О подходе к проектированию адаптивной тренажёрной системы стрелкового оружия Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

2. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М.: Техносфера, 2006. 616 с.

3. Gonzalez R.C., Woods R.E. Digital image processing. Pearson Prentice Hall, 2007. 976 p.

4. Воскобойников Ю.Е., Гочаков А.В., Колкер А.Б. Фильтрация сигналов и изображения: фурье и вейвлет алгоритмы (с примерам в Mathcad). Новосибирск: НГАСУ, 2010. 188 с.

Нгуен Ван Шон, асп., sugusl05@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

OPTIMAL METHOD FOR MA TCHING BY CORRELA TION OF IMAGES

Nguyen Van Son

Methods are shown for solving the problem of correlation of images. The costs of computations the on-board microcomputers of a mobile robot under different methods have been determined. The conclusions are drawn for the optimal choice of the method in the matching by correlation.

Key words: matching by correlation, cost of computations, signal domain, Fourier transform, frequency domain.

Nguyen Van Son, postgraduate, sugus 105@ yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 519.6

О ПОДХОДЕ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ АДАПТИВНОЙ

ТРЕНАЖЁРНОЙ СИСТЕМЫ СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ

А.Н. Привалов, В. Л. Кулешов

Рассматриваются принципы построения учебно-тренировочных средств для подготовки специалистов. На основе обобщённой структуры тренажёрной системы обучения предложена структурная схема адаптивной тренажёрной системы. Проанализированы этапы разработки интеллектуальной (адаптивной) тренажёрной системы. В концепции обучения с применением адаптивной тренажёрной системы целесообразно применить теорию программированного обучения.

Ключевые слова: структурно-функциональная схема, адаптивная тренажёрная система, концепция программированного обучения.

В настоящее время возрастают темпы работ по созданию современных технических средств обучения для Вооружённых Сил вследствие как постоянного усложнения средств вооруженной борьбы и необходимости подготовки специалистов в приемлемые сроки, так и возрастающей стоимости проведения полномасштабных учений и совместных тренировок боевых расчетов.

В современных условиях применение учебно-тренировочных средств (УТС) в обучении как никогда актуально. Масштабное внедрение в боевую подготовку инновационных средств и технологий обучения в сочетании с традиционными формами и методами (практическая стрельба, вождение, тактические учения) позволяет в сжатые сроки и при минимальных затратах достигать высокого уровня подготовки специалистов, слаженности воинских частей, органов управления.

В настоящее время учебно-тренировочные средствареализуются на основе принципов:

- унифицированное защищенное общее программное обеспечение;

- единая система моделирования боевых действий;

- единая система трехмерной визуализации виртуального боевого пространства;

- единые форматы цифровых карт и моделей местности;

- максимально возможная унификация конструкторско-техно-логических решений;

- модульность построения для обеспечения инвариантности исполнения тренажеров;

- возможность объединения экипажных и других тренажеров в единую систему для подготовки подразделений и органов управления соединений, и воинских частей.

Наряду с этим, с целью повышение эффективности подготовки личного состава одной из актуальных задач является разработка интеллектуальных (адаптивных) тренажёрных систем. В этой связи предлагается следующая обобщённая структура тренажёрной системы средств ближнего боя (рис. 1).

Тренажёрная система

Аппаратная подсистема тренажёрного комплекса Программная подсистема тренажёрного комплекса

■--к Имитаторы оружия Модель предметной области

Модуль учебно-тренировочных задач

-ч Имитаторы оптических

приборов Интерфейс должностных лиц

Средства сопряжения Журнал успеваемости

Подсистемы информационного

взаимодеиствия

Вычислительные средства

Обучающие подсистемы

Рис. 1. Обобщённая структура тренажёрной системы

159

Аппаратная подсистема тренажёрной системы включает органы управления, имитирующие приборы для управления огнём и средства связи, выполненные совместно с аналого-цифровыми преобразователями и вычислительные средства.

Программная подсистема тренажёрной системы включает модель предметной области, выполненную в виде фоно-целевой обстановки на основе цифровой карты местности, программный модуль учебно-тренировочных задач, интерфейс должностных лиц, вспомогательные подсистемы для осуществления информационного взаимодействия и учёта успеваемости обучаемых.

Создание интеллектуальной (адаптивной) информационно-обучающей тренажёрной системы, с контуром обратной связи, позволит реализовать следующие функции (рис. 2):

- обеспечение контекстно-зависимой подсказки обучаемым при выполнении учебно-тренировочных задач в диалоговом режиме обучения;

- интеллектуальное поведение тренажёрной системы;

- анализ действий обучаемого на каждом шаге обучения, выдача рекомендаций и обеспечение информационного воздействия по результатам обучения.

Рис. 2. Структурная схема адаптивной тренажёрной системы

Разработка интеллектуальной (адаптивной) тренажёрной системы сопряжена с выполнением рядя этапов:

- создание психолого-педагогической концепции обучения;

- разработка модели предметной области (МПО);

- разработка математических моделей модуля формирования адаптирующих сценариев;

- разработка математических моделей модуля оценивания знаний;

- разработка структуры учебно-тренировочных заданий (УТЗ) для коррекции обучаемого;

- формирование дидактического материала базы диалоговых обучающих сценариев.

- формирование дидактического материала для создания репозито-рия учебно-тренировочных заданий;

Психолого-педагогическую концепцию целесообразно формировать на основе активных методов обучения, поскольку методика обучения может быть действенной тогда, когда она строится на методах и приемах, активизирующих деятельность самого обучаемого, прежде всего мыслительную, и служит умственному развитию личности.

К активным методам относятся следующие три группы методов:

- методы программированного обучения;

- методы проблемного обучения;

- методы интерактивного (коммуникативного) обучения.

Несмотря на известную критику программированного обучения

(бихевиористская схема «стимул — реакция — подкрепление» неадекватна человеческому поведению) в самой идее программирования процесса обучения есть рациональное зерно, поскольку в исследованиях отечественных психологов [1] было показано, что теория поэтапного формирования умственных действий позволяет программировать не порции запоминаемого учебного текста, а саму учебную деятельность обучающегося.

Исходя из сказанного, в основе психолого-педагогической концепции обучения адаптивной тренажёрной системы целесообразно применить теорию программированного обучения, организуемого в соответствии с теорией поэтапного формирования умственных действий. В качестве основных методических средств выберем следующие:

- схема ориентировочной основы действий (ООД), позволяющая обучаемому безошибочно (правильно, по существу и в нужной последовательности) выполнять осваиваемые действия (и деятельность в целом);

- набор учебных задач, моделирующих самые разнообразные ситуации, складывающиеся в реальной действительности при выполнении данной деятельности (обучаемый решает эти задачи, опираясь на схему ООД).

Разработку интеллектуальной (адаптивной) тренажёрной системы возможно произвести на примере существующего стрелкового тренажёра для средств ближнего боя (рис. 3).

Данный тренажёр предназначен для приобретения и развития начальных навыков стрельбы по неподвижным, движущимся и появляющимся целям из стрелкового оружия и позволяет оценивать параметры обучаемого при выполнении учебных задач.

Рис. 3. Стрелковый тренажёр

Программное обеспечение стрелкового тренажёра регистрирует параметры, характеризующие действия обучаемого по основным показателям владения стрелковым оружием:

- траектории наведения на цель;

- угол свала оружия;

- увод ствола при выстреле;

- девиацию прицельной линии до и после выстрела;

- точки попадания;

- формирование базы оценочных параметров

Увеличить набор параметров, регистрируемых программным спецвычислителем тренажёра возможно с помощью введения в состав имитатора оружия датчиков, контролирующих навыки стрелка при производстве выстрела:

- удержание пистолетной рукоятки;

- постановка затыльника приклада и контроль усилия нажима приклада в плечо;

- прикладка щеки к гребню приклада;

- положение головы относительно верхней части приклада и прицельных приспособлений автомата;

- обработка спускового крючка.

Анализ механизма взаимодействия стрелка и оружия, произведённый в ряде источников [2-4], характеризует деятельность стрелка в виде противодействия трем силам в пяти точках в вертикальной плоскости и удержании автомата в горизонтальной плоскости дополнительно в двух точках (рис. 4). К основным факторам, влияющим на точность выполнения стрельб из автомата АК-74, следует отнести силы и моменты, возникающие при выстреле (табл. 1).

Таблица 1

Силы и моменты, возникающие при выстреле

№

Фактор

Сущность процесса

Сила отдачи (импульс) и момент поворота автомата возникающий от несовпадения оси канала ствола с точкой опоры приклада в плечо. Увод ствола в право у правшей и влево у левшей

2

Сила проворачивания автомата вокруг центра его масс, возникающая при ударе затворной рамы в заднем крайнем положении

Сила, возникающая при экстракции гильзы и уводящая ствол автомата влево-вверх (заднюю часть приклада влево-вниз)

1

3

С учётом сил, возникающих при выстреле, специфики деятельности стрелка и выбранной психолого-педагогической концепции схемы ориентировочной основы действий (ООД) для привития основных навыков, необходимых для выполнения стрельбы из средств ближнего боя, следующие:

- схема ООД для правильного прицеливания;

- схема ООД для правильного удерживания (хвата) оружия;

163

- схема ООД для правильного нажатия на спусковой крючок;

- схема ООД для правильного выбора точки упреждения;

- схема ООД для правильной фиксации корпуса стрелка;

- схема ООД для правильной установки прицельной планки;

- схема ООД для правильного заряжания.

í

а

X /

Рис. 4. Схема имитатора с датчиками контроля навыков стрелка: 1 - пистолетная рукоятка супругоподвижной планкой; 2 - контактный выключатель электронного устройства индикации; 3 - планка усилия нажима щеки на приклад; 4 - планка усилия нажатия в плечо; 5 - спусковой крючок; 6 - трехцветный индикатор; 7 - прицельные приспособления; 8 - винт регулировки

фиксатора усилия, оказываемого щекой стрелка на гребень приклада; 9 - винт регулировки фиксатора усилия, оказываемого на планку пистолетной рукоятки; 10 - винт регулировки фиксатора усилия, оказываемого прикладом на плечо стрелка; 11 - цевье

Схема существующего процесса обучения стрелков с применением стрелкового тренажёра заключается в предъявлении задач в соответствии с курсом боевой подготовки и оценивании результатов их выполнения (рис. 5).

Рис. 5. Схема процесса обучения в штатном режиме

Для создания интеллектуальной (адаптивной) тренажёрной системы, корректирующей навыки стрелка в процессе обучения, необходимо интегрировать в состав учебно-информационной модели тренажёра режим "Тренировка", реализуемый помощью модуля формирования корректирующего сценария, и разработать учебно-тренировочные задачи в соответствии с представленными выше схемами ООД (рис. 6).

11 отпаговое выполнение обучающего диалога

I Г Диагностика п определение " I—целей для коррекции

^_юеыкое_,

/-Выбор гг гтр^дъявттешге-

^ актуальных

корректирующих УТЗ из ^-■ цеполпторШ1-1

^ Оценивание

—^ корр ектир ^'юппк УТ 3

-II г ~-

Выдача рекомендации

обучаемому

Рис. 6. Схема процесса обучения в режиме "Тренировка"

Учебно-информационная модель адаптивного тренажёра стрелкового оружия предполагает обучение в двух режимах:

- режим выполнения учебных нормативов;

- режим "Тренировка".

Результаты анализа ряда источников [10, 11] свидетельствуют о том, что деятельность «стрельба из огнестрельного оружия» требует у исполнителя наличия совокупности навыков.

Произведём классификацию навыков стрелка для формирования модели предметной области адаптивной тренажёрной системы (табл. 2).

Таблица 2

Структура навыков обучаемого при стрельбе из стрелкового оружия

ближнего боя

Навыки обучающегося стрельбе из стрелкового оружия

Тип мишеней

Неподвижные Подвижные

1 Правильность прицеливания 1 Правильность прицеливания

2 Правильность хвата оружия 2 Правильность хвата оружия

3 Правильность обработки спускового механизма 3 Правильность обработки спускового механизма

4 Правильность фиксации корпуса стрелка 4 Правильность фиксации корпуса стрелка

5 Правильность установки прицельных приспособлений 5 Правильность установки прицельных приспособлений

6 6 Правильность выбора точки упреждения

Цель деятельности - поражение мишеней

Для обеспечения функционирования процесса обучения в режиме "Тренировка" с адаптацией обучаемого в тренажёрной системе необходимо представить знания о деятельности стрелка в виде модели предметной области, созданной на основе фреймовой семантической сети.

Чтобы построить такую фреймовую семантическую сеть представим свойства каждого навыка стрелка с помощью единиц учебной информации, и зададим отношения значимости на единицах учебной информации.

Тогда задачу, предполагающую адаптирующее воздействие для обучаемого, возможно решить несколькими способами:

- выбор альтернативной учебно-тренировочной задачи, отвечающей заданным критериям;

- предъявлением фрагмента информации из определённого ранее множества информационных единиц фреймовой семантической сети с учётом критериев эффективности.

В качестве критериев эффективности целесообразно выбрать следующее:

- значение параметров учебно-тренировочной задачи на данном шаге обучения (выбор альтернативной УТЗ из репозитория);

-количественный и качественный состав задач для контроля знаний (формирование множества контрольных заданий);

-количество информации адаптации (формирование множества единиц учебной информации для адаптации).

Основываясь на данных табл. 2, обозначим процесс взаимодействия обучаемого с адаптивной тренажёрной системой схемой (рис. 7).

Рис. 7. Схема основных процессов деятельности стрелка при обучении стрельбе из стрелкового оружия

Разработанный на такой основе тренажёр позволит повысить эффективность процесса обучения стрельбе из стрелкового оружия за счёт сокращения времени на выполнение контрольных заданий.

Список литературы

1. Талызина Н.Ф. Пути разработки профиля специалиста. Саратов: СГУ, 1987. 176 с.

2. Весь мир полигон. [Электронная версия] URL: http://defence.ru/ article/1313/ (дата обращения: 20.09.2017).

3. Интернет сайт BISim [Электронная версия]. URL: www.bisimulations.com (дата обращения: 20.09.2017).

4. Интернет сайт фирмы Comtrol [Электронная версия]. URL: www.comtrol.com (дата обращения: 20.09.2017).

5. Интернет сайт фирмы Lockheed Martin [Электронная версия]. URL: www.lockheedmartin.com (дата обращения: 20.09.2017).

6. Электронная версия издания Military training International (США). [Электронная версия]. URL: www.defence-house.com (дата обращения: 20.09.2017).

7. Москаленко Ю.С. Представление и обработка знаний в обучающих системах: учеб. пособие. Владивосток: Из-во ДВГТУ, 2000. 125 с.

8. Рыбина Г.В. Основы построения интеллектуальных систем: учебное пособие. М.: Финансы и статистика ИНФРА, 2010. 432 c.

9. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Интеллектуальные информационные технологии: учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 304 с.

10. Пуллэм Б., Фрэнк Т. Хейненкрат. Спортивная стрельба из винтовки. Руководство для стрелков и тренеров. [Электронная версия]. URL: http://www.shooting-ua.com/books/book 29.1 .htm (дата обращения: 20.09.2017).

11. Рыбин А.И. Руководство по стрельбе из охотничьего ружья. М.: Физкультура и спорт, 1982. 46 с.

Привалов Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., privalov.61@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Кулешов Владимир Львович, ведущий специалист, strn5@yandex. ru, Россия, Тула, АО "Центральное конструкторское бюро аппаратостроения"

ON THE APPROACH TO DESIGNING THE ADAPTIVE TRAINING SYSTEM

OF SMALL ARMS

A.N. Privalov, V.L. Kuleshov

The principles of building educational and training facilities for training specialists are considered. Based on the generalized structure of the simulator training system, a structural diagram of the adaptive simulator system is proposed. The stages of the development of

an intelligent (adaptive) simulator system are analyzed. In the concept of learning with the use of an adaptive simulator system, it is advisable to apply the theory of programmed instruction.

Key words: structural-functional scheme, adaptive training system, the concept of programmed learning.

Privalov Aleksandr Nicolaevich, doctor of technical science, professor, privalov. 61@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University,

Kuleshov Vladimir Lvovich, Leading Specialist, strn5@yandex. ru, Russia, Tula, JSC Central Design Bureau of Instrument Engineering

УДК 519.6

О ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА СПЕКТРАЛЬНОГО ОБОЛОЧЕЧНОГО КОНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ РЕШЕНИЯ

ДИНАМИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ

К.А. Петровский, А.Н. Привалов

Рассмотрено применение треугольного спектрального конечного элемента для численного решения динамической задачи об определении напряженно деформированного состояния оболочечной конструкции при зависящей от времени нагрузке. Учет влияния сдвиговых деформаций, изменение толщины оболочки происходят за счет использования 7-параметрической модели оболочечных элементов. Приводятся результаты решения задачи для иллюстрации возможностей элемента.

Ключевые слова: программный код, распараллеливание вычислений, метод конечных элементов, спектральный элемент, математическая модель, 7-параметрическая формулировка.

Разработка процедур численного анализа оболочечных конструкций представляет, несомненно, одну из самых сложных задач исследования конечных элементов. Крупной и важной прикладной областью для анализа оболочек являются системы CAD/CAE [1].

В последние десятилетия разработка эффективных вычислительных моделей для нелинейного анализа оболочек была одним из важнейших направлений в исследованиях. Частично это связано с необходимостью численного анализа новых материалов, таких как композитные и функционально градуированные оболочки, так как разработка новых конструкционных материалов требует создания адекватных математических моделей

168