Планирование внекорабельной деятельности космонавта в

Известия ТРТУ
Тематический выпуск
эффициентов управления штатной БЦВМ на конечном участке спуска и выявлено
суммарное запаздывание в циклограмме функционирования штатной БЦВМ.
На предприятии НПО "Энергия" в течение нескольких лет моделирующий
комплекс успешно использовался для тренировок космонавтов, тестирования и
предполетной поверки штатных бортовых приборов 2СН.
В.П.Богомолов, В.Г.Ли, В.Н.Сапрунов, В.Г.Шаповал
ПЛАНИРОВАНИЕ ВНЕКОРАБЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
КОСМОНАВТА В КОМПЬЮТЕРНОЙ ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЕ
Существует большой комплекс задач, который включает различные виды
работ космонавтов, связанных с выходом в открытый космос для технического
осмотра, ремонта или монтажа внешнего оборудования, а также действия
экипажей космических аппаратов (КА) при стыковке с международной
многомодульной космической станцией (МКС). Успешная работа космонавтов в
реальных условиях во многом определяется хорошим знанием объекта действий и
уверенностью, основанной на наличии достаточного опыта и навыков
внекорабельной деятельности (ВКД).
Особенности подготовки космонавтов к выполнению указанных задач определяются:
- использованием робототехнических систем обслуживания, повышающих безопасность ВКД и снижающих стоимость работ, выполняемых при ВКД;
- применением технологий дистанционного управления робототехническими комплексами;
- необходимостью максимального приближения условий тренажерной
подготовки к условиям выполнения реальных операций;
- необходимостью отработки нештатных ситуаций (НШС) в процессе
ВКД;
- сложностью МКС и ее внешнего облика, многомодульностью МКС и
изменением ее конфигурации в процессе полета;
- отсутствием возможности подготовки космонавтов с использованием
реального оборудования в полном объеме и в нужной конфигурации.
В таких условиях приходится использовать средства планирования, моделирования ВКД и тренажеры, которые включают в себя в качестве основного
компонента систему компьютерной визуализации внешнего облика и деталей
МКС с использованием средств виртуальной реальности на основе баз данных
виртуальных изображений.
В данной работе рассматривается программный комплекс моделирования
для решения задач планирования, тренажной подготовки и контроля (ПТК) ВКД
операторов МКС для осуществления их наземной подготовки и поддержания
приобретенных навыков на борту станции, а также при планировании операций
ВКД и их сопровождении.
ПТК ВКД поддерживает геометрические, динамические и кинематические
модели космонавта в скафандре и манипуляторов робототехнических комплексов.
При моделировании ВКД используется методика визуального планирования движения космонавта в скафандре с использованием библиотек типовых движений
оператора в скафандре. Типовые движения оператора определяются на основе
28
Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности
выявления типовых технологических операций, выполняемых с привлечением
робототехнических систем (РТС) при ВКД. Средства поддержки деятельности
оператора учитывают схемы организации рабочего места оператора, достижимые
точности позиционирования полезного груза при работе с системой визуализации,
психофизиологические характеристики человека-оператора. При разработке компьютерного интерфейса учитываются условия и напряжённость работы операторов. Интерфейс ПТК ВКД предусматривает различную организацию для случаев
управления системами в штатном режиме, в сложной психологической обстановке, при дефиците времени. ПТК ВКД обеспечивает реалистичное моделирование
и синтез изображений космонавтов и МКС с учетом выполняемых миссий при
различном составе моделируемых объектов (космонавт, различные робототехнические системы, полезный груз (ПГ) и др.).
ПТК ВКД строится по модульному принципу с возможностями функционального расширения, наращиваемости ресурсов, модифицируемости и развития
распределенной сетевой интерактивной экспертной системы информационной
поддержки ВКД. Система поддержки работы операторов РТС представляет собой
иерархическую (многоуровневую) информационную систему с возможностями
визуализации структурных блоков российского сегмента (РС) МКС и демонстрацией последовательности основных операций по перемещению, стыковке, сборке
и обслуживанию космических объектов с помощью РТС при ВКД.
ПТК ВКД настраивается на требуемые характеристики планирования и моделирования маршрутов в зависимости от задач, решаемых на различных этапах
разработки и эксплуатации МКС, а также на различных этапах обучения и подготовки космонавтов и операторов РТС. При разработке средств комплекса визуализации учтены различные варианты управления и использования РТС при выполнении операций обслуживания и проведения экспериментов на борту МКС
(оператор в скафандре на внешней поверхности МКС, оператор в скафандре на
конце манипулятора, работа одного манипулятора, совместная работа двух манипуляторов, транспортные операции, точные технологические операции, работа
манипулятора в ограниченном пространстве). ПТК ВКД обеспечивает целеуказания для операторов робототехнических комплексов. Для этого сформированы
структуры координатных систем пространства моделирования, разработаны геометрические схемы взаимодействия элементов динамической системы "космонавт
в скафандре - манипулятор".
При разработке ПТК ВКД использован программный комплекс создания
приложений виртуальной реальности для геометрического моделирования и интерактивного проектирования сценариев, маршрутов и миссий, выполняемых
космонавтом при ВКД, а также для интерактивной визуализации динамических
сцен в реальном времени. Разработана технология конструирования виртуальной
среды оперативной деятельности космонавта.
Виртуальная сцена синтезируется в следующем порядке:
- создается полигональная проволочная модель поверхности сцены;
- для полигональной проволочной модели производится цветовая заливка;
- по реальным изображениям (фотографиям) создаются текстуры окружающего пространства;
- текстуры окружающего пространства наносятся на поверхность сцены;
29
Известия ТРТУ
Тематический выпуск
- производится масштабирование размеров сцены в условных единицах,
используемых при компьютерном моделировании.
Границы сцены формируются в следующем порядке:
- создается полигональная проволочная модель границ сцены;
- по реальным фотографиям создаются текстуры границ сцены;
- производится стыковка текстур отдельных полигонов границы сцены;
- границы сцены совмещаются с поверхностью сцены.
На поверхности сцены размещаются статические объекты. Для размещения
статических объектов, которые создаются в редакторе статических объектов, необходимо выдерживать масштабные коэффициенты. При нанесении статических
объектов производится стыковка с поверхностью сцены. Динамические объекты
создаются аналогично статическим с учетом пространственного положения, направления и скорости движения объекта.
На предварительном этапе подготавливаются библиотеки виртуальных моделей различной степени детализации: космонавта в скафандре, космической
станции; упрошенные геометрические модели отдельных блоков МКС; библиотеки движений и манипуляций, визуальных спецэффектов и пр.
На этапе планирования сеансов моделирования ВКД космонавта в интерактивном режиме осуществляется конструирование маршрута движения (траектории), задаются параметры движения и ориентации, другие динамические характеристики. Затем в автоматическом режиме формируется траектория перемещения
космонавта.
На этапе визуализации подключаются программные модули матричных
преобразований и задаются параметры визуализации. При этом возможны два
вида синтезируемых сцен: моно- и стереоизображения. В зависимости от расположения точки взгляда и ориентации оси визирования возможны следующие три
режима работы:
- обзор из неподвижной точки, которая может располагаться в произвольной точке пространства в системе координат виртуальной модели МКС (ось визирования ориентирована в направлении начала координат перемещающейся виртуальной модели космонавта);
- обзор из неподвижной точки, которая располагается в произвольном месте в локальной системе координат космонавта (режим "автосопровождения");
- обзор из точки, расположенной в области глаз виртуальной модели космонавта.
Такие компоненты ПТК ВКД, как виртуальная интерактивная среда планирования ВКД, визуальный геометрический расчет безопасных траекторий движения, комплексная методика имитационного моделирования ВКД обладают существенной научной и практической новизной.
Результаты разработки ПТК ВКД находятся на уровне современных исследовательских и промышленных разработок развитых западных стран и на уровне
лучших исследований и разработок, проводимых в РФ.
30