Система безопасности на базе мониторинга состояния пилотов

Система безопасности на базе мониторинга состояния пилотов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано для обеспечения безопасности полетов пилотируемых самолетов или вертолетов, где актуальной является задача определения состояния сознания пилота в реальном времени.

В патенте США H1,039 (A61B 5/00, 7.04.1992) описана система мониторинга состояния пилота, содержащая размещенный в кислородной маске оптический датчик притока крови к голове. Система позволяет следить за состоянием пилота и может инициировать передачу управления самолетом автопилоту.

Однако данная система малоинформативна, позволяет диагностировать неадекватность пилота только при серьезном нарушении кровоснабжения головного мозга и не имеет промежуточных режимов работы.

Наиболее близкой к предложенной является система обеспечения безопасности полетов, содержащая инфракрасную камеру и средства распознавания и анализа температурного изображения, формирующие сисгнал, свидетельствующий о способности оператора выполнять свою задачу (см. Патент США 7,027,621, G06K 9/00, 11.04.2006). Система может содержать также средства слежения за движением глаз оператора, направлением взгляда и размером его зрачков. Слежение осуществляется путем сопоставления последовательных изображений. При обнаружении неадекватности, система подает сигнал, способный разбудить оператора.

Недостатками данной системы также являются низкая информативность, недостаточное быстродействие, отсутствие промежуточных режимов, неспособность взаимодействовать с несколькими операторами.

Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения является увеличение быстродействия, расширение функциональных возможностей системы, способность взаимодействовать с несколькими операторами и другими системами борта с целью выбора оптимального, наиболее эффективного и безопасного режима движения. Кроме того, в предложении ставится задача повышения эффективности распознавания изменений в состоянии оператора за минимальное время.

Указанный результат достигается тем, что известная система обеспечения безопасности полетов, содержащая средства слежения за состоянием пилота, подключенные к входам блока анализа, снабжена блоком перераспределения функций управления в реальном времени, выполненным с возможностью формирования сигналов на переключение органов управления летательным аппаратом и подключенным к выходам блока анализа.

Кроме того, система может быть снабжена средствами слежения за состоянием второго пилота, также подключенными к входам блока анализа.

При этом блок перераспределения функций управления может быть соединен с блоком управления автопилотом.

Целесообразно также в качестве средства слежения за состоянием пилота использовать средство определения высокочастотной составляющей движения глаз, направленное при пилотировании на одно или два глазных яблока пилота.

При этом в качестве средства слежения за состоянием пилота может использоваться ультразвуковой локатор с анализатором высокочастотной составляющей и/или амплитудно-частотной характеристики движений глазного яблока.

Таким образом, существо предложения сводится к созданию одного или двух каналов обмена информацией между средствами слежения за состоянием пилота(ов) и блоком анализа и плавной передачи функций управления летательным аппаратом от одного пилота второму или от пилота(ов) автопилоту.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемой системы, поясняющая ее работу. Фиг.2 иллюстрирует возможное выполнение средств (блока) слежения за состоянием пилота. На фиг.3 изображены амплитудно-частотные характеристики, полученные предварительно и в процессе оценки психофизического состояния оператора. На фиг.4 показан спектр частот тремора для левого и правого глаз.

Система содержит (фиг.1) средства, а в рассматриваемом примере блоки 1, 2 слежения за состоянием первого и второго пилотов соответственно, установленные вблизи кресел 3, 4 пилотов. Выходы блоков 1, 2 соединены с входами блока 5 анализа, выход которого подключен к входам блока 6 перераспределения функций управления в реальном времени, выполненного с возможностью формирования сигналов на переключение автопилота 7 и органов 8, 9 управления летательным аппаратом, находящихся в распоряжении первого и второго пилотов соответственно. Позицией 10 обозначен блок индикации и связи с командным пунктом.

На фиг.2-4 обозначено: 11 - очки пилота, 12, 13 - ультразвуковой передатчик и приемник соответственно, 14 - процессор, 15 - приборная панель, 16 - видеокамера, 17, 18, 19 - амплитудно-частотные характеристики движений глазного яблока, 20, 21, 22 - зоны когнитивного изменения быстроизменяющихся параметров движения глазного яблока 23 пилота.

Система работает следующим образом. Блоки 1, 2 осуществляют непрерывный мониторинг состояния первого и второго пилотов. Реализация блоков 1, 2 может быть такой, как это описано в вышеупомянутом известном устройстве, или той, что описана ниже. Могут использоваться расположенные на приборной панели видеокамера, акселерометры, размещенные на руках пилота и т.п., - любые средства, свидетельствующие о психофизическом состоянии пилота в данный момент, его способности выполнять свои функциональные обязанности и адекватности. Информация о состоянии первого и второго пилотов поступает в блок 5, назначением которого является ее анализ и принятие решения о перераспределении функций управления летательным аппаратом. При этом перераспределение предполагает наличие в системе возможности частичной передачи функций управления от одного пилота ко второму или от пилотов к автопилоту. Более полно это станет понятно из нижеприведенных примеров. Непосредственно такое перераспределение функций управления осуществляется блоком 6. В качестве блока 5 может быть использован контроллер, в программу которого заложены приведенные ниже или сходные алгоритмы управления. Реализация блока 6 всецело определяется выполнением 7-10, управление которыми производится в соответствии с выходными сигналами блока 5 через блок 6. Иными словами, для управления механическими элементами используются приводы и реле, для управления электронными аналоговыми - преобразователи и усилители, а цифровыми - соответствующий интерфейс.

В предложении могут использоваться различные средства контроля за движением глазного яблока пилота: ультразвуковой радар (локатор), видеокамера, электроокулометрические электроды и проч. Существенным является лишь то, что контролируют именно высокочастотные движения глаза и формируют из них по заранее определенному алгоритму комплексный показатель состояния оператора, характеризующий его состояние в данный момент времени и позволяющий системе принять решение за минимальный интервал времени - обычно менее 0,5-1 с.

К среднечастотным параметрам относятся саккадические движения глаза и нистагмы. К низкочастотным - медленные произвольные движения, дрейф. Поскольку эти параметры давно используются для оценки состояния человека, их связь с его состоянием известна, что позволяет с их помощью корректировать мгновенную оценку. Например, если комплексный показатель отклонился от нормального значения на пороговую величину или вышел из заданной зоны, в течение нескольких десятков миллисекунд может быть введено ограничение на некоторые действия пилота, а через 1-2 секунды, после анализа дополнительно измеренных медленно изменяющихся величин, это ограничение может быть подтверждено или снято.

При этом в качестве комплексного показателя мгновенного психофизического состояния пилота, например, используют интеграл амплитудно-частотной характеристики, ограниченной зонами когнитивного изменения быстроизменяющихся параметров движения глазного яблока.

Помимо вышеназванного алгоритма формирования комплексного показателя состояния оператора, возможны другие, например, этот показатель может быть определен как сумма максимальных значений амплитудно-частотной характеристики в пределах зон когнитивного изменения или как сумма значений амплитудно-частотной характеристики на нескольких фиксированных частотах. Выбор наиболее информативного показателя, границ когнитивных зон или фиксированных частот производится по результатам предварительных испытаний. Например, при оценке состояния пилота испытуемого подвергают воздействию перегрузок и периодически тестируют, параметры амплитудно-частотной характеристики, наиболее сильно зависящие от величины перегрузки и/или потери внимания, выбирают для контроля в качестве комплексного показателя.

Введенное выше понятие «зона когнитивности» означает, что в этой зоне быстроизменяющиеся параметры движения глазного яблока наиболее сильно зависят от характера когнитивных процессов, происходящих в мозгу оператора, т.е. наиболее полно отражают его состояние. Например, характеристика 19 на фиг.3 снята в нормальном состоянии оператора. Характеристика 17 получена в состоянии эмоционального возбуждения, в ходе решения сложной задачи, а характеристика 18 получена в состоянии сильного стресса, не позволяющего пилоту быстро и правильно реагировать на изменение обстановки.

Как показано на фиг.2, в очки 11 встроены передатчик 12 и приемник 13 ультразвуковых колебаний. Задержка отраженного от глазного яблока 23 сигнала зависит от скорости движения глазного яблока 23. При этом по оси ординат амплитудно-частотной характеристики можно откладывать как скорость глазного яблока 23, так и амплитуду его движения, т.е. интеграл скорости, для чего на входе процессора 14 устанавливается интегратор. Важно подчеркнуть, что такой способ снятия амплитудно-частотной характеристики имеет дополнительное преимущество: длительное воздействие слабого ультразвукового сигнала на глаз улучшает его состояние, повышает устойчивость к стрессу, в том числе за счет улучшения капиллярного кровообращения и ускорения клеточного метаболизма.

При оценке состояния пилота по разности комплексных показателей для обоих глаз наиболее четко выявляется зависимость синхронности движений правого и левого глаза от психофизического состояния. При использовании суммы - зависимость интенсивности движений от состояния пилота.

Пусть в исходном состоянии летательным аппаратом управляет первый пилот. В момент времени, когда блок 1 зафиксирует потерю сознания (а возможно, и более тонкий эффект - потерю концентрации внимания) первого пилота, блок 5, в зависимости от характера и величины выходных сигналов блока 1, принимает решение о временной передаче наиболее ответственных функций «a, b, d» второму пилоту. Например, первый пилот может продолжить набор высоты (функция «с») или совершить плавное изменение курса (функция «f»), но не сможет выполнить резкое изменение курса, принять решение о снижении или резко увеличить угол атаки (функции «a, b, d»). С этой целью блок 6 блокирует функции «a, b, d» для первого пилота, подавая соответствующие сигналы на органы 8, и, наоборот, разблокирует через органы 9 эти же функции для второго пилота. Информация об этом появится для обоих пилотов на табло блока 10. Одновременно блок 6 переведет автопилот 7 в состояние готовности в течение долей секунды принять на себя управление летательным аппаратом, поскольку причины, вызвавшие частичную потерю внимания у первого пилота, могут вызвать аналогичную реакцию у второго.

Далее, если летательный аппарат находится в режиме автоматического пилотирования, а оба пилота находятся в нормальном состоянии, блоки 5 и 7 переводят органы 8, 9 в состояние, при котором любой из пилотов может принять на себя управление в полном объеме. Однако, если состояние второго пилота в этот момент вызывает тревогу, часть или все функции окажутся для него заблокированы органами 9. Разумеется, табло блока 10, видимое обоим пилотам, отражает текущее состояние распределения функций. Очевидно также, что блоки 5, 6, а также управляющая часть блоков 7, 10 и органов 8, 9 может быть выполнена на базе одного бортового вычислителя или отдельных контроллеров.

В случае потери сознания обоими пилотами может быть принято решение о дистанционном пилотировании из диспетчерского центра или, например, об автоматическом возвращении в точку старта, если борт располагает соответствующими возможностями.

В то же время из этих примеров становится очевидным, что блоки 5, 6 осуществляют в предлагаемой системе плавное перераспределение функций между обоими пилотами и автопилотом, обеспечивая оптимальную конфигурацию в каждый момент времени и максимальную безопасность полета.

Изложенное выше позволяет заключить, что, помимо нового алгоритма переключения функций между пилотами и автопилотом, важной особенностью предложенного технического решения является использование быстродействующих (высокочастотных) составляющих движения глаз для определения состояния сознания пилотов в реальном времени, причем за очень короткий интервал (заведомо менее 1 с), что позволяет автопилоту реагировать в рекордно короткие сроки, спасая машину и людей даже в случаях, когда изменение состояния пилота произошло в момент совершения сложного маневра.

Это не исключает использования самых различных способов физиологического контроля состояния оператора: от работы сердца и особенностей кровотока до изменения влажности и электрического сопротивления кожи, но лишь для получения интегрального показателя на достаточном для этих процессов интервале времени (обычно 2-5 с), тогда как отдельное или совместное с перечисленными измерение высокочастотной компоненты глазодвигательной активности (в частности, непроизвольной) позволяет получить приемлемый по качеству критерий оценки за десятки - сотни миллисекунд, что недоступно для известных решений.

1. Система обеспечения безопасности полетов, содержащая средства слежения за состоянием пилотов, подключенные к входам блока анализа, отличающаяся тем, что она снабжена блоком перераспределения функций управления в реальном времени, выполненным с возможностью формирования сигналов на переключение органов управления летательным аппаратом, обеспечивающим как полную, так и частичную передачу управления по заданному алгоритму в зависимости от анализируемого состояния к автопилоту или от одного из пилотов к другому, для чего входы блока перераспределения функций управления подключены к выходам блока анализа, а выходы блока перераспределения функций управления соединены с входами соответствующих органов управления и/или автопилота.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена средствами слежения за состоянием второго пилота, также подключенными к входам блока анализа.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве средства слежения за состоянием пилота использовано средство определения высокочастотной составляющей движения глаз, направленное при пилотировании на одно или два глазных яблока пилота.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве средства слежения за состоянием пилота использован ультразвуковой локатор с анализатором высокочастотной составляющей и/или амплитудно-частотной характеристики движений глазного яблока.