9 - 2019

Решения ANSYS SPEOS и VRXPERIENCE HMI для физического 3D-моделирования интерьера кабины пилотов и встраиваемых человеко-машинных интерфейсов. Оценка эргономики кабины на виртуальном интерактивном прототипе

Александр Бурков, 
ведущий технический специалист, ANSYS
Александр Бурков,
ведущий технический специалист, ANSYS

При разработке современных авиационных систем необходимо учитывать не только требования отраслевых стандартов для последующего прохождения сертификации и приемки, но и решения, связанные с эргономикой окружения пилота, которые также подлежат последующей оценке и приемке соответствующими регулирующими органами. При этом решение данной задачи влечет за собой существенные расходы как на этапе прототипирования интерфейсов и окружения в кабине экипажа, так и при валидации выбранных подходов к реализации. Это объемная и комплексная задача, требующая применения правильного инструментария и подходов.

При оценке эргономики кабины необходимо учесть множество деталей, связанных с разработкой летательного аппарата и окружения пилотов, среди которых:

  • освещение кабины естественными и искусственными источниками света;
  • материалы, используемые для производства человеко-машинных интерфейсов (остекление, пленки для экранов и других поверхностей и т.п.);
  • возможные блики и засветка на приборной панели;
  • доступность органов управления и настройки систем отображения;
  • читаемость воспроизводимой информации;
  • особенности восприятия информации человеческим зрением;
  • другие факторы.

Процесс прототипирования кабины и оценки выбранных решений является итерационным. При этом необходимо максимально точно учесть технические характеристики и физические особенности изделий и интерфейсов, в том числе их оптические параметры. Кабины современных самолетов и вертолетов представляют собой сложные системы, включающие широкий спектр аналоговых и цифровых приборов (рис. 1). В связи с этим каждая апробация и испытания требуют значительного времени на разработку (прототипирование) и оценку эргономики изделия, а также влекут за собой существенные материальные затраты.

Рис. 1. Пример кабины экипажа современного вертолета

Рис. 1. Пример кабины экипажа современного вертолета

Платформы моделирования ANSYS SPEOS и VRXPERIENCE HMI предоставляют возможности для поддержки данного итеративного процесса. Очевидно, что замещение ряда реальных испытаний на интерактивное моделирование в виртуальном пространстве с учетом физических свойств компонентов модели позволяет существенно снизить временные и материальные затраты. В этом случае к программной среде моделирования предъявляются особые требования:

  • достоверность и точность выполняемых расчетов (корректные вычисления с применением выбранных решателей);
  • возможность взаимодействия оператора с разработанной моделью в реальном времени;
  • интеграция в общий процесс разработки кабины и индикации.

Достоверность и точность расчетов

Решение ANSYS SPEOS позволяет выполнять визуальную оценку качества, безопасности и комфорта разрабатываемых изделий и решений. Среди возможностей среды ANSYS SPEOS:

  • расчет прямой и обратной трассировки лучей методом Монте-Карло;
  • детерминированная симуляция (исполнение модели);
  • спектральный анализ;
  • моделирование дисперсии;
  • оценка поверхностной диффузии;
  • оценка объемной диффузии;
  • расчет интенсивности излучения и засветки;
  • моделирование бликов на различных поверхностях;
  • построение оптических расчетов на основе свойств существующих материалов (измерение параметров образцов и использование баз данных);
  • возможность расчета оптических свойств материалов при отсутствии реальных образцов без ограничений вычислительных мощностей;
  • учет особенностей человеческого зрения при выполнении моделирования;
  • поддержка процесса поиска решений для заданных оптических характеристик изделия;
  • описание и расчет различных геометрических поверхностей;
  • подготовка данных для производства оптических приборов;
  • расчеты в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.

Таким образом, ANSYS SPEOS предоставляет возможность для выполнения точных оптических расчетов без наложения ограничений на вычислительные ресурсы (рис. 2). Достоверность используемых решателей подтверждена многолетним применением инструмента в различных отраслях промышленности, а также оценкой на соответствие всевозможным отраслевым стандартам.

Рис. 2. Примеры расчетов оптических эффектов в среде ANSYS SPEOS

Рис. 2. Примеры расчетов оптических эффектов в среде ANSYS SPEOS

Рис. 2. Примеры расчетов оптических эффектов в среде ANSYS SPEOS

Взаимодействие с моделью в реальном времени

Решение ANSYS VRXPERIENCE предназначено для интегрирования моделей разработанных оптических компонентов в единую интерактивную среду. В том числе, данная среда предоставляет возможность работы оператора с построенной сложной моделью в реальном времени с применением различного оборудования:

  • шлемов виртуальной реальности;
  • перчаток и указателей;
  • объемных проекций (virtual caves);
  • профессиональных проекторов высокой четкости;
  • традиционных мониторов, клавиатур, мышей и т.д.

Выполнение симуляции в среде ANSYS VRXPERIENCE позволяет не только оценить оптические характеристики в динамике, но и эргономические свойства разрабатываемой системы. Например, можно моделировать взаимодействие оператора с различными органами управления (кнопки, переключатели, рычаги, вращающиеся переключатели и т.п.). В случае использования соответствующего оборудования обеспечивается обратная связь из виртуальной среды, например тактильные ощущения на пальцах оператора.

В ряде перспективных авиационных разработок предполагается применение сенсорных экранов с поддержкой multi-touch. ANSYS VRXXPERIENCE позволяет моделировать данную технологию в полном объеме, что означает возможность работы с multi-touch-экранами в виртуальном пространстве (рис. 3).

Рис. 3. Пример интерактивного моделирования в среде ANSYS VRXPERIENCE

Рис. 3. Пример интерактивного моделирования в среде ANSYS VRXPERIENCE

Рис. 3. Пример интерактивного моделирования в среде ANSYS VRXPERIENCE

Для выполнения моделирования с высоким уровнем детализации могут потребоваться существенные вычислительные мощности. Ряд оптических расчетов может быть выполнен заблаговременно в среде ANSYS SPEOS, что существенно снизит требования для платформы моделирования реального времени.

Интеграция в общий процесс разработки

Все инструменты ANSYS легко и эффективно интегрируются между собой. Такой подход позволяет организовать бесшовный процесс проектирования, моделирования и разработки изделий. Так, например:

  • данные из среды проектирования геометрии и физических свойств твердых тел ANSYS Mechanical могут быть переданы в ANSYS SPEOS в качестве исходных данных для оценки оптических характеристик спроектированных поверхностей;
  • ANSYS VRXPERIENCE позволяет интегрировать человеко-машинные интерфейсы, разработанные в ANSYS SCADE Display, что обеспечивает возможность использования гарантированно идентичных программных решений в среде виртуального моделирования и в реальном бортовом оборудовании (в обеих разработках используется квалифицированный инструмент SCADE Display KCG) — рис. 4.

Рис. 4. Пример интеграции графических кадров ANSYS SCADE Display и внешних изображений в интерактивную среду ANSYS VRXPERIENCE HMI

Рис. 4. Пример интеграции графических кадров ANSYS SCADE Display и внешних изображений в интерактивную среду ANSYS VRXPERIENCE HMI

Помимо интеграции самих средств ANSYS, реализована поддержка различных этапов процесса проектирования и производства на предприятии. Это не только интеграция инструментов ANSYS с различными средствами управления требованиями и конфигурацией, но и подготовка данных для производственного процесса. Так, ANSYS SPEOS позволяет сгенерировать набор параметров, необходимых для производства зеркальных поверхностей и линз.

Заключение

Решения ANSYS SPEOS и VRXPERIENCE представляют собой интерактивные среды моделирования оптических и эргономических характеристик объектов. Данные решения могут эффективно применяться в авиационной отрасли, в частности, для решения следующих задач:

  • проектирование оптических систем, размещаемых снаружи летательного аппарата и в его кабине;
  • валидация проектируемых решений с точки зрения эргономических характеристик (видимость, удобство, читаемость и т.п.);
  • интерактивное моделирование в реальном масштабе времени;
  • оценка влияния внешних и внутренних источников освещения на восприятие пилотом визуальной информации с учетом особенностей человеческого зрения;
  • подготовка данных для процесса производства проектируемых оптических систем и человеко-машинных интерфейс