Badanie charakterystyki sterownicy przy sterowaniu systemem

Aby zilustrować efekty wynikające z kształtu charakterystyki sterownicy i zasady kompatybilności informacyjnej, wykonano eksperyment, który polegał na sterowaniu orientacją głowicy obserwacyjnej przez operatora realizującego proces obserwacji. Zadanie to zostało wybrane ze względu na stacjonarne cha-rakterystyki obiektu sterowanego. Model samolotu zmienia charakter zachowa-nia w zależności od warunków lotu (rys. C4, C5, dodatek C). Podczas sterowa-nia pilot wykorzystuje równocześnie kilka sygnałów sterujących, konieczne jest także kontrolowanie wielu zmiennych stanu. Efekty sterowania zależą więc od przyjętej taktyki działania człowieka i typowych umiejętności pilotażowych.

W program badań włączono także modyfikację charakterystyki interfejsu informacyjnego. Dodatkowy element, pokazujący kierunek i prędkość ruchu, jest obrazem sygnału pochodnej. Celem badania jest weryfikacja zasady kompa-tybilności informacyjnej oraz sprawdzenie, jak informacja o pochodnej wpływa na realizację sterowania. Badane są jakość sterowania oraz poziom obciążenia zadaniowego.

Realizacja zadania obserwacyjnego wiąże się najczęściej ze sterowaniem orientacją kamery umieszczonej w ruchomej, stabilizowanej przez sterowniki głowicy obserwacyjnej. Na rysunku 5.8 zobrazowano przykładową konfigurację systemu obserwacyjnego składającego się:

• ze sterownicy dwuosiowej,

• z komputera SKL z monitorem zobrazowania,

• z układów teletransmisji sygnałów sterujących i obrazu,

• z głowicy obserwacyjnej, zawierającej:

− kamerę,

− mechanizmy wykonawcze (MW) realizujące obroty względem osi od-chylania (pan) i pood-chylania (tilt),

− regulator głowicy kamery (Rk),

− układy pomiarowe (UPk).

Wykorzystując głowicę obserwacyjną o dwóch stopniach swobody, prze- prowadzono badanie wpływu charakterystyk interfejsów na działanie operatora.

Testom poddano dwa elementy:

• charakterystykę statyczną sterownicy,

• efekt wprowadzenia dodatkowej informacji.

Rys. 5.8. Struktura systemu obserwacyjnego sterowanego przez operatora SKL dla samolotu bez-załogowego

Program eksperymentu był następujący:

1) zapoznanie się uczestnika z zadaniem przez realizację sterowania nie- podlegającą ocenie,

2) wykonanie pierwszego testu, podczas którego są rejestrowane podsta- wowe zmienne stanu i sygnały sterujące,

3) przeprowadzenie ankiety NASA-TLX,

4) powtórzenie etapów 2. i 3. dla innych konfiguracji,

5) uzyskanie komentarza dotyczącego oceny poszczególnych konfiguracji.

W ramach testów porównano sterownicę o charakterystyce zgodnej z teorią kompatybilności informacyjnej K ze sterownicą o charakterystyce liniowej L.

Wprowadzony dodatkowy element informacyjny pokazywał na ekranie w for-mie graficznej aktualną prędkość obracającej się głowicy (wyniki z tym elemen-tem oznaczono symbolem I).

Zadanie polegało na takim sterowaniu, aby kolejno nakierować głowicę na cele oznaczone symbolami 1a, 1b, następnie powrócić na cel oznaczony krzy-żem, po czym kolejno na cele oznaczone liczbami od 2 do 9 i z powrotem na cel centralny (na rys. 5.9a widoczne punkty 7a, 7b i pozostałe w dalszej odległości).

W polu centralnym umieszczono wartości liczbowe pokazujące przybliżony kierunek, w którym znajdują się kolejne punkty. Ten element informacyjny zo-stał zastosowany, aby wyeliminować konieczność poszukiwania celu, który nie jest widoczny na obrazie w położeniu centralnym (rys. 5.9b). Po osiągnięciu każdego punktu uczestnik miał zatrzymać kamerę, dzięki czemu zyskiwał czas na przygotowanie się do kolejnego zadania. Ten sposób działania na etapie ana-lizy wartości ułatwia identyfikację charakterystycznych orientacji kamery.

Wyniki testów zostały zaprezentowane w formie wykresów czasowych odległości od celu (rys. 5.10):

2 2

1 2

∆e =_k ∆α + α_k ∆ _k (5.43)

a) b)

Rys. 5.9. Widok planszy wykorzystywanej w eksperymentach; opis oznaczeń w tekście

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

Rys. 5.10. Przebiegi zmian odległości od celu w funkcji czasu (podanego jako kąt) uzyskane pod-czas eksperymentu dla różnych charakterystyk układu; opis oznaczeń w tekście

t

Chwila t = 0 oznacza osiągnięcie celu z założoną dokładnością. Dla

Zbiór indeksów fi wynika z przyjętych granic przedziału uznanego za końcową fazę sterowania: dolną, wynikającą z dopuszczalnego błędu i górną, dobraną arbitralnie. Drugi wskaźnik to czas, po którym odchylenie zmniejsza się od 2º do 1º, czyli opisuje szybkość w końcowej fazie sterowania.

Analiza przebiegów przejściowych wskazuje na zmianę sposobu sterowa-nia, gdy sterownica ma charakterystykę spełniającą warunek kompatybilności informacyjnej. W końcowej fazie następuje zmniejszenie szybkości ruchu. Efekt ten jest największy, gdy porówna się charakterystyki K i L (rys. 5.10).

Po wprowadzeniu elementu informacyjnego interpretacja samych przebie-gów nie jest już tak oczywista. Dopiero zaprezentowane rozkłady wskaźników widoczne na rys. 5.11 obrazują pewne różnice. Jednoznaczne stwierdzenie po-prawy wynikającej z zastosowanych rozwiązań jest możliwe przez porównanie estymat wartości oczekiwanych rozkładów. Okazuje się, że jedynie przy porów-naniu rozwiązań L i LI analiza wariancji (ANOVA) wykazuje istotne różnice (na poziomie istotności 0,0077 i 0,0009).

20 procesów sterowania w różnych konfiguracjach

Porównanie wartości wskaźników prowadzi do wniosku, że wprowadzenie dodatkowego elementu informacyjnego ma całkowicie odmienny wpływ na

8 Parametry rozkładów są widoczne jako: wartość oczekiwana – linia środkowa, 25 i 75 percentyl – linie górna i dolna wieloboku, graniczny przedział ufności – linie skrajne. Punkty poza gra- nicznym przedziałem ufności są oznaczane znakiem +.

J tcelu

sterowanie w zależności od charakterystyki sterownicy. W przypadku sterowni-cy o charakterystyce K trudno stwierdzić jakiś pozytywny wpływ.

Ocena dokonana przez osoby sterujące podczas testów wyraźnie wskazuje, że charakterystyka K jest korzystniejsza, a wprowadzenie elementu informacyj-nego ułatwia sterowanie. Wszystkie zaprezentowane wyniki i opinie zostały skonfrontowane z oceną TLX przedstawioną na rys. 5.12. Okazało się, że oby-dwa badane rozwiązania redukują obciążenie (jest to także widoczne w poszcze-gólnych składnikach) podczas realizacji zadania, a łącznie następuje wzmocnie-nie efektu.

1 2 3 4

0 10 20 30 40 50 60

Rys. 5.12. Wyniki ankiety NASA-TLX (1 – L, 2 – K, 3 – LI, 4 – KI);

wynik końcowy oraz wyniki cząstkowe w kolejności: zaangażowanie fi-zyczne, zaangażowanie umysłowe, presja czasu, wysiłek, wydajność, frustracja

Mimo potwierdzenia spodziewanego zmniejszenia poziomu obciążenia zarówno dostarczenie dodatkowej informacji, jak i zapewnienie kompatybilności informacyjnej nie pomogły rozstrzygnąć, w jaki sposób zmienia się sposób dzia-łania człowieka. Podczas realizacji eksperymentów zarejestrowano wartości sygnałów sterujących, a na etapie analizy wykonano histogramy wartości ampli- tudy sygnału sterującego, wyliczonego zgodnie z zależnością:

(

)

i pi ti

u = u +u (5.45)

w której up i ut są wartościami zadawanymi odpowiednio w osiach odchylania

Rys. 5.13. Histogramy sygnałów sterujących dla badanych konfiguracji

Charakter histogramu dla charakterystyki L świadczy o problemach z dobo-rem właściwej wartości sygnału sterującego. Zapewnienie kompatybilności in-formacyjnej (charakterystyka K oraz KI) powoduje, że działania człowieka stają się zbliżone do działania typowego regulatora.

Wpływ wprowadzenia elementu informacyjnego jest różny, w zależności od charakterystyki sterownicy. Rozkład widoczny na histogramie dla charakte-rystyki LI świadczy o zmianie sposobu działania człowieka operatora po wpro-wadzeniu elementu informacyjnego. Częstsze wykorzystanie większych warto-ści sygnału sterującego jest charakterystyczne dla sterowania ze zmianą trybów.

Wynika stąd wniosek, że dodatkowa informacja umożliwia lepsze przewidywa-nie stanu, a przez to pozwala szybciej naprowadzić na cel.

|u| |u|

|u| |u|

Dodatkowa informacja ma także korzystny wpływ na charakterystykę K, obniżając obciążenie. Dokładniejsze porównanie histogramów pokazuje częstsze wykorzystanie sygnałów o wyższych wartościach, co świadczy o zwiększeniu wzmocnienia regulatora. W tym jednak rozwiązaniu nie następuje zmiana cha-rakteru działania.

W drugiej serii testów porównano sposób działania operatora dla dwóch wzmocnień: oznaczonego 1 (ta wartość była ustawiona także w pierwszej serii testów) oraz 0,5. Obydwa testy wykonano przy załączonym elemencie informa-cyjnym. Wyniki zostały zaprezentowane w formie przebiegów czasowych odle-głości od celu (rys. 5.14a, b) oraz wartości wskaźnika (rys. 5.14c) opisanego wzorem (5.44) i czasu zmiany odchylenia od 2º do 1º (rys. 5.14d).

a) b)

Rys. 5.14. Przebiegi zmian odległości od celu w zależności od wzmocnienia (a, b) oraz rozkłady wskaźnika jakości (c) i czasu osiągnięcia kierunku celu (d)

Rozkłady wartości wskaźnika jakości i czasu osiągnięcia celu świadczą o tym, że zmniejszenie wzmocnienia powoduje zmniejszenie różnic pomiędzy

L1 L0.5

procesami przejściowymi. Przyczyna tego efektu staje się widoczna w histogra-mach sygnału sterującego (rys. 5.15). Ekstremum sygnału sterującego odpowia-da wartościom zbliżonym do maksymalnych wychyleń sterownicy. Z komenta-rza osoby realizującej sterowanie wynika, że naprowadzanie na kolejne punkty w początkowej fazie było realizowane z maksymalnymi wychyleniami. Podo-bieństwo przebiegu początkowego oznacza możliwość wyuczenia sposobu reak-cji w fazie końcowej (czyli sprowadzenie działania do poziomu SBB) i ten efekt jest wytłumaczeniem zmniejszenia szerokości rozkładów.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Rys. 5.15. Histogramy sygnałów sterujących dla różnych współczynników wzmocnienia

Porównując rozkłady z rys. 5.13 – LI oraz z rys. 5.15 – L1 z L0,5, można wysunąć hipotezę, że drugie maksimum jest związane z właściwościami psycho-fizycznymi człowieka. Zwiększenie prędkości skutkuje prawdopodobnie pro-blemami z prawidłową percepcją ruchu obrazu, stąd większa szerokość rozkła-dów.