Методы графической поддержки системы интеллектуального управления космическими аппаратами

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 681.32

МЕТОДЫ ГРАФИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ СИСТЕМЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ

Михаил Н.Бурдаев, Михаил Г.Грибов, Вячеслав М.Хачумов

Аннотация

Рассматриваются вопросы графической поддержки процессов безопасного сближения космических аппаратов (КА) при ручном пилотировании. Для быстрого анализа поступающей на борт телеметрической и телевизионной информации и принятия правильных решений предлагаются в комплексе: методы визуального контроля параметров телеметрии, методы геометрического моделирования и распознавания образов для определения параметров подвижной цели, методы оперативного отображения входных данных в виде специальных годографов с прогнозированием оптимальной траектории движения. Разработанные методы отвечают требованиям удобства интерпретации данных, безопасности полетов, минимуму временных и материальных затрат, предъявляемым к интеллектуальной системе управления КА, разрабатываемой в ИПС РАН для РКК «Энергия».

космический аппарат безопасный сближение

Визуализация и оценка достоверности данных телеметрии

Одной из актуальных задач пилотирования КА является контроль достоверности поступающей на борт информации. Анализ методики полетов показывает, что имеющиеся на сегодняшний день в распоряжении космонавта средства визуального контроля, методические указания по выполнению режимов причаливания, расчетные таблицы и другие средства обработки динамической информации фактически не гарантируют безопасности сближения и мало пригодны для принятия оперативных решений. Предлагаемые в настоящей работе подходы ориентированы на использование средств машинной графики для измерения, обработки и визуализации контролируемых параметров в удобной для оператора форме. Все данные проходят первичную обработку и оперативно отображаются в виде системы графиков, содержащих как исходную информацию, так и результаты обработки. Один из предлагаемых принципов автоматического контроля достоверности данных телеметрии связан с анализом величин ускорений динамических параметров. Так, например, на основе графика измеренной радиальной скорости КА (рис. 1), зная реальные характеристики КА и соответствующие им возможные предельные ускорения, можно установить места сбоя телеметрии. Исключая значения ускорений превышающие пороговые и используя метод скользящего среднего, можно путем обратного интегрирования восстановить график радиальной скорости, но уже без ошибок измерения. Пример графика восстановленной (интегрированной) скорости представлен на рис.2. Отметим, что даже простая визуализация телеметрии в виде системы графиков несет оператору значительную дополнительную информацию и создает определенные удобства. Однако одновременное представление всех данных телеметрии в виде графиков затрудняет их анализ. Перспективным является метод контроля положения подвижных объектов с использованием модели КА. Создаваемая трехмерная геометрическая модель, имеет контуры, совпадающие с профилем реального летательного аппарата. Многие несущественные детали объектов при этом не воспроизводятся, что позволяет ускорить выполняемые над моделью необходимые динамические операции. На рис. 3 представлена упрощенная трехмерная модель космической станции.

Рисунок 1

Подключение геометрической модели к данным телеметрии позволяет воспроизводить в удобной форме относительное движение объектов во времени и пространстве и анализировать возникающие ситуации. Достоверность данных телеметрии проверяется оператором путем непосредственного визуального оценивания поведения модели. Для более достоверного анализа на экран дисплея выводится синхронно телевизионное изображение реального КА.

Рисунок 2

По резким изменениям положения модели, а также по наличию устойчивых расхождений в ориентации модели и наблюдаемого объекта можно судить о наличии ошибок в телеметрических данных. В настоящее время практически решены принципиальные вопросы подключения модели к данным телеметрии и ее визуализации в реальном времени. Проведенные эксперименты на основе реальных данных телеметрии космической станции «МИР» показали эффективность подобного интегрального метода визуального контроля.

Рисунок 3

Определение параметров сближения по телевизионным изображениям

Большую практическую значимость при построении систем автоматизированного управления движением КА приобретают две взаимосвязанные проблемы: оперативной интерпретации визуальной информации и обеспечения непрерывного оптимального управления траекторным движением [Разыграев, 1977]. Проблема графического взаимодействия связана с тем, что находящийся на борту подвижного объекта человек-оператор (или заменяющая его интеллектуальная система) получают на этапе сближения объектов до 90% информации относительно проблемной среды посредством систем технического зрения. Непосредственное извлечение динамической информации из телевизионных изображений в реальном времени является сложной задачей, связанной с распознаванием образов. В настоящей работе, тем не менее, были проведены исследования по цифровой обработке визуальной информации поступающей на борт с телекамеры, и ее использованию в качестве дополнительного измерительного канала. В проведенных экспериментах предварительно производилась оцифровка ввод в память компьютера видеофильма стыковки КА. Применение последовательности фильтров позволило устранить шумы и выделить контуры характерных объектов на изображении. Были, в частности, разработаны и исследованы алгоритмы выделения линий и элементов окружности подложки стыковочного узла станции «МИР» на основе методов определения линий положения и полиномиальной аппроксимации кривых. Однако, реализация подобного подхода применительно к обработке изображений КА в реальном времени оказалась весьма проблематичной, прежде всего, из-за высокого уровня шумов исходных изображений и больших временных затрат на реализацию алгоритмов. Перспективным видится другой способ измерения параметров объекта по его графическому изображению, позволяющий, в принципе, проводить измерения в реальном времени. Он также связан с трехмерным геометрическим моделированием КА и его отдельных составляющих, например стыковочного узла. Основа метода заключается в поиске значений параметров, при которых модельное изображение объекта максимально совпадает с реальным. Были разработаны необходимые методы обработки и сравнения изображений, а также поиска оптимальных параметров модели. Так как на текущее изображение влияет не только положение самого объекта, но, например, еще и расположение источников света, модель учитывает и эти эффекты. В простейшем случае полагают, что источники неподвижны, и поиск проводится только по параметрам положения самого объекта. Реальное изображение содержит, кроме шумов, нестабильный уровень яркости или другие динамические параметры, что требуют первичной обработки изображений перед их сравнением. Предлагается следующая схема решения поставленной задачи модельным способом. С видеоизображения движущегося объекта через определенные промежутки времени (время дискретизации) снимается изображение (кадр). Для каждого момента времени строится функция I(p), соответствующая текущему реальному изображению объекта и функция S(I(p), I_m(p)), характеризующая степень близости реального изображения и модельного I_m(p) для заданного множества параметров p. Далее производится поиск оптимальных значений параметров p=p₀, при которых функция имеет минимум с использованием методов математического программирования. Была создана демонстрационная версия измерительной системы (рис.4), иллюстрирующая работу метода определения параметров относительного движения в реальном масштабе времени применительно к станции «МИР» на различных участках маневрирования.

Рисунок 4

Рассматриваемый метод использует 2-D и 3-D модели цели и является достаточно универсальным. Он позволяет измерять не только скоростные и пространственные характеристики космических аппаратов, но и параметры любой другой природы.

Отображение относительного движения в виде годографов

Разработанные графические средства поддержки интеллектуальной системы управления движением, позволяют в каждый момент времени на основе имеющейся информации о положении, направлении движения и скорости КА визуализировать в виде годографов [Альтман, 1968], [Бурдаев и др., 1999] параметры стыковки с учетом конструктивных особенностей двигателей КА. При этом полное множество возможных состояний системы разбивается на несколько групп, называемых зонами управления (рис.4).

Полученные годографы позволяют на этапе дальнего сближения обоснованно формировать критерии для рационального выбора соотношений между параметрами режимов сближения и техническими характеристиками систем управления, исследовать и прогнозировать неблагоприятные сочетания ограничений. На этапе прямого сближения (конечный участок причаливания) метод позволяет: рассчитать и построить в обобщенной форме годограммы соотношений основных характеристик безопасного маневра расхождения; определить для известного углового размера поля зрения используемого при управлении визирного прибора будет ли объект расхождения наблюдаться в конечной точке маневра или окажется вне пределов зоны видимости; отобразить на экран годограф, ограничивающий на плоскости относительного движения область, внутри которой КА теряет возможность сопровождения объекта сближения по угловому ускорению линии визирования.

Рисунок 5

Основные достоинства предлагаемых методов графической поддержки:

наглядность графической интерпретации и надежность контроля телеметрии;

возможность автоматического определения параметров относительного движения объектов по их телевизионным изображениям;

отображение процессов сближения подвижных объектов в виде понятных оператору годографов с фиксацией зон безопасного маневрирования.

Предлагаемые методы могут быть использованы при построении систем интеллектуального управления различного назначения.

Литература

[Разыграев, 1977] Разыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей. -М.: Машиностроение, 1977.

[Альтман, 1968] Альтман С. Анализ орбитальных движений методом годографов. -М.: Мир, 1968.

[Бурдаев и др., 1999] Бурдаев М.Н., Грибов М.Г., Хачумов В.М. Принципы построения тренажеров для обучения управлению подвижными объектами.// Материалы 5-ой международной конференции «Современные технологии обучения (14 апреля 1999 года, Санкт-Петербург)».-Санкт-Петербург, 1999.

Размещено на Allbest.ru