публикации Matrix: «Цифровой» второй пилот

Matrix: «Цифровой» второй пилот

29 Декабря 2018
630

В начале, несколько слов об авторе статьи:

Марк Уорд пришел в Sikorsky Aircraft в 2008 г. в качестве летчика-испытателя серийно выпускаемых воздушных судов. С 2013 года он – ведущий летчик испытатель, задействованный в испытании разрабатываемых компанией проектах, в частности, опытного вертолета SARA (Sikorsky Autonomy Research Aircraft – ЛА компании Sikorsky для автономных исследований) и опционально-пилотируемой версии многоцелевого вертолета UH-60M Black Hawk. В 2014 году Марк принимает назначение в качестве старшего летчика испытателя Летно-испытательного Центра в Стратфорде (Stratford Flight Center).Из Береговой охраны ВС США он уволился в звании коммандера. Во время службы участвовал в различных поисково-спасательных кампаниях, включая спасательную операцию после самого разрушительного в истории США урагана «Катрина» (Hurricane Katrina). За всю карьеру на счету Уорда 17 спасенных жизней.


По роду своей работы большая часть моего времени проходит в летающей лаборатории, где я провожу летные исследования многоцелевого коммерческого вертолета Sikorsky S-76. При этом, мои руки довольно редко находятся на органах управления и оперируют ими. Как раз наоборот, я забиваю в находящийся на колене планшет, конечный пункт назначения и тактико-технические требования, и полностью доверяюсь машине. Вертолет доделает все остальное и без моего участия.

После 22 лет службы в Береговой охране ВС США в качестве пилота, задействованного в поисково-спасательных операциях, и 10 лет работы в компании Sikorsky – в качестве летчика-испытателя, я сейчас являюсь ведущим летчиком-испытателем, разрабатываемых компанией инновационных программ и проектов, в частности Sikorsky Innovations Autonomy program. У меня за плечами более 300 часов автономных полетов на опытном вертолете Sikorsky Autonomy Research Aircraft (SARA), модифицированной версии вертолета S-76B, (на котором используется технология Matrix) способного совершать полеты как с 2 или 1 пилотом на борту, так и полностью в автономном режиме.

Итак, я, уволенный в запас пилот Береговой Охраны (в течении многих лет, участвовавший в выполнении сложных операциях, в том числе и по спасению жизни людей), в настоящее время, летающий на опционально пилотируемом вертолете. Я уверен, что разработанная компанией, Matrix Technology, позволит сделать существенный шаг вперед, в следствии чего вертолеты будут участвовать в выполнении более сложных спасательных миссий, о чем, собственно говоря, и мечтал ее основатель Игорь Сикорский. А чтобы понимать, почему я таким энтузиазмом говорю об эволюции Matrix Technology, позвольте мне вернуться в прошлое и рассказать об одной ненастной, темной и чрезвычайно штормовой ночи.

Ураган был в самом разгаре (норд-ост дул не утихая, метель, видимость менее 500 м, потолок 61 м, порывы ветра от 23 до 31 м/сек, высота волн - 6-9 метров). Сигнал бедствия поступил 11 января 2000 года в 3 часа утра с, давшего течь, и находящегося в 30 милях (48 км) от побережья Северной Каролины рыболовецкого судна (длина 14 м), с пятью рыбаками на борту. В ту ночь, мой экипаж Береговой Охраны уже почти пять часов работал на пределе. К концу выполнения операции у нас в баках (в прямом и переносном смысле) не осталось ничего. Однако, если бы мы подошли к выполнению этой миссии чуть более уставшими, рассеянными и менее подготовленными, то результаты были бы совершенно другими и эти пять рыбаков вряд ли смогли бы вернуться домой к своим семьям.

Каждый раз, когда меня спрашивают почему я уверен, что можно довериться машине с сокращенным составом экипажа или вообще без экипажа при выполнении трудных миссий, требующих больших затрат сил, я сразу вспоминаю тот давний случай и не колеблясь отвечаю: «Мы должны позволить машине выполнять то, что она сможет сделать лучше, а человеку то - что лучше выполнит он. Сикорский называл это “pilot-directed autonomy” («автономный полет под управлением пилота».)

Полеты с «Matrix»

Концепция автономных режимов, весьма разнообразна, начиная от роботизированных линий сборки, до роботов-пылесосов и, как правило, нацелена на замену людей машинами. У компании Sikorsky несколько иной к этому подход. Во главу угла мы ставим человека. Вместо того, чтобы заменить пилота, мы делая эволюционный шаг вперед, даем пилоту возможность работать в обстановке с все более растущими требованиями и увеличивающимся уровнем сложности. Говоря кратко, Matrix Technology это новейший уровень технологии, позволяющий уменьшить нагрузку пилота на всех этапах полета.

«Matrix» - это пакет технологий, куда входят многоспектральные датчики, высокопроизводительные компьютеры, исполнительные механизмы, и передовые, запатентованные органы управления.

Уже на начальных стадиях работы над Matrix Technology специалисты компании Sikorsky видели тесную параллель с проектом по автоматизации систем управления воздушными средствами ALLIAS (Aircrew Labor In-cockpit Automation System), разработками которого занималось Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA). Matrix - это часть, проекта ALLIAS, основной целью которого является внедрение высокого уровня автоматизации, необходимого для обеспечения работы воздушного судна с сокращенным составом членов экипажа на борту при одновременном повышении, как производительности полетов, так и безопасности и надежности ЛА. Первый контракт, в части работы над проектом ALLIAS, DARPA заключило с компанией Sikorsky в 2015 году. Наша работа теперь проходит в тесном сотрудничестве с DARPA и мы уже находимся на третьем, заключительном этапе работ по программе ALLIAS.


Многоцелевой вертолет UH-60 Black Hawk на фоне модифицированной версии вертолета S-76B, оснащенного программно-аппаратным комплексом Matrix Technology

Мой «офис» SARA – это стандартный, вертолет Sikorsky S-76B весом 5126 кг, оснащенный системой управления ALLIAS и программно-аппаратным комплексом Matrix Technology. Находящийся в эксплуатации уже почти 40 лет, S-76B зарекомендовал себя, как безопасный и надежный, используемый во всем мире, средний многоцелевой вертолет.

SARA– это не дистанционно-управляемый ЛА и не крупногабаритный беспилотник, хотя на нем может использоваться полностью автономная система управления (включая взлет, планирование и полет по маршруту, облет препятствий, выбор посадочной площадки и приземление), где многоспектральные датчики в режиме реального времени обеспечивают трехмерное представление об окружающей обстановке.

Разрабатывая интерфейсы для SARA, мы стремились обеспечить пилота максимальным объемом двунаправленного информационного потока в системе, и свести к минимуму объем ввода данных. Вместо ввода отдельных точек маршрута (как это делается при традиционном управлении), вы просто даете указание системе «доставить в точку «X» и выполнить «Y», когда будем на месте». Следует сказать, составленный план полета доступен для редактирования, как непосредственно перед полетом, так и в режиме реального времени во время полета.

В качестве базового устройства для интерфейса был выбран планшет. Это было сделано главным образом потому, что он небольших размеров, удобен для ношении при себе, прост в работе и управлении. Я до сих пор помню, как в первый раз дал команду «взлет», посредством планшета. К моему удивлению, все было выполнено точно в соответствии с отданным распоряжением. Управление с планшета предоставляет полностью автономный результат диапазона функциональных возможностей системы управления. С тех пор мы экспериментировали также и с другим оборудованием системы управления, которое позволяет пилоту управлять машиной по всему спектру автономного полета.

На SARAя совершал полеты на отдаленные аэродромы, ни разу не коснувшись рычагов управления. SARA сам, без моего участия зависал над палубой условно движущегося корабля-имитатора в проливе Лонг-Айленд. У меня за плечами более 100 автономных взлетов и посадок, и более 300 часов полностью автономных полетов. Все это яркие примеры снижения рабочей нагрузки пилота практически до нуля. Пилоты компании на протяжении 5 лет тестировали Sikorsky Autonomy Research Aircraft, и полученный опыт помог нам сформировать наше собственное видение «pilot-directed autonomy».

Потенциал «Pilot-Directed Autonomy»

Подобно тому, как Flight Director (система или часть системы, предоставляющая команды экипажу для управления и руководства полетом ВС и дающая визуальное отображение общего положения ЛА в воздухе) «наслаивается» на систему автоматического управления, которая в свою очередь «наслаивается» на систему улучшения устойчивости и управляемости, мы рассматриваем «pilot-directed autonomy», как важнейший «слой» в системе управления.

А каким должен быть уровень автоматического управления решать пилоту. Будет ли это выполнение миссии в полном автоматическом, директорном, либо позиционном режимах управления. Все будет зависеть от сложности миссии и будет прямо пропорционально требуемому уровню нагрузки/подготовки пилота.

Цель программы ALLIAS заключается  в обеспечении возможности использования воздушных судов военного и коммерческого назначения с сокращенным составом экипажа на борту. А чтобы эти планы стали реальностью, мы тестируем систему ALLIAS, как на самолетах, так и вертолетах. Просчитывая все варианты, мы хотим также продемонстрировать возможность безопасного автономного приземления ЛА в случае возникновения непредвиденных обстоятельств, таких как, нарушение работоспособности пилота в ходе выполнения миссии. Развитие такого сценария согласуется с полным спектром функциональных возможностей системы Matrix.


Интерфейс SARA гарантирует пилотам максимальный двунаправленный информационный поток

Компания Sikorsky уже опробовала, диапазон возможностей ЭДСУ на своих вертолетах Sikorsky CH-148 Cyclone (многоцелевой палубный вертолет, разработанный для ВС Канады, на базе вертолета Sikorsky S-92), Sikorsky CH-53K King Stallion (тяжелый транспортный вертолет), и Sikorsky S-97 Raider (разведывательный и ударный вертолет). Полученный опыт помог нам понять, как, интегрировать высокотехнологичные внешние датчики в каналы управления, и тем самым продемонстрировать базовые возможности воздушного судна, такие как облет препятствий и выбор места посадки. Мы обнаружили, что реальные технические трудности лежат в полной интеграции этих возможностей с человеком-оператором. Наши усилия были сконцентрированы на разработке интерфейса «человек-машина», являющегося основным компонентом, который необходим для получения соответствующих уровней доверия, требуемых для того, чтобы наши усилия увенчались успехом.

К системе «Matrix» следует относиться с точки зрения «цифрового второго пилота». Алгоритмы, которые мы уже разработали (и которые еще находятся в процессе разработки), рассчитаны с учетом особенностей ЛА и предназначены для инкапсуляции всех систем, функций, характеристик и эксплуатационных ограничений. В нее могут быть встроены отдельные эвристические алгоритмы, такие как диагностика неисправностей системы, и предложение соответствующих, необходимых при возникновении аварийной ситуации, процедур. Но окончательное решение (прежде чем отключится критически важная система) всегда будет принимать первый пилот. Это смоделировано преднамеренно. Такую связь первый пилот/второй пилот можно проследить в самолете с человеческим экипажем на боту. Многим из нас это известно, как «двусторонняя согласованность действий».

Что дальше

В результате нашего сотрудничества с DARPA в скором времени появиться еще один ЛА, использующий технологию «Matrix» а именно – многоцелевой вертолет UH-60 Black Hawk с полностью электро-дистанционной системой управления. Также мы планируем доработать систему управления четырех-лопастного двухмоторного транспортного вертолета средней грузоподъемности Sikorsky S-92, и дополнить ее технологией Matrix. Усовершенствование «Matrix Technology» было обусловлено необходимостью получения сертификата типа на гражданские воздушные суда и сертификации ЛА военного назначения. Как DARPA (в качестве военного партнера), так и FAA (в качестве гражданского) были с самого начала вовлечены в этот процесс.

При правильной интеграции «pilot-directed autonomy» появится возможность, свести к минимуму, критические, связанные с человеческим фактором, причины летных происшествий, таких, как столкновение с землей в управляемом полете, или потеря пространственной ориентировки в сложных метеоусловиях. Можно будет включить режим «failsafe», который по умолчанию, будет контролировать и проверять, поступающие от пилота входные сигналы, и сравнивать их с целями миссии и существующими на данный момент времени погодными условиями и накладываемыми в связи с этим ограничениями). Или задействовать «get in the loop», что позволит включить пилота в контур управления и, уведомить его об этом, либо в экстремальной ситуации, вообще отклонить его участие.Все будет зависеть от, выбранного летчиком уровня автономности. Это могут быть, и работающие в фоновом режиме подпрограммы, проводящие мониторинг здоровья пилота, и способные, в случае отказа системы предпринять незамедлительные меры. Так, например, будет постоянно просчитываться наиболее оптимальное место посадки в режиме авторотации. Это будет проделываться несколько раз в секунду и автоматика всегда будет готова, задействовать отклонение органов управления общим шагом. Все эти возможности мы тестировали на самом современном авиасимуляторе, и у нас все получилось.

Представьте, что у вас появится возможность ориентироваться и совершать полет в сложных погодных условиях, совершать посадку на труднодоступные площадки, приземляться на буровую вышку в условиях нулевой видимости, или в шторм зависать над рыболовецким судном, не ощущая при этом бешеного биения сердца.

Вот так представляет себе будущее воздушных судов с «pilot-directed autonomy» компания Sikorsky

пилот-ориентированная автономной системой управления

Мы не замещаем пилота, мы даем возможность ему/ей более эффективно выполнять поставленные задачи с большим уровнем безопасности.

Источник

вернуться назад

Материалы по теме

Комментарии отсутствуют