Планирование внекорабельной деятельности космонавта в компьютерной виртуальной среде

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 ВНЕКОРАБЕЛЬНОИ 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

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;

- 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.