Моделирование управления космическим аппаратом при посадке на Луну в комплексах виртуального окружения

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.

1. Казмерчук 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.

2. 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.

3. 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.

4. Klumpp A. R. Apollo lunar descent guidance // Automatica. 1974. Vol. 10, N. 2. P. 133—146.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Gazzola F., Marchini E. M. The moon lander optimal control problem revisted // Mathematics in Engineering. 2020. Vol. 3, N. 5. P. 1—14.

12. Cassalino L. Fuel-optimal lander trajectory for lunar softprecision landing. Master’s Degree Thesis. 2020—2021.

13. 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.

14. Сихарулидзе Ю. Г. Баллистика и наведение летательных аппаратов. М.: Бином, Лаборатория знаний, 2013. 407 с.

15. 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.

16. 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.

17. Shtessel Y., Edwards C., Fridman L., Levant A. Sliding Mode Control and Observation. Birkhauser, New York: Springer, 2014. 356 p.

18. Болтянский В. Г. Математические методы оптимального управления. 2-е изд., переработанное и дополненное. М.: Наука, Главная редакция физ.-мат. литературы, 1969. 408 с.

19. Maltsev A. V. Computer simulation of video surveillance complexes in virtual environment systems // Scientific Visualization. 2022. Vol. 14, N. 2. P. 88—97.

20. 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.