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
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
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
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
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
