CC BY
7УДК 629.78.072
DOI: 10.24412/CL-35807-2023-1-37-42
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ СОЗДАНИИ ТРЕНАЖЕРА ДЛЯ КОСМОНАВТОВ
Честнов А. А., студент кафедры 701 «Авиационные робототехнические системы» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», г. Москва, e-mail: anton.tchestnov@yandex.ru Егоров В. В., старший преподаватель кафедры 410 «Радиолокация, радионавигация и бортовое радиоэлектронное оборудование» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», г. Москва, e-mail: vsem_dobra@bk.ru Полянский В. В., доцент кафедры 701 «Авиационные робототехнические системы» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», г. Москва, e-mail: vitapolitan@gmail.com
THE USE OF MODERN TECHNOLOGIES IN THE CREATION
OF A SIMULATOR FOR ASTRONAUTS
Chestnov A. A., student of the department 701 "Aviation robotic systems" "Moscow aviation institute (National Research University)", Moscow, e-mail: anton.tchestnov@yandex.ru Egorov V. V., senior lecturer of the department 410 "Radar, radio navigation and avionics" "Moscow aviation institute National Research University)", Moscow, e-mail: vsem_dobra@bk.ru Polyanskij V. V., assistant professor of the department 701 "Aviation robotic systems" "Moscow aviation institute (National Research University)", Moscow, e-mail: vitapolitan@gmail.com
Аннотация. Для осуществления подготовки космонавтов к выполнению различных задач на поверхности Луны используются специальные учебные имитаторы. Существующие российские и иностранные стенды имеют недостатки: отсутствует «эффект погружения», обладают большими габаритами и высокой ценой. В проекте рассматривается действующий прототип тренажера, необходимый для повышения эффективности тренировок космонавтов и для создания «эффекта присутствия». Проект разработанного тренажера реализован с современным подходом, основанном на использовании тренажера с системой виртуальной реальности и механизмом обезвешивания, который позволяет обеспечить пониженную гравитацию.
Annotation. Special training simulators are used to train astronauts to perform various tasks on the surface of the Moon. Existing Russian and foreign stands have disadvantages: there is no "immersion effect", they have significant dimensions and high cost. The project considers the current prototype of the simulator, which is necessary to increase the effectiveness of cosmonauts' training and to create a "presence effect". The project of the developed simulator is implemented with a modern approach based on the use of a simulator with a virtual reality system and a dewatering mechanism that allows for reduced gravity.
Ключевые слова: тренажер, виртуальная реальность, пониженная гравитация, Луна, космонавты.
Keywords: simulator, virtual reality, reduced gravity, Moon, astronauts.
Введение
Тренировки космонавтов представляют собой обширный комплекс мероприятий, включающий общефизическую подготовку, тренировки вестибулярного аппарата, прохождение испытаний в сурдокамере, имитацию выхода в открытый космос с применением различного оборудования. Для повышения эффективности тренировок в центрах подготовки космонавтов всегда старались использовать самые современные технологии. Не исключением здесь являются и новые подходы на основе использования технологий виртуальной реальности, которые также используются для проведения тренировок на орбите. Космонавты уже сегодня на борту МКС используют очки виртуальной реальности с установкой для перемещения и маневрирования в открытом космосе.
Целью предлагаемого проекта является разработка специализированного тренажера с систе-
мой виртуальной реальности, который позволит реализовать полунатурные тренировки космонавтов для работы на Луне.
Задачами космонавтов на поверхности Луны является выполнение различных операций, таких как: забор лунного грунта, сбор образцов реголита не только с поверхности Луны, но и под ней, эксперименты и исследования, связанные с полевой геологией и т. д. Для успешного выполнения этих задач космонавты проходят обширный комплекс наземной подготовки, включающий и отработку передвижений космонавтов по лунной поверхности [1].
Постановка задачи
На сегодняшний день тренировка космонавтов в условиях пониженной весомости осуществляется с помощью специальных учебных имитаторов [2].
Особенностью существующих тренажеров для космонавтов является имитация условий лунной гравитации, которая в шесть раз меньше, чем на Земле. Несколько таких стендов находятся в России (Центр подготовки космонавтов, Звездный городок) и в США (Ленгли). На стендах космонавты и астронавты передвигаются в том числе и по наклонной плоскости, подвешенные с помощью системы строп. Также на стендах для тренировок моделируется лунный грунт. Общими недостатками подобных тренажеров является низкая степень «эффекта присутствия», существенные габариты самих тренажеров и высокая стоимость.
Вышеупомянутые недостатки могут быть устранены посредством интеграции в тренировочные процессы специализированных тренажеров с технологией виртуальной реальности, которые могут использоваться в непосредственной подготовке космонавтов.
При разработке тренажера были определены его оптимальные габаритные размеры целью обеспечения несоударения со стойками тренажера во время тренировок:
• габаритные размеры конструкции (ШхВхГ) —
1375 х 1275 х 1150 мм;
• диаметр основания — 1 м;
• рабочий вертикальный ход кольцевой опоры —
от 0,3 до 1,4 м.
Также в процессе создания тренажера были рассмотрены следующие варианты уже существующих бытовых аналогов:
1) Virtuix Omni (производитель: Virtuix (США), стоимостью 1 200 000 руб.);
2) KAT WALK VR (производитель: KAT VR (Китай), стоимостью 400 000 руб.);
3) Virtualizer Elite 2 (производитель: Cyberith (Австрия), стоимостью 2 000 000 руб.) [4].
Недостатком первых двух тренажеров является отсутствие возможности вертикального перемещения. Недостатками последнего из представленных тренажеров является отсутствие системы обезвешивания и очень высокая стоимость, но при этом его конструкция была взята за прототип.
Таким образом, формализация задачи заключается в ликвидации указанных выше недостатков аналогов и в разработке специальных технических решений, обеспечивающих полноценное и эффективное применение тренажера для подготовки космонавтов с учетом современных технологий. Проектом предусматривается массовость тренажера за счет простоты его конструкции и возможности разбора.
Реализация проекта
Прототип тренажера построен на базе силовой конструкции с элементами кинематики. Концепция тренажера была разработана с учетом требований по промышленному дизайну и требований к его эргономике и безопасности для конечного пользователя. Внешний вид тренажера представлен на рис. 1.
Конструкция тренажера (рис. 2) представляет из себя сборную силовую раму, состоящую из центральной крестовины 4 и трех силовых секторов 5, соединяемых в единый станок.
Созданный тренажер позволяет обеспечить свободу движения пользователя вокруг вертикальной оси за счет использования кольцевой опо-
Рис. 1. Внешний вид разработанного тренажера
ры 1, внутри которой размещена система тросов с ремнем, удерживающим пользователя от падения. Кольцевая опора 1 закреплена на каретках 2 и имеет возможность свободно перемещаться вдоль вертикальных направляющих за счет использования линейных подшипников, что позволяет пользователю приседать и подпрыгивать.
При проведении испытаний собранной конструкции было выявлено, что при определенных углах наклона кольцевой опоры, вызванных давлением пользователя при имитации быстрой ходьбы, возникало заклинивание кольцевой опоры 1 при ее движении в вертикальной плоскости. Для предотвращения этого установленные линейные подшипники было решено изготовить из двух частей, разнесенных на расстояние в 100 мм вдоль направляющих.
Подстилающая поверхность 3 реализована из листового материала с определенным коэффициентом трения, который при взаимодействии с подошвой специальных надеваемых пользователем бахил обеспечивает требуемое проскальзывание при ходьбе на месте.
Помимо этого, при разработке конструкции тренажера были проведены следующие исследования и реализованы новые технические решения:
1) Разработана система обезвешивания, обеспечивающая нивелирование веса центральной части тренажера (кольцевая опора 1 с закреплен -ным на ней поясом и системой тросов, а также с силовыми подкосами и каретками линейных подшипников) при вертикальном перемещении.
2) Реализован комплекс мер по снижению шума работающих механизмов:
• за счет подбора материала, количества и диаметра шариков кольцевой опоры (экспериментально подобраны нейлоновые шарики, обладающие достаточной грузоподъемностью и минимальным уровнем шума);
• произведено напыление на внутренней поверхности кольцевой опоры прорезиненной краски;
• выполнена шумоизоляция металлокаркаса силового станка автомобильными самоклеящимися материалами;
• разработана система шторок, закрывающих каретки с линейными подшипниками внутри вертикальных коробов.
3) Выполнен подбор контактной пары подстилающей поверхности тренажера и подошвы бахил с целью получения необходимого коэффициента трения в процессе имитации ходьбы и бега космонавта, удерживаемого в кольцевой опоре в стационарном положении. Эксперименты проводились с различными материалами подстилающей поверхности (искусственный лед (высокомолекулярный полиэтилен), капролон, фторопласт и др.) и разными типами и материалами подошв самих бахил (шарообразные наконечники из капролона, перфорация на листовом ПВХ и др.). Оптимальным оказался следующий вариант — бахилы с войлочным слоем и фторопластовая подстилающая поверхность с подобранным значением шероховатости поверхности, которая была бы оптимальной для лучшего баланса устойчивости человека от падения из-за чрезмерного проскальзывания при ходьбе и минимизации усилий на ногах при движении на месте. Дальнейшее развитие этого направления — реализация подстилающей поверхности в виде полусферы, что более естественно для стационарной ходьбы.
4) Подстилающая поверхность выполнена в форме сферы в целях увеличения силы проскальзывания и стабильности позиционирования пользователя в центральной части сферического основания и уменьшения вынужденного наклона пользователя по отношению к горизонтальной плоскости в процессе перемещения на месте, что, в свою очередь, также способствует увеличению реалистичности перемещений и, как следствие, повышению степени погружения.
Для обезвешивания кольцевой опоры в тренажере реализован специальный механизм, который позволяет не ощущать космонавту веса центральной части тренажера [5]. Механизм обезвешивания, представленный на рис. 3, представляет собой противовесы 1, связанные при помощи троса 3 и системы блоков 4 с каретками 2. Перемещение кольцевой опоры вдоль вертикальной оси
Рис. 3. Механизм обезвешивания
влечет за собой передвижение кареток 2 по направляющим 5. Противовесы 1, связанные с каретками 2, перемещаются в противоположном направлении вдоль вертикальных стоек, проходя для снижения центра масс всей конструкции и уменьшения шума от кареток лишь половину расстояния, преодолеваемого кольцевой опорой. Это деление движения в соотношении 1:2 осуществляется за счет системы блоков 4.
Аналогичным способом планируется создание системы обезвешивания и веса космонавта в скафандре. При этом за счет динамически изменяемой массы противовеса планируется создание адаптивной системы под различный вес космонавта с учетом использования им различного целевого оборудования.
Для повышения эффективности тренировок космонавтов и для создания «эффекта присутствия» в проекте реализован современный подход, основанный на использовании системы виртуальной реальности, позволяющей также за счет определенной доработки системы обезвешивания обеспечить более глубокое «погружение» в условия пониженной гравитации.
Ключевыми для данного проекта преимуществами применения УЯ- технологий являются следующие: повышается степень погружения в тренировочный процесс, обостряются ощущения космонавта во время тренировок, обеспечивается возможность реализации различных по сложности сценариев в разных условиях.
В проекте система виртуальной реальности реализована на основе аппаратно-программного комплекса, включающего в себя: беспроводные очки, используемые для устранения кабеля и большей свободы движения пользователя, контроллеры положения рук, датчики ходьбы, кото-
рые также определяют и фактическое положение пользователя по высоте и угол его поворота вокруг вертикальной оси и, наконец, математическая модель виртуальной реальности, созданная в среде Unreal Engine [6].
При реализации аппаратных решений возникли следующие трудности, связанные с корректностью работы датчиков ходьбы. Изначально были использованы покупные датчики, но оказалось, что их правильная работа требовала взаимодействия с аппаратной частью тренажера того же изготовителя [7], покупка которого и последующая интеграция в наш проект не планировалась. Поэтому в СКБ-4 МАИ была разработана собственная система датчиков.
Разработанная система датчиков представляет собой акустическую систему позиционирования (АСП), которая характеризуется потенциальной пространственной точностью позиционирования порядка 1 см (достаточная для нашей задачи), а также сравнительно малой стоимостью, ввиду использования в системе акустического диапазона частот.
Процесс определения местоположения в АСП
Аппаратной основой прецизионного позиционирования для тренажера является система дальномеров (система локальной навигации), работающих с акустическими сигналами сложной структуры. Система состоит из блоков акустических приемников, центрального концентратора, подключенного к сети WiFi, и смартфона с предустановленным специальным программным обеспечением.
Структурно система состоит из следующих блоков:
1. Блоки акустических датчиков (БАД) (в нашем случае два датчика на ногах и один на поясе космонавта);
2. Центрального концентратора (ЦК) (в нашем случае очки VR);
3. Устройства-клиента (УК) с предустановленным программным обеспечением.
Процесс определения местоположения в АСП состоит из следующих этапов:
1. Устройство-клиент (УК), или активный датчик с ПО, установленный на выбранной ч асти тела пользователя, по запросу отправляет пакет по каналу WiFi на ЦК.
2. Приняв пакет, ЦК помещает данный запрос в очередь. Когда очередь подходит, ЦК по радиоканалу отправляет на все БАД команду запуска записи принимаемого сигнала в память, а затем отправляет устройству-клиенту по WiFi ответный пакет подтверждения очереди.
Команда пуска
Рис. 4. Структурная схема БАД
3. УК воспроизводит звуковой сигнал определенной структуры. Этот сигнал, распространяясь со скоростью звука, достигает каждого БАДа в общем случае в различные моменты времени и записывается там в память с соответствующими задержками.
4. По окончании записи (через 0,25 секунды после пуска записи по команде ЦК) БАДы приступают к обработке содержимого памяти и сжатию его с эталонной М-последовательностью для определения момента прихода сигнала. В момент обнаружения превышения некоторого порога БАД излучает по индивидуальному радиоканалу сигнал (используется частотное разделение каналов) радиоимпульс, соответствующий обнаружению момента прихода сигнала, который принимает ЦК.
5. ЦК регистрирует моменты прихода поступающих импульсов от всех БАДов и полученные
псевдозадержки передает по каналу WiFi на УК. Основными составляющими УК являются блок полосовых фильтров, каждый канал которого принимает сигнал от сопряженного с ним датчика, а также аппаратная вычислительная платформа Агёшпо с расширениями для использования WiFi. На платформе Агёшпо для связи с УК разворачивается Зоскй-сервер.
6. Передаваемая с ЦК информация в конечном виде обрабатывается на УК, а полученные координаты выводятся на экран или используются системой управления объекта [8].
На рисунке 4 изображена структурная схема БАД. Команда пуска записи поступает на устройство синхронизации и управления УСиУ, которое, в свою очередь, в четком порядке переводит систему сначала в режим записи (при котором данные с микрофона через усилитель-ограничитель поступают на АЦП и записываются в память), режим обработки (при котором по сути производится поиск в записанной последовательности эталонной М-последовательности в устройстве сравнения кодов (УСК) и выдача радиоимпульса обнаружения совпадения) и режим энергосбережения, в котором вся аппаратура, кроме приемника команды пуска, отключается. На рисунке ПНК — память номера канала, ГСС — генератор сигналов синхронизации, ГН — генератор несущей, МП — модулятор поднесущей [8].
Структурная схема ЦК приведена на рисунке 5. Поступающие сигналы обнаружения поступают через полосовые фильтры ПФп в амплитудные детекторы и далее в пороговые устройства. Первый пришедший сигнал обнаружения запускает счетчик тактовых импульсов, которые, по сути, являются сеткой измерения временных интерва-
»
ПФ„
УРЧ
ГСС
нпн
ГСС
НИН
ПФ, АД ПУ
ПФ2 АД ПУ
ПФз АД ПУ
ПФ„ АД ПУ
Сх
12
ГО,
Б-Тр.
ГО2
Б-Тр.
1Б3
Б-Тр.
ГО„
Б-Тр.
о
а
о р
сд
и К
Такт
АКБиШО
БУИ WiFi
!
ППН * ЕЛ.
WiFi —I-1
■Ю45
Команда пуска
ПРД
ка у) )
4
с
4
с
4
с
4
с
Рис. 5. Структурная схема ЦК
лов между приходом импульсов. Каждый такт в регистре сдвига формируется кодовая комбинация, записываемая в память Arduino. После того, как все возможные данные получены (обработка в БАДах завершилась), содержимое памяти Arduino передает по каналу WiFi или Ethernet на УК. D-Тр. — D-триггеры, БУИ — блок управления интерфейсами, ППН — программируемая память настроек, IDn — идентификационные коды каналов [8].
На данный момент для тренажера разработаны алгоритмы работы системы, производится моделирование узлов системы в среде Matlab Simu-link, а также производится разработка и отладка аппаратной и программной части системы [8].
Заключение
При организации тренировочного процесса для выполнения различных задач, стоящих перед космонавтами на Луне, возможно использование разнообразных сценариев. Возможности тренажера предоставляют пользователю обширный спектр перемещений (различные движения руками, приседания и подпрыгивания, бег и ходьба на месте с поворотом в любую сторону и вращением вокруг собственной оси), благодаря которым становится доступным безопасное для пользователя и окружающих выполнение различных сценариев. Согласованное функционирование системы позиционирования и перестроение ма-
тематической модели визуализации позволят повысить эффективность таких тренировок.
Помимо этого, в 2019 году нашей лабораторией был выполнен проект по созданию беговой дорожки с двумя степенями свободы, и получены два патента этого изобретения. На проекте беговой дорожки было проведено исследование вопросов кинетоза (укачивания, связанного с ходьбой пользователя в условиях виртуальной реальности) и устранение этого явления. Результатом стали ограничения на резкие изменения динамики движения виртуальной реальности на этапе первых тренировок. В процессе работы над сегодняшним тренажером были учтены результаты, связанные с устранением эффекта кинетоза.
Таким образом, за счет полученного научно -технического и инженерного задела планируется доработка технической части тренажера путем внедрения, регулируемого в зависимости от веса конкретного космонавта механизма обезвешива-ния и системы, способной изменять угол наклона подстилающей поверхности в двух плоскостях для более качественного восприятия космонавтом особенностей лунного рельефа. Также планируется более глубокая проработка программной части проекта, в которой будут реализованы различные сценарии выполнения целевых задач на лунной поверхности. И с учетом введенных изменений планируется проведение всесторонних испытаний и калибровки оригинальной системы позиционирования.
Список литературы
1. Иванова О. NASA обозначило задачи, которые будут стоять перед будущими астронавтами на Луне [Электронный ресурс] // Naked-science; URL: https://naked-science.ru/article/cosmonautics (дата обращения 20.04.2022).
2. Описание имитаторов для тренировок [Электронный ресурс] // Sochisirius. — URL: https://sochisirius.ru/news/3055# (дата обращения 20.04.2022).
3. Shayler David, Colin Burgess. NASA's Scientist-Astronauts. — Издательство «Praxis», 2007.
4. Описание существующих тренажеров виртуальной реальности [Электронный ресурс] // Gadgilla. — URL: https:// www.gadgiUa.com/coUection/platformy-vr (дата обращения 20.04.2022).
5. Гайдукова А. О., Белянин Н. А. Обзор систем обезвешивания // «Решетниковские чтения», Красноярск, 2016.
6. Макеффри М. Unreal Engine VR для разработчиков. — М.: Эксмо, 2019.
7. Описание устройств виртуальной, дополненной и смешанной реальности [Электронный ресурс] // Virtualnyeochki; URL: https://virtualnyeochki.ru (дата обращения 20.04.2022).
8. Егоров В. В., Смольников П. И. Акустическая система позиционирования / Сборник статей международной практической конференции «Неделя науки», Санкт-Петербург, 2018.
