A REPÜLŐGÉP SZIMULÁTOR ÉS TRENÁZS BERENDEZÉS VIZUÁLIS HELYZET-MODELLEZÉS ELMÉLETÉNEK ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI

Átírás

1 A REPÜLŐGÉP SZIMULÁTOR ÉS TRENÁZS BERENDEZÉS VIZUÁLIS HELYZET-MODELLEZÉS ELMÉLETÉNEK ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI Békési László k. ezredes egyetei adjunktus Dr. Szabó László k. alezredes Egyetei adjunktus Zrínyi Miklós Nezetvédeli Egyete Vezetés- és Szervezéstudoányi Kar Repülő sárkány hajtóű tanszék A Zrinyi Miklós Nezetvédeli Egyete Vezetés- és Szervezéstudoányi Kar Repülő sárkány hajtóű tanszékén ásfél évtizede kutatjuk a szeélyi száítógép felhasználását, ezen belül kb. 2 éve a ultiédia és a virtuális valóság alkalazásának lehetőségét a kiképzés folyaatában. Az utóbbi időben a repülőgépek tervezése és üzebentartása, a repülőszeélyzet oktatása és ás, a repüléssel összefüggő sokrétű feladatok egoldásakor széles körben alkalazzák a odellezést. Ennek során különböző odellező berendezéseket készítenek, aelyek segítségével földi viszonyok között egfelelő pontossággal előállítható a repülés teljes folyaata és a repülőszerkezet irányítása. Ehhez a csoporthoz tartoznak a repülőgépek sziulátorai és trenázs berendezései, valaint ezeken belül a sziulációt egvalósító repülőszerkezet vizuális helyzetiitátorai. Középtávú terveink között szerepel a repülőtiszt képzést elősegítő kevésbé bonyolult sziulátor, illetve trenázs berendezés önerőből történő elkészítése és a kiképzés során inél szélesebb körben való alkalazása. Ezen berendezések tervezéséhez nyújt segítséget cikkünk. A VIZUÁLIS HELYZETIMITÁTOROK ANALÍZISÉNEK ÉS SZINTÉZISÉNEK ÁLTALÁNOS MEGKÖZELÍTÉSE A vizuális helyzetiitátorok fejlesztésének és alkalazásának tudoányos alapját a vizuális helyzet odellezésének elélete adja. A odellezés-elélet kutatásieléleti ódszerei sok esetben táaszkodnak olyan tudoányterületekre, int a kibernetika, száítástechnika, optika, televíziózás, ergonóia stb. Ugyanakkor a vizuális helyzet odellezése sok specifikus sajátosságot is tartalaz, és ne tekinthető a különböző tudoányterületeken alkalazott ódszerek és az ott elért 223

2 BÉKÉSI LÁSZLÓ, DR. SZABÓ LÁSZLÓ eredények egyszerű összegzésének. Ez utóbbi egállapítás iatt a odellezésnek egyedülálló jelentősége van, aely eléleti egoldásának általános egközelítését az 1.ábrán látható vázlattal lehet illusztrálni. A vizuális helyzetiitátor szintézisének feladatát a következőképpen fogalazhatjuk eg: Adott a valós vizuális helyzet, elyet a repülőgépvezető a kabinból érzékel (azaz eghatározott képeket lát). Tehát szükséges szintetizálni egy vizuális helyzetiitátor odell rendszert, aely a vizuális helyzet odelljét ábrázolja. VALÓSÁGOS FELTÉTELEK VIZUÁLIS HELYZET A PILÓTA LÁTÓ- RENDSZERE ÉRZÉKELT KÉPEK A MEGFELELŐSÉG FOKA VIZUÁLIS HELYZET IMITÁTOR MODELLEZETT FELTÉTELEK VIZUÁLIS HELYZET MODELLJE A PILÓTA LÁTÓ- RENDSZERE ÉRZÉKELT KÉPEK 1. ábra Ebben az esetben alapvető követelény, hogy ha ez utóbbit nézi a kabinból a pilóta, akkor olyan vizuális érzet alakul ki (virtuális valóság) benne, int a valóságos repülésnél. 224

3 A REPÜLŐGÉP SZIMULÁTOR ÉS TRENÁZS BERENDEZÉS VIZUÁLIS HELYZET- MODELLEZÉS ELMÉLETÉNEK ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI Összefoglalva, a tervezőnek a következő fő feladatokat kell egoldania: A vizuális helyzet tárgyainak, valaint a pilóta által valóságos repülésnél érzékelt képek analizálása; A odellező rendszerben végbeenő folyaatok eredényeként a pilóta által érzékelhető képeket aga a odell állítja elő; A valóságos és odellezett vizuális helyzet hasonlósági feltételeinek egállapítása; A hasonlóság feltételeinek egvalósítása konkrét odellező rendszerekkel. A HASONLÓSÁG FELTÉTELEINEK VÁZLATA A vizuális helyzet odellrendszere analizálásának és szintézisének egyik fő feladata a hasonlósági feltételek leírása, vagyis azon kritériuok eghatározása, aelyeknek teljesülése szükséges és elégséges a valós repülés folyaatainak egyenértékűségéhez, illetve egfelelőségéhez. Tehát azon űszaki jellezők, feltételek valaint tényezők felsorolása szükséges, aely alapján a hasonlóság felállítható, illetve aelyeknek alapvetően eg kell felelni, int például a odellező rendszerek rendeltetése, vizuális helyzet tárgyainak jellezői, a repülőszerkezet-, a pilóta-, a vizuális helyzet odellezésének ódja...stb. Ilyen szepontból a hasonlóság feltételeinek jellezői és ennyisége lényegesen különbözhetnek. Ugyanakkor, inden esetben a odellező rendszerek egvalósíthatóságából és hatásosságából kiindulva, a hasonlósági feltételeknek egy iniálisan eghatározott száú jellezőjével rendelkeznünk kell, sőt ezek egyás közötti összefüggéseivel is. Ez utóbbiak szükségesek a vizuális helyzetiitátor funkciójának egvalósításához. A 2. ábrán a hasonlósági feltételek összefoglaló táblázatát gyűjtöttük össze. A VIZUÁLIS HELYZET FIZIKAI MODELL RENDSZERÉNEK SAJÁTOSSÁGAI A fizikai odellezés elvén alapuló vizuális helyzetiitátorok széles csoportot alkotnak. A fizikai odellek előnyösebbek, int a ateatikai odellek és ezt 225

4 BÉKÉSI LÁSZLÓ, DR. SZABÓ LÁSZLÓ a tényt a következő jellezők biztosítják: a lejátszott kép valóságtartala nagy, a rendszer jól irányítható, a funkcionális összefüggések rendkívül egyszerűek. HASONLÓSÁGI FELTÉTELEK GEOMETRIAI ENERGETIKAI PSZICHOFIZIKAI A vizuális helyzet A vizuális helyzet A fiziológiai küszöb fizikai odellezésénél odellezésénél kroatikus szintjén A vizuális helyzet ateatikai odellezésénél A vizuális helyzet akroatikus odellezésénél A látás érzékelés szintjén A vizuális helyzet vegyes odellezésénél Bonyolult időjárási feltételek odellezésénél A vizuális begyakorlottság szintjén 2. ábra (Megjegyzés: A táblázatban közölt hasonlósági feltételek alkalazhatók bárely odellező rendszerhez, függetlenül a odell felépítési elvétől és a konkrét egvalósítás technikai eszközeitől.) 226

5 A REPÜLŐGÉP SZIMULÁTOR ÉS TRENÁZS BERENDEZÉS VIZUÁLIS HELYZET- MODELLEZÉS ELMÉLETÉNEK ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI A fizikai odellezés elvén űködő vizuális helyzetiitátorok általánosított vázlata a 3. ábrán látható. VIZUÁLIS HELYZET MODELLJE Megvilágító A terep (hely) Beállító Képegjelenítő rendszer akettje rendszer rendszer Beállító rendszer irányítása A repülés dinaikai iitátor irányító jelei 3. ábra A HASONLÓSÁG FELTÉTELEI DERÉKSZÖGŰ KOORDINÁTARENDSZEREKBEN, LINEÁRIS MOZGÁS ESETÉN A 4. ábrán a valóságos repülés koordinátarendszere látható. Az O 0, X 0, Y 0, Z 0 a földhöz rögzített derékszögű jobbsodrású koordinátarendszer. A koordináta rendszer 0 kezdőpontja általában a fel- és leszállás repülőteréhez kötött. Az X 0, Z 0 tengelyek által eghatározott sík a föld felszín érintő síkja a koordinátarendszer 0 kezdőpontjában. A X 0 tengely egybeesik a fel- és leszállópálya hossztengelyével, az Y 0 tengely pedig az X 0, Z 0 síkra erőleges. Az O 1, X 1,Y 1, Z 1 a repülőgéphez kötött koordinátarendszer, elynek középpontja egybeesik a repülőgép súlypontjával. Az O sz, X sz, Y sz, Z sz a 227

6 BÉKÉSI LÁSZLÓ, DR. SZABÓ LÁSZLÓ repülőgépvezető szeéhez kötött koordinátarendszer, elynek középpontja, az O sz a repülőgépvezető két szeét összekötő egyenes felezési pontjában van. Az O sz, X sz tengely egybeesik a látás irányával, a ásik két tengely az előzőre és egyásra erőleges. Y sz y sz Y 1 y 1 Y 0 O sz Z sz C y X sz y z sz o sz c y X s O 0 Z 1 O 1 Y o C x X C z X 0 X o 0 z 1 o 1 y o c x x c z x x 1 Z 0 z Z o 4. ábra 5. ábra Repüléskor a repülőgép súlypontja (O 1 ) a térben V sebességgel ozog, elynek földhöz rögzített koordinátarendszer tengelyeire eső összetevői a következők: V dx 0 dy0 x ; dt V y ; dt V dz 0 z dt ahol: T a valóságos körülények esetén figyelebe vett idő. Az ábrán látható C x, C y, C z a repülőgépvezető szee retinájának koordinátái. A fizikailag odellezett vizuális helyzetiitátor esetén is háro egfelelő koordinátarendszert kell felvennünk (5. ábra). Itt az O 0, x 0, y 0, z 0 ozdulatlan koordinátarendszer, aely a akett környezetéhez kötött, íg az O 1, x 1, y 1, z 1 koordinátarendszer a odellezett térben a repülőszerkezet súlypontjához van rögzítve. Az O sz, x sz, y sz, z sz koordinátarendszer a egjelenítő berendezés középpontjához kötött. A odellezett repülés esetén a repülőszerkezet súlypontja a odellezett térben v sebességgel ozog, elynek a akett környezetéhez kötött koordinátarendszer tengelyeire eső vetületei: 228 z o

7 A REPÜLŐGÉP SZIMULÁTOR ÉS TRENÁZS BERENDEZÉS VIZUÁLIS HELYZET- MODELLEZÉS ELMÉLETÉNEK ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI v x dx dt v 0 ; y dy dt v 0 ; z dz dt ahol: t a odellezett körülények esetén figyelebe vett idő Térbeli derékszögű koordinátarendszerben a hasonlóság feltételei kifejezhetők a terek, a sebességek és az idők arányossági tényezőivel: x X 0 ; 0 x y 0 Y ; 0 0 Z0 v ν x ; ν y x v y x V y V t y ; v t T z z ; z ν z A különböző analízisek azt utatják, hogyha egy repülőszerkezet ozgását (hat szabadságfokot figyelebe véve) odellezzük a vizuális helyzetiitátorral, akkor a következő feltételeknek kell teljesülniük: x y z ; v x v y V z v z t 0 Ha a vizuális helyzetet valós idő szerint odellezzük ( t 1), akkor a hasonlóság feltételei egyszerűsödnek, ivel a sebességek aránya azonos lesz a tér koordinátáinak arányával. A HASONLÓSÁG FELTÉTELEI A REPÜLŐSZERKEZET FORGÓ MOZGÁSÁNAK MODELLEZÉSÉNÉL Repülés közben a repülőgép a térben eghatározott helyzetet foglalhat el és eközben a géphez kötött koordinátarendszer a géppel együtt elfordul, a földhöz rögzített koordinátarendszerhez képest. A repülőgéphez rögzített koordinátarendszer O 1 X 1, O 1 Y 1, O 1 Z 1 tengelyeinek helyzetét az eredeti helyzetükhöz képest az iránycosinusok átrixával [cos A i j ] határozhatók eg, ahol ix,y,z; jx,y,z. 229

8 BÉKÉSI LÁSZLÓ, DR. SZABÓ LÁSZLÓ A repülőgép ozgásának odellezésénél a vizuális egjelenítő koordináta tengelyei a odellezett térben fordulnak el, iközben az Ox, Oy és Oz tengelyek helyzete ugyancsak az iránycosinusok átrixával [cos α i j ] határozhatók eg, ahol; i x, y, z; j x, y, z. A hasonlóság feltételei a repülőgép forgó ozgásakor az úgynevezett szög arányossági tényezőkkel határozható eg: α ij αij ( i x,y, z; j x, y, z ) A ij Az egyás közötti kapcsolatokat a egfelelő iránycosinusok adják. A forgóozgás hasonlósági feltételei akkor teljesülnek, ha biztosított az eredő elfordulás és az egyes tengelyek körüli elfordulás szögsebességeinek egfelelő iránycosinusok egyenlősége 1; 1 ( i x, y, z; j x, y, z ) α ij ω ij ahol: ωij a szögsebesség arányossági tényezője A repülőgéphez kötött koordinátarendszer elfordulását a térben 3 egyástól független szöggel jelleezhetjük. Jelöljük ezeket A 1, A 2, A 3 -al a valós repülőgépeknél és a vizuális helyzetiitátornál pedig α 1, α 2, α 3 -al. Ezen szögeknek a részleges szögelfordulás átrixai [A 1 ], [A 2 ], [A 3 ] felelnek eg a valós repülőgépnél, íg a vizuális helyzetiitátornál pedig [α 1 ], [α 2 ], [α 3 ]. A géphez kötött koordinátarendszer iránycosinusai a gép tetszőleges elfordulásakor az eredő átrixokkal határozhatók eg: a odellnél pedig [A][cos A i j] [A 1 ] [A 2 ] [A 3 ], [α][cos α i j] [α 1 ] [α 2 ] [α 3 ]. Aennyiben a szögelfordulások hasonlósági feltételei fennállnak, akkor az eredő átrixok egyenlőek, azaz: [A 1 ] [A 2 ] [A 3 ][α 1 ], [α 2 ], [α 3 ] A géphez kötött koordinátarendszer eredő elfordulását különböző ódon kaphatjuk eg. Ez attól függ, hogy hogyan választjuk eg az A 1, A 2, A 3 szögeket. A repülőgép szögelfordulását általában az irányszöggel (ψ), a bólintási 230

9 A REPÜLŐGÉP SZIMULÁTOR ÉS TRENÁZS BERENDEZÉS VIZUÁLIS HELYZET- MODELLEZÉS ELMÉLETÉNEK ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI szöggel (ν), és a dőlésszöggel (γ) jelleezhetjük. Az 6. ábrán látható, hogy egyás utáni elforgatással a földhöz rögzített és a repülőgéphez kötött koordinátarendszerek egfelelő tengelyei fedésbe hozhatók. Y 1 γ Y Y 0 ν X 1 ν O ψ X 0 Z 0 ψ γ Z Z 1 6. ábra Az eredő elfordulás iránycosinusait elyek az irányszöggel, a bólintási szöggel és a dőlésszöggel határozhatók eg az 1. száú táblázat tartalazza. Az utolsónak felírt egyenlet szerint nincs különösebben korlátozva a odellrendszerben az α 1, α 2, α 3 szög, azaz gyakorlatilag a odellrendszerben kiválaszthatók a szögek úgy, hogy különböznek a ψ, ν, γ szögektől. Az esetek többségében, ha nincs ás egkötés, akkor a odell koordinátarendszerének szögeit azonosra választják ψ, ν, γ szögekkel. 231

10 BÉKÉSI LÁSZLÓ, DR. SZABÓ LÁSZLÓ A MEGJELENÍTŐ RENDSZER HASONLÓSÁGI FELTÉTELEI A repülőgéphez kötött koordinátarendszer tengelyei A Földhöz rögzített ozgó koordinátarendszer tengelyei OX 0 OY 0 OZ 0 OX 1 cosψ cosν sinν -sinψ cosν OY 1 sinψ sinγ-cosψ sinν cosγ cosψ cosν cosψ cosγ+sinψ sinν cosγ OZ 1 sinψ cosγ-cosψ sinν cosγ -cosν sinγ cosψ cosγ-sinψ sinν sinγ 1.sz. táblázat Mivel a repülőgépvezető általában a sziulátorban, illetve trenázs berendezésben kétéretű képet lát, így a valóságos és odellezett vizuális helyzet hasonlósága érdekében a egjelenítő rendszerben azoknak a feltételeknek kell teljesülniük, aelyek a perspektíva átadás helyességének feltételeiből adódnak. A odellezett rendszer képbeállító berendezésében a perspektivikus átalakítást úgy kell elvégezni azzal a hasonlósági pontossággal, aely egfelelő a pilóta által látott valós hely központos tükrözésének, ha teljesül a következő két feltétel (7. ábra): A egjelenítő rendszernek hasonló átalakítást kell végeznie, ert: A kép koordinátái ne torzulhatnak; A vízszintes és függőleges síkban a lineáris nagyításnak azonosnak kell lenni. 232

11 A REPÜLŐGÉP SZIMULÁTOR ÉS TRENÁZS BERENDEZÉS VIZUÁLIS HELYZET- MODELLEZÉS ELMÉLETÉNEK ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI MEGJELENÍTŐ RENDSZER A egfigyelő szee S 1 2 W v (2ω v ) B 1 B 2 S 2 2 W f (2ω f ) F 1 7. ábra F 2 A repülőgépvezető által látott kép eg kell hogy feleljen a odellező rendszer képbeállító berendezése által a akett felületéről alkotott képpel. A beenő kép felületének (F 1 ) erőlegesnek kell lennie a képalkotás tengelyére (S 1 B 1 ), a kieneti oldalon lévő kép felületének (F 2 ) pedig a látás tengelyére (S 2 B 2 ); A kieneti oldalon egjelenő kép függőleges 2ω f vagy vízszintes 2ω v látószögének azonosnak kell lennie a képbeállító berendezés 2W f vagy 2W v szögével; A B 1 és B 2 pontok egyás konjugáltjainak kell lenniük. KIEGÉSZÍTŐ HASONLÓSÁGI FELTÉTELEK A fizikai odellezésnél a következő feltételeknek is teljesülni kell (ivel ezek is kihatnak a vizuális helyzet ábrázolására): 233

12 BÉKÉSI LÁSZLÓ, DR. SZABÓ LÁSZLÓ A pilóta szee és a repülőgép súlypontja között jelentős távolság van. A C y és C z távolságok (4 és 5. ábra) a gép súlypontjától ne jelentősek (0,5 1,0), ellenben a C x távolság jelentős, ai géptípustól függően 5 25 között ozog. Ezt a jelentős eltérést H100 feletti agasság esetén hagyhatjuk figyelen kívül. A guruló úton való fordulás esetén pl. a pilóta szeének pályája egészen ás, int a repülőgép súlypontjának a pályája (8. ábra). Ez utóbbi probléa egyik egoldása lehet az, hogy a pilóta szeéhez kötött koordinátarendszer középpontját az irányszöggel elfordítjuk (9. ábra). Ezzel azt érjük el, hogy a koordinátarendszer O sz körüli elfordítása ψ szöggel, egyidejűleg az O sz középpont is elozdul az OX 1 és az OZ 1 tengelyek entén a ΔX - C x (1-cosψ); ΔZ C x sinψ értékekkel. B B B A A GURULÓ ÚT C x A 8. ábra 234

13 A REPÜLŐGÉP SZIMULÁTOR ÉS TRENÁZS BERENDEZÉS VIZUÁLIS HELYZET- MODELLEZÉS ELMÉLETÉNEK ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI X X sz X ψ X sz O sz ΔX Z s O sz ψ O ΔZ Z 1 9. ábra A 4.generációs sziulátor illetve trenázs berendezés jelentős részénél a repülőgépvezető fülke egy dinaikus talpazatra van felszerelve, és a korszerűbb változatoknál ár odellezve (érzékeltetve) van a pilótára ható túlterhelés is. Így a pilóta korlátozottan, a kabinnal együtt ozog a térben. Ilyen esetben, ha a képegjelenítő berendezés egy álló alapra van felszerelve, akkor a kabin helyzete a vizuális helyzet odelljéhez képest ha a dinaikus rész ozog változni fog. ÖSSZEFOGLALVA A repülőgép sziulátorok illetve a trenázs berendezések tervezésénél alapvető szepont a vizuális helyzetiitátorokkal szeben egfogalazott követelényrendszer figyelebe vétele. Ez alapján az adott repülőszerkezet által eg- 235

14 BÉKÉSI LÁSZLÓ, DR. SZABÓ LÁSZLÓ követelt különböző tényezők, aelyek hatnak a vizuális helyzetre, a legkülönbfélék lehetnek. Ugyanakkor, inden konkrét esetben eghatározva a repülőszerkezet típusát, valaint az általa egoldandó feladatokat egfogalazható a vizuális helyzetiitátor konkrét technikai követelényrendszere. Sziulátorok, illetve trenázs berendezések tervezésének fontos fázisa a vizuális helyzet geoetriai jellezőinek fizikai odellezése, valaint a hasonlósági feltételek eghatározása vizsgálata. A tervezés előzőekben egfogalazott faladataihoz kívántunk cikkünkkel segítséget nyújtani. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] BABENKO: Iitátori vizualnoj obsztanovki trenazserov letatelnih apparatov. Moszkva, Masinosztroenie, [2] BÉKÉSI LÁSZLÓ: A űködő odellek szerepe a repülőgép- és helikopter sárkány hajtóű szakon tanuló hallgatók képzésében. Katonai Főiskolai közleények (tudoányos ódszertani folyóirat), 1986/X/1. pp [3] HABER, RALPH NORMAN:"Flight Siulation". Scientific Aerican, July [4] F. HAMIT: "Virtual Reality and the Exploration of Cyberspace", SAMS Publishing, Indiana, [5] KING,DOUGLAS: "The Future of VR". Funworld, July [6] PORKER: Video ground-based flight siulation apparatus, USA Pat., CI , no. 4,016,658, Apr [7] SZABÓ LÁSZLÓ: Szeélyi száítógép alkalazásának tapasztalatai a szakalapozó tantárgyak tanításában. Egyetei doktori értekezés, BME, Budapest, In the Engine and Airfrae Departent of the Aviation Officer' Institute of the Miklós Zrinyi National Defence University we have been searching the possibilities of application of personal coputers in the teaching-studying process for fifteen years aong other technical topics. Fro 1997 the ain direction of our research is to create a base for application of the virtual reality and the ultiedia in the flying and echanical engineering training. The authors are writing about design of the siulator and the equipent of the siulator of the fighters and the helicopters. 236