Vibracijska povratna zveza pri haptični napravi za prostorsko vodenje letala

Malalan, Nina (avtor), Vrabič, Rok (mentor), Zikmund, Pavel (komentor)

Po statističnih izračunih EASA letnih pregledov varnosti, je izguba nadzora nad letalom eden izmed glavnih razlogov, ki privedejo do letalske nesrče. Razne naprave in konstrukcijski dodatki za opozarjanje na porušitev vzgona so pogosto uporabljeni v modernih letalih. Njihova glavna naloga je opozarjanje pilota na bližajočo se porušitev vzgona, njeno preprečevanje ali zakasnitev. V večini se pri tem osredotočajo na usmerjanje pozornosti pilota in ne dajejo prostorskih ali reakcijskih smernic. Cilj je razviti napravo, ki ne bi le preprečila ali le opozorila pilota, da se letalo približuje nevarnemu ali neučinkovitemu režimu leta, temveč da bi ga vodila do pravilnega reševanja oz. izhoda. Diplomska naloga zajema preiskavo, kodiranje in vrednotenje metod haptičnega vodenja, ki bodo uporabljene pri nadaljnjem razvoju omenjene naprave. Najprej so preučene obstoječe rešitve in literatura na področjih haptičnega čuta in vibracijske povratne zveze. Eksperimentalno preizkuševališče je sestavljeno iz igralniške palice, dveh vibracijskih motorjev in arduino MEGA mikrokrmilnika. Na podlagi preučenih podobnih rešitev in literature sta bila določena dva parametra vodenja, na katere je možno vplivati: trajanje pulza in ritem vibracij. Način kodiranja informacij o razdalji med dejanskim položajem naprave in njenim želenim končnim položajem z vibracijsko povratno zvezo je, glede na vpliv na omenjena parametra, razvit v treh različnih kombinacijah: »ritem«, »trajanje«, ter »ritem in trajanje«. Izpeljan je test z namenom preučitve osnovne intuitivnosti treh razvitih metod. Rezultati testa naj bi pripomogli k nadaljnemu primerjalnemu vrednotenju. Osnovna naloga vsake metode vključuje sledenje vibracijskim povratnim zvezam do naključno določenega položaja igralniške palice ter ohranjanje tega položaja do naslednjega novo-določenega. Poskusni osebek mora za vsako metodo izvesti en poskus. Vsak poskus vključuje sledenje ter držanje 21 naključno določenih položajev. Med tem mora poskusni osebek jasno izražati svoje zaznavanje vibracij in občutke povezane z vibracijsko povratno zvezo vsake metode. Glede na rezultate, je metoda »ritem« izključena, saj je osebek z njo dosegel manjšo natančnost in ob tem tudi pripomnil, da je nejasna in begajoča, zlasti na intervalu v neposredni bližini položaja, kjer so za tako majhne razdalje dosežene hitrosti roke relativno zelo visoke. Z namenom, da bi se pri uporabi metod povišalo doseženo natančnost, je obema obstoječima metodama dodana povratna vibracijska zveza, poimenovana nasprotna vibracija. Ta naj bi se izvršila le, ko je želen položaj prvič dosežen. Na tak način naj bi opozorila poskusni osebek o doseženem cilju in pri poskusu držanja položaja preprečila izvajanje večjih napak. Obe metodi z obema verzijama, z in brez nasprotne vibracije, sta preizkušeni in ovrednoteni. Preizkus je potekal na 22 poskusnih osebkih, 16 moškega spola ter 6 ženskega, med 21. in 27. letom starosti. Ti so bili naključno razdeljeni v dve skupini – 11 osebkov za vsako metodo – zato da ne bi prišlo do izkrivljanja rezultatov meritev učnega procesa zaradi podobnosti metod. Vsak osebek je moral preizkus opraviti v treh delih: učni del, ki je vključeval sledenje in držanje 30 položajev in katerega meritve so bile primerjane z meritvami glavnega dela ter uporabljene za ovrednotenje vpliva metode na učljivost; glavni del, ki je ravno tako vključeval sledenje in držanje 30 položajev in katerega meritve obeh metod so bile primerjane med seboj za ovrednotenje vpliva metode na natančnost; ter del nasprotne vibracije, ki je vključeval enako nalogo kot ostala dva dela in katerega meritve so bile primerjane z meritvami glavnega dela ter uporabljene za ovrednotenje uporabnosti nasprotne vibracije. Vsi osebki so morali ob tem izraziti svoja zaznavanja in občutke. Izmerjeni podatki so bili ovrednoteni na bazi preizkušanja statističnih hipotez. Ovrednoteni so bili vpliv metod na natančnost, vpliv metod na učljivost in uporabnost nasprotne vibracije. Na podlagi enostranske t-test analize dveh neodvisnih vzorcev s stopnjo značilnosti 0,05, je metoda »trajanje« dosegla pomenljivo večji vpliv na natančnost v primeru vseh treh merjenih parametrov (p vrednosti 0,0025; 0,00508; 0,000003). Na podlagi enostranske t-test analize dveh odvisnih vzorcev (glavni del in del nasprotne vibracije) metode »trajanje« s stopnjo značilnosti 0,05, v primeru vseh treh merjenih parametrov, nasprotna vibracija ni dosegla pomenljivega vpliva na natančnost (p vrednosti 0,264; 0,315; 0,283). Nasprotno je na podlagi enostranske t-test analize dveh odvisnih vzorcev (glavni del in del nasprotne vibracije) metode »ritem in trajanje« s stopnjo značilnosti 0,05, v primeru vseh treh merjenih parametrov, nasprotna vibracija dosegla pomenljivo pomanjšanje natančnosti (p vrednosti 0,0000012; 0,000013; 0,0097). Poleg tega je 18 osebkov od 22 izjavilo, da jih je nasprotna vibracija močno zmedla zaradi nenadne povratne zveze, ki je pri njih vzbudila nesigurnost, dodatno instinktivno premikanje roke in občutek pomanjšanja natačnosti. Na koncu je bil ovrednoten še vpliv na učljivost na podlagi enostranskih t-test analiz dveh odvisnih vzorcev (učni del in glavni del) s stopnjo značilnosti 0,05 dveh parametrov (čas držanja in potrebni čas za sledenje do položaja) za vsak osebek posamezno. Le 4 osebki metode »trajanje« so dosegli pomenljivo izboljšavo obeh parametrov, medtem ko je pri metodi »ritem in trajanje« pomeljivo izboljšavo za čas držanja doseglo 9 osebkov in za potrebni čas za sledenje do položaja 7 osebkov.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: haptična povratna zveza, interakcija pilot-zrakoplov, prostorsko in reakcijsko vodenje, porušitev vzgona, postopki v sili
• Vrsta gradiva: Diplomsko delo/naloga
• Tipologija: 2.11 - Diplomsko delo
• Organizacija: FS - Fakulteta za strojništvo
• Založnik: [N. Malalan]
• Leto izida: 2018
• PID: 20.500.12556/RUL-102466
• UDK: 004:629.7.05(043.2)
• COBISS.SI-ID: 16252955
• Datum objave v RUL: 31.08.2018

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Vibrotactile feedback in a haptic device for spatial guidance of an aircraft

Izvleček

Encoding and evaluation of haptic guiding methods with vibrotactile feedback are made as part of a project, the aim of which is designing a device that would help the pilot achieve a greater precision in-flight. Different kinds of stall warning devices and structural additions already exist that focus on attentional guidance, but do not consider spatial and movement guidance. The parameters, which can be manipulated, are defined and studied leading to three different combinations: »Only Duration« (OD), »Only Rhythm« (OR) and »Rhythm & Duration« (R&D). A pilot test was conducted to define their basic intuitiveness, narrowing the guiding methods down to two – OD and R&D. An additional vibration, named »vibration alert« (VA), is added to both methods with the aim of increasing the accuracy. These two methods are tested with a series of hypothesis tests to evaluate their learnability, accuracy, and intuitiveness. Based on the results the OD method is found out to be significantly more accurate than the R&D method. The additional vibration led to no significant improvements for the OD method and a significant decrease in the accuracy of the R&D method. Bigger improvement is achieved using the R&D method compared to the OD method.

• Ključne besede: haptic vibrotactile feedback, pilot-aircraft interaction, spatial and movement guidance, stall warning, emergency procedures