Виртуальная среда имитационного моделирования тренировок космонавтов-операторов робототехнических средств мкс

В.Г.Ли, В.Н. Сапрунов, А.А.Улядуров

ВИРТУАЛЬНАЯ СРЕДА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРЕНИРОВОК КОСМОНАВТОВ-ОПЕРАТОРОВ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МКС

Участниками сеансов тренировок внекорабельной деятельности (ВКД) с использованием робототехнических средств (РТС) (механических и электромеханических манипуляторов), расположенных на поверхности космической станции (КС), на тренажно-моделирующих комплексах (ТМК) являются космонавт-оператор и руководитель тренировок - инструктор. Тренировки проводятся по заранее разработанным сценариям, содержащим задания по отдельным миссиям и операциям ВКД. Визуальное сопровождение работы участников сеанса представляет собой совокупность динамических виртуальных сцен, а также статических информационных рабочих окон, предоставляющих пользователям необходимую справочную информацию (временные параметры состояния, параметры положения и ориентации наблюдателей и объектов наблюдения, сигнальную информацию и т.п.).

Интерфейс взаимодействия средств системы виртуальной реальности (СВР) и модели поведения космонавта-оператора в процессе деятельности и реализация модели поведения космонавта-оператора реализован в среде Windows'98 при одновременном функционировании СВР, реализованной с применением программных средств WorldUp, а также модели поведения человека-оператора в процессе деятельности, реализованной в среде программирования Бе1рЫ. Интерфейс взаимодействия осуществляется на двух уровнях.

Первый уровень - уровень интерфейса оператора с программным приложением. На этом уровне возможно внесение изменений, позволяющих учитывать специфику поведения модели каждого приложения при подготовке приложения к исполнению.

Второй уровень - уровень оперативного программного обмена, реализуемого с использованием файлов данных, в которые приложения записывают согласованную информацию и читают информацию из них.

На рис.1 представлена структурная схема пользовательского интерфейса инструктора-руководителя ТМК, который программно-методически обеспечивает проведение сеансов тренажа и контроля процессов выполнения миссий и операций ВКД.

Выбор вида сеанса тренажа осуществляется инструктором из набора: планирование ВКД (формирование сценариев миссий ВКД, отдельных операций, траекторий перемещений и параметров ориентации и временных характеристик динамики поведения объектов, параметров режимов наблюдения средствами технического зрения и пр.); тренировка навыков работы космонавта в штатных режимах поведения объектов - элементов виртуального пространства моделирования; тренировка навыков работы космонавта в нештатных режимах поведения объектов; квалификационные испытания, контроль психофизиологического состояния оператора и т.д.

Библиотека нештатных ситуаций содержит набор программных и интерактивных средств для создания тренируемому, в первую очередь, стрессовых ситуаций посредством создания технических и психологических помех.

Регистрация участника сеанса тренажа и контроля ВКД

Выбор вида сеанса тренажа

Библиотека миссий ВКД

Библиотека о

Библиотека виртуальных моделей МКС, приборов и механизмов РТС

Библиотека виртуальных моделей бортовых устройств МКС

Библиотека динамики поведения РТС КС

Задание параметров технических помех

Пераций

ВКД

Программы отработки траектории механизмов РТС

Библиотека нештатных ситуаций

Задание параметров психологических помех

Интерактивное задание траекторий перемещения

Переключение режимов наблюдения

Визуализация

изображений

Визуализация зоны обзора космонавта

Визуализация рабочей зоны (зоны достижимости) космонавта и механизмов РТС

1

Оценка отклонения РТС от заданной траектории

Архивирование результатов сеанса тренажа

г

Конец сеанса тренажа

Рис.1

Для осуществления визуального контроля за работой космонавта-оператора инструктор может воспользоваться следующими возможностями:

- оценкой текущего пространства, видимого космонавтом;

- оценкой текущего рабочего пространства, достижимого для рук космонавта;

- оценкой текущего пространства безопасной работы.

Окно пользовательского интерфейса содержит следующие основные поля:

- поле визуального отображения среды моделирования - СВР (окно визуализации);

- область основных информационных меню для управления состоянием среды моделирования;

- клавиши команд управления виртуальными моделями динамических объектов;

- область отображения текущего состояния объектов наблюдения, режимов наблюдения.

Функциональные клавиши позволяют выводить на рабочее окно меню команд второго уровня (выпадающие меню, пристраиваемые меню).

Во всех состояниях рабочего окна имеется возможность работы на одном из двух языков: русском или английском (по умолчанию - язык русский). На рис.2 показано окно в состоянии русского варианта языка в режиме внешнего обзора из заданной точки обзора сегмента КС.

0

Рис.2

Выбор внешней точки обзора может осуществляться как ее точным заданием, так и использованием уже заложенных при проектировании в программу траекторий обзора.

На рис.3 показано рабочее окно в состоянии интерактивного управления виртуальной моделью одного из РТС - электромеханическим манипулятором ERA. При этом возможны следующие манипуляции с узловыми точками модели, а именно: отработка "крена" (ось вращения совпадает с осью Х модели) одной из фаланг манипулятора, отработка "рыскания" (ось вращения совпадает с осью Y модели) одной из фаланг манипулятора, отработка "тангажа" (ось вращения совпадает с осью Z модели) одной из фаланг манипулятора, а также углом сгиба колена манипулятора. В этом режиме также возможна смена точки обзора - выбор одной из 4-х камер, расположенных на манипуляторе.

Управлением моделью манипулятора ERA возможно в одном из двух вариантов: с использованием виртуальной модели автономного пульта управления манипулятора ERA; клавиатурой персонального компьютера, на котором установлен интерфейс.

Для наблюдения за изменением положения объекта в пространстве, предусмотрен вывод соответствующей информации на экран. В список отображаемой информации входят следующие текущие характеристики движения объекта наблюдения: скорость, направление движения, углы ориентации, а также координаты положения в пространстве в глобальной системе координат (относительно МКС).

В поле состояний рабочего окна отображается информация о временных характеристиках сцены:

- реальное относительное время (отсчет начинается после запуска программы);

- модельное время (отсчет начинается после запуска программы);

- текущее астрономическое время;

- количество кадров в секунду (производительность вывода изображения).

В процессе осуществления тренажа ВКД программный интерфейс в сетевом

варианте формирует рабочее окно, как для персонального компьютера инструктора, так и для тренируемого космонавта-оператора. На рис.3 показано окно визуализации рабочего окна инструктора в режиме наблюдения из неподвижной точки пространства.

Имитационная интерактивная среда ПТК ВКД разработана как среда для отработки задач формирования и выполнения сценариев ВКД. Созданы базы данных, которые включают в себя определенный набор моделей компонентов районов работ, подвижных объектов наблюдения, траекторий движения и других параметров ВКД.

Сценарии планирования ВКД предназначены для описания:

- режима проведения эксперимента;

- поведения виртуальной динамической модели космонавта-оператора во времени;

- сцены виртуального района работ;

- параметров маршрутов движения объектов наблюдения;

- параметров функционирования робототехнических средств;

- реакций на внешние воздействия от модели космонавта-оператора или от реальной аппаратуры в реальном времени;

- способа фиксации результатов моделирования.

Миссии ВКД осуществляются по заранее составленным сценариям в форме

Рис. 3

некоторых временных диаграмм и сопровождаются заданием соответствующих траекторий перемещений космонавта или РТС с указанием выполняемых штатных операций, подачей инструктором необходимых звуковых (голосовых) команд.

На рис.4 показан кадр визуализации работы космонавта-оператора в процессе выполнения ВКД, заключающейся в перемещении космонавта, закрепленного в передвижном рабочем месте, которое, в свою очередь, закреплено захватом ERA.

Рис.4

Электромеханический манипулятор ERA состоит из двух одинаковых секций (фаланга А и фаланга В), которые соединены вращательным шарниром «локоть». Модель сочленений представлена на рис. 5.

Точка, моделирующая станцию

Захват фаланги А

" «Рыскание» фаланги А

Капсула, имитирующая космонавта-оператора в передвижном рабочем месте

«Т ангаж» фаланги А

Л

Шарнир

«Локоть»

«Рыскание» фаланги В

«Т ангаж» фаланги В

«Крен» фаланги В

Захват фаланги В

Рис. 5

Основой программной реализации динамической реалистичности виртуальной модели манипулятора является временная диаграмма. Манипулируя угловыми вращениями в соответствующих шарнирах, оператор обеспечивает доставку груза в заданную точку пространства за указанное время. Пусть время исполнения операции - 60 сек., тогда временная диаграмма имеет вид, приведенный в табл. 1.

Таблица 1

В ремя

Шарниры 2 4 б S 10 12 14 1б 1S 20 22 24 2б 2S 30 32 34 3б 3S 40 42 44 4б 4S 50 52 54 5б 5S б0

Крен”(А'

Рыскань ” (А) + + + + + +

аж” ан ) £ < + + + + + +

Локоть” + + + +

Крен”(В) + + + + + + + +

Рыскань :”

аж” ан ) + + + + + +

Затемненные строки таблицы соответствуют периоду отработки соответствующими шарнирами манипулятора заданных углов с определенным знаком угла вращения. Затемненные столбцы соответствуют моменту фиксации положения манипулятора и полезного груза в пространстве.

Как видно из диаграммы, при эксперименте применялось ограничение: одновременно могут работать не более чем три шарнира, что обусловлено высокой сложностью интерактивного управления манипулятором ERA со стороны опера-тора-космонавта без такого ограничения.

Для исследования динамической реалистичности виртуальной модели манипулятора проводились экспериментальные исследования отработки различных вариантов временных диаграмм. На рис.6 показаны совмещенные кадры визуализации работы шарнира рыскания фаланги А.

Рис.6

Библиотека типовых операций ВКД содержит три основные группы сценариев осуществления действий, выполняемых на ТМК космонавтом-оператором, в том числе, - с использованием виртуальных моделей манипуляторов.

Пример типовой штатной миссии ВКД космонавта-оператора манипулятора ERA - установка новой солнечной батареи, которая состоит из следующих операций.

1. Захватным механизмом манипулятора ERA зафиксировать блок солнечных батарей.

2. Используя пульт управления манипулятора, доставить блок солнечных батарей в зону стыковки на ферме обитаемого лабораторного модуля.

3. Осуществить стыковку блока солнечных батарей, используя стыковочный узел на ферме.

4. Раскрыть солнечные батареи.

5. Возвратить рабочие органы манипулятора ERA в исходное состояние.

в

На рис.7 показаны некоторые кадры визуализации сценария указанной миссии. Обзор производился из внешней точки, дистанция наблюдения - около 60 метров.

Рис.7

На рис.8 показаны кадры отработки операции стыковки с применением оптического прицела одной из 4-х телекамер (№1), установленной на манипуляторе ERA. Поле зрения - широкое.

Рис.8

В результате экспериментальных исследований и испытаний предложенной виртуальной среды моделирования были выявлены пределы достижения адекватности и реалистичности изображений кадров визуализации. Использование текстур значительно (до 30%) снижает скорость рендеринга, поэтому текстуры использовались только в исключительных случаях, или в случаях низких по графической информативности виртуальных сцен.

МЕТОДЫ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ С АППРОКСИМАЦИЕЙ ПРАВОЙ ЧАСТИ

Существует целый ряд обстоятельств, обуславливающих необходимость адаптации известных численных методов решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений в вычислительных системах с параллельной архитектурой. В первую очередь к таким обстоятельствам можно отнести тот факт, что более высокая скорость решения может достигаться за счет рациональной организации распараллеливания вычислений.

Данная статья является продолжением работ [1-3], которые посвящены разработке и исследованию параллельных алгоритмов численного решения систем ОДУ, используемых для моделирования сложных динамических систем с сосредоточенными параметрами. Предлагаемые алгоритмы ориентированы на использование в многопроцессорных вычислительных системах SIMD (single instruction stream - multiple data stream) структуры с решеткой или линейкой процессорных элементов. Набор процессоров известен до начала вычислений и не меняется в процессе счета, при этом каждый процессорный элемент может выполнить любую арифметическую операцию за один такт, временные затраты, связанные с обращением к запоминающему устройству, отсутствуют.

Пусть математическую модель динамической системы можно представить в виде системы ОДУ с постоянными коэффициентами и начальными условиями

где х - вектор неизвестных сигналов,

f(t)- вектор воздействий, г е [0, Т],

А - матрица коэффициентов системы.

В этом случае решение можно получить последовательно по шагам с помощью численных методов заданного порядка точности.

Здесь вычисление значения вектора неизвестных хп+1 на очередном шаге

требует предварительного определения значений хп . В [1] рассмотрены вопросы, связанные с возможностью параллельной реализации таких алгоритмов. В частности, если система (1) является однородной, т.е. )= 0, 1=1,2,... т, тогда, в зависимости от выбранного метода интегрирования, можно искать решение в виде

где О - оператор (матрица) переходов.

Полученный оператор перехода G, который необходимо определить один раз до начала вычислений, позволяет вычислять значения вектора неизвестных

О.А. Дмитриева

dx = Ax + f(t), x(to )= x0 = (x1, x02,...,x0mf, dt