфразвуковых колебаний и воздействуют на оператора частотой и интенсивностью, при которых возникают ощущения страха, эйфории, утомления, укачивания и болевых ощущений, при этом кабину тренажера с рабочим местом оператора, с источником и анализатором инфразвука помещают в акустический демпфер.
2. Устройство для реализации способа моделирования психофизиологических эффектов в тренажере, содержащее рабочее место оператора, имитатор параметров поведения объекта, электрически связанный с пультом инструктора, имитаторами акселерационного воздействия, слуховой информации, зрительной внекабинной и внутрикабинной информации, тактильно-кинестетической информации, рабочее место оператора связано механически с имитатором акселерационного воздействия, акустически - с имитатором слуховой информации, визуально с имитаторами зрительной внекабинной и внутрикабинной информации, тактильно-кинестетически с имитатором органов управления, отличающееся тем, что в него введен генератор инфранизкочастотных колебаний, регулируемый усилитель интенсивности инфранизкочастотных колебаний, источник инфразвука, анализатор инфразвуковых колебаний, демпфер инфразвуковых колебаний, причем вход усилителя с помощью электрических шин данных связаны с имитатором динамики движений, выход генератора через второй вход усилителя интенсивности инфранизкочастотных колебаний электрически связан с источником инфразвука, выход источника инфразвука акустически связан с оператором и анализатором инфразвуковых колебаний, выход анализатора электрически связан с третьим входом усилителя, рабочее место оператора с источником инфразвука и анализатором помещены в демпфер инфразвуковых колебаний.
