МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.Н.Туполева (КАИ) Кафедра ПИИС Методические указания к лабораторной работе №2 по дисциплине: Теория биотехнических систем Исследование принципов построения адаптивной биотехнической системы управления летательным аппаратом на основе БОС-методологии Автор-составитель А.А.Порунов Казань 2013г.

Содержание

I. Теоретическая часть

1.1.Общие сведения об адаптивной биотехнической системе

управления летательным аппаратом……………………………………………. 2

1.2.Техническое описание БТС…..…………………………………………………. 3

1.3.Методика физиологических экспериментов………………………………..…..7

1.4.Анализ и оценка результатов экспериментальных исследований……………..9

Заключение

II.Практическая часть

2.1.Задание на практическую часть………………………………………………...24

2.2.Результаты выполнения лабораторной работы ……………………………….

Лабораторная работа №2

Исследование принципов построения адаптивной

биотехнической системы управления летательным

аппаратом на основе БОС-методологии

Цель: Ознакомление с основными принципами построения адаптивной

биотехнической системы управления летательным аппаратом, а также

приобретение навыков анализа и оценки результатов физиологических

исследований с применением БТС..

I. Теоретическая часть

1.1.Общие сведения об адаптивной биотехнической системе

управления летательным аппаратом

Адаптивная биотехническая система (ABT S) для летательных аппаратов (ЛА) оценивалась на статическом пилотажном стенде (СПС) и на динамическом пилотажном симуляторе (ДПС) с целью выявления и использования ЭЭГ индикаторов психофизиологической нагрузки у летчиков в контуре биологической обратной связи (БОС) в случае моделирования наиболее напряженных пилотажных задач маневрирования при 20-40-минутных профилях тренировки на СПС. Количественный анализ результатов применения ЭЭГ в униполярных отведениях в качестве входного сигнала для формирования БОС позволил оценить уровень психической нагрузки по изменению спектральной мощности , , ,  и -ритмов.

На центрифуге (ЦФ) летного исследовательского института (ЛИИ) были проведены физиологические исследования по применению системы регистрации электроэнцефалограммы, предназначенной для решения эргономических задач построения перспективных биотехнических систем (БТС). В экспериментальной системе регистрации ЭЭГ использовались активные электроды в виде датчиков, разработанных в процессе исследовательских работ, выполненных в Научно-исследовательском институте авиационного оборудования (НИИАО) [1 здесь и далее библиографические ссылки даны по списку дополнительной литературы].

Для проведения исследований гондола ЦФ была дооборудована и за креслом испытателя на ДПС «Маневр-2» использовалась БТС с блоком фильтров, активной системой подавления помех и преобразователем аналогового сигнала в цифровой для последующей передачи на регистратор ЭЭГ сигналов. Структурная схема БТС была разработана в соответствии с "когнитивной" концепцией профессиональной среды летчика в кабине перспективного ЛА. В рамках лабораторной работы проводится исследуется также возможность использования активных электродов в составе БТС на динамическом пилотажном стенде и определение ЭЭГ сигналов в случае моделирования наиболее напряженных пилотажных задач маневрирования.

1.2.Техническое описание бтс

Экспериментальная БТС, предназначенная для записи ЭЭГ, состояла из следующих основных элементов [4]: активные электроды регистрации поверхностных биопотенциалов мозга; блок фильтрации и усиления сигналов; система крепления накладных электродов на голове испытателя с метализированным защитным шлемом; системы обработки, преобразования и передачи данных на регистраторы в пультовую ЦФ.

На рис. 1 представлена функциональная схема БТС на центрифужном стенде и общий вид ДПС «Маневр-2» (см. рис. 1).

Рис. 1 Функциональная схема и общий вид БТС с центрифугой.

Технические характеристики БТС Таблица 1

Рабочий диапазон частот, Гц*	4-40*
Номинальное входное напряжение, мкВ	50
Коэффициент усиления, дб	100
Время восстановления, с	1
Коэффициент нелинейных искажений	1%
Входное сопротивление, МОм	5
Приведенный уровень шумов, мкВ	2
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дб	100

Примечание. Рабочий диапазон частот определялся задачей регистрации ЭЭГ в наиболее информативно значимом интервале компонентов ,  и  ритмов. -ритм и высокочастотный спектр ЭЭГ не анализировали по причине использования в экспериментальном устройстве двух узкополосных фильтров (40 и 50 Гц).

Экспериментальная система для регистрации ЭЭГ для авиационных стендов и тренажеров с БТС представляет собой медико-техническую систему съема электрофизиологических сигналов с кожных покровов головы испытателя (в том числе поверхностных биопотенциалов) с последующей их фильтрацией, усилением и передачей полученных данных на систему регистрации. Выполнение оператором целевой задачи по управлению абсолютным и относительным движением двух объектов при вращении на динамическом стенде заключалось в имитации алгоритмов профессиональных действий летчика на основе использования вычислительного комплекса стенда “Маневр-2”, сопряженного с органами управления и индикации на приборной доске кабины ЛА в гондоле ЦФ.

Регистрация биопотенциалов мозга производилась стандартным образом с поверхности кожных покровов головы испытателя с помощью: активных и индифферентного электродов для отведения ЭЭГ-сигнала в стандартных монополярных отведениях по международной системе 10/20 (Fs, Fd, Os, Od, Cs) и в лобно-затылочных биполярных отведениях с правого и левого полушарий головного мозга (см. рис. 2).

Рис. 2. Функциональная схема помехоустойчивой аппаратуры съема и предобработки ЭЭГ, где: 1 – голова человека, 2 – поверхностные электроды, 3 – индифферентный электрод, 4 – предварительный усилитель, 5 – аттенюатор, 6 – режекторный фильтр с F р = 50 Гц, 7 – фильтр низких частот F ср = 4 Гц, 8 – фильтр высоких частот F ср = 40 Гц, 9 – оконечный усилитель, 10 – регистратор

Для регистрации потенциалов мозга в условиях активных помех, существующих на динамических авиационных стендах и тренажерах, в том числе и на ЦФ, были созданы активные электроды, позволявшие производить съем усиленного ЭЭГ-сигнала с поверхности кожных покровов головы. На электроде крепился бескорпусный транзистор, обеспечивающий предварительное усиление сигнала [4, 9]. Конструктивно накладной активный электрод представлял собой неразъемную сборную деталь, состоящую из чашечкообразного металлического контактного элемента из латунного сплава, покрытого слоем серебра (диаметром 15 мм); монтажной платы из стеклотекстолита, на которой размещался предусилитель в виде бескорпусного транзистора КПС202Г-2. С целью обеспечения устойчивости к перегрузкам монтажная плата с радиоэлектронными элементами была залита эпоксидной смолой. Вывод электрических сигналов от монтажной платы каждого активного электрода осуществлялся при помощи гибкого многожильных проводов МГТФ-1,10, которые заканчивались трехполюсной контактной вилкой, подсоединявшейся к блоку фильтрации и усиления ЭЭГ-сигнала. Последний устанавливался за спинкой кресла. Для снижения сопротивления и обеспечения устойчивой регистрации ЭЭГ в конструкции электрода была предусмотрена втулка с отверстием для ввода электродной пасты. На рис. 3 дан общий вид СПС тренажера с использованием в БТС шапочки с активными электродами (слева) и защитного шлема (справа) с зафиксированными активными электродами.

Рис. 3. Общий вид стационарного варианта аппаратуры стенда БТС

Для контроля качества сигнала от БТС при вращении на ЦФ использовались каналы регистрации со следующими параметрами (табл. 2).

Каналы регистрации исследуемых сигналов Таблица 2

Рабочий диапазон частот, Гц	1-100
Диапазон напряжения входного сигнала, мкВ	10-1000
Максимальная чувствительность самописца-регистратора, мм/100 мкВ	20
Чувствительность к синфазному сигналу, мм/100 мкВ	не более 20
Приведенный уровень шума, мкВ	не более 20
Коэффициент нелинейных искажений	0,1%

В силу ограниченности общего количества измеряемых одновременно медицинских параметров при вращении на ЦФ, сравнение технических возможностей экспериментальной БТС и штатной системы регистрации ЭЭГ производилась только по 8 каналам (четыре канала для экспериментальной БТС и другие четыре для штатной системы) [1, 4, 9].