С помощью современного программного инструментария удаётся обеспечить практическое воплощение концепции построения виртуальной среды в сценариях, направленных на имитацию этапов лунной миссии.

Материалы проведённого исследования отражают современные достижения в области методов построения виртуального окружения при проектировании новых видов деятельности космонавтов. Показаны широкие возможности использования методологии построения «виртуального окружения» для моделирования деятельности космонавтов в изоляционных экспериментах при освоении Луны, в том числе для изучения взаимодействия космонавтов с роботами. Эти модели отвечают запросам международного проекта SIRIUS.

Вопросам методологии прогнозирования успешности выполнения человеком задач в перспективных пилотируемых проектах с помощью длительных изоляционных экспериментов придаётся большое значение, а соответствующее научно-прикладное направление по-прежнему остаётся в числе актуальных [1-2].

Отечественная наука накопила уникальный опыт постановки таких экспериментов на уровне международных проектов, и при этом арсенал методик исследования состояния человека и результативности деятельности постоянно расширяется для новых перспективных проектов, включая роботизированное освоение Луны.

Новый виток планируемых исследований в изоляционных экспериментах непосредственно связан с проблемами освоения человеком Луны.

В последние годы страны – участники программы МКС наращивают усилия по построению наземных аналогов миссий освоения Луны и дальнего космоса, в том числе с использованием развитых комплексов – натурных и полунатурных полигонов, как, например, «Аналоги для подготовки роботизированных и человеческих исследований на Луне» (программа Analogues for preparing robotic and human exploration on the Moon ESA / DLR), в составе которых предусмотрены средства имитационного моделирования деятельности космонавтов, включая применение виртуальных сред [3–5].

В цитируемых работах показано, что для поддержки будущих исследований, выполняемых человеком с помощью роботов на Луне, важно использование различных искусственных сред моделирования, в том числе в процессе проектирования лунной базы. Ранее нашли практическое воплощение разработки виртуальных сред деятельности применительно к полётам орбитальных станций, и эти разработки займут видное место в предстоящих исследованиях [6–8].

Рис. 1. Действующий макет космической транспортной мобильной системы КТМС, управляемой в среде индивидуальной виртуальной реальности (разработка ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург). Слева направо: А. В. Сергеев, вед. инженер-разработчик ЦНИИ РТК; В. М. Усов, д. мед. н., профессор ИМБП; С. Ф. Сергеев, д. псих. н., профессор СПбПУ

Новый виток планируемых исследований в изоляционных экспериментах непосредственно связан с проблемами освоения человеком Луны (III этап проекта SIRIUS в 240-суточном изоляционном эксперименте).

На новом этапе развития пилотируемой космонавтики, связанном с освоением Луны, новизна и неопределённость многих ключевых операций полётной деятельности в предстоящих лунных миссиях выводят на первый план необходимость создания виртуальных моделей деятельности космонавтов.

Целью настоящего исследования является практическое воплощение концепции построения виртуальной среды деятельности в виде адаптированных для применения в изоляционных экспериментах имитационных моделей, направленных на изучение взаимодействия человека и роботов в лунной миссии.

Эта цель достигается решением следующих задач:

1) построением искусственных сред деятельности для проведения изоляционных экспериментов, которые способствуют снижению рисков негативного влияния человеческого фактора за счёт развития качеств оперативного мышления и формирования профессионального опыта испытателей при взаимодействии с техникой в профессиональной среде деятельности, включая применение новых видов роботизированного инструментария в лунных миссиях;

2) разработкой методов рационального построения человеко-машинных интерфейсов при проектировании деятельности космонавтов в лунных миссиях и построении взаимодействия «человек – роботы»;

3) формированием облика цифровой среды моделирования и визуализации для виртуального прототипирования инновационных решений при освоении Луны, в том числе с использованием робототехнических систем.

Рис. 2. Оператор в виртуальной индивидуальной среде, управляющий космической транспортной мобильной системой

При таком способе моделирования необходимо использование психологически мотивированных сценариев при конструировании проблемных ситуаций в искусственном мире и обеспечение в реальном масштабе времени высокого качества динамической визуальной картины при отображении внешней среды и её реагирования без задержки на управляющие действия оператора.

В ходе проведения цифрового моделирования в изоляционных экспериментах каждый предложенный сценарий проходит проверку не только в плане расширения представлений участников о предстоящей деятельности, но и как основа для разработки нормативных предписаний.

На новом этапе развития пилотируемой космонавтики, связанном с предстоящим освоением Луны, новизна и неопределённость многих ключевых операций полётной деятельности в предстоящих лунных миссиях выводят на первый план необходимость создания виртуальных моделей деятельности космонавтов, с помощью которых в наземных условиях можно найти рациональные способы поведения и деятельности в условиях лунной миссии.

При выбранном методическом подходе сценарий реализации виртуальной модели деятельности космонавта предполагает наличие и использование иммерсивной среды, обеспечивающей создание в процессе наземных изоляционных экспериментов психологически мотивированных проблемных ситуаций, актуализирующих механизмы мыслительной деятельности и когнитивной активности космонавта с последующим интерактивным принятием им рациональных решений о способе их обнаружения и устранения. Именно такой подход рассматривается в качестве приоритетного при моделировании деятельности человека средствами систем виртуального окружения.

В ходе проведения цифрового моделирования в изоляционных экспериментах каждый предложенный сценарий проходит проверку не только в плане расширения представлений участников о предстоящей деятельности, её вариативности в контексте меняющихся условий, но и как основа для разработки нормативных предписаний по составу деятельности и её профессиограмме для вариантов, требующих специальных мер информационной и психологической поддержки.

Создание комплекса имитационных средств для проведения длительных изоляционных экспериментов особенно актуально на современном этапе перехода к новым проектам пилотируемых полётов.

Как важная часть комплекса экспериментального оборудования (в широком понимании – наземного аналога лунных миссий) для психофизиологических и эргономических исследований перспективных средств роботизированного освоения Луны в настоящей работе рассматриваются средства построения виртуального окружения деятельности оператора. Ранее в длительных изоляционных экспериментах методология виртуального погружения нашла успешную реализацию при изучении психофизиологических возможностей космонавтов на базе стенда-тренажёра «Пилот-Т» при выполнении операций причаливания и стыковки космических аппаратов .

Главный итог этого исследования – возможность реалистичного виртуального 3D-представления рабочей и окружающей внешней среды при выполнении лунной миссии.

Рис. 3. Виртуальный антропоморфный манипулятор в виде робота за пультом управления в системе виртуального окружения VirSim (НИИСИ РАН)

В дальнейшем исторически сложилась ситуация, когда первоочередное внимание к средствам экстремальной робототехники уделялось при имитации элементов внекорабельной деятельности экипажа. Так, на экспериментальной базе ИМБП РАН неоднократно применялись модели для имитации управления мобильным лунным ровером в пилотируемом режиме на лунной поверхности (на базе моделей, разработанных в МГУ им. М. В. Ломоносова).

Необходимо отметить успехи в создании виртуальных иммерсивных управляющих сред мобильными роботами, достигнутые в ЦНИИ РТК (Санкт-Петербург) (Рис.1-2). В плане моделирования свободно летающих аппаратов при выполнении внекорабельной деятельности экипажа нашли отражение вопросы применения в эксперименте виртуальных моделей летающих реактивных устройств для выхода в открытый космос без страховочного фала (на базе моделей, разработанных в ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН).

Из литературы известны примеры полунатурного исполнения антропоморфных манипуляторов, управляемых в копирующем режиме с применением устройств захвата движения. Заслуживают упоминания образцы андроидов FEDOR (НПО «Андроидная техника», Магнитогорск) и «Телероид» в проекте «Контур-3» (ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург).

Рис. 4. Синтезированная поверхность Луны в системе виртуального окружения VirSim

Именно быстрое реагирование на происходящее и возможность интерактивного влияния на активность роботов даёт ощутимый выигрыш в предотвращении нестандартно развивающейся ситуации.

Некоторые из апробированных в лабораторных экспериментах виртуальных моделей представлены на рис. 3-7

По результатам разработки инструментария виртуального прототипирования были предложены практические решения с использованием оригинальной системы виртуального окружения, позволяющей осуществлять имитационное моделирование с применением развитых средств 3D-визуализации.

Главный итог этого исследования – возможность реалистичного виртуального 3D-представления рабочей и окружающей внешней среды при выполнении лунной миссии, что существенным образом улучшает ситуационно-пространственную осведомлённость оператора, необходимую для быстрой ориентировки в происходящих событиях и полного осознания угроз и рисков непредвиденного развития событий. Именно быстрое реагирование на происходящее и возможность интерактивного влияния на активность роботов даёт ощутимый выигрыш в предотвращении нестандартно развивающейся ситуации.

Рис. 5. Захват камня мобильным антропоморфным манипулятором в системе виртуального окружения VirSim

Рис. 6. Транспортировка груза мобильным антропоморфным роботом-манипулятором в системе виртуального окружения VirSim

Рис. 7. Посадочный модуль на поверхности Луны в системе VirSim

Выводы

1. Для исследования сложной междисциплинарной проблемы учёта человеческого фактора при проектировании лунных миссий выбор способа имитационного моделирования в условиях изоляционных экспериментов является одним из лучших вариантов, поскольку способ высокореалистичного воспроизведения визуальной обстановки позволяет изучать сценарии выполнения сложных видов деятельности космонавтов.
2. Использование технологий имитационного моделирования, основанных на использовании цифровых технологий и мультимедийных устройств, позволяет реализовать такую модель виртуального окружения, в которой посредством виртуального представления воспроизводятся физические процессы и условия деятельности, аналогичные реальным, а оператору предоставляется возможность интерактивного взаимодействия и иммерсивного погружения в виртуальную среду, в которой воспроизводятся эти реальные процессы.
3. Построение виртуальных моделей при наземном моделировании лунных миссий рассматривается сегодня как один из критически важных способов формирования улучшенного восприятия текущей обстановки при принятии решений космонавтами в ходе выполнения лунных миссий.

Существующие наработки теоретического и методического характера в области систем виртуального окружения для моделирования деятельности космонавта в искусственной среде иммерсивного погружения отвечают задачам учёта человеческого фактора при отработке новых видов деятельности космонавтов в лунных миссиях в условиях изоляционных экспериментов.

Литература

1. Григорьев А. И., Ушаков И. Б., Моруков Б. В., Бубеев Ю. А. и др. Основные операционные подходы к наземному моделированию пилотируемого полёта на Марс // Биотехносфера. 2013. № 4. С. 11-17.
2. Гущин В. И., Виноходова А. Г., Комиссарова Д. В., Белаковский М. С., Орлов О. И. Эксперименты с изоляцией: прошлое, настоящее, будущее // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2018. Т. 52. № 4. С. 5-16. DOI: 10.21687/0233-528X-2018-52-4-5-16
3. Hoppenbrouwers T. (2016). Analogues for Preparing Robotic and Human Exploration on the Moon // 14th International Conference on Space Operations. May 2016. DOI: 10.2514/6.2016-2353
4. Casini A., Mittler P., Cowley A., Schlüter L., Faber M., Fischer B. et al. Lunar analogue facilities development at EAC: the LUNA project // Journal of Space Safety Engineering. 2020. № 7 (4). Pp. 510–518. DOI: 10.1016/j.jsse.2020.05.002
5. Costantini M., Schlutz J., Casini A., Mittler P. et al. (2021). Testing rovers for human and robotic lunar exploration in the ESA / DLR LUNA analogue facility // Proceedings of the International Astronautical Congress, IAC. 72nd International Astronautical Congress (IAC 2021), 25–29 Oct. 2021, Dubai, United Arab Emirates.
6. Ушаков И. Б., Бубеев Ю. А., Гущин В. И., Боритко Я. С. К проекту освоения Луны: некоторые инженерно-психологические и медицинские проблемы // Космическая техника и технологии. 2015. № 3. С. 68-80.
7. Бубеев Ю. А., Усов В. М., Сергеев С. Ф., Крючков Б. И., Михайлюк М. В., Йоханнес Б. Итоги космического эксперимента «Пилот-Т» для моделирования взаимодействия в системе «человек – робот» на лунной поверхности // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2019. Т. 53. № 7. С. 65–75. DOI: 10.21687/0233-528X-2019-53-7-65-75
8. Бубеев Ю. А., Усов В. М., Крючков Б. И., Алтунин А. А., Долгов П. П., Михайлюк М. В. Использование в изоляционных экспериментах технологий виртуальной и дополненной реальностей для моделирования выходов в открытый космос без страховочного фала // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2021. Т. 55. № 2. С. 15-28. DOI: 10.21687/0233-528X-2020-55-2-15-28
9. Сергеев С. Ф. Обучающие и профессиональные иммерсивные среды. М.: Народное образование, 2009. 432 с.
10. Михайлюк М. В. и др. Система виртуального окружения VirSim для имитационно-тренажёрных комплексов подготовки космонавтов // Пилотируемые полёты в космос. 2020. № 4. С. 72-95. DOI: 10.34131/MSF.20.4.72–95

References

1. Grigor'ev A. I., Ushakov I. B., Morukov B. V., Bubeev Ju.A. et al. Osnovnye operacionnye podhody k nazemnomu modelirovaniju pilotiruemogo poleta na Mars. Biotehnosfera, 2013, no. 4. pp. 11-17.
2. Gushhin V. I., Vinohodova A. G., Komissarova D. V., Belakovskij M. S., Orlov O. I. Jeksperimenty s izoljaciej: proshloe, nastojashhee, budushhee. Aviakosmicheskaja i jekologicheskaja medicina, 2018, vol. 52, no. 4, pp. 5-16. DOI: 10.21687/0233-528X-2018-52-4-5-16
3. Hoppenbrouwers T. (2016). Analogues for Preparing Robotic and Human Exploration on the Moon. 14th International Conference on Space Operations, May 2016. DOI: 10.2514/6.2016-2353
4. Casini A., Mittler P., Cowley A., Schlüter L., Faber M., Fischer B. et al. Lunar analogue facilities development at EAC: the LUNA project. Journal of Space Safety Engineering, 2020, no. 7, pp. 510-518. DOI: 10.1016/j.jsse.2020.05.002
5. Costantini M., Schlutz J., Casini A., Mittler P. et al. (2021). Testing rovers for human and robotic lunar exploration in the ESA / DLR LUNA analogue facility. Proceedings of the International Astronautical Congress, IAC. 72nd International Astronautical Congress (IAC 2021), 25-29 Oct. 2021, Dubai, United Arab Emirates.
6. Ushakov I. B., Bubeev Ju. A., Gushhin V. I., Boritko Ja. S. K proektu osvoenija Luny: nekotorye inzhenerno-psihologicheskie i medicinskie problem. Kosmicheskaja tehnika i tehnologii, 2015, no. 3, pp. 68-80.
7. Bubeev Ju. A., Usov V. M., Sergeev S. F., Krjuchkov B. I., Mihajljuk M. V., Johannes B. Itogi kosmicheskogo jeksperimenta "Pilot-T" dlja modelirovanija vzaimodejstvija v sisteme "chelovek – robot" na lunnoj poverhnosti. Aviakosmicheskaja i jekologicheskaja medicina, 2019, vol. 53, no. 7, pp. 65-75. DOI: 10.21687/0233-528X-2019-53-7-65-75
8. Bubeev Ju. A., Usov V. M., Krjuchkov B. I., Altunin A. A., Dolgov P. P., Mihajljuk M. V. Ispol'zovanie v izoljacionnyh jeksperimentah tehnologij virtual'noj i dopolnennoj real'nostej dlja modelirovanija vyhodov v otkrytyj kosmos bez strahovochnogo fala. Aviakosmicheskaja i jekologicheskaja medicina, 2021, vol. 55, no. 2, pp. 15-28. DOI: 10.21687/0233-528X-2020-55-2-15-28
9. Sergeev S. F. Obuchajushhie i professional'nye immersivnye sredy. Moscow, Narodnoe obrazovanie, 2009. 432 p.
10. Mihajljuk M. V. et al. Sistema virtual'nogo okruzhenija VirSim dlja imitacionno-trenazhernyh kompleksov podgotovki kosmonavtov. Pilotiruemye polety v kosmos, 2020, no. 4, pp. 72-95. DOI: 10.34131/MSF.20.4.72-95

© Сергеев С. Ф., Бубеев Ю. А. Усов В. М.,
Крючков Б. И., Михайлюк М. В.,
Хомяков А. В., 2022

Авторы материала:

Сергей Фёдорович Сергеев, доктор психологических наук, профессор ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет», заведующий лабораторией ФГАОУ «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Санкт-Петербург, Россия, s.f.sergeev@spbu.ru; sergeev_sf@spbstu.ru

Юрий Аркадьевич БУБЕЕВ, доктор медицинских наук, профессор, заместитель директора ГНЦ РФ – ИМБП РАН, Москва, Россия, bubeev@imbp.ru

Виталий Михайлович УСОВ, доктор медицинских наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУ НИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина, ведущий научный сотрудник ГНЦ РФ – ИМБП РАН», Москва, Россия, khoper.1946@gmail.com

Борис Иванович КРЮЧКОВ, доктор технических наук, начальник лаборатории – главный научный сотрудник ФГБУ НИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина, Звёздный городок, Россия, B.Kryuchkov@gctc.ru

Михаил Васильевич МИХАЙЛЮК, доктор физико-математических наук, профессор, начальник отдела Центра визуализации и спутниковых информационных технологий ФГУ «Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований РАН», Москва, Россия, mix@niisi.ras.ru

Александр Викторович ХОМЯКОВ, кандидат технических наук, генеральный директор, АО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения», Тула, Россия, cdbae@cdbae.ru

История статьи:

Поступила в редакцию: 28.02.2022

Принята к публикации: 14.03.2022

Модератор: Плетнер К. В.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования: Сергеев С. Ф., Бубеев Ю. А., Усов В. М., Крючков Б. И., Михайлюк М. В., Хомяков А. В. Реализация концепции виртуальной среды при моделировании в изоляционных экспериментах деятельности человека при освоении Луны // Воздушно-космическая сфера. 2022. № 1. С. 38-47.