ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ОТРАБОТКИ КОМПЛЕКСА ЗАДАЧ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АСТРОНОМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА УЧАСТНИКАМИ КОСМИЧЕСКОЙ ЭКСПЕДИЦИИ Российский патент 2016 года по МПК B64G7/00 G09B9/00 

Изобретение относится к области космической техники и предназначено для имитации разнообразных космических условий при отработке участниками космических экспедиций различных задач, в том числе задач по исследованию поверхности астрономических объектов с помощью современных технологий виртуальной реальности.

Из уровня техники известно обучающее устройство, содержащее модель движения космического корабля, модель датчиков, модель системы управления спуском, модель исполнительных органов, ручку управления спуском, модель системы управления бортовым комплексом, пульт космонавтов, систему управления центрифугой, кабину центрифуги, пульт контроля и управления тренировкой, а также блок функционального состояния, блок корректировки перегрузки и вычислитель перегрузки (см. RU 104360 от 10.05.2011).

Из уровня техники известна также интерактивная автоматизированная система обучения, содержащая, по крайней мере, один проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающего в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний обучающихся, информационные входы и выходы которого соединены со всеми элементами системы, выполненный в виде модуля вычислительной системы управления процессом обучения, снабженного программным обеспечением системы. Система дополнительно снабжена, по меньшей мере, тремя функциональными модулями - модулем группового обучения, модулем индивидуального обучения и модулем процедурного тренажера, причем все модули системы выполнены автономными и соединены между собой коммуникационными связями и своими информационными входами и выходами, при этом модуль вычислительной системы управления процессом обучения снабжен электронными блоками - обучающим блоком, технологическим блоком, ремонтным блоком, блоком электронной документации, контрольным блоком, блоком режимов, управляющим блоком, блоком тестирования и коммутационным блоком, каждый из которых имеет свои информационные входы и выходы (см. RU 2271040 от 27.02.2006).

Недостатком известных технических решений является технологическая сложность реализации процесса обучения и, как следствие, трудный, долгий и не всегда эффективный процесс обучения и закрепления полученных результатов.

Наиболее близким техническим решением можно считать комплексное обучающее устройство, содержащее модель системы управления бортовым комплексом, модель датчиков, ручку управления спуском, модель системы управления движением, модель системы исполнительных органов, пульт контроля и управления тренировкой, генератор изображения Земли и станции МКС, имитатор визира космонавта, ручку управления ориентацией, ручку управления движением, пульт управления центрифугой, систему управления центрифугой, кабину центрифуги, модель движения космического корабля, пульт космонавта, а также бортовой вычислитель спуска, мультиплексный канал информационного обмена, устройство связи с вычислителем, имитатор согласующих устройств и бортовой центральный вычислитель (см. RU 102823 от 10.03.2011).

Недостатком прототипа, как и в предыдущих случаях, является посредственная возможность обучения космического экипажа при технологической сложности организации процесса обучения, наличие вычислительных ошибок моделирования различных режимов и неполное функциональное воспроизведение.

Общеизвестно, что подготовка космонавтов к космическому полету - целенаправленный процесс формирования у космонавтов знаний, навыков, умений, необходимых для успешного выполнения ими задач к полету. Необходима комплексная подготовка космонавтов во всевозможных экстремальных ситуациях космического полета, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов космического полета и адекватные действия в нештатных (аварийных) ситуациях.

Учитывая всю сложность длительных космических экспедиций и, соответственно, программы подготовки экипажей, необходимо вести процесс обучения на комплексных обучающих устройствах, имитирующих реальные процессы полета, десантирования на поверхность астрономических объектов, а также решения поставленных задач с очень высокой степенью адекватности.

Для выполнения этих требований была поставлена задача разработки простого и надежного тренажера для отработки комплекса задач по исследованию разнообразных астрономических объектов участниками космических экспедиций, позволяющего эффективно решать поставленные задачи по обучению экипажей необходимым навыкам. Задачей также являлось создание тренажера, позволяющего каждому участнику имитируемой миссии полета погрузиться в виртуальную среду соответствующего астрономического объекта (планеты), стать участником исследований и экспериментов, включающих в себя такие задачи, как перемещение по планете в скафандре, вождение транспортного и дистанционно управляемого роверов, сбор образцов грунта и доставка их на базу, работа в условиях пылевых бурь и метеоритных дождей.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении уровня и качества обучения за счет обеспечения полной и достоверной визуализации исследуемого объекта, метеорологических условий и их влияния на обучающегося, поведения и реакций обучающегося на внешние факторы, а также за счет сокращения времени освоения изучаемой сложной технической системы и повышения эффективности самого обучения и эффективности применения его результатов в дальнейшем на практике, обеспечивающих повышение безопасности эксплуатации сложных технических систем, в том числе использующихся в экспедициях на астрономических объектах.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что тренажер для отработки комплекса задач по исследованию астрономического объекта участниками космической экспедиции содержит рабочее место оператора и средства имитации и визуализации реальных условий проведения исследований. Новым, согласно предлагаемой полезной модели, является то, что предусмотрена графическая станция, выполненная с возможностью рендеринга виртуальной трехмерной сцены, представляющей собой часть поверхности астрономического объекта с посадочной площадкой, транспортным и дистанционно управляемым роверами, а также рендеринга реальных внешних условий на поверхности астрономического объекта, оснащенная, по меньшей мере, двумя мониторами отображения закабинной обстановки, установленными один над другим перед рабочим местом оператора, нашлемной системой отображения с генератором поля для трекинга головы, включающей очки с OLED матрицами и магнитный датчик позиционирования с генератором поля для трекинга головы, выполненные с возможностью формирования виртуального шлема, а также джойстиками интерактивного управления объектами на поверхности астрономического объекта и выполнения операций вождения транспортного и дистанционно управляемого роверов, при этом, по меньшей мере, один из упомянутых мониторов связан с виртуальным шлемом таким образом, что изображение на данном мониторе дублируется в окулярах виртуального шлема.

Оснащение тренажера графической станцией, выполненной с возможностью рендеринга виртуальной трехмерной сцены, а также реальных внешних условий на поверхности астрономического объекта, позволяет повысить эффективность процесса обучения за счет полного погружения обучающегося в виртуальную реальность.

Виртуальная реализация необходимой и достаточной композиции, включающей часть поверхности астрономического объекта с посадочной площадкой, транспортным и дистанционно управляемым роверами, позволяет ускорить процесс обучения и повысить его эффективность, во-первых, за счет отсутствия посторонних отвлекающих факторов, постоянного сосредоточения обучаемого на выполняемой задаче и, во-вторых, за счет обстановки максимально приближенной к реальной.

Оснащение графической станции, по меньшей мере, двумя мониторами отображения закабинной обстановки, установленными один над другим перед рабочим местом оператора, позволяет повысить эффективность процесса обучения, так как именно такое расположение мониторов более эффективно и удобно для обучаемого.

Оснащение графической станции нашлемной системой отображения с генератором поля для трекинга головы, включающей очки с OLED матрицами и магнитный датчик позиционирования с генератором поля для трекинга головы, выполненных с возможностью формирования виртуального шлема, также позволяет повысить эффективность процесса обучения за счет полного погружения обучающегося в виртуальную реальность, что приведет, в том числе, к сокращению времени освоения изучаемой сложной технической системы.

Оснащение графической станции джойстиками интерактивного управления объектами на поверхности астрономического объекта и выполнения операций вождения транспортного и дистанционно управляемого роверов способствует повышению качества обучения и повышению безопасности эксплуатации сложных технических систем.

Связь, по крайней мере, одного монитора с виртуальным шлемом выполнена таким образом, что изображение на данном мониторе дублируется в окулярах виртуального шлема, что обеспечивает максимально полное погружение обучающегося в виртуальную реальность.

Далее предлагаемое изобретение будет раскрыто более подробно в предпочтительном, но не единственно возможном, варианте исполнения.

Тренажер для отработки комплекса задач по исследованию астрономического объекта участниками космической экспедиции содержит рабочее место оператора и средства имитации и визуализации реальных условий проведения исследований.

Рабочее место оператора предусматривает подвижное или неподвижное (в зависимости от отрабатываемой миссии) кресло для обучающегося, а также опорные поверхности для размещения средств управления, навигации и визуализации. Средства управления и навигации могут представлять собой джойстики, клавиатуру, а также различные тумблеры, переключатели и т.п. устройства. Одним из вариантов средств визуализации являются мониторы, размещаемые, предпочтительно, в передней полусфере по отношению к оператору (обучающемуся).

В конструкции тренажера также предусмотрена графическая станция со средствами коммуникации и сетевого управления, а также программным обеспечением для реализации технологии виртуальной реальности.

Графическая станция может содержать генератор изображения на базе процессора Intel® Core™ Extreme Edition i7-965, SLI NVIDIA DUAL QuadroFX 5800 4GB, 4GB RAM, 4×1 ТВ жесткий диск, DVD, с клавиатурой, операционной системой Windows (ХР, или 7, или 8) или аналогами.

Графическая станция выполнена с возможностью рендеринга виртуальной трехмерной сцены, представляющей собой часть поверхности астрономического объекта с посадочной площадкой, транспортным и дистанционно управляемым роверами. Графическая станция выполнена также с возможностью рендеринга реальных внешних условий на поверхности астрономического объекта.

Рендеринг (от англ. Rendering - «визуализация») - это процесс в компьютерной графике, обозначающий получение изображения по модели с помощью компьютерной программы. Модель, в данном случае, это описание любых объектов или явлений на строго определенном языке или в виде структуры данных. Такое описание может содержать геометрические данные, положение точки наблюдателя, информацию об освещении, степени наличия какого-то вещества, напряженность физического поля и пр.

Графическая станция оснащена, по меньшей мере, двумя мониторами отображения закабинной обстановки, установленными один над другим перед рабочим местом оператора. Предусмотрен вариант размещения дополнительных мониторов по бокам рабочего места оператора. Предпочтительна установка ЖК мониторов, например, с диагональю 26′′.

Также предусмотрены камеры стороннего наблюдения, выполненные с возможностью регулирования положения и передачи закабинной видеоинформации.

Графическая информация, представляющая собой результат рендеринга виртуальной сцены исследуемого астрономического объекта, отображается на мониторах отображения закабинной обстановки. В разных задачах каждый из мониторов может отображать свою часть закабинной обстановки.

Так, например, на нижнем мониторе может отображаться вид на астронавта в скафандре со стороны. Верхний монитор при этом может отображать то, что видит астронавт из своего шлема. Изображение может дублироваться в окулярах виртуального шлема, который надевает на голову оператор, выполняющий задачу.

В другом примере нижний монитор может отображать рабочее место оператора соответствующего ровера. При этом верхний монитор может отображать вид со стороны на соответствующий ровер.

В еще одном примере на нижнем мониторе может отображаться вид на посадочную площадку со стороны с возможностью менять положение снимающей камеры с помощью клавиатуры. Верхний монитор при этом может отображать вид из кабины посадочного модуля. Оператор сквозь иллюминаторы может видеть закабинную обстановку в момент посадки, а также внутренний интерьер кабины с приборными панелями.

Кроме того, на нижний монитор может выводиться окно диспетчера, с помощью которого осуществляется управление выполнением задач в комплексе.

В конструкцию графической станции также входит нашлемная система отображения с генератором поля для трекинга головы, который располагается, предпочтительно, около рабочего места оператора.

Данная полноцветная система визуализации высокого разрешения с системой пространственной ориентации головы предназначена для предоставления оператору возможности непосредственного погружения (иммерсии) в виртуальную среду. С такой системой оператор оказывается как бы "внутри" виртуальной сцены и начинает ассоциировать себя с виртуальным миром. В таких условиях особенно эффективно проходят различные процессы обучения и тренировки.

Система состоит из очков с OLED матрицами, на которые выводится изображение с графической станции и магнитного датчика позиционирования (включает в себя генератор поля для трекинга головы), обеспечивающего возможность отслеживания положения головы оператора. Совместная работа магнитного датчика и очков позволяет обеспечивать максимальное погружение оператора в виртуальную среду с возможностью обеспечения кругового обзора окружающего пространства.

Для интерактивного управления разнообразными объектами на поверхности астрономического объекта (например, посадочный и стыковочный модули, бурильное и т.п. оборудование, роботы), выполнения операций управления виртуальным астронавтом и операций вождения транспортного и дистанционно управляемого роверов предусмотрены джойстики управления, связанные с графической станцией.

Каждый из джойстиков содержит ручку управления для задания направления движения объекту (вперед, назад, влево, вправо), увеличения/уменьшения тяги, включения режима торможения, а также содержит, по меньшей мере, две функциональные кнопки, в предпочтительном случае десять.

Обучение на тренажере производится следующим образом.

В зависимости от решения поставленных задач на основном экране рабочего места, который отображается как в мониторе, так и в виртуальном шлеме, надеваемом оператором, может быть визуализирована поверхность планеты (астрономического объекта), наблюдаемая астронавтом сквозь забрало шлема при его виртуальном перемещении по поверхности в скафандре. С правой стороны изображения, внизу отображается индикатор текущего ресурса скафандра. При этом на дополнительном экране рабочего места демонстрируется вид со стороны на астронавта, выполняющего свою задачу. Назначение данного экрана - дать пространственное представление о положении астронавта. Управлять положением камеры стороннего наблюдения за астронавтом можно с помощью клавиш-стрелок на клавиатуре или кнопок или ручки правого и/или левого джойстика.

Помимо этого правый джойстик управляет движением вперед (астронавта, ровера и т.д.). Передвижение достигается отклонением ручки джойстика вперед от центрального положения. Возврат ручки к центральному положению джойстика приведет к остановке.

Левый джойстик позволяет осуществлять повороты. Отклонение джойстика вправо приводит к повороту вправо, отклонение джойстика влево - к повороту влево.

Варианты соединения графической станции и другого оборудования тренажера могут быть различны, одним из примеров может быть следующий: графическая станция соединена первым выходом с первым монитором отображения закабинной обстановки, а вторым выходом - со вторым монитором отображения закабинной обстановки, который соединен с входом/выходом очков с OLED матрицами и магнитным датчиком позиционирования нашлемной системы отображения, а контроллер генератора поля для трекинга головы своим выходом соединен с первым входом графической станции, при этом джойстики интерактивного управления объектами на поверхности астрономического объекта своими выходами соединены с, по меньшей мере, вторым и третьим входами графической станции.

В другом варианте графическая станция соединена первым выходом с первым монитором отображения закабинной обстановки, вторым выходом - со вторым монитором отображения закабинной обстановки, а третьим выходом - с входом/выходом очков с OLED матрицами и магнитным датчиком позиционирования нашлемной системы отображения, а контроллер генератора поля для трекинга головы своим выходом соединен с первым входом графической станции, при этом джойстики интерактивного управления объектами на поверхности астрономического объекта своими выходами соединены с, по меньшей мере, вторым и третьим входами графической станции.

Таким образом, предлагаемое техническое решение за счет наличия раскрытых конструктивных элементов, предложенной их компоновки и связей между ними обеспечивает качественную отработку комплекса задач по исследованию разнообразных астрономических объектов участниками космических экспедиций и позволяет эффективно решать поставленные задачи по обучению экипажей необходимым навыкам. При этом заявляемый тренажер позволяет каждому участнику имитируемой миссии полета погрузиться в виртуальную среду соответствующего астрономического объекта (планеты), стать полноценным участником разнообразных исследований и экспериментов. Все это позволяет повысить уровень и качество обучения, сократить время освоения сложных технических систем и обеспечить повышение безопасности их эксплуатации.

Тренажер для отработки комплекса задач по исследованию астрономического объекта участниками космической экспедиции содержит рабочее место оператора, средства имитации и визуализации реальных условий проведения исследований, графическую станцию, джойстики интерактивного управления объектами, соединенные определенным образом. Графическая станция содержит по меньшей мере два монитора отображения закабинной обстановки, нашлемную систему отображения с очками с OLED матрицей и магнитным датчиком позиционирования. Обеспечивается повышение уровня и качества обучения. 2 з.п. ф-лы.

1. Тренажер для отработки комплекса задач по исследованию астрономического объекта участниками космической экспедиции, содержащий рабочее место оператора и средства имитации и визуализации реальных условий проведения исследований, отличающийся тем, что предусмотрена графическая станция, выполненная с возможностью рендеринга виртуальной трехмерной сцены, представляющей собой часть поверхности астрономического объекта с посадочной площадкой, транспортным и дистанционно управляемым роверами, а также рендеринга реальных внешних условий на поверхности астрономического объекта, оснащенная по меньшей мере двумя мониторами отображения закабинной обстановки, установленными один над другим перед рабочим местом оператора, нашлемной системой отображения с генератором поля для трекинга головы, включающей очки с OLED матрицами и магнитный датчик позиционирования с генератором поля для трекинга головы, выполненные с возможностью формирования виртуального шлема, а также джойстиками интерактивного управления объектами на поверхности астрономического объекта и выполнения операций вождения транспортного и дистанционно управляемого роверов, при этом по меньшей мере один из упомянутых мониторов связан с виртуальным шлемом таким образом, что изображение на данном мониторе дублируется в окулярах виртуального шлема.

2. Тренажер по п. 1, отличающийся тем, что графическая станция соединена первым выходом с первым монитором отображения закабинной обстановки, а вторым выходом - со вторым монитором отображения закабинной обстановки, который соединен с входом/выходом очков с OLED матрицами и магнитным датчиком позиционирования нашлемной системы отображения, а контроллер генератора поля для трекинга головы своим выходом соединен с первым входом графической станции, при этом
джойстики интерактивного управления объектами на поверхности астрономического объекта своими выходами соединены с по меньшей мере вторым и третьим входами графической станции.

3. Тренажер по п. 1, отличающийся тем, что графическая станция соединена первым выходом с первым монитором отображения закабинной обстановки, вторым выходом - со вторым монитором отображения закабинной обстановки, а третьим выходом - с входом/выходом очков с OLED матрицами и магнитным датчиком позиционирования нашлемной системы отображения, а контроллер генератора поля для трекинга головы своим выходом соединен с первым входом графической станции, при этом джойстики интерактивного управления объектами на поверхности астрономического объекта своими выходами соединены с по меньшей мере вторым и третьим входами графической станции.