Создание технологии управления луноходным шасси - Информационный портал

Создание технологии управления луноходным шасси

18 Января 2021

Создание технологии управления луноходным шасси

Создавая первое лунное шасси, разработчики имели в своем распоряжении очень ограниченный набор средств дистанционного управления объектом, находящимся на расстоянии порядка 400 тысяч километров.

Уже самые первые попытки управления движением ходовых макетов шасси по изображению «дорожной ситуации» на экране монитора с телевизионной камеры, размещенной на борту макета, показали, что это непростой процесс. Изображение на экране — «общий вид» местности без привязки ее элементов к реальным размерам, отсутствие обратной связи о точном исполнении переданной команды сделали крайне затруднительным понимание всей ситуации водителем. И стало понятно, что даже простейшие маневры требуют разработки специальной технологии вождения.
Поэтому в план ходовых испытаний будущего лунохода включили раздел: работы по подготовке водителей шасси при участии сотрудников Всероссийского научно-исследовательского института транспортного машиностроения (ВНИИТМ) и с привлечением на финальной стадии работников других организаций. Важно, что на этом этапе испытаний еще пока не требовались спе-циализированные полигоны, имитирующие лунные условия. Достаточно было воспроизвести схожую рельефную среду, используя для отработки создаваемой технологии управления упрощенный макет лунного шасси.
На открытом полигоне ВНИИТМ, который всегда работал по танковым шасси, был выбран подходящий участок с песчаной поверхностью. Его дооборудовали различными препятствиями, которые, по мнению разработчиков, могли встретиться в лунных условиях: кратеры, выступы, каменные гряды (кстати, эти предположения оказались верными). Их размеры и расположение относительно друг друга планировались так, чтобы между ними можно было проложить учебно-тренировочные трассы с учетом возможностей шасси по безаварийному движению.
В качестве устройства для обучения водителей использовался полноприводной четырехколесный макет шасси, оснащенный телевизионной камерой, информация с которой по кабелю передавалась на экран черно-белого монитора, размещенного в автофургоне. Там располагался водитель-оператор, наблюдающий дорожную ситуацию по телеизображению и управляющий движением макета. Камера могла разворачиваться в горизонтальной плоскости, поэтому было возможно, что в поле ее зрения не попадет участок поверхности в направлении движения. Во избежание нежелательной ситуации водитель должен был постоянно совмещать поле зрения камеры с выделенным «сектором обзора», который обозначили специальными белыми штангами, закрепленными на передней части шасси. 
Даже самый первый вариант пульта управления, которым пользовался водитель, позволял реализовать все возможности шасси:
— движение вперед и назад с одной из выбранных постоянных скоростей;
— боковой поворот в движении в ту или другую сторону за счет изменения частоты вращения колес по левому и правому борту;
— бортовой поворот на месте в одну или другую сторону посредством вращения бортовых колес в разных направлениях («танковая схема»);
— останов шасси.
Выяснилось, что расшифровка деталей поверхности на плоском экранном изображении и последующее принятие решения о движении связаны с большими психофизиологическими усилиями оператора. Поэтому для отбора кандидатов на обучение профессии «водителя шасси» пригласили специалистов из Института медико-биологических проблем (ИМБП). Отобранная группа сотрудников ВНИИТМ обеспечивала разработку технологии дистанционного управления движением шасси и, что важно, методику обучения будущих водителей-операторов лунохода. На институтском полигоне, по результатам «заездов» постоянно модернизировавшемся, проложили тестовые трассы различной протяженности и сложности, которые дали возможность отработки технологии вождения шасси.
При разработке технологии вождения и методики обучения выяснилось, что даже для простого маневра — прямолинейного движения по заданному курсу на одной из двух возможных скоростей — необходимо точно определять реальные размеры препятствий, а это на плоском черно-белом экране было трудно. Поэтому телекамеру на шасси поставили так, чтобы на экране были одновременно видны и фрагменты поверхности, и элементы передней части конструкции шасси и его колеса. Впоследствии это учли при отработке реального лунохода: на его лунных фотографиях четко видны часть телекамеры, передающей на Землю вид всех колес, и изображение аппарели для съезда с посадочной платформы. При такой установке камеры стало существенно проще определить масштаб рельефа поверхности. 
Кроме того, на поле зрения телекамеры наложили специальную опорную сетку, оснастив ею все мониторы, входившие в состав пультов управления. Первые испытатели осваивали науку определения масштаба фрагментов среды в направлении движения, учились определять расстояние до элементов рельефа и их отстояние друг от друга. Достоверность оценки во время обучения фиксировалась наблюдением одних и тех же участков поверхности на телеэкране: одним и двумя глазами, с определением средней ошибки. Практика показала, что даже при наличии масштабной сетки ошибки в оценке рельефа у всех водителей были немалыми. И, чтобы овладеть дистанционным управлением, в методику подготовки были включены частые и длительные тренировки.
Выяснилось, что оптимальным является так называемый «старт-стопный» режим движения, поскольку разница между моментом посыла сигнала с Луны на Землю и появлением изображения дорожной ситуации на экране монитора составляла не менее 3,5–5 секунд. Плюс время на осмысление увиденной картины и принятие решения о нужной команде. В результате сигнал с Земли на луноход еще больше запаздывал, и в течение некоторого времени движение осуществлялось как бы «вслепую», что могло привести к аварии.
Алгоритм старт-стопного режима вождения предусматривал цикл движения и останова шасси для оценки дорожной ситуации по экрану монитора, пока аппарат неподвижен. Все необходимые сигналы поступали на блок автоматики шасси (БАШ), а затем следовала команда на продолжение движения в течение заданного времени. Далее — снова остановка и повторение процедуры. Такой режим управления обусловил покадровую подачу информации о дорожной ситуации. 
По итогам предварительного этапа дорожных испытаний выяснилось, что все отобранные участники, которым предстояло стать водителями-наставниками экипажа лунохода, справились с поставленной задачей, и это позволило сформировать методику обучения будущих «лунных водителей». Удалось определить и разумное количество интервалов движения в старт-стопном режиме. Отработку приемов и технологии дистанционного управления завершили на закрытом полигоне института, используя уже восьмиколесный макет и новый пульт управления, близкие по конструкции к окончательному, «космическому» варианту.
В итоге будущие водители-наставники пришли к очень важному выводу: дистанционное управление движением шасси должен осуществлять не одиночный водитель, а экипаж, состав которого следовало определить с учетом задач, стоящих перед луноходом — и как транспортным средством, и как научной лабораторией. Все материалы, накопленные во время тренировок, стали основой для создания программы и формирования экипажей, а также итоговых методик тренировки. Разработка этих документов выполнялась уже с участием представителей всех смежников, участвовавших в работах по луноходу, а также ученых из Научно-производственного объединения им. С. А. Лавочкина (НПОЛ) и ИМБП. 
Как результат был утвержден оптимальный состав экипажа — 5 человек: командир, водитель, штурман, бортинженер и оператор остронаправленной антенны, а разработанная программа наземных испытаний и тренировок будущих водителей луноходов была утверждена Главным конструктором всего аппарата Г. Н. Бабакиным. По его предложению экипаж лунохода был сформирован из числа военнослужащих-офицеров; кандидатов было больше 40 человек, после медицинского обследования в ИМБП стало 14, а в итоге осталось 11, по сути, 2 экипажа.
Первоначальное обучение будущих операторов-водителей проходило во ¬ВНИИТМ. Их знакомили с материальной частью шасси, функционированием его узлов, а также особенностями взаимодействия с аналогом лунной поверхности. Происходило это на хорошо оборудованном закрытом полигоне с использованием натурного макета шасси и пульта управления с задержкой сигнала.
Последующие тренировки водителей проходили на специальном полигоне под Симферополем — «лунодроме», оборудованном с учетом опыта ВНИИТМ. Тренировки проводили на полномасштабном макете лунохода с настоящим шасси, оснащенным телевизионными системами, а управление осуществлялось от штатных пультов с необходимой задержкой сигнала.
Всех членов экипажа обучали оценке дорожной ситуации по картинке на экране монитора, а водителей — дополнительно — приемам дистанционного управления движением по заданной штурманом траектории. В результате все водители приобрели навык дистанционного управления, у них появился опыт остановки шасси в заданной точке, поворота на заданный угол в движении и на месте, проезда между препятствиями. 
Способность управлять аппаратом оценивалась не только правильно построенной траекторией объезда препятствий, но и способностью пройти заданное расстояние за минимальное время и с минимальными отклонениями от кратчайшего расстояния между контрольными точками маршрута. В итоге водители обрели устойчивые навыки вождения шасси в сложных рельефных условиях с минимальными затратами времени, что позднее подтвердили результаты вождения реальных лунных аппаратов. 
А дальше последовали испытания лунохода на внешних полигонах, в частности на Камчатке, и комплексные проверки всего аппарата в НПОЛ. Приведем большую цитату из самого первого интервью А. Л. Кемурджиана, появившегося в газете «Известия» в день начала экспедиции «Лунохода-1»: «В ходе испытаний мы стремились точнее воспроизвести те условия, в которых машине предстояло работать на Луне. Особенно сложно было с лунным тяготением. Ведь машина должна быть в шесть раз легче, чем на самом деле, а масса и момент инерции у нее должны остаться неизменными... Одну из серий подобных экспериментов мы поставили в летающей лаборатории. Была выбрана такая траектория движения самолета, при которой сила тяжести на его борту становится равной лунной. Оборудовали мы в салоне участок лунной поверхности, грунт подходящий насыпали, установили настоящее колесо лунохода, приборы для исследования свойств грунта в условиях лунной гравитации. Летающая лаборатория позволила нам получить очень интересные данные о взаимодействии колес с грунтом... Для отработки конструкции лунохода была использована целая гамма грунтов — всё, что могло встретиться машине в ее путешествии по поверхности Луны. Характеристики грунтов уточнялись по мере накопления данных, которые приносили полеты автоматических “Лун”. Особенно полезными оказались сведения, которые принесло изучение грунта, привезенного “Луной-16”. И, наконец, мы проводили испытания самоходного шасси на открытой местности, чтобы проверить не только проходимость машины по разным грунтам, но и посмотреть, как она ходит по сложному рельефу. Значит, понадобилась местность, которая по своей поверхности была бы похожа на Луну. Территория Советского Союза большая, и мы нашли такой участок, который был очень похож на предполагаемое место посадки станции…»
В августе 1968 г. все летные образцы элементов ходовой части лунохода были поставлены из ВНИИТМ заказчику — НПОЛ. Там полностью отработанное лунное шасси было оснащено всем необходимым научным оборудованием и блоками системы управления. Работы перешли в свою завершающую стадию, началась подготовка к запуску первого дистанционно управляемого аппарата для доставки его к месту штатной работы — на Луну…

Михаил ОХОЧИНСКИЙ
Фото из сборника «Труды секции истории космонавтики и ракетной 
техники». Выпуск четвертый. 2019
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ВЕСТНИК ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ. 11 (166) ДЕКАБРЬ 2020
Источник:  https://nstar-spb.ru
Короткая ссылка на новость: https://www.nstar-spb.ru/~plctT


Газета «Санкт-Петербургский вестник высшей школы»

Санкт-Петербургский вестник высшей школы

музыкальный вестник