CN211167440U - 一种飞行员智能防护系统架构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种飞行员智能防护系统架构，包括监测子系统、分析判断子系统、预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统，监测子系统与分析判断子系统的输入端连接，分析判断子系统的输出端分别与预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统连接。本实用新型实现自动智能防护处理，提高飞行的安全。

Description

一种飞行员智能防护系统架构

技术领域

本实用新型涉及航空机载设备技术领域，具体涉及一种飞行员智能防护系统架构。

背景技术

现代高性能作战飞机是一个以飞行员为中心的综合武器系统，在这个系统中，只有保持飞行员的个人能力，才能发挥飞机系统的预定作战效能。随着飞机性能的不断提高及作战任务的复杂化，飞行员越来越依赖个体防护系统来保持其身体机能和飞行安全。

随着技术的进步和发展，未来先进战机将具有比现今战机更敏捷的机动性能、更高的飞行高度、高速低空复杂姿态飞行等先进性能，对飞行员防护系统提出更高的要求。而目前飞行员防护系统在对飞行员实施防护时，按照预先设定的固定模式与量值进行。此时不可避免地存在“过防护”与“欠防护”。“过防护”时超过飞行员防护需要，会降低装备舒适性；“欠防护”时防护效果未达到要求，存在安全隐患。

军用作战飞机性能的持续提高是防护救生技术发展的源动力和技术持续进步的最大推动力。减轻飞行员工作负荷、提高工作效率是飞行员防护系统的持续发展方向。也将更加的智能化和主动化，因此实现基于飞行员即时生理阈值的“人-防护装备-飞机”系统智能化主动防护，不仅能进一步提升飞行员个体防护系统的防护性能，保障飞行安全，满足未来先进战机“智能化、主动化、高安全”的需求，同时还能大幅改善人机功效，全面提高现役及未来先进战机飞行员的作战效能。

为了实现智能主动防护、解决相关技术问题，需要建立飞行员智能防护系统。建立什么样的飞行员智能防护系统？如何建立？其总体架构如何设计？这些都有是需要解决的技术问题。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种飞行员智能防护系统架构，实现自动智能防护处理，提高飞行的安全。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种飞行员智能防护系统架构，包括监测子系统、分析判断子系统、预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统，监测子系统与分析判断子系统的输入端连接，分析判断子系统的输出端分别与预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统连接。

按照上述技术方案，监测子系统包括飞行员生理参数实时监测模块和飞机环境监测模块。

按照上述技术方案，飞行员生理参数实时监测模块包括干式脑电极、光电血氧传感器、激光光纤传感器、五导联心电电极、指端光电血氧传感器和微信体温传感器；干式脑电极布置于头盔内顶部软衬垫上，使用时与人体头部皮肤接触；光电血氧传感器的个数为2个分别为第一光电血氧传感器和第二光电血氧传感器，第一光电血氧传感器安设于面罩鼻梁部位的硅橡胶主体上，布置于鼻梁两侧，第二光电血氧传感器安设于防护手套左手指指端；激光光纤传感器的个数为2个分别为第一激光光纤传感器和第二激光光纤传感器，第一激光光纤传感器安设于头盔内顶部硬衬垫与软衬垫之间，布置于人体前额偏左侧位置，第二激光光纤传感器安设于弹力背心上，布置于后背接近心脏位置；五导联心电电极安设于弹力背心上，使用时与人体上身皮肤接触；微信体温传感器安设于弹力背心上，布置于左侧腋窝处。

按照上述技术方案，光电血氧传感器的采样频率为200Hz，激光光纤传感器为薄片式激光光纤传感器。

按照上述技术方案，通过干式脑电极检测人体的脑电和眨眼率，通过第一光电血氧传感器检测头部血氧饱和度，通过第二光电血氧传感器检测指端血氧饱和度，通过第一激光光纤传感器检测眼水平血压和耳脉搏，通过五导联心电电极检测心电数据，并依据心电数据得到人体心率和呼吸频率，通过第二激光光纤传感器实时连续测量血压，从而导出心率和呼吸频率，通过体温传感器测量人体体温。

按照上述技术方案，飞机飞行环境监测模块与飞机飞行参数记录仪连接；从而获取飞机飞行环境参数、飞机座舱内环境参数和飞机飞行状态。

按照上述技术方案，飞机飞行环境参数包括飞机飞行高度、大气压力、氧分压、环境温度和环境相对湿度；飞机座舱内环境参数包括座舱高度、座舱内气压、舱内氧分压和舱内温度；监测飞机飞行状态参数包括：过载、速度、俯冲、拉起、俯仰、横滚和倒飞。

按照上述技术方案，预警子系统包括报警灯和蜂鸣器，报警灯和蜂鸣器均与分析判断子系统连接。

按照上述技术方案，分析判断子系统依据监测子系统检测到的飞行员生理参数，结合飞机飞行环境参数、飞机座舱内环境参数和飞机飞行状态，判断飞机飞行状态和/或飞行员生理状态是否正常，并依据判断结果发出指令给预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统提醒飞行员进行相应的智能防护处理。

按照上述技术方案，智能主动防护子系统的防护方式包括智能防护和主动防护，智能主动防护子系统的防护措施包括抗过载防护、加压供氧防护、低温防护、高温防护和疲劳防护；

智能防护是指智能主动防护子系统以分析判断子系统分析判断出飞行状态将导致飞行员生理参数超出阈值所进行的相应防护，主动防护是指以分析判断子系统分析判断出飞行状态将导致出现危险飞行状态所进行的相应防护。

按照上述技术方案，唤醒子系统包括人体触觉感知刺激模块和声音刺激模块。

本实用新型具有以下有益效果：

分析判断子系统依据监测子系统检测到的飞行员生理参数，结合飞机飞行环境参数、飞机座舱内环境参数和飞机飞行状态，判断飞机飞行状态和/或飞行员生理状态是否正常，并依据判断结果发出指令给预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统，实现自动智能防护处理，提高飞行的安全。

附图说明

图1是本实用新型实施例中监测子系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中飞行员智能防护系统架构的总体架构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。

参照图1～图2所示，本实用新型提供的一个实施例中的飞行员智能防护系统架构，包括监测子系统、分析判断子系统、预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统，监测子系统与分析判断子系统的输入端连接，分析判断子系统的输出端分别与预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统连接。

进一步地，监测子系统包括飞行员生理参数实时监测模块和飞机环境监测模块。

进一步地，飞行员生理参数实时监测模块包括干式脑电极、光电血氧传感器、激光光纤传感器、五导联心电电极、指端光电血氧传感器和微信体温传感器；干式脑电极布置于头盔内顶部软衬垫上，使用时与人体头部皮肤接触；光电血氧传感器的个数为2个分别为第一光电血氧传感器和第二光电血氧传感器，第一光电血氧传感器安设于面罩鼻梁部位的硅橡胶主体上，布置于鼻梁两侧，第二光电血氧传感器安设于防护手套左手指指端；激光光纤传感器的个数为2个分别为第一激光光纤传感器和第二激光光纤传感器，第一激光光纤传感器安设于头盔内顶部硬衬垫与软衬垫之间，布置于人体前额偏左侧位置，第二激光光纤传感器安设于弹力背心上，布置于后背接近心脏位置；五导联心电电极安设于弹力背心上，使用时与人体上身皮肤接触；微信体温传感器安设于弹力背心上，布置于左侧腋窝处。

进一步地，光电血氧传感器的采样频率为200Hz，激光光纤传感器为薄片式激光光纤传感器。

进一步地，通过干式脑电极检测人体的脑电和眨眼率，通过第一光电血氧传感器检测头部血氧饱和度，通过第二光电血氧传感器检测指端血氧饱和度，通过第一激光光纤传感器检测眼水平血压和耳脉搏，通过五导联心电电极检测心电数据，并依据心电数据得到人体心率和呼吸频率，通过第二激光光纤传感器实时连续测量血压，从而导出心率和呼吸频率，通过体温传感器测量人体体温。

进一步地，飞机飞行环境监测模块与飞机飞行参数记录仪连接；从而获取飞机飞行环境参数、飞机座舱内环境参数和飞机飞行状态。

进一步地，飞机飞行环境参数包括飞机飞行高度、大气压力、氧分压、环境温度和环境相对湿度；飞机座舱内环境参数包括座舱高度、座舱内气压、舱内氧分压和舱内温度；监测飞机飞行状态参数包括：过载、速度、俯冲、拉起、俯仰、横滚和倒飞。

进一步地，预警子系统包括报警灯和蜂鸣器，报警灯和蜂鸣器均与分析判断子系统连接。

进一步地，分析判断子系统依据监测子系统检测到的飞行员生理参数，结合飞机飞行环境参数、飞机座舱内环境参数和飞机飞行状态，判断飞机飞行状态和/或飞行员生理状态是否正常，并依据判断结果发出指令给预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统提醒飞行员进行相应的智能防护处理。

进一步地，智能主动防护子系统的防护方式包括智能防护和主动防护，智能主动防护子系统的防护措施包括抗过载防护和加压供氧防护；

智能防护是指智能主动防护子系统以分析判断子系统分析判断出飞行状态将导致飞行员生理参数超出阈值所进行的相应防护，主动防护是指以分析判断子系统分析判断出飞行状态将导致出现危险飞行状态所进行的相应防护。

进一步地，唤醒子系统包括人体触觉感知刺激模块和声音刺激模块。

本实用新型的工作原理：

本飞行员智能防护系统的总体架构设计，将系统规划为监测子系统、分析判断子系统、预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统组成。

监测子系统在飞行中实时监测飞机飞行参数和飞行员生理参数，分析判断子系统根据监测子系统的监测结果，结合飞行员个体生理参数阈值，综合飞机和人体两方面实时状态，经过智能分析、判断，优选防护实施方案：在飞机即将达到或目前所处的危险飞行状态、飞行员所处的危险生理状态(超越飞行员生理阈值、危险生理状态)时预警子系统实施预警。在需要实施防护时，智能主动防护子系统针对性地对飞机即将达到的危险飞行状态实施主动防护，对飞行员即将出现危险生理状态时实施智能防护。在飞机已经处于危险飞行状态、飞行员因超越其生理阈值即将处于或已经处于极其危险的状态如意识丧失状态，唤醒子系统启动唤醒装置，唤醒意识丧失的飞行员，将飞机从危险状态改出。

监测子系统是本系统的基础，特别是飞行员实时生理参数，根据生理参数测量部位、在本系统中各生理参数所起的作用，分别布局在飞行员头盔、氧气面罩、防护服装。

本飞行员智能防护系统规划为监测子系统、分析判断子系统、预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统等组成。

(1)监测子系统具有飞行员生理参数实时监测功能、飞机飞行环境监测功能、飞机座舱内环境监测功能、飞机飞行状态监测功能和引入飞机飞行参数功能。

1)监测的生理参数：脑电、心电、心率、呼吸频率、体温、血压、血氧饱和度(血氧浓度)、耳脉搏、眨眼率、眼水平血压等。具体的监测方法及其架构设计如下：

a.脑电：采用3个干式脑电极，布局在头盔内顶部软衬垫上，使用时需要与人体头部皮肤接触。为避免对人体头部造成局部压迫等不适，在头盔内顶部硬衬垫对应脑电极部位采用适当凹陷设计。

b.眨眼率：利用眨眼时对脑电振动等影响，通过特殊算法，从脑电中分离出眨眼率。

c.头部血氧饱和度(血氧浓度)：采用鼻梁两侧光电血氧传感器，安装在面罩鼻梁部位的硅橡胶主体上。为避免面罩加压时鼻梁部位压迫造成不适，需要对面罩主体、外壳进行仿形设计。为了能与特制的激光光纤传感器配套，光电血氧传感器需要进行改进，其采样频率需要由普通的50Hz增加到200Hz。

d.眼水平血压：采用特制的薄片式激光光纤传感器。激光光纤传感器安装在头盔内顶部硬衬垫与软衬垫之间、人体前额偏左侧位置。为避免对人体前额部位造成局部压迫等不适，在头盔内顶部硬衬垫对应激光光纤传感器部位采用适当凹陷设计。

e.耳脉搏：利用上面所述安装在头盔内的激光光纤传感器，通过特殊算法，分离出耳脉搏。

f.心电：采用五导联心电电极，安装在特制的弹力背心上，使用时需要与人体上身皮肤接触。通过心电数据，可以分离出心率、呼吸频率。

g.血压：采用特制的薄片式激光光纤传感器，安装在特制的弹力背心上，后背接近心脏位置。采用特殊算法，可以无感实时连续测量血压，同时可以分离出心率、呼吸频率。

h.指端血氧饱和度：采用指端光电血氧传感器，软式结构，安装在防护手套左手食指指端。为了能与特制的激光光纤传感器配套，光电血氧传感器需要进行改进，其采样频率需要由普通的50Hz增加到200Hz。

i.体温：采用微型体温传感器，安装在特制的弹力背心上，左则腋窝处。

2)监测飞机飞行环境参数：飞机飞行高度、大气压力、氧分压、环境温度、环境相对湿度等。监测飞机座舱内环境参数：座舱高度、座舱内气压、舱内氧分压、舱内温度等。

a.飞机飞行环境参数获取需要与飞机系统联合，直接从飞机飞行参数记录仪器中获取。

b.飞机座舱内环境参数获取需要与飞机系统联合，直接从飞机飞行参数记录仪器中获取；也可以与飞机弹射座椅联合，从弹射座椅程序控制器中获取。弹射座椅程序控制器中未涉及的参数，如氧分压、座舱内温度等，需要增加相应传感器，以获取数据。

3)监测飞机飞行状态参数：过载、速度、俯冲、拉起、俯仰、横滚、倒飞等。过载、速度、俯冲、拉起、俯仰、横滚、倒飞等飞机飞行状态参数可以从飞机飞行参数记录仪器中获取，还可以从弹射座椅程序控制器中获取。

4)引入飞机飞行参数：直接从飞机主计算机、飞参等引入相关飞行参数，飞机飞行所处环境参数(飞行高度、大气压力、氧分压、环境温度、环境相对湿度等)，飞机座舱内环境参数(座舱高度、座舱内气压、舱内氧分压、舱内温度等。)、飞机飞行状态参数(过载、速度、俯冲、拉起、俯仰、横滚、倒飞等。过载、速度、俯冲、拉起、俯仰、横滚、倒飞等)等。

(2)分析判断子系统具有生理状态表征功能、生理参数解算功能、生理参数阈值输入与调整功能、生理参数与危险飞行环境相对应的功能、比较判断功能等功能。将监测的生理参数按照规定的方式进行解算成可比较的参量，与生理参数阈值比较，并与危险飞行环境相对应，综合监测的飞机相关参数，经过分析、比较后，发出下一步执行指令。

(3)预警子系统具有飞机飞行状态预警功能和飞行员生理状态预警功能。经过分析判断子系统分析判断，对飞机即将达到危险飞行状态(超越飞机极限、危险飞行状态等)进行预警、对飞行员即将达到危险的生理状态(超越飞行员生理阈值、危险生理状态可能影响操控飞机)进行预警。

预警子系统预警分三种状态，正常状态、危险状态和超越极限状态，分别采用绿色、黄色、红色灯光及平显字符显示。

1)正常状态，即飞机飞行状态和飞行员生理状态均正常，灯光、平显字符均采用绿色且不闪烁，蜂鸣器不发声。

2)危险状态，包括即将处于危险状态或已经处于危险状态(危险飞行状态、危险生理状态)，此时主要采用较慢闪烁(如3～5秒闪烁一次)的黄色灯光、较慢闪烁的平显黄色字符、较慢(如3～5秒响一次)并且较轻的蜂鸣声提醒。

3)超越极限状态，包括即将处于超越极限状态或已经处于超越极限状态(超越飞机极限、超越飞行员生理阈值即生理极限)，此时主要采用较快闪烁(如1～2秒闪烁一次)的红色灯光、较快闪烁的平显红色字符、较快(如1～2秒响一次)并且较响的蜂鸣声、人体触觉态势感知等多种综合方式提醒。

(4)智能主动防护子系统具有实施智能防护和主动防护的功能。

1)智能防护是以分析判断子系统分析判断出飞行状态将导致超出飞行员生理参数阈值所进行的相应防护(此时飞机飞行状态可能未及时反映)。例如，飞机飞行过载未超过飞行员正常耐受值，正常情况不会实施抗载防护，但由于飞行员自身生理状态稍差时，抗过载能力会下降，此时生理参数分析判断结果需要实施抗过载防护。飞机在高空(如飞机实际高度12000米)飞行，座舱内高度未超过规定，不会实施加压供氧，但如果飞行员佩戴面罩松弛，此时生理参数分析判断结果飞行员处于缺氧状态，需要采取加压供氧防护。

2)主动防护是以分析判断子系统分析判断出飞行状态将导致出现危险飞行状态(此时生理参数可能未及时反映)所进行的相应防护。如飞行员的机动飞行操作动作，经分析可能出现高过载情况，此时由于飞机还未实际出现高过载，人体生理参数如耳脉搏、眼水平血压等暂无变化，但防护系统仍然预先实施抗过载防护。

3)智能主动防护则是综合两方面分析结果后采取的防护措施。

(5)唤醒子系统具有飞行员意识丧失唤醒功能和飞行员危险飞行状态唤醒功能。当分析判断子系统分析判断出飞行员即将处于或已经处于意识丧失状态，启动唤醒装置，唤醒飞行员的意识，由飞行员进行下一步操作。当分析判断子系统分析判断出飞机即将达到或目前所处的危险飞行状态将启动唤醒装置，唤醒飞行员，由其将飞机从危险状态改出。唤醒装置采用急促的声音、强烈的人体触觉感知刺激方式。

本实用新型的总体架构设计，将上述各子系统和飞行员防护装备有机结合、串联起来，据此架构可以较快较好地进行飞行员智能防护系统建设。

以上的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等效变化，仍属本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种飞行员智能防护系统架构，其特征在于，包括监测子系统、分析判断子系统、预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统，监测子系统与分析判断子系统的输入端连接，分析判断子系统的输出端分别与预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统连接。

2.根据权利要求1所述的飞行员智能防护系统架构，其特征在于，监测子系统包括飞行员生理参数实时监测模块和飞机环境监测模块。

3.根据权利要求2所述的飞行员智能防护系统架构，其特征在于，飞行员生理参数实时监测模块包括干式脑电极、光电血氧传感器、激光光纤传感器、五导联心电电极、指端光电血氧传感器和体温传感器；干式脑电极布置于头盔内顶部软衬垫上，使用时与人体头部皮肤接触；光电血氧传感器的个数为2个分别为第一光电血氧传感器和第二光电血氧传感器，第一光电血氧传感器安设于面罩鼻梁部位上，布置于鼻梁两侧，第二光电血氧传感器安设于防护手套手指指端；激光光纤传感器的个数为2个分别为第一激光光纤传感器和第二激光光纤传感器，第一激光光纤传感器安设于头盔内顶部硬衬垫与软衬垫之间，布置于人体前额偏左侧位置，第二激光光纤传感器安设于弹力背心上，布置于后背接近心脏位置；五导联心电电极安设于弹力背心上，使用时与人体上身皮肤接触；体温传感器安设于弹力背心上，布置于腋窝处。

4.根据权利要求3所述的飞行员智能防护系统架构，其特征在于，通过干式脑电极检测人体的脑电和眨眼率，通过第一光电血氧传感器检测头部血氧饱和度，通过第二光电血氧传感器检测指端血氧饱和度，通过第一激光光纤传感器检测眼水平血压和耳脉搏，通过五导联心电电极检测心电数据，并依据心电数据得到人体心率和呼吸频率，通过第二激光光纤传感器实时连续测量血压，从而导出心率和呼吸频率，通过体温传感器测量人体体温。

5.根据权利要求2所述的飞行员智能防护系统架构，其特征在于，飞机飞行环境监测模块与飞机飞行参数记录仪连接；从而获取飞机飞行环境参数、飞机座舱内环境参数和飞机飞行状态。

6.根据权利要求5所述的飞行员智能防护系统架构，其特征在于，飞机飞行环境参数包括飞机飞行高度、大气压力、氧分压、环境温度和环境相对湿度；飞机座舱内环境参数包括座舱高度、座舱内气压、舱内氧分压和舱内温度；监测飞机飞行状态参数包括：过载、速度、俯冲、拉起、俯仰、横滚和倒飞。

7.根据权利要求1所述的飞行员智能防护系统架构，其特征在于，预警子系统包括报警灯和蜂鸣器，报警灯和蜂鸣器均与分析判断子系统连接。

8.根据权利要求1所述的飞行员智能防护系统架构，其特征在于，分析判断子系统依据监测子系统检测到的飞行员生理参数，结合飞机飞行环境参数、飞机座舱内环境参数和飞机飞行状态，判断飞机飞行状态和/或飞行员生理状态是否正常，并依据判断结果发出指令给预警子系统、智能主动防护子系统和唤醒子系统提醒飞行员进行相应的智能防护处理。

9.根据权利要求8所述的飞行员智能防护系统架构，其特征在于，智能主动防护子系统的防护方式包括智能防护和主动防护，智能主动防护子系统的防护措施包括抗过载防护、加压供氧防护、低温防护、高温防护和疲劳防护；

智能防护是指智能主动防护子系统以分析判断子系统分析判断出飞行状态将导致飞行员生理参数超出阈值所进行的相应防护，主动防护是指以分析判断子系统分析判断出飞行状态将导致出现危险飞行状态所进行的相应防护。

10.根据权利要求1所述的飞行员智能防护系统架构，其特征在于，唤醒子系统包括人体触觉感知刺激模块和声音刺激模块。

Images