Виртуальные среды для моделирования взаимодействия операторов с БПЛА в закрытых пространствах в потенциально опасных ситуациях

Виртуальные среды для моделирования взаимодействия операторов с БПЛА в закрытых пространствах в потенциально опасных ситуациях

Сергеев Сергей Федорович
д.псх.н., профессор, Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра Великого (СПбПУ), заведующий лабораторией, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, тел.: +7(911)995-09-29, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-6677-8320

Бубеев Юрий Аркадьевич
д.м.н., профессор, Государственный научный центр Российской Федерации Институт медико-биологических проблем Российской Академии наук (ГНЦ РФ ИМБП РАН), заместитель ди-ректора по научной работе, 123007, Москва, Хорошёвское шоссе, д. 76-А, стр. 4, тел.: +7(499)195-03-73, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Усов Виталий Михайлович
д.м.н., профессор, ГНЦ РФ ИМБП РАН, в.н.с., 123007, Москва, Хорошёвское шоссе, д. 76-А, стр. 4, тел.: +7(910)495-48-02, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-9759-3444

Михайлюк Михаил Васильевич
д.ф.-м.н., профессор, Федеральное государственное учреждение «Фе-деральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук» (ФГУ «ФНЦ Научно-исследовательский институт системных исследований РАН»), заведующий отделом, 117218, Москва, Нахимовский пр., д. 36, к. 1, тел.: +7(499)129-28-30, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-7793-080X

Князьков Максим Михайлович
к.т.н., Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ин-ститут проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН), с.н.с., 119526, Москва, пр. Вернадского, д. 101, к. 1, тел.: +7(495)495-434-77-66, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-5863-4079

Поляков Алексей Васильевич
к.м.н., ГНЦ РФ ИМБП РАН, заведующий отделом, 123007, Москва, Хоро-шёвское шоссе, д. 76-А, стр. 4, тел.: +7(916)131-80-85, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Мотиенко Анна Игоревна
к.т.н., Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук» (СПб ФИЦ РАН), с.н.с., 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-0315-9485

Хомяков Александр Викторович
к.т.н., АО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения», ге-неральный директор, 300034, г. Тула, ул. Демонстрации, д. 36, тел.: +7(4872)55-40-90, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Материал поступил в редакцию 24 января 2022 года.

Аннотация
Эффективное взаимодействие человека и робототехнических устройств призвано обеспечить своевременное реагирование на потенциально опасные ситуации, возникающие в сложной среде. Одним из примеров является применение человеком-оператором беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для инспекции закрытых пространств. Эти аппараты позволяют вести поиск и идентификацию целевых объектов, помогая человеку-оператору идентифицировать признаки потенциально опасных событий (ПОС). При этом в закрытом (и часто загроможденном) пространстве для контроля складывающихся ситуаций необходимо привлечение развитых средств ведения пространственной ориентировки на базе технологий искусственного интеллекта, компьютерного зрения, 3D-визуализации, локального позиционирования и навигации и др. Несмотря на достигнутый прогресс в области автономного управления БПЛА, активное участие человека в обнаружении признаков ПОС является важным условием поддержания безопасности внутренней среды контролируемых помещений. Принятие человеком решений в ситуациях высокой неопределенности и неполноты данных во многом зависит от средств улучшения его ситуационной осведомленности (внешние условия деятельности) и профессиональных компетенций (внутренние условия деятельности). Для их формирования необходима разработка методологии и инструментов построения сценариев применения БПЛА для получения операторами необходимого пользовательского опыта на имитационных моделях в виртуальной среде деятельности. В работе исследовались вопросы разработки системы виртуального окружения (СВО) для реализации сценариев применения БПЛА в закрытых пространствах применительно к мультикоптерам, допускающим как автономное, так и ручное управление. В результате проведенного исследования выявлены прототипы БПЛА для инспекции закрытых пространств; показаны перспективы применения квадрокоптеров при различных сценариях ПОС; описан состав перспективных технологий, обеспечивающих применение БПЛА в закрытых средах; предложен способ проектирования и 3D-визуализации сценариев применения БПЛА с использованием оригинальной СВО VirSim. Преимущества предлагаемого подхода к моделированию применения БПЛА в ПОС состоят в многовариантности сценариев деятельности операторов, что способствует накоплению пользовательского опыта взаимодействия человека с летающими роботами.

Ключевые слова
Закрытые пространства, потенциально опасные ситуации, беспилотные летательные аппараты, мультикоптеры, автоматическое и ручное управление, системы виртуального окружения, сценарии деятельности.

DOI
10.31776/RTCJ.10201

Индекс УДК 
519.711.3:004.946:623.746.4-519:614.8

Библиографическое описание
Виртуальные среды для моделирования взаимодействия операторов с БПЛА в закрытых пространствах в потенциально опасных ситуациях / С.Ф. Сергеев [и др.] // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 10. - № 2. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2022. – С. 85-92. – Текст : непосредственный.

Литература

  1. Сергеев С.Ф. Обучающие и профессиональные иммерсивные среды / С.Ф. Сергеев. – Москва: Народ-ное образование, 2009. – 432 с. – Текст: непосредственный.
  2. Сергеев С.Ф. Человеческий фактор в самолетах 6-го поколения: проблемы техносимбиоза / С.Ф. Сергеев // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2018. – T. 19. – № 12. – С. 806-811. – DOI: 10.17587/mau.19.806-811 (дата обращения: 10.06.2022). – Текст: электронный.
  3. Виртуальные среды обучения в задачах освоения Луны с помощью роботов / С.Ф. Сергеев [и др.] // Робототехника и техническая кибернетика. – 2020. – Т. 8. – № 3. – С. 165-174. – DOI: 10.31776/RTCJ.8301 (дата обращения: 10.06.2022). – Текст: электронный.
  4. Компьютерное моделирование жизнеугрожающих ситуаций и проведения аварийно-спасательных, медицинских и эвакуационных мероприятий на лунной базе / А.В. Поляков [и др.] // Авиакосмическая и экологическая медицина. – 2019. – Т. 53. – № 3. – С. 13-19. – DOI: 10.21687/0233-528X-2019-53-3-13-19 (дата обращения: 10.06.2022). – Текст: электронный.
  5. О возможности использования робототехнических летательных аппаратов при выполнении оперативного плана ликвидации аварии на шахтах / М.Л. Ким [и др.] // Уголь, 2018. – № 1. – С. 34-38. – Текст: непосредственный.
  6. Система автоматического управления траекторным движением шахтного беспилотного летательного аппарата / М.Л. Ким [и др.] // Горная промышленность. – 2019. – № 3 (145). – С. 60-64. – DOI: 10.30686/1609-9192-2019-3-145-60-64 19 (дата обращения: 10.06.2022). – Текст: электронный.
  7. Адамов А.П. Анализ эксплуатации мультикоптеров с позиции надежности и безопасности / А.П. Адамов // Надежность и качество сложных систем. – 2017. – № 3 (19). – С. 86-93. – Текст: непосредственный.
  8. Архипов О.П. Алгоритм обследования замкнутого помещения автономным мобильным роботом / О.П. Архипов [и др.] // Системы и средства информатики. – 2018. – Т. 28. – Вып. 4. – С. 10-21. – DOI: 10.14357/08696527180402 (дата обращения: 10.06.2022). – Текст: электронный.
  9. Smart SPHERES: a Telerobotic Free-Flyer for Intravehicular Activities in Space / Fong T. [et al.] // In AIAA Space 2013 Conference and Exposition, pp. 5338-5352, San Diego, CA, USA. – DOI: 10.2514/6.2013-5338 (дата обращения: 10.06.2022). – Text: electronic.
  10. Astrobee: A New Platform for Free-Flying Robotics Research on the International Space Station: [2016 Con-ference: Proc. Int. Symp. on AI, Robotics, and Automation in Space (iSAIRAS)] / Smith T. [et al.]. – Text: electronic // Nasa: [site]. – URL: https://ti.arc.nasa.gov/publications/31584/download/ (дата обращения: 01.06.2022).
  11. Astrobee: A New Tool for ISS Operations: [In Proc. SpaceOps (AIAA 2018-2517)] / Bualat M. [et al.]. – Text: electronic // Nasa: [site]. – URL: https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/
    bualat_spaceops_2018_paper.pdf (дата обращения: 01.06.2022).
  12. Szafir D. Designing planning and control interfaces to support user collaboration with flying robots / Szafir D., Bilge Mutlu, Fong T. // The International Journal of Robotics Research, 2017, № 36, pp. 514-542. – DOI: 10.1177/0278364916688256 (дата обращения: 10.06.2022). – Text: electronic.
  13. Astrobee Free-Flyers: Integrated and Tested. Ready for Launch!: [In: IAF Space Systems Symposium (2019). Cooperative and Robotic Space Systems. Paper ID: 52291. IAC-19, D1,6,4, x52291] / Carlino, R. – Text: electronic // Nasa: [site]. – URL: https://iafastro.directory/iac/paper/id/52291/abstract-pdf/IAC-19,D1,6,4,x52291.brief.pdf (дата обращения: 01.06.2022).
  14. Fluckiger L. Astrobee Robot Software: Enabling Mobile Autonomy on the ISS / Fluckiger L., Coltin B. – Text: electronic // Nasa: [site]. – URL: https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/fluckiger2018astrobee.pdf (дата обращения: 01.06.2022).
  15. Cognitive Architectural Control for Free-Flying Robots on the Lunar Orbital Platform-Gateway / Serrano J. [et al.] // Proceedings: 12th International Conference, ICSR 2020, Golden, CO, USA, November 14-18, 2020, Proceed-ings January 2020. Lecture Notes in Computer Science. – DOI:10.1007/978-3-030-62056-1 (дата обращения: 10.06.2022). – Text: electronic.
  16. Бубеев Ю.А. Способность оператора к ведению пространственной ориентировки при дистанционном управлении беспилотными аппаратами в виртуальной среде / Ю.А. Бубеев [и др.] // Авиакосмическая и экологическая медицина. – 2021. – Т. 55. – № 3. – С. 16-27. – DOI: 10.21687/0233-528X-2021-55-3-16-27 (дата обращения: 10.06.2022). – Текст: электронный.
  17. Михайлюк М.В. Система виртуального окружения VirSim для имитационно-тренажерных комплексов подготовки космонавтов / М.В. Михайлюк [и др.] // Пилотируемые полеты в космос. – 2020. – № 4(37). – С. 72-95. – DOI: 10.34131/MSF.20.4.72-95 27 (дата обращения: 10.06.2022). – Текст: электронный.
  18. Bouabdallah S. Design and Control of quadrotors with application to autonomous flying // MSс thesis, Dept. Autonomous system Eng., Aboubekr Belkaid Univ. Tlemcen, Algérie Université Belkaid. – DOI:10.5075/epfl-thesis-3727 (дата обращения: 10.06.2022). – Text: electronic.
  19. Obstacle Detection and Navigation Planning for Autonomous Micro Aerial Vehicles / Nieuwenhuisen M. [et al.] // 2014 International Conference on Unmanned Aircraft Systems, ICUAS 2014, pp. 1040-1047. – DOI: 10.1109/ICUAS.2014.6842355 (дата обращения: 10.06.2022). – Text: electronic.
  20. Страшнов Е.В. Моделирование режимов полета квадрокоптера в системах виртуального окружения / Е.В. Страшнов, И.Н. Мироненко, Л.А. Финагин // Информационные технологии и вычислительные системы. – 2020. – № 1. – С. 85-94. – Текст: непосредственный.

 

Полный текст статьи (pdf)