Оценка летных характеристик и движений глаз с помощью авиасимулятора виртуальной реальности

Европейское агентство по авиационной безопасности (2012 г.) классифицирует авиационные тренажеры как учебные центры, тренажеры летных и навигационных программ, летное учебное оборудование и полные авиационные тренажеры¹. На сегодняшний день для обучения доступен целый ряд авиационных тренажеров, от низкоуровневых настольных систем до очень сложных полнопилотажных тренажеров^на основе движения2. Традиционный симулятор включает в себя модель динамики полета, симуляцию системы, аппаратную кабину, внешнюю визуализацию и опциональную симуляцию движения³.

Эти традиционные авиационные тренажеры имеют некоторые преимущества в качестве эффективного оборудования для летной подготовки. Однако их стоимость высока и экологически небезопасна, так как привод каждой системы требует существенной электрической энергии, особенно для полноценного тренажера, который требует высокой температуры и высокого давления жидкости или давления воздуха, потребляет много энергии и генерирует^{много шума4}.

Тем не менее, простая настольная система симулятора является гибкой и недорогой, с меньшим погружением и меньшим количеством взаимодействий, чем полнопилотажный симулятор². Поэтому крайне важно разрабатывать новые авиасимуляторы, сочетающие в себе преимущества настольных систем и полнопилотажных тренажеров (иными словами, гибкость настольного симулятора и уровень погружения и взаимодействия, близкий к полнопилотажному симулятору).

С развитием компьютерных технологий, особенно технологии виртуальной реальности (VR), новый тип авиасимулятора, основанный на новой технологии VR, становится реальностью. Авиасимулятор на основе виртуальной реальности является гибким, портативным, недорогим и требует меньше места, чем обычные авиасимуляторы⁵. За последние 20 лет исследователи создали авиасимуляторы на основе технологии VR 6,7,8,9,10,11; однако эти VR-симуляторы полетов в основном предназначены для летной подготовки, и их мало для отбора пилотов. Тем не менее, со снижением стоимости и совершенствованием технологий, симуляторы на основе виртуальной реальности меняются и становятся возможными для индивидуального выбора. В некоторых исследованиях использовались симуляторы на основе виртуальной реальности для персонального отбора в различных областях: Schijven et ^al.12 отбирали хирургов-стажеров с помощью симулятора виртуальной реальности. Huang et ^al.13 разработали психологический инструмент отбора на основе технологии виртуальной реальности для набора пилотов ВВС. Войцеховский и Войтович¹⁴ оценивали возможности кандидата в качестве пилота беспилотного летательного аппарата (БПЛА) на основе технологии виртуальной реальности. Учитывая, что отбор пилотов имеет решающее значение для авиационной отрасли, необходимо разработать новый авиасимулятор на основе виртуальной реальности, ориентированный на выбор пилотов, поскольку широкомасштабный отбор пилотов зависит от стоимости тренажера и требований к портативной системе тренажера.

Движения глаз служат сигналами для пилота. Различные исследования показали, что режим сканирования глаз различает производительность между опытными и начинающими пилотами. Сравнивая схему сканирования у экспертов и новичков, можно дифференцировать эффективное и структурное поведение глаз экспертов и неадекватные методы сканирования у новичков. Несколько авиационных исследований показали, что стратегия сканирования глаз пилотов в значительной степени связана с уровнем квалификации 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Согласно Bellenkes et ^al.25, продолжительность фиксаций специалистов короче, а частота их фиксации на инструментах выше, чем у новичков. Почти такой же вывод был сделан Касарскисом и соавторами^{, которые} обнаружили, что опытные пилоты имеют больше фиксаций в сочетании с более короткой продолжительностью, чем новички, предположили, что опытные пилоты имеют лучший визуальный режим, чем новички. В другом исследовании, Lorenz et al.²⁷ выяснил, что специалисты проводят больше времени, глядя за пределы кабины, чем новички. Эти результаты имеют большое практическое значение при отборе новичков.

Оценка летных характеристик является еще одним важным фактором при выборе пилота. Тем не менее, в оценке летных характеристик пилотов существуют следующие проблемы: противоречивые мнения экспертов, большее количество норм отбора и единая теория отбора. В области вождения Horrey et ^al.28 сравнили абсолютное значение отклонения полосы движения от центральной линии для различных экспериментальных условий для оценки эффективности вождения. Возвращаясь к авиационной сфере, регистратор быстрого доступа к полету (QAR) записывает все виды параметров управления пилотом, параметры самолета, окружающую среду и предупреждающую информацию во время полета²⁹. Более конкретно, как показывают индикаторы QA, угол тангажа – это угол поворота вокруг левой и правой осей летательного аппарата³⁰, а контрольная линия (или центральная контрольная линия) находится прямо посередине красной и зеленой линий²⁸; Эти два параметра полета используются для оценки летных характеристик участников с опытом или без него в текущем исследовании. Эти данные QAR могут быть использованы для оценки летных характеристик, но, насколько нам известно, они редко используются для личных тренировок и отбора в^{научных исследованиях.}

Измерения движений глаз могут быть использованы для оценки и прогнозирования летных характеристик, а также для обучения и отбора пилотов. ^{33-летний} Гератевол заявил, что глаз является важнейшим органом чувств пилота, обрабатывающим 80% полетной информации. Пилоты должны получать визуальную информацию от приборов в кабине и интегрировать ее в целостное изображение для управления полетом²². Кроме того, оптимальное поведение сканирования имеет важное значение для достижения лучших летных характеристик¹⁵. Тем не менее, ни один доступный авиасимулятор в настоящее время не включает в себя айтрекер для облегчения количественных исследований взаимосвязи между движениями глаз и летными характеристиками.

В текущем исследовании был разработан новый авиасимулятор виртуальной реальности, чтобы оценить, были ли участники с опытом полетов иметь лучшие летные характеристики, чем те, у кого не было опыта полетов. Авиасимулятор виртуальной реальности объединяет в себе отслеживание глаз и систему динамики полета, позволяющую анализировать характер движений глаз и оценивать летные характеристики. В частности, стоит упомянуть, что в авиасимуляторе VR используется VR-трекер³⁴, а не стеклянный или настольный айтрекер, для анализа движения глаз на основе области интереса (AOI) без трудоемкого подсчета кадров.

Наконец, настоящая работа может привести к комплексным измерениям для выбора пилотов в будущем, начиная с траектории сканирования глаза и заканчивая объективными данными о летных характеристиках. С помощью виртуального авиасимулятора затраты на подбор рейса будут значительно снижены, а норма пилотов может быть сформирована на основе обширного сбора данных. Работа заполняет пробел между обычными и настольными тренажерами для нужд выбора полетов.