Комплексное обучающее устройство

Полезная модель относится к области космической техники и может применяться на тренажерах пилотируемых космических аппаратов (ПКА), оборудованных электронными системами отображения и оптическими средствами наблюдения.

Наиболее близким к полезной модели являются «Динамический тренажер», описанный как изобретение - Патент №2254617 от 21.06.2005 г. Авторы:

Гаврик И.Н., Еремин А.Ф., Суворов А.П. и «Обучающее устройство», описанное как полезная модель - Патент №33451 от 20.10.2003 г Авторы: Суворов А.П., Терехов В.В. и др.

Однако в этих устройствах отсутствуют возможности проводить комплексное обучение космонавтов: поэтапное, включая этапы первоначального обучения, предтренажерного и заключительного этапа.

Подготовка космонавтов к космическому полету - целенаправленный процесс формирования у космонавтов знаний, навыков, умений, необходимых для успешного выполнения ими задач к полету.

Для выполнения этих требований необходима комплексная подготовка космонавтов. Учитывая всю сложность космического полета экипажа по программе МКС и соответственно программы подготовки экипажей по данной программе, необходимо ввести в процесс обучения последовательность закономерно сменяющих друг друга состояния овладения знаниями о функционировании систем и практическими навыками работы с ними.

Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение обучения космонавтов на комплексном обучающем устройстве, включающим компьютерный, класс, статическое рабочее место, расположенное на единой платформе с пультом контроля и управления тренировкой, и динамическое рабочее место, расположенное в кабине «А» центрифуги ЦФ-18, где проводятся обучение и тренировка экипажа космического транспортного корабля «Союз-ТМА» на всех этапах пилотируемого полета в космос.

Поставленная цель достигается тем, что к наиболее близким к изобретению динамическому тренажеру и обучающему устройству,, дополнительно вводятся, блок контроля и измерения; блок диагностики и оценивания, блок решателя.

Комплексное обучающее устройство на базе центрифуги цф-18 введен в действие в 2007 году в РГНИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина и в настоящее время на нем проводятся обучение и подготовка космонавтов по международной программе МКС.

Полезная модель относится к области космической техники и может применяться на тренажерах пилотируемых космических аппаратов (ПКА), оборудованных электронными системами отображения и оптическими средствами наблюдения.

Известно «Обучающее устройство», описанное как полезная модель - Патент №31671 на полезную модель от 20.08.2003 г. Авторы: А.Ф.Еремин и др. Данная полезная модель принимается за аналог. Приведенное обучающее устройство позволяет производить обучение космонавтов управлению космическим кораблем на участке спуска в атмосфере Земли в штатных и нештатных ситуациях за 1 минуту до включения тормозного двигателя в условиях физического воздействия перегрузки на космонавта.

Особые требования к подготовке космонавтов возникают в связи с большой физической и психологической нагрузкой, возникающей после перенесенных перегрузок на выведении, дальнейшем погружении в невесомость и выполнении в еще не адаптированных условиях ответственных режимов сближения и стыковки ТК «СОЮ3-ТМА» с международной космической станцией (МКС). После длительного пребывания в условиях невесомости на борту долговременной станции для экипажа процесс спуска и посадки транспортного корабля (ТК) является очень ответственным и сложным из-за большой физической и психологической нагрузки. Подготовка космонавтов к космическому полету - целенаправленный процесс формирования у космонавтов знаний, навыков, умений, необходимых для успешного выполнения ими задач в полете. Подготовка космонавтов и экипажей осуществляется с соблюдением следующих основных принципов: [4]

- возрастание сложности обучения - подготовка планируется последовательно от простого к сложному, от низкого уровня интеграции систем к более высоком,

- непрерывность контроля и оценивания уровня подготовленности космонавтов,

- коррекция методик подготовки космонавтов по результатам их деятельности на штатных пилотируемых кораблях.

Усложнение заданий на тренировках способствует формированию у экипажей специфического качества, так называемого оперативного мышления, способности быстро оценить ситуацию и разработать план действий при недостаточной информации, при отсутствии готового решения.

Проблема оптимального формирования программ комплексной подготовки экипажей МКС заключается в том, чтобы обеспечить адаптивное обучение экипажей с учетом исходных данных на подготовку, начального уровня подготовленности членов экипажа, располагаемого времени и ряда других факторов. Для адаптивного обучения требуется постепенное увеличение сложности упражнений, уровня комплектности полетных операций и нештатных операций (НшС) с учетом достигнутого уровня подготовленности космонавта.

Для выполнения этих требований необходима комплексная подготовка космонавтов.

Учитывая всю сложность космического полета экипажа по программе МКС и соответственно программы подготовки экипажей по данной программе, необходимо ввести в процесс обучения последовательность закономерно сменяющих друг друга состояний овладения знаниями о функционировании систем и практическими навыками работы с ними.

Наиболее близким к полезной модели являются «Динамический тренажер», описанный как изобретение - Патент №2254617 от 21.06.2005 г., Авторы: Гаврик И.Н., Еремин А.Ф., Суворов А.П. и «Обучающее устройство», описанное как полезная модель - Патент №33451 от 20.10.2003 г., Авторы: Суворов А.П., Терехов В.В. и др.

Изобретение - Патент №2254617 позволяет воспроизводить в земных условиях физическое воздействие перегрузки на космонавта при управлении космическим кораблем на участке спуска; обучающее устройство - Патент №33451 позволяет воспроизводить изображение Земли и МКС и передавать эти изображения в подвижную 3-х степенную в карданном подвесе кабину «А» центрифуги ЦФ-18 на имитатор визира космонавта (ВСК). Однако в этих устройствах отсутствуют возможности проводить комплексное обучение космонавтов: поэтапное, включая этапы первоначального обучения, предтренажерного и заключительного этапа, когда воспроизводятся условия полного, так называемого сквозного космического полета, начиная с выведения, с физическим воздействием перегрузки на космонавта; полета по орбите с выполнением управляемых режимов ориентации, сближения, причаливания, стыковки и расстыковки в условиях физического воздействия невесомости, и спуск с орбиты с физическим воздействием перегрузки.

Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение обучения космонавтов на комплексном обучающем устройстве, включающе компьютерный класс из состава вычислительной системы комплексного обучающего устройства, где проводится ознакомительная подготовка; статическое рабочее место, расположенное на единой платформе с пультом контроля и управления тренировкой, где проводится предварительное, «предтренажерное» обучение и динамическое рабочее место, расположенное в кабине «А» центрифуги ЦФ-18, где проводятся обучение и тренировка экипажа космического транспортного корабля «Союз-ТМА» на всех этапах пилотируемого полета в космос: выведения, орбитального полета с выполнением управляемых режимов ориентации, сближения, причаливания, стыковки и расстыковки, спуска; в динамическом режиме работы тренажера с имитацией реальных физических воздействий на космонавта на всех перечисленных участках космического полета.

Поставленная цель достигается тем, что к наиболее близким к изобретению динамическому тренажеру и обучающему устройству, укрупнено содержащим пульт космонавта, модель системы управления бортовым комплексом, модель датчиков, модель движения космического корабля, ручку управления спуском (РУС), модель системы управления движением, модель системы исполнительных органов, пульт контроля и управления тренировкой, генератор изображения Земли и станции МКС, имитатор визира специального космонавта (ВСК), ручку управления ориентацией (РУО), ручку управления движением (РУД), пульт управления центрифугой, систему управления центрифугой, кабину «А» центрифуги, дополнительно вводятся, блок контроля и измерения; блок диагностики и оценивания, блок решателя,

На фиг.1 представлена структурная схема полезной модели.

На фиг.1 обозначены:

1 - пульт космонавта;

2 - модель системы управления бортовым комплексом;

3 - модель движения космического корабля;

4 - модель датчиков;

5 - ручка управления спуском (РУС);

6 - модель системы управления движением;

7 - модель исполнительных органов;

8 - пульт контроля и управления тренировкой.

9 - ручка управления ориентацией (РУО);

10 - генератор изображения Земли и станции М К С;

11 - имитатор визира специального космонавта (В С К);

12 - ручка управления движением (РУД);

13 - пульт управления центрифугой;

14 - система управления центрифугой;

15 - кабина «А» центрифуги;

16 - блок контроля и измерения;

17 - блок диагностики и оценивания;

18 - блок решателя.

Полезная модель содержит пульт космонавта 1, выход которого соединен с третьим входом пульта контроля и управления тренировкой 8, пятый выход которого соединен со вторым входом модели движения космического корабля 3, шестой выход которой соединен с первым входом модели датчиков 4, третий выход которой соединен с седьмым входом модели системы управления движением 6, первый вход которой соединен с шестым выходом пульта контроля и управления 8, четвертый выход которого соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом 2, третий выход которой соединен с входом пульта космонавта 1, а второй выход модели системы управления бортовым комплексом 2 параллельно соединен со вторым входом модели датчиков 4, со вторым входом модели исполнительных органов 7 и со вторым входом модели системы управления движением 6, третий выход которой соединен с первым входом модели исполнительных органов 7, третий выход которой соединен с первым входом модели движения космического корабля 3, третий выход которой соединен с входом генератора изображения Земли и станции МКС 10, выход которого соединен с входом имитатора визира специального космонавта (ВСК) 11, выход которого соединен со вторым входом блока решателя 18, третий выход которого соединен с третьим входом кабины «А» центрифуги15, второй выход которой соединен со вторым входом пульта контроля и управления тренировкой 8, первый выход которого соединен с входом пульта управления центрифугой 13, выход которого соединен с первым входом системы управления центрифуги 14, третий выход которой соединен с первым входом кабины «А» центрифуги 15, а второй вход системы управления центрифугой 14 соединен с пятым выходом модели движения космического корабля 3, четвертый выход которой соединен с входом блока контроля и измерения 16, выход которого соединен с входом блока диагностики и оценивания 17, выход которого соединен с четвертым входом блока решателя 18, первый вход которого соединен с четвертым выходом модели системы управления бортовым комплексом 2, а ручка управления ориентацией (РУО) 9 соединена с шестым входом модели системы управления движением 6, пятый вход которой соединен с ручкой управления спуском

(РУС) 5, а ручка управления движением (РУД) 12 соединена с четвертым входом модели системы управления движением 6.

Блок контроля и измерения (16) обеспечивает систематизированный сбор информации о характере деятельности космонавтов и включает модуль управления записью и воспроизведения. Модуль управления записью и воспроизведения сценариев обеспечивает возможность объекту сохранять параметры своего состояния в ходе выполнения упражнения и воспроизводить процесс изменения состояния после завершения упражнения. Воспроизведение может производиться как в ускоренном, так и в замедленном масштабе времени. Для обеспечения перечисленных функций модуль включает в себя систему записи упражнения и систему его воспроизведения. Система записи состоит из:

-единой для каждого упражнения системы протоколирования,

-совокупности специализированных представлений записи протокола операторов, участвующих в упражнении.

Система воспроизведения состоит из:

- единой для каждого упражнения системы воспроизведения,

- совокупности специализированных представлений чтения протокола операторов, участвующих в упражнении и имевших свое протокольное представление.

В блоке диагностики и оценивания (17) производится регистрация отклонений от норм, оценивание степени отклонения от нормы и вычисление интегральной оценки результата выполнения экипажем заданий. Диагностика отклонений решается в результате анализа ситуации, соответствующей отклонению. Источники и причины отклонения определяются конкретной полетной ситуацией, которая в свою очередь, описывается некоторым множеством фактов. Под ситуацией понимается набор значений признаков (факторов), описывающий в некоторый момент времени решаемую задачу, психофизиологическое состояние космонавтов и результаты решения задачи. В формализованном виде ситуация определяется следующим выражением:

S<Z _S, J_Q,R_z>,

где S - множество возможных ситуаций;

Z _S - множество признаков, характеризующих решаемую задачу;

J_Q - множество признаков, характеризующих психофизиологическое состояние космонавтов;

R _z - множество, характеризующее результат выполнения задачи.

Каждая задача определяется своим внутренним содержанием, способом решения и условиями, в которых приходится ее решать, то есть:

Z_S<Z, L, U>,

где Z -множество полетных процедур, характеризующих содержание выполненных задач;

L={L1, L2, L3, L4} - способы решения задачи экипажем:

L1 - решение задачи без участия экипажа.

L2, L3, L4 - для решения задачи требуется поведения экипажа основанное соответственно на знаниях, правилах и навыках.

U-множество факторов, характеризующих условия выполнения задачи.

Для получения количественных оценок в соответствии с критерием сходства с эталоном необходимо задать единую меру отклонений от норм на множестве оцениваемых состояний. Нормы функционирования системы, зафиксированные в различных официальных документах как в количественной, так и качественной (описательной) формах. Для формализации величин отклонений, выраженных качественно, используются лингвистические переменные, определяющие меру отклонения от нормы по некоторой качественной шкале. С целью задания единой меры отклонений для всех качественных и количественных параметров вводятся универсальные шкалы.

Полученные оценки результатов выполнения космонавтом тренировочных заданий используются в блоке решателя (18) для заключения о качестве компетенции, достигнутых обучаемым на соответствующем этапе обучения. Перевод оператора с начального этапа обучения на следующий этап производится согласно алгоритму, блок-схема которого приведена на Фиг.2.. Математическое описание модуля оценки подготовки, где производится вычисление оценки качества управления по частным техническим параметрам, которые поступают из модели движения 3, и результатам полученными в блоке диагностики и оценивания 17, имеет вид:

Qj достигнутое=F(с _n r_n, S);

где:

Qj - оценка качества управления на j-м этапе подготовки космонавтов,

F - нелинейный оператор,

r_n - величина характеризующая управление по n-параметру,

c _n - весовые коэффициенты.

n - (1.....n) - количество параметров;

j-(1,2,3)-этапы подготовки космонавтов.

Условия перевода обучения космонавтов с нижнего этапа на верхний этап подготовки производится при достижении условия:

Qj достигнутое Qj требуемое;

Созданное комплексное обучающее устройство позволяет проводить многоступенчатое обучение космонавтов (Фиг3). На первом этапе используется электронный класс, где проводятся общие ознакомительные лекции по системе управления движением космического корабля. На втором этапе подготовка космонавтов осуществляется на статическом рабочем месте, где рабочее место космонавта расположено рядом с рабочим местом инструктора, в едином конструктиве пульта контроля и управления тренировкой (Фиг4), что обеспечивает наилучшие условия предтренажерного обучения. На данном этапе обучения статическое рабочее место оператора обеспечивает индивидуальный подход к каждому космонавту в выполнении отдельного упражнения, благодаря широкой возможности сервисного математического обеспечения.

Заключительный этап подготовки экипажа проводится на динамическом рабочем месте, расположенном в кабине «А» центрифуги ЦФ-18 (Фиг.5), с воздействием на космонавтов физических факторов полета.

Комплексное обучающее устройство на базе центрифуги цф-18 введено в действие в 2007 году в РГНИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина и в настоящее время на нем проводятся обучение и подготовка космонавтов по международной программе МКС.

Источники информации.

1. Патент №2254617 РФ 7 МКИ: G09B 9\16 2005 г. Динамический тренажер. БИПМ №17. 2005 г.

2. Патент №33451 РФ 7 МКИ: G09B 9\16 2003 г. Обучающее устройство. БИПМ №29. 2003 г.

3. Основы теории полета космических аппаратов. Под редакцией Г.С.Нариманова, М. Машиностроение. 1972 г.

4. Платонов К.К. Психология летного труда. - М. 1960. - 350 с.

5. Тренажерные комплексы и тренажеры. Технологии разработки и опыт эксплуатации. Под редакцией В.Е. Шукшунова, М. Машиностроение. 2005 г.

Комплексное обучающее устройство, содержащее, модель системы управления бортовым комплексом, модель датчиков, ручку управления спуском (РУС), модель системы управления движением, модель системы исполнительных органов, пульт контроля и управления тренировкой, генератор изображения Земли и станции МКС, имитатор визира специального космонавта (ВСК), ручку управления ориентацией (РУО), ручку управления движением (РУД), пульт управления центрифугой, систему управления центрифугой, кабину «А» центрифуги, модель движения космического корабля, пульт космонавта, выход которого соединен с третьим входом пульта контроля и управления тренировкой, пятый выход которого соединен со вторым входом модели движения космического корабля, шестой выход которой соединен с первым входом модели датчиков, третий выход которой соединен с седьмым входом модели системы управления движением, первый вход которой соединен с шестым выходом пульта контроля и управления, четвертый выход которого соединен с первым входом модели системы управления бортовым комплексом, третий выход которой соединен с входом пульта космонавта, а второй выход модели системы управления бортовым комплексом параллельно соединен со вторым входом модели датчиков, со вторым входом модели исполнительных органов и со вторым входом модели системы управления движением, третий выход которой соединен с первым входом модели исполнительных органов, третий выход которой соединен с первым входом модели движения космического корабля, третий выход которой соединен с входом генератора изображения Земли и станции МКС, выход которого соединен с входом имитатора визира специального космонавта (ВСК), второй выход кабины «А» центрифуги соединен со вторым входом пульта контроля и управления тренировкой, первый выход которого соединен с входом пульта управления центрифугой, выход которого соединен с первым входом системы управления центрифугой, третий выход которой соединен с первым входом кабины «А» центрифуги, а второй вход системы управления центрифугой соединен с пятым выходом модели движения космического корабля, а ручка управления ориентацией (РУО) соединена с шестым входом модели системы управления движением, пятый вход которой соединен с ручкой управления спуском (РУС), ручка управления движением (РУД) соединена с четвертым входом модели системы управления движением, отличающееся тем, что дополнительно введены, блок диагностики и оценивания, блок решателя, блок контроля и измерения, вход которого соединен с четвертым выходом модели движения космического корабля, а выход блока контроля и измерения соединен с входом блока диагностики и оценивания, выход которого соединен с четвертым входом блока решателя, третий выход которого соединен с третьим входом кабины «А» центрифуги, первый вход блока решателя соединен с четвертым выходом модели системы управления бортовым комплексом, а второй вход блока решателя соединен с выходом имитатора визира специального космонавта (ВСК).