CC BY
31
DIRECTIONS FOR IMPROVING THE ACCURACY AND FIRING RANGE OF GUIDED MISSILES MULTIPLE LA UNCH ROCKET SYSTEMS
V.S. Astashov, S.N. Grushichev, A.S. Ivanov, A.A. Polyakov
The technical problems that need to be solver in order to create new guided missiles (URS) that provide an increase in the accuracy and firing range of existing samples are identified. The existing approach to the choice of rational parameters of the URS design is analyzed. The design of the components of the projectile and their principle of operation are described and justifies the design advantages of the newly created control system unit (BSU) over existing analogues.
Key words: rocket projectile, control system, rocket engine, MLRS, combat vehicle, control system unit.
Astahov Vladislav Sergeevich, design engineer III category, astashov-92@mail. ru, Russia, Tula, JSC «SPLAV Scientific and Production Association» named after A. Ganichev»,
Grushichev Sergey Nikolaevich, lead design engineer, max0594@yandex. ru, Russia, Tula, JSC «SPLAV Scientific and Production Association» named after A. Ganichev»,
Ivanov Aleksey Sergeevich, design engineer I category, max0594@yandex.ru, Russia, Tula, JSC «КВP»,
Polyakov Aleksandr Alekseevich, engineer, sashka.poliackov@yandex. ru, Russia, Tula, JSC «SPLAV Scientific and Production Association» named after A. Ganichev»
УДК 615.47; 616-072.7
СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ КОГНИТИВНЫХ НАРУШЕНИЙ
Н.Л. Коржук, А.Х. Мельников, А.Ф. Индюхин
В статье рассмотрен способ выделения из спонтанной биоэлектрической активности головного мозга когнитивной реакции на внешний стимул, требующий оценки зрительного образа и мысленной вербализации. Предложен способ визуализации вызванной активности, структурная схема системы использования полосовых фильтров и математическая модель картирования.
Ключевые слова: функциональная система, головной мозг, электроэнцефалограмма, полосовой фильтр, картирование.
Академик В.И. Вернадский отмечал, что возникновение нового понятия, «символа», нельзя понять логически, но можно приложить к нему математический анализ, проверить фактами, точно учесть их мерой и числом [1].
Согласно теории функциональных систем (ФС) академика П.К. Анохина [2, 3], который отводит головному мозгу роль управляющего элемента во всех, даже случайно возникающих под влиянием конкретной ситуации, функциональных системах, каждой системе соответствуют определенные связи и взаимодействие разных зон коры головного мозга (КГМ). Физически связи выражаются в электрической активности и синхронизации этой активности.
Структурная схема ФС, предложенная в [2], аналогична принятой в теории автоматического управления [4]: происходит сравнение текущего положения с желаемым (акцептор результата действия), а разница служит управляющим сигналом для исполнительного устройства (мышечной системы). Таким образом, ФС представляет собой замкнутую систему автоматического управления с отрицательной обратной связью.
126
Системообразующим фактором академик П. К. Анохин называл цель, желаемый результат, к которому стремится субъект. Современная наука вкладывает в это понятие несколько другой смысл, но определение классика нас привлекает тем, что четко показывает - конкретные функциональные системы могут включать в себя другие, сложившиеся эволюционно в более ранние сроки.
Исходя из латинского слова «cognito» - узнавание, назовем когнитивным актом познание какой-либо элементарной истины. Для совершения когнитивного акта в головном мозге, несомненно, создается новая функциональная система, назовем ее когнитивной системой (КС), целиком сосредоточенная в коре - без использования мышечной системы (в отличие от общего случая, рассматриваемого П.К. Анохиным в [2]). Возникновение ее возможно только при наличии мотивации, соответствующих способностей и целенаправленного действия человека. Внешние условия (обстановочная аф-ферентация) формируют определенный заказ, потребность индивидуума, создают конфликтную ситуацию (пусковая афферентация). Постановка задачи может быть вполне конкретной.
Простейшим случаем ФС является процесс осознания какого-либо внешнего стимула. Методика исследования используется в медицине и психофизиологии под названием когнитивные вызванные потенциалы (ВП) [5 - 7].
В ходе эксперимента была проведена регистрация ЭЭГ с применением компьютерной диагностической системы «Нейрокартограф-5» (фирма МБН, г. Москва), установленной в Клинико-Диагностическом центре Тульской областной клинической больницы. Получены записи фоновой активности и записи с когнитивной нагрузкой. Испытуемым на экране ноутбука предъявлялись две фигуры - квадрат и круг. Задание состояло в том, чтобы оценить, какая из фигур занимает большую площадь и мысленно назвать ее. В результате оценки испытуемый мысленно произносил слово «круг» или «квадрат». В эксперименте участвовали студенты-спортсмены. В момент предъявления стимула импульсный генератор (выполнен на микроконтроллере stm32f103) по команде с ноутбука выдает синхроимпульс, который отображается на ЭЭГ. Генератор имеет два входных интерфейса - USB и RS232, что позволяет совмещать оборудование с другими медицинскими приборами. Запись обрабатывается программным обеспечением (язык программирования VB6, VB2008Express), в результате на экран выводится карта вызванной активности для соответствующего момента времени.
На рис. 1 представлена схема исследуемой в эксперименте исследуемой КС.
Приведенные на рис. 1 функциональные системы: ФС1 - система оценки площади наблюдаемой фигуры; ФС2 - система (база памяти) названий геометрических фигур; ФС3 - система формальной логики; ФС4 - система воспроизведения вербальных понятий (мысленное проговаривание). Указанные ФС локализуются в различных зонах КГМ, и их функционирование находит отражение в биоэлектрической активности мозга.
СТИМУЛ ФСЗ
00 ФС1 ау
Обстановочная афферентация Постановка задачи
Пусковая афферентация
К
ФС4
Q
Рис. 1. Структурная схема КС: X, У — компоненты визуального стимула; ФС1 — ФС4 — эволюционно более ранние функциональные системы; Ух, Уу — площади фигур; Ух, Уу — названия фигур
С медико-клинической точки зрения различают спонтанную (фоновую) и вызванную активность - ВП. Если первая используется чаще всего для диагностики грубой патологии, то вторая - для исследования сенсорных систем. Долгое время аппара-
тура для исследований ЭЭГ и ВП разной модальности также использовалась разная, не существовало единого методического подхода, вплоть до того, что результаты противоречили друг другу [8].
Амплитуда когнитивного ВП на порядок меньше фоновой ЭЭГ, к тому же методика регистрации предполагает многократную подачу значимого стимула, случайным образом чередующегося среди незначимых в соотношении 1 к 10. Используется усреднение по времени, вследствие чего значительная доля информации теряется, особенности ответа нервной системы на единичный стимул безвозвратно утрачиваются. Для изучения КС такая методика непригодна.
Для исследования КС предложен способ выделения единичной реализации когнитивного ВП, основанный на автоматической настройке математической модели фоновой ЭЭГ (в том числе и в реальном масштабе времени) [9]. Математическая модель состоит из рекуррентных уравнений цифровых полосовых фильтров с настраиваемой полосой пропускания и различными уровнями подавления высоких и низких частот [10]. Параметры фильтров автоматически изменяются в зависимости от частоты доминирующего ритма [11].
Фильтрация происходит следующим образом: сигнал подается на три последовательно соединенных полосовых фильтра Баттерворта БФ1, БФ2, БФ3. Каждый из фильтров имеет исходную частоту настройки /н, соответствующую середине анализируемого частотного диапазона, например, тета, альфа, бета.
Полосовые фильтры БФ1, БФ2, БФ3 автоматически настраиваются на частоту доминирующего ритма в выбранном частотном диапазоне периодометрическим методом: счетчики измеряют временные интервалы между моментами прохождения выходными сигналами фильтров максимумов и минимумов. Частота настройки /н рассчитывается как обратная величина по нескольким значениям измеренного периода.
На рис. 2 представлена блок-схема последовательного соединения полосовых фильтров.
Рис. 2. Структурная схема обработки сигнала фильтрами: иЭ — сигнал ЭЭГ; иК — выходной сигнал когнитивной активности
Как видно из рис. 2, выходной сигнал фильтра БФ1 (настроен на альфа-диапазон) вычитается из исходного сигнала ЭЭГ, и на вход второго фильтра поступает сигнал, не содержащий альфа-ритма. Второй фильтр настроится на частоту тета- или бета-ритма - в зависимости от того, кто из них имеет большую амплитуду. Система из трех фильтров после завершения настройки подавит в сигнале ЭЭГ основные ритмы фоновой активности.
В то же время в выходных сигналах фильтров (а их может быть больше трех) содержится информация о спектральной картине фоновой активности ЭЭГ. Если рассматриваемые отведения входят в состав КС, то при ее работе эти отведения будут участвовать в синхронном процессе, и в регистрируемых сигналах будут иметь место общие частотные составляющие. Это будет выражаться в том, что в спектре сигналов в разных отведениях будут «всплески» на одной и той же частоте. Поскольку мы отказались от проведения спектральных преобразований, а ищем (настраиваемся) на частоты ритмов, мы должны получить одинаковые резонансные частоты фильтров Баттерворта в разных отведениях. По окончании настройки фильтров их параметры (количество их будет зависеть от соотношения амплитуд основных гармоник сигнала) с заданным уровнем точности будут представлять модель сигнала фоновой ЭЭГ в том смысле, что белый шум, пропущенный через систему построенных фильтров, будет иметь спектральные характеристики, совпадающие с характеристиками фоновой ЭЭГ.
Применение предложенного способа [9] позволяет регистрировать единичные реализации отклика на стимул и проследить локализацию максимума вызванной активности в различные моменты времени после подачи внешнего стимула и выявлять области, вовлеченные в наблюдаемый процесс [12]. Ранее отмечалось, что когнитивный ВП имеет несколько максимумов, наблюдаемых в разные моменты времени в разных зонах коры [6]. По мнению академика П.К. Анохина максимум ВП соответствует прохождению сигнала через определенную нервную структуру (центр). Вычислив положение мгновенного максимума вызванной активности, мы можем установить, в каком центре сейчас происходит обработка информации. В описываемом эксперименте КС имеет лингвистический выход в виде фонем и слов. В последнее время такие исследования, находящиеся на стыке нейролингвистики и электрофизиологии, проводятся опережающими темпами [13 - 15] ввиду их большого значения для развития методов коммуникации людей с ограниченными возможностями.
Картирование мгновенных значений ЭЭГ, довольно популярное в начале 90-х, не имеет в настоящее время широкого применения ни в медицинской, ни в исследовательской практике. Гораздо больший интерес представляет картирование ВП, однако традиционный метод регистрации ВП - накопление и усреднение сигналов с одного-двух электродов не позволяет получить сколь-нибудь значимый результат.
При нейрокартировании приняты следующие допущения:
1. Границы картируемой зоны проходят через электроды Fp1, F7, T3, T5, O1, O2, T6, T4, F8, Fp2.
2. Через электроды F3, C3, P3, Oz; F4, C4, P4, Oz; F7, T3, T5, O1; O2, T6, T4, F8 проходят дуги большого круга.
Процесс картирования осуществляется в каждый дискретный момент времени записи ЭЭГ (шаг At = 0,005 c) после цифровой фильтрации сигнала.
На плоскости картирования приняты следующие координаты электродов в круге радиусом г и координатами центра Хс, Ye.
yef 7 = yef 8 = Ye —г - со&(0.5ж):
xefl = Xc — r ■ зш(О.Зяг): xef 8 = Xc + r sin(0.3ír): yef 3 = yef 4 = Ye — r • cos(0.3zr):
xefl = Xc- 0,6r ■ sin(0.2ír): xef 4 = Xc + ■ sin( (Uít): yet3 = yet4 = Ye: xet3 = Xc — r: xet4 = Xc 4- r: yec 3 = yec 4 = Ye: хесЗ = Xc — 0.4r: xec4 = Xc + 0.4 r: yet5 = ver б = Yc + r ■ sin(0,2ír);
xetS = Xc — r ■ cos(0.2ít): xet6 = Xc + r ■ cos(0,2ít): yepi = yep4 = Ye + r ■ зт(0.2яг):
херЗ = Xc — О.бг ■ sin(0.2ír): xep4 = Xc + О.бг ■ sin( 0Ля): yeo 1 = yeo2 = Ye + r ■ cos(O.Iít): xeol = Xc — r ■ sin( 0.1яг): xeo2 = Xc + r ■ sin( 0.1tt)j veoz = Ye+ r: xeoz = Xc:
где уесЗ, xec3,xef7,yef7,xef3, yef3, xet3, yet3, xet5, yet5, херЗ, уерЗ, xeol, yeol, yec4, xec4,xef8,yef8,xef4, yef4, xet4, yet4, xet6, yetó, xep4, yep4, xeo2, yeo2, xeoz, yeoz - координаты соответствующих электродов.
Для определения значений сигналов ЭЭГ в межэлектродном пространстве последовательно применяется метод сплайн-интерполяции по четырем точкам.
1. Определяются значения сигналов ЭЭГ по «дугам большого круга» (допущение п.2) для точек пересечения дуг с секущей плоскостью, перпендикулярной плоскости симметрии головного мозга.
1.1. Координаты точек рассчитываются по положению секущей плоскости относительно лба - yb.
x1 = Xc-i/ r2 - (Yc-yb)2;
x2:
(yb — yec3)(xef 3 - xec3)
(yef 3 — yec3) (yb — yep3)( xec3 — xep3)
+ xec3 yb < yec3,
(yec3 — yep3) (yb — yeoz)( xep3 — yeoz)
+ xep3
x3:
( yep3 — yeoz) (yb — yec4)(xef 4 — xec4)
+ xeoz
yb > yec3 yb > yep3
yb £ yep3, yb £ yeoz;
(yef 4 — yec4) ( yb — yep4)(xec4 — xep4)
+ xec4 yb < yec4
(yec4 — yep4) (yb — yeoz)(xep4 — xeoz)
+ xep4
+ xeoz
yb > yec4 yb > yep3
yb £ yep4 yb £ yeoz
(yep4 — yeoz)
x4 = Xc + r 2 — (Yc—yb)2.
1.2. Определяются четыре значения сигналов на пересечении секущей плоскости с дугами большого круга. Обозначим буквой S функцию сплайн-интерполяции по четырем точкам [12].
u = SICx xb ^ % x4 yb У2, Уз, y4), где х - координата расчетной точки; х1, х2, х3, х4 - координаты опорных точек, для которых заданы значения интерполируемых функций; y1, y2, y3, y4 - значения функций в опорных точках.
u1 = S (yb, yef 7, yet3, yet5, yeo1, uf 7, ut3, ut5, uo1);
u 2 = S (yb, yef 3, yec3, yep3, yeoz, uf 3, uc3, up3, uoz);
u3 = S (yb, yef 4, yec4, yep4, yeoz, uf 4, uc4, up4, uoz);
u 4 = S (yb, yef 8, yet4, yet 6, yeo2, uf 8, ut 4, ut 6, uo2), где u1, u2, u3, u4 - значения сигналов ЭЭГ в точках пересечения секущей плоскости с дугами большого круга; uf3, uf4, uf7, uf8, ut3, ut4, ut5, ut6, uc3, uc4, up3, up4, uo1, uo2, uoz - значения сигналов ЭЭГ на соответствующих электродах, причем: uoz = S(yoz, yet5, yeo1, yeo2, yet6, ut5, uo1, uo2, ut6).
2. Значения сигнала ЭЭГ в каждой точке сечения получаются по формуле [12]: ux = S (x, x\, x2, x3, x4, u1, u 2, u3, u 4), где х - координата точки в сечении; ux - значение сигнала ЭЭГ в точке х.
Значения сигналов во всех последовательных сечениях сохраняются в квадратной матрице размером 200*200 элементов. После заполнения матрицы осуществляется поиск глобального максимума и минимума. Интервал между максимумом и минимумом разбивается на шесть равных промежутков, в соответствии с которыми элементу присваивается соответствующий код цвета. Поскольку матрица квадратная, крайние элементы, выходящие за круглую зону картирования, признаков цвета не получают. Лобная зона карты не отображается ввиду использования этих каналов усилителя для подачи синхроимпульса.
На графическое поле программы выводится цветная карта, соответствующая дискретному моменту времени вместе со шкалой цветового масштаба, граничными значениями максимума и минимума сигнала для данного момента времени, а также время относительно момента подачи стимула.
На рис. 3 приведены две карты, соответствующие моменту времени t = 0,1 с после предъявления фигур.
На рис. 4 приведены две карты, соответствующие моменту времени t = 0,3 с после предъявления фигур.
и
и
u
Рис. 3. Карты вызванной активности КГМ, соответствующие времени восприятия предъявленной фигуры: а - круг; б - квадрат
Рис. 4. Карты вызванной активности КГМ, соответствующие времени осознания предъявленной фигуры: а - круг; б - квадрат
Обращает на себя внимание то, что между правыми и левыми половинами рис. 3 наблюдается гораздо большее сходство, чем на рис. 4.
Карты, приведенные на рис. 3, соответствуют времени положительного максимума зрительного ВП (100 мс) [8] у здорового человека. Несмотря на внешние различия предъявляемых фигур, информация до зрительной зоны КГМ доходит практически одновременно. Следует отметить достаточно широкую область информационного взаимодействия в правом полушарии, что обусловлено, по всей видимости, спецификой задания.
Как видно из рис. 3, максимум когнитивного ВП (Р300) достигается к указанному в литературе времени только при опознании простой фигуры (круг). При этом область максимума отмечается не только в теменных отведениях, но в гораздо большей области правого полушария (ответственно за анализ образов). Осознание «квадрата» занимает больше времени, аналогичная картина наблюдается ко времени 0,45 с, что соответствует данным других исследователей [16].
Представляет интерес наблюдаемые в процессе развития отклика КГМ моменты активации центров формирования и распознавания речи, позволяя локализовать нейролингвистические феномены и оценить эффективность различных методик обучения.
Предлагаемый метод не только на порядки сокращает время регистрации вызванных потенциалов (единицы предъявленных стимулов вместо десятков и сотен), но и обеспечивает новое качество - возможность сравнения реакции мозга на каждый стимул.
Такой подход является принципиально новым, открывая перспективы разработки новейших систем диагностики различных нарушений, оценки степени профессиональной пригодности и построения нейроинтерфейса.
Современный уровень вычислительной техники не позволяет реализовать в полной мере математическую модель когнитивной системы, но дает инструмент ее мониторинга, измерения скорости процесса мышления, локализации и картирования.
Список литературы
1. Вернадский В.И. Размышления натуралиста. Кн. 2. Научная мысль как планетное явление. М.: Наука, 1977. 191 с.
2. Анохин П.К. Узловые вопросы теории функциональной системы. М.: Наука, 1980. 196 с.
3. Судаков К.В. Функциональные системы. М.: «Издательство РАМН», 2011.
320 с.
4. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. М.: Профессия, 2007. 752 с.
5. Гнездицкий В.В. Вызванные потенциалы мозга в клинической практике. Таганрог: Из-во ТРТУ, 1997. 252 с.
6. Рутман Э.М. Вызванные потенциалы в психологии и психофизиологии. М.: «Наука», 1979. 213 с.
7. Исайчев Е.С., Исайчев С.А., Насонов А.В., Черноризов А.М. Диагностика скрываемой информации на основе анализа когнитивных вызванных потенциалов мозга человека // Национальный психологический журнал, 2011. № 1(5). С. 70 - 77.
8. Гнездицкий В.В., Шамшинова А.М. Опыт применения вызванных потенциалов в клинической практике. М.: АОЗТ «Антидор», 2001. 480 с.
9. Патент РФ № 2502466. Способ диагностики вызванного потенциала мозга и устройство для его осуществления. от 27.12.2013 / Хадарцев А. А., Жеребцова В. А., Коржук Н.Л., Индюхин А.Ф., Индюхин А.А., 2013.
10. Liu Y., Zhang H., Chen M., Zhang L. A Boosting-Based Spatial-Spectral Model for Stroke Patients' EEG Analysis in Rehabilitation Training // IEEE Trans Neural Syst Re-habil Eng. 2015 Aug 20.
11. Hashemi M., Hutt A., Buhry L., Sleigh J. Optimal Model Parameter Estimation from EEG Power Spectrum Features Observed during General Anesthesia // Neuroinformat-ics. 2018. 16(2). P. 231-251.
12. Коржук Н.Л. [и др.]. Способ визуализации вызванной активности головного мозга // Медико-экологические информационные технологии-2017: сборник научных статей по материалам ХХ Международной научно-технической конференции. Юго-Зап. гос. ун-т. Курск. 2017. С. 80-88.
13. Каплан А.Я. [и др.]. Экспериментально-теоретические основания и практические реализации технологии «интерфейс мозг-компьютер» // Бюллетень сибирской медицины. 2013. Том 12. № 2. С. 21-29.
14. Cooney C., Folli R., Coyle D. Neurolinguistics Research Advancing Development of a Direct-Speech Brain-Computer Interface // Science 8, October 26. 2018. P. 105125.
15. Черниговская Т. В. Экспериментальное исследование языка и мышления в XXI веке: традиции и возможности // Перспективные направления развития науки в Петербурге, 2015. C. 489-494.
16. Коберская Н.Н. Когнитивный потенциал Р300 // Неврологический журнал, 2003. № 6. С. 34 - 42.
Коржук Николай Львович, канд. техн. наук, профессор, nikolaikorzhuk@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Мельников Александр Христофорович, д-р медиц. наук, профессор, meln11@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Индюхин Алексей Федорович, канд. биолог. наук, доцент, ind_a_f@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DIAGNOSTIC SYSTEM OF COGNITIVE DISORDERS
N.L. Korzhuk, A.Kh. Melnikov, A.F. Indyukhin 132
The article discusses a methodfor isolating a cognitive response to an external stimulus from spontaneous bioelectrical activity of the brain, requiring an assessment of the visual image and mental verbalization. A method for visualizing evoked activity, a block diagram of a system for using band-pass filters and a mathematical model of mapping are proposed.
Key words: functional system, brain, electroencephalogram, bandpass filter, mapping.
Korzhuk Nikolai Lvovich, candidate of technical sciences, professor, nikolaikor-zhuk@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Melnikov Alexander Khristoforovich, doctor of medical sciences, professor, meln11@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Indyukhin Alexey Fedorovich, candidate of biological sciences, docent, ind_a_f@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 623.4.023
ВЛИЯНИЕ ЧИСЛА КОРРЕКЦИЙ ТРАЕКТОРИИ УПРАВЛЯЕМОГО БОЕПРИПАСА НА ВЕРОЯТНОСТЬ ПОРАЖЕНИЯ ОДИНОЧНОЙ ЦЕЛИ
А.В. Игнатов, В.В. Русин, С.И. Стреляев, А.Р. Санникова, С.М. Зыков, А.В. Добряков
Представлен общий вид разработанного алгоритма оценки эффективности управляемых осколочно-фугасных боеприпасов при поражении одиночной цели. Рассмотрено на конкретном примере влияние числа коррекций траектории управляемого осколочно-фугасного боеприпаса на обеспечиваемую вероятность поражения одиночной цели.
Ключевые слова: управляемый боеприпас, вероятность поражения, коррекция траектории, одиночная цель.
С увеличением дальности полёта осколочно-фугасного управляемого боеприпаса (УБ) суммарные ошибки стрельбы увеличиваются, вследствие чего существенно уменьшается вероятность поражения одиночной цели. Одним из эффективных способов уменьшения данных ошибок является реализация коррекций траектории УБ. Важной задачей при этом выступает определение оптимального числа коррекций траектории управляемого боеприпаса для обеспечения требуемой вероятности поражения одиночной цели.
Коррекция траектории УБ заключается в следующем:
с помощью дистанционно-пилотируемого летательного аппарата (ДПЛА) фиксируются координаты движущейся цели;
данные координаты передаются на пункт управления и сравниваются с прогнозируемыми;
на основании сравнения корректируются суммарные ошибки стрельбы;
скорректированные данные передаются на бортовую аппаратуру УБ (инерци-ально-спутниковую систему наведения).
Уменьшение суммарных ошибок стрельбы связано с тем, что при передаче новых данных на бортовую аппаратуру УБ, ошибки разведки включают в свой состав только ошибки определения координат цели, без учёта ошибок, связанных с перемещением цели до момента начала стрельбы.
