novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.24.158-167novtexmech-1344Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTМоделирование управления космическим аппаратом при посадке на Луну в комплексах виртуального окруженияSimulation of Spacecraft Moon Landing Control in Virtual Environment ComplexesСтрашновЕ. В.StrashnovE. V.

Научный сотрудник.

Москва

Strashnov Evgeny V. – Researcher.

Moscow, 117218

strashnov_evg@mail.ruМихайлюкМ. В.MikhaylyukM. V.

Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник.

Москва

Moscow, 117218

mix@niisi.ras.ruФедеральный научный центр, Научно-исследовательский институт системных исследований, Российская академия наукРоссияFederal State Institution Scientific Research Institute for System Analysis, Russian Academy of SciencesRussian Federation202328032023243158167Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20232023Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1344

Рассматривается задача моделирования заключительного этапа посадки космического аппарата на Луну в системах виртуального окружения. Для решения этой задачи предлагаются методы и алгоритмы синтеза управления движением лунного аппарата с реализацией критериев быстродействия для его переориентации и минимального расхода топлива при его торможении. Управление космическим аппаратом формируется с использованием обратной связи по показаниям виртуальных датчиков, что позволяет реализовать стабилизацию, переориентацию, торможение, маневры, зависание и мягкую посадку космического аппарата на Луну. В работе задействованы технологии виртуальной реальности с реализацией взаимодействия человека с синтезируемой компьютером средой. При этом для управления космическим аппаратом в ручном режиме используются виртуальные руки, которые копируют движения рук оператора и воздействуют на элементы виртуальных органов управления (джойстик, кнопки и т. д.) внутри модели космического аппарата. Апробация предложенных в статье методов и подходов проводилась в созданном авторами программном комплексе виртуального окружения на примере моделирования посадки виртуальной модели пилотируемого транспортного корабля (ПТК) "Орел" в полуавтоматическом режиме. В рамках этого программного комплекса управление космическим аппаратом в ручном режиме реализовано посредством данных, которые поступают от внешних устройств VRгарнитуры шлема виртуальной реальности Oculus Rift CV1 и контроллеров Oculus Touch, предназначенных для трекинга головы и рук оператора, а также отображения синтезируемой стереопары в его глаза. Моделирование посадки космического аппарата на Луну было проведено для этапов, которые начинаются сразу после основного торможения на высоте примерно 2 км и включают свободное падение лунного аппарата, его вертикализацию, горизонтальное и вертикальное торможение, зависание и мягкую посадку. Результаты апробации показали адекватность и эффективность предложенных в статье решений, которые могут быть в дальнейшем использованы для создания тренажеров, предназначенных для обучения космонавтов навыкам управления космическим аппаратом при посадке на Луну.

The paper considers the task for simulation of final stage spacecraft landing on the Moon in virtual environment systems. To solve this task, methods and algorithms are proposed for the lunar module motion control with the implementation of fast attitude maneuvers and minimum fuel consumption during its deceleration. The spacecraft control is based on virtual sensors feedback and makes it possible to implement stabilization, reorientation, deceleration, maneuvers, hovering and soft landing of the spacecraft on the Moon. The work involves virtual reality technologies with the implementation of human interaction with a computer-synthesized environment. In this case, to control the spacecraft in manual mode, virtual hands are used that copy the movements of the operator’s hands and act on the elements of virtual controls (joystick, buttons, etc.) inside the spacecraft model. Approbation of methods and algorithms proposed in the paper was carried out in our software package of virtual environment system on the example for landing simulation of virtual model Orel spacecraft in semi-automatic mode. In this software package the spacecraft control in manual mode is implemented by data which transit from Oculus Rift CV1 VR headset and Oculus Touch controllers designed for tracking the operator’s head and hands, as well as displaying synthesized stereopair to his eyes. The simulation of spacecraft landing on the Moon was carried out for stages that begin immediately after the basic deceleration at an altitude of about 2 km and including the free fall of the lunar vehicle, its verticalization, horizontal and vertical deceleration, hovering, and soft landing. The results of approbation showed the adequacy and quality of the solutions proposed in the paper, which can be further used to create simulators designed to train cosmonauts how to control a spacecraft during landing on the Moon.

моделированиекосмический аппаратЛунаоптимальное управлениемягкая посадкаобратная связьвиртуальная реальностьsimulationspacecraftMoonoptimal controlsoft landingfeedbackvirtual realityПубликация выполнена в рамках государственного задания ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН "Проведение фундаментальных научных исследований (47 ГП)" по теме № FNEF2022-0012 "Системы виртуального окружения: технологии, методы и алгоритмы математического моделирования и визуализации. 0580-2022-0012"The publication is made within the state task of Federal State Institution "Scientific Research Institute for System Analysis of the Russian Academy of Sciences" on "Carrying out basic scientific researches (47 GP)" on topic No. FNEF-2022-0012 "Virtual environment systems: technologies, methods and algorithms of mathematical modeling and visualization. 0580-2022-0012"ReferencesКазмерчук П. В., Мартынов М. Б., Москатиньев И. В., Юдин А. Д. Космический аппарат "Луна-25" — основа новых исследований Луны // Вестник НПО имени Лавочкина. 2016. Т. 34, № 4. С. 9—19.Kazmerchuk P. V., Martynov M. B., Moskatiniev I. V., Sysoev V. K., Yudin A. D. "Luna-25" spacecraft — the basis of the new lunar exploration, Vestnik NPO imeni Lavochkina, 2016, vol. 34, no. 4, pp. 9—19 (in Russian).Антонова Н. П., Брюханов Н. А., Четкин С. В. Средства посадки пилотируемого транспортного корабля нового поколения // Космическая техника и технологии. 2014. Т. 7, № 4. С. 21—30.Antonova N. P., Bryukhanov N. A., Chyotkin S. V. Landing equipment of the new generation manned transportation spacecraft, Kosmicheskaja tehnika i tehnologii, 2014, vol. 7, no. 4, pp. 21—30 (in Russian).Жуков Б. И. и др. Управление движением космического аппарата при посадке на поверхность Луны // Вестник НПО имени Лавочкина. 2021. Т. 54, № 4. С. 22—30.Jukov B. I. et al. Spacecraft motion control during the Moon surface landing stage, Vestnik NPO imeni Lavochkina, 2021, vol. 54, no. 4, pp. 22—30 (in Russian).Klumpp A. R. Apollo lunar descent guidance // Automatica. 1974. Vol. 10, N. 2. P. 133—146.Klumpp A. R. Apollo lunar descent guidance, Automatica, 1974, vol. 10, no. 2, pp. 133—146.Крючков Б. И., Бурдин Б. В., Солодников А. В. Опыт СССР и США в подготовке космонавтов и астронавтов к осуществлению посадки на Луну // Пилотируемые полеты в космос. 2020. Т. 34, № 1. С. 86—103.Kryuchkov B. I., Burdin B. V., Solodnikov A. V. Experience of the USSR and the USA in training cosmonauts and astronauts for landing on the Moon, Pilotiruemye polety v kosmos, 2020, vol. 34, no. 1, pp. 86—103 (in Russian).Garcia A. D., Schlueter J., Paddock E. Training astronauts using hardware-in-the-loop simulations and virtual reality // AIAA SciTech Forum. Orlando, FL. 2020. P. 1—13.Garcia A. D., Schlueter J., Paddock E. Training astronauts using hardware-in-the-loop simulations and virtual reality, AIAA SciTech Forum, Orlando, FL, 2020, pp. 1—13.Левский М. В. Аналитическое решение задачи оптимального управления разворотом космического аппарата с минимальной энергией вращения // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т. 21, № 3. С. 174—183.Levskii M. V. Analytical solving the optimal control problem of spacecraft’s clew maneuver with minimal energy of rotation, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2020, vol. 21, no. 3, pp. 174—183 (in Russian).Сапунков Я. Г., Молоденков А. В. Аналитическое решение задачи оптимального в смысле комбинированного функционала разворота осесимметричного космического аппарата // Автоматика и телемеханика. 2021. № 7. С. 86—106.Sapunkov Ya. G., Molodenkov A. V. Analytical solution of the problem of optimal in the sense of the combined functional turn of an axisymmetric spacecraft, Avtomatika i telemehanika, 2021, no. 7, pp. 86—106 (in Russian).Фомичев А. В., Ли Е. К. Аналитический алгоритм терминального управления пространственным движением КА при посадке на поверхность Луны // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18, № 6. С. 423—431.Fomichev A. V., Li E. K. Analytical 3D terminal guidance algorithm for lunar landing, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2017, vol. 18, no. 6, pp. 423—431 (in Russian).Петрищев В. Ф. Энергосберегающий алгоритм автоматического управления тягой двигателя на заключительном участке мягкой посадки на Луну // Мехатроника, автоматизация, управление. 2019. Т. 20, № 3. С. 180—188.Petrishchev V. F. Power-efcient algorithm of controlling the engine thrust at the final phase of soft Moon landing, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2019, vol. 20, no. 3, pp. 180—188 (in Russian).Gazzola F., Marchini E. M. The moon lander optimal control problem revisted // Mathematics in Engineering. 2020. Vol. 3, N. 5. P. 1—14.Gazzola F., Marchini E. M. The moon lander optimal control problem revisted, Mathematics in Engineering, 2020, vol. 3, no. 5, pp. 1—14.Cassalino L. Fuel-optimal lander trajectory for lunar softprecision landing. Master’s Degree Thesis. 2020—2021.Cassalino L. Fuel-optimal lander trajectory for lunar softprecision landing, Master’s Degree Thesis, 2020—2021.Zhang H., Li J., Wang Z., Guan Y. Guidance navigation and control for Chang’E-5 powered descent // Space: Science & Technology. 2021. P. 1—15.Zhang H., Li J., Wang Z., Guan Y. Guidance navigation and control for Chang’E-5 powered descent, Space: Science & Technology, 2021, pp. 1—15.Сихарулидзе Ю. Г. Баллистика и наведение летательных аппаратов. М.: Бином, Лаборатория знаний, 2013. 407 с.Sikharulidze Yu. G. Ballistics and guidance of aircraft, Moscow, Binom, Knowledge Laboratory, 2013, 407 p. (in Russian).Михайлюк М. В. и др. Система виртуального окружения VirSim для имитационно-тренажерных комплексов подготовки космонавтов // Пилотируемые полеты в космос. 2020. Т. 37, № 4. С. 72—95.Mihaylyuk M. V. et al. The VirSim virtual environment system for the simulation complexes of cosmonaut training, Pilotiruemye polety v kosmos, 2020, vol. 37, no. 4, pp. 72—95 (in Russian).Дронг В. И., Дубинин В. В., Ильин М. М. и др. Курс теоретической механики: Учебник для вузов. Под общ. ред. К. С. Колесникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 736 с.Kolesnikov K. S. ed. Course of Theoretical Mechanics: A Textbook for high schools, Moscow, Publishing House of the Bauman MSTU, 2005, 736 p. (in Russian).Shtessel Y., Edwards C., Fridman L., Levant A. Sliding Mode Control and Observation. Birkhauser, New York: Springer, 2014. 356 p.Shtessel Y., Edwards C., Fridman L., Levant A. Sliding Mode Control and Observation, Birkhauser, New York, Springer, 2014, 356 p.Болтянский В. Г. Математические методы оптимального управления. 2-е изд., переработанное и дополненное. М.: Наука, Главная редакция физ.-мат. литературы, 1969. 408 с.Boltjanskij V. G. Mathematical methods of optimal control, 2nd ed., revised and supplemented, Moscow, Science, 1969, 408 p. (in Russian).Maltsev A. V. Computer simulation of video surveillance complexes in virtual environment systems // Scientific Visualization. 2022. Vol. 14, N. 2. P. 88—97.Maltsev A. V. Computer simulation of video surveillance complexes in virtual environment systems, Scientific Visualization, 2022, vol. 14, no. 2, pp. 88-97.Дьячкова М. В., Литвак М. Л., Митрофанов И. Г., Санин А. Б. Выбор мест посадки космического аппарата Луна-25 в окрестности Южного полюса Луны // Астрономический вестник. 2017. Т. 51, № 3. С. 204—215.D’jachkova M. V., Litvak M. L., Mitrofanov I. G., Sanin A. B. Selection of landing sites for the Luna-25 spacecraft in the vicinity of the South Pole Moon, Astronomicheskij vestnik, 2017, vol. 51, no. 3, pp. 204—215 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.