Трехмерная визуализация в системе искусственного видения для пилотов малой авиации

 просмотров

ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ В СИСТЕМЕ ИСКУССТВЕННОГО ВИДЕНИЯ ДЛЯ ПИЛОТОВ МАЛОЙ АВИАЦИИ

, Васёв П. А., , ,

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

Введение

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

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

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


Рис. 1. Пример системы искусственного видения

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

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

Возможности пилотажного монитора

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

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

Рис. 2. Экран пилотажного монитора

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

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

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

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

Рис. 3. Пример восстановленного ландшафта

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

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

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

Заключение

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

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

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

Литература

1.  Synthetic Vision Systems / Wikipedia. URL: http://en. wikipedia. org/wiki/Synthetic_vision_system (дата обращения: 15.01.2008)

2.  NASA Synthetic Vision / NASA. URL: http://www. nasa. gov/centers/langley/news/factsheets/SynthVision. html
(дата обращения: 02.02.2010)

3.  Rockwell Collins Synthetic Vision / Rockwell Collins. URL: http://www. /syntheticvision/index. html (дата обращения: 07.04.2010)

4.  VistaNav Portable Synthetic Vision Systems / Bendix Kink. URL: https://www. /vistanav/ (дата обращения: 07.04.2010)



Подпишитесь на рассылку:


Гражданская авиация в России
воздушный транспорт - вчера, сегодня и завтра

Воздушный транспорт

Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства