СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛА. КОНЦЕПТ БЛА ДЛЯ ПОМОЩИ В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ

В современном мире всё больше ощущается потребность в роботизации и автоматизации операций в различных родах деятельности. Также идет стремление к созданию техники, которая может без участия человека производить действия, направленные на помощь людям в любых условиях. Можно привести различные примеры: робот-пожарный, робот-хирург, робот-инвалидное кресло, робот-манипулятор и т.д. Все они заняли важные ниши и без них уже невозможно представить современный мир. Для таких технологий требуются продуманные, сложные и громоздкие системы управления.

В данной статье я описываю структуру системы управления, направленную на придуманный мной аппарат и сам аппарат. Данная схема СУ может применятся на различных устройствах, таких как батискаф, инспекционные роботы, робот-пылесос и подобные.

Для чего может пригодиться придуманный мной аппарат. Дело том, что во время ремонтных, монтажных и других работ в открытом космосе на Международной космической станции, астронавту приходится брать с собой комплект инструментов, ориентированных на решение задач EVA. Закрепление инструментов, перехват из одной руки в другую, решение задач по временному размещению инструментов в открытом космосе, предотвращение возможной потери инструментов во время выхода занимают достаточно много времени, при среднем времени нахождения за пределами станции в 4,5 часа. Для решения этих проблем требуется система, которая сможет свести к минимуму неудобства, приведенные выше. Космический аппарат с системой закрепления и хранения инструментария для ремонтных, научных, монтажных работ, с возможностью мгновенного доступа для последующего использования доступного инструментария при решении разного рода задач.

О структуре системы управления (рисунок 1). На этапе проектирования могут измениться некоторые блоки, но я хочу показать лишь общую структуру, приводя в пример аппарат, который описан дальше. Данные станции, ее составляющие, схема и маршруты, а также другая информация, требующая долговременного хранения, собирается на жестком диске. Данные моментальных препятствий, объездов и другие данные, не требующие долговременного хранения, держаться в оперативной памяти. Система компенсации описана ниже, под рисунком 2. Её данные являются моментальными, поэтому они хранятся в оперативной памяти.

АЛУ (Арифметико-логическое устройство) является комбинационным логическим устройством, которое имеет два многоразрядных входа. На выходе АЛУ формируется результат операций, которые процессор выполняет над операндами, таких, как сложение, умножение и т.п. АЛУ выполнят основные математические и логические операции, необходимые для расчета разного рода данных. Все вычисления производятся в двоичной системе счисления. От устройства управления зависит согласованность работы частей самого процессора и его связь с другими (внешними для него) устройствами. В регистрах временно хранятся текущая команда, исходные, промежуточные и конечные данные (результат вычислений АЛУ). Разрядность всех регистров одинакова. Минимальный набор операций, которые должно выполнять АЛУ, включает операции сложения, инверсии и логического "И", все остальные операции можно получить на базе этих. Счётчик команд содержит в себе адрес следующей команды. Регистр команды служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора. Периферийные устройства - устройства, внешние по отношению к связке "процессор-память". Таким является, например, система ориентации по модели.

Рисунок 1. Структура СУ.

Система стабилизации по положению, относительно МКС или меток на скафандре астронавта требуется для точного расчета положения аппарата в пространстве. Система ориентации также дополняет эту систему. Две эти системы ввиду близости выполняемых ими задач часто объединяют, например, используют одни и те же датчики. В таких случаях можно говорить о единой системе ориентации и стабилизации космического аппарата.

Задачи, выполняемые аппаратом, могут требовать как постоянной ориентации, так и кратковременной. Системы ориентации могут обеспечивать одноосную или полную (трёхосную) ориентацию. В нашем аппарате это система представлена двигателями, похожие устанавливаются на установке для перемещения и маневрирования космонавта (рисунок 2). Газовые сопла или микроракетные двигатели малой тяги способны создавать большие управляющие усилия и таким образом парировать практически любые возмущения. Это свойство сделало этот способ управления ориентацией аппарата весьма распространённым как в задачах активной ориентации, так и стабилизации.

Для создания тяги может быть использована энергия сжатого газа (обычно азот или гелий), разложения вещества, горения жидкого или твёрдого топлива, электрическая энергия и т. д., но предпочтительнее первый вариант.

Рисунок 2.

Двигатели для перемещения и маневрирования космонавта

Хочу пояснить по поводу парирования двигателями возмущений (системы компенсации). Под возмущениями подразумевается импульс, который космонавт передает аппарату, когда берет что-то из доступного комплекта инструментов. Двигатели же дают обратный по вектору импульс так, чтобы аппарат не отлетал в противоположную сторону, а оставался на месте.

Также подразумеваются два способа управления нашим аппаратом. Первый, автоматический. EVAA по команде из МКС производит отстыковку от док-порта на станции и, преодолевая маршрут самостоятельно, достигает космонавта. Док-порт производит заправку и зарядку. Далее EVAA находится рядом с космонавтом и, в случае необходимости, перемещается за космонавтом. Для того, чтобы не задеть и не врезаться в станцию, есть два выхода: закладка в память образа станции со всеми модулями и второстепенными элементами для того, чтобы аппарат следовал в точку назначения, обтекая элементы станции. Также будет уместна система дальномеров и камер. Второй способ управления, ручной. Так управляли аппаратом Луноход-1, т.е. через пульт, с которого происходит управление и контроль над аппаратом. Полностью исключить автоматические системы практически невозможно, даже при полном наборе кнопок на пульте. Управлять так не сможет даже самый опытный оператор.

В систему управления, при необходимости, может быть внедрена способность работы в паре, т.е. несколько аппаратов смогут работать в открытом космосе и не мешать друг другу. Для этого происходит обмен данными между ними и выявление маршрутов объезда, во избежание столкновения.

Рисунок 3. Первый вариант чертежа.

А теперь о самом аппарате (рисунок 3). Данный аппарат – это идея, концепт, который на стадии проектирования может кардинально поменяться. Такие аппараты разрабатываются и строятся не один год, поэтому при его создании могут выявиться разного рода упущения и ошибки, но концепция останется неизменной.

Система построена на микрокомпьютере, который обеспечивает обработку поступающей информации с датчиков телеметрии и иных компонентов.  В качестве управляющей системы может использоваться как собственная прошивка, сделанная исключительно под данный аппарат, так и операционная система, Linux или перспективные ОС. Для проектирования и разработки программного обеспечения бортового комплекса управления космического аппарата используют аппарат формализации анализа и синтеза систем обработки данных реального времени (СОД РВ).

Есть один нюанс: вряд ли можно будет проделать дыру в станции, чтобы разместить в ней док-порт. Также маловероятна отправка отдельного модуля с док-портом и его пристыковка к свободному порту на станции. Таковых просто не имеется. Тем более эти варианты очень дороги. Предлагаю свой вариант: некий блок, на одной стороне которого док-порт, предназначенный для EVAA, а на другой стороне приспособление для крепления к внешней стороне станции, будто крепежи (конструируются в зависимости от того, к чему надо закрепить блок), тросы или магниты.

Что касается главной части, где находится весь инструментарий, всё не так однозначно. На чертеже и вытекающей из неё 3D-модели (рисунок 4) изображены ячейки, разделённые перегородками, на которых закрепляются ремешки с магнитными фиксаторами (на чертеже изображены зеленым цветом). После того, как космонавт извлек из ячейки нужный предмет, есть риск повторного захлопывания крепления магнитами, поэтому ремешки, после размыкания, несильно фиксируются в пазах. Это не даёт магнитам сомкнуться. Для чего это сделано? Для того, чтобы убрать необходимость придерживания второй рукой ремешка, т.к. это противоречит всей идеи самого аппарата.

Рисунок 4. 3Д-модель.

Что касается неоднозначности. Во-первых, есть возможность реализации модульной системы, т.е. модуль хранения может быть приспособлен для чего-то другого или вовсе заменен на иной. Также, для удобства, может быть реализован барабан, который сможет отмести необходимость дополнительного вращения аппарата для доступа к инструментам, находящимся на другой стороне корпуса.

В качестве примера выявления разного рода упущений и ошибок в процессе проработки проекта можно показать эту модернизацию. После того, как я начертил базовый чертеж данного аппарата, я сделал его модель в 3D. И уже на этой, фактически первой стадии, выяснилось, что в основе должен лежать не цилиндр (рисунок 5), а многогранник (рисунок 6). Когда модель была закончена я увидел, что при цилиндре пространство ячеек используется нерационально, т.к. задняя стенка представляет собой дугу.

Рисунок 5                                                             Рисунок 6

S=28125.016801 мм²                                             S=29478.983034 мм²

Когда я сделал 8-гранник, то пространство увеличилось не только в мм², но и в плане универсальности формы самой ячейки, трапеции. В результате я получил уже измененный чертеж. (рисунок 7)

Рисунок 7. Второй (видоизменённый) вариант чертежа.

Пришло время резюмировать. Совершенствование и упрощение деятельности в околоземном пространстве очень важно для дальнейшего развития этой индустрии. Даже незначительные улучшения и инновации могут существенно повлиять на условия жизни на МКС. В данной статье я продемонстрировал концепт аппарата для помощи астронавту в открытом космосе. Название придумано крайне простое – EVAA (русск. Ассистент для работы вне космического корабля). Я постарался затронуть самые важные нюансы в конструкции, принципе действия, особенностях движителя, принципах движения и управления, взаимодействии со станцией. Также описана информационная составляющая системы с объяснением принципов работы. Она требует доработки, возможного изменения и добавления некоторых элементов. Представленные чертежи показывают общую форму и структуру, задуманные на этой стадии.

Список литературы

1. Гущин В. Н. Системы ориентации и стабилизации // Основы устройства космических аппаратов: Учебник для вузов. — М.: Машиностроение, 2003. — С. 241—257. — 272 с. — 1000 экз. — ISBN 5-217-01301-X.