Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2016-2020НИР

The analysis and synthesis of dynamics of controlled systems in extremal situations

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2016-2020
Результаты этапа: В рамках полученной ранее математической модели афферентного первичного нейрона вестибулярного механорецептора (по результатам экспериментов на млекопитающих) показано, что инерциальные биосенсоры в отличие от технических инерциальных сенсоров обладают тремя режимами фукционирования: режим покоя (отсутствия спайков); режим ожидания механического стимула; режим реакции на механический стимул. Показано, что применение новой технологии гальванической стимуляции для пилотажно-динамического стенда даёт возможность улучшить качество динамической имитации пилотируемого полёта, уменьшив запаздывание имитации ориентации вектора перегрузки, благодаря использованию алгоритма гальванической имитации вестибуло- окулярных рефлексов пилота. Экспериментально на платформе Стюарта с шестью степенями свободы в процессе динамической имитации пилотируемого координированного поворота было показано, что технология гальванической имитации позволяет также улучшать стабилизацию взора в экстремальных ситуациях управляемого полёта. В 2017 году полностью подготовлен первый этап Космического Эксперимента по проверке возможности использования технологии гальванической стимуляции для уменьшения запаздывания в установке взора космонавта на орбите при визуальном управлении космическим объектом (проект «Вектор-МБИ-!» - руководитель проекта Ректор МГУ В.А.Садовничий). Эксперимент «ИМИСС-1» на спутнике «М.Ломоносов» является одним из этапов создания автоматического корректора стабилизации взора. Были получены формулы для вычисления теоретического значения кажущегося ускорения в известной точке расположения акселерометров на борту спутника. Предложена модель погрешности микроакселерометра в виде случайной величины. Обработаны экспериментальные данные, получены доверительные интервалы для погрешности. Проверена гипотеза о сохранении параметров распределения погрешностей микроакселерометра на разных интервалах наблюдений. На основе данных об угловом движении спутника определены теоретические значения показаний акселерометров, установленных на борту спутника. Уточнены полученные ранее характеристики погрешностей акселерометров, установленных на спутнике «Ломоносов». Получены новые алгоритмы динамической имитации для подвижных стендов тренажеров и разработаны методы повышения качества тестирования действий пилота-оператора.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2016-2020 (2017)
Результаты этапа: В рамках полученной ранее математической модели афферентного первичного нейрона вестибулярного механорецептора (по результатам экспериментов на млекопитающих) показано, что инерциальные биосенсоры в отличие от технических инерциальных сенсоров обладают тремя режимами фукционирования: режим покоя (отсутствия спайков); режим ожидания механического стимула; режим реакции на механический стимул. Показано, что применение новой технологии гальванической стимуляции для пилотажно-динамического стенда даёт возможность улучшить качество динамической имитации пилотируемого полёта, уменьшив запаздывание имитации ориентации вектора перегрузки, благодаря использованию алгоритма гальванической имитации вестибуло- окулярных рефлексов пилота. Эспериментально на платформе Стюарта с шестью степенями свободы в процессе динамической имитации пилотируемого координированного поворота было показано, что технология гальванической имитации позволяет также улучшать стабилизацию взора в экстремальных ситуациях управляемого полёта. Полностью подготовлен первый этап Космического Эксперимента по проверке возможности использования технологии гальванической стимуляции для уменьшения запаздывания в установке взора космонавта на орбите при визуальном управлении космическим объектом (проект «Вектор-МБИ-1» - руководитель проекта Ректор МГУ В.А.Садовничий)
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2016-2020 (2018)
Результаты этапа: Основным результатом, полученным в ходе выполнения исследований в 2018 году, является теоретическое доказательство и экспериментальное подтверждение возможности гальванической коррекции вестибулярной активности пилота при визуальном управлении полётом в сложных условиях. Разработаны новые подходы к решению игровой задачи первого этапа методики тестирования. Развита методика применения смешанных стратегий тестирования при вычислении тестирующих возмущений, применяющихся во время тренировок пилотов на динамических стендах. Применение такого подхода обеспечивает существование седловой точки игровой задачи, что позволяет провести объективную оценку действий пилота. Подготовлены новые алгоритмы динамической имитации для стендов опорного типа и стендов на базе центрифуги с управляемым кардановым подвесом, что позволяет повысить качество стенда. Для использования в программном обеспечении шлема виртуальной реальности разработан пакет программ для отслеживания движений руки человека по показаниям инерциальных датчиков. На базе программного обеспечения колесного транспортного средства был разработан стенд-симулятор телеуправления роботом-помощником типа «луноход». Разработаны алгоритмы гальванической коррекции вестибулярной активности пилота в экстремальных условиях пилотирования. По этим алгоритмам получено экспериментальное подтверждение в лаборатории математического обеспечения имитационных динамических систем (МОИДС) механико-математического факультета МГУ. В конце 2017-начале 2018 годов был проведен эксперимент космонавтом С.Н.Рязанским, его результаты обработаны в лаборатории МОИДС. Они подтверждают возможность использования микроакселерометров для проведения гальванической коррекции установки взора космонавта на орбите.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2016-2020 (2019)
Результаты этапа: В рамках образовательной программы проведена серия экспериментов на борту орбитальной станции МКС. Обработка первых результатов показала принципиальную возможность использования показаний микроакселерометров в системе электростимуляции вестибулярного аппарата космонавта. Проведен эксперимент по электростимуляции вестибулярного аппарата пилота транспортного самолета на динамическом стенде (Мексика). Таким способом реализована технология «дополненной» реальности позволила расширить возможности динамической имитации процесса управления летательным аппаратом. В рамках проекта «SIRIUS» проводилось моделирование удаленного управления луноходом с помощью шлема виртуальной реальности на специальном стенде. Для эксперимента специалистами лаборатории МОИДС была смоделирована часть поверхности Луны и ровер. Задача оператора - перемещать его по лунной поверхности, преодолевая препятствия рельефа в различных условиях, включая отсутствие связи и низкую освещенность Проведено отслеживание движений с помощью гибридной системы захвата движения. Создан стенд, включающий имитацию работ на поверхности Марса. Проведены испытания шлема виртуальной реальности внутри центрифуги ЦФ-18: планируется совмещение динамической имитации физиологической невесомости с визуальной стерео имитацией на базе шлема виртуальной реальности для имитации внекорабельной деятельности. В дальнейшем планируется создание математических моделей функционирования космонавта в скафандре для работы в открытом космосе и на поверхности других планет. В рамках задачи по разработке математической модели формирования выходной информации в полукружных каналах вестибулярного аппарата с целью анализа управляемой динамики установки взора изучались особенности построения границ областей достижимости линейных как стационарных, так и нестационарных вполне управляемых систем. В стационарных системах третьего порядка изучался вопрос об изменении границ области достижимости вблизи угловых точек с ростом времени. Также рассматривалась задача о построении области достижимости линейной нестационарной вполне управляемой системы, которая является приводимой, то есть может быть сведена к стационарной системе с помощью нестационарной замены координат. Предложен способ построения области достижимости такой системы в заданный момент времени при известных ограничениях, наложенных на управление. Применение методов вестибулярной гальванической стимуляции в перспективе позволяет повышать достоверность реализации виртуальной реальности, создавать иллюзию перемещения и вращения. Для определения параметров стимулирующего тока может использоваться решение задач прямого и обратного перехода в бистабильной модели возбуждения активности афферентного первичного нейрона вестибулярной системы. Ответ на вопрос, возможны ли переходы при выбранных ограничениях на величину гальванического тока, получается путем сравнения областей притяжения устойчивых решений (точечного аттрактора и устойчивого периодического движения) с областью достижимости системы, полученной в результате линеаризации исходной системы в окрестности решения. Таким образом, построение области достижимости является необходимым этапом исследования динамики управляемых процессов в вестибулярной системе. Задача динамичесмкой имитации рассмотрена для тренажера, выполненного на базе центрифуги с полным кардановым подвесом. На тренажере может осуществляться динамическая имитация перегрузок, действующих на пилота для широкого класса задач: от полетов маневренных летательных аппаратов, аэрокосмических полетов, аварийных ситуаций для транспортных систем и выполнения операций с космическими манипуляторами. Предложены алгоритмы имитации, где вектор перегрузки может меняться в широком диапазоне как по величине, так и по направлению.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Анализ и синтез динамики управляемых систем в экстремальных ситуациях. 2016-2020 (2020)
Результаты этапа: При выполнении исследований по обоснованию выбора параметров коррекции выходного сигнала вестибулярного аппарата пилота применялась модифицированная нелинейная математическая модель возбуждения активности афферентного первичного нейрона. В некотором интервале постоянных значений синаптического тока (входного параметра этой модели) данная модель является бистабильной, то есть имеет два асимптотически устойчивых аттрактора. С помощью малого дополнительного воздействия (гальванического тока) возможен переход этой системы из области притяжения стационарного решения в область притяжения периодического решения (задача прямого перехода), а также переход из области притяжения периодического решения в область притяжения стационарного решения (задача обратного перехода). Параметрами коррекции выходного сигнала вестибулярного аппарата можно считать параметры гальванического тока, позволяющие осуществлять прямой и обратный переход. В ходе исследований изучалось влияние таких параметров, как величина тока, форма входного сигнала и время стимуляции на решение задачи прямого и обратного перехода. В результате было подготовлено специальное программное обеспечение и построены таблицы, позволяющие выбирать параметры коррекции в зависимости от решаемой задачи. Рассмотрена возможность применения гальванической вестибулярной стимуляции для гальванической коррекции вестибулярной активности пилота при визуальном управлении полетом на пилотажно-динамическом стенде и в экстремальных ситуациях реального полета. Получены новые результаты в задаче тестирования качества управления динамическими системами. В задаче формирования тестирующих возмущений с помощью аппроксимации областей достижимости в геометрических играх изучались некоторые вопросы, связанные с построением областей достижимости. В частности, предложен метод построения точных границ области достижимости линейных неколебательных систем второго порядка. Объединение этого результата с известным ранее для колебательных систем позволило получить оценку качества робастной устойчивости для произвольной линейной стационарной системы 2-го порядка, а также построить аппроксимации (внешнюю и внутреннюю) границ области достижимости таких систем. Получил дальнейшее развитие предложенный ранее способ построения области достижимости линейной приводимой системы в заданный момент времени при известных ограничениях, наложенных на управление. Подготовлено соответствующее программное обеспечение, получено решение некоторых задач. Решена задача о построении «минимальной» и «максимальной» области достижимости линейной стационарной колебательной системы в случае, когда коэффициенты этой системы являются постоянными величинами, но известны с точностью до некоторого интервала. В рамках решения задачи анализа динамики установки взора построены некоторые методики оценки психофизиологического состояния человека. В частности, анализ глазодвигательного поведения позволяет установить вероятность восприятия зрительной информации. При применении систем виртуальной реальности возникает рассогласование между сведением (углом между зрительными осями правого и левого глаз) и аккомодацией (глубиной фокусировки). Исследования показали, что данное рассогласование коррелировано с дисперсией угла сведения. Исходя из представлений глазодвигательном поведении в комфортном состоянии можно заключить, что желательное удаление виртуальных объектов более 3-4 метров. Так же были разработаны несколько подходов к анализу данных о движении глаз в реальном времени. Рассмотрена упрощенная модель глазного яблока и глазодвигательного аппарата, в которой глаз описывается твердым шаром. Учтено наличие сил вязкого сопротивления и силы упругости, действующей со стороны глазодвигательных мышц, глазного нерва и окружающих тканей. Считается, что вращение происходит вокруг геометрического центра шара. Оптический̆ центр вращения глаза находится на расстоянии около 13 мм от передней вершины роговицы и его можно считать неподвижным. Рассмотрена задача поворота глаза на заданный угол. Показано, что при некоторых допущениях задача имеет оптимальное решение. Предложена оригинальная модель оптимального управления движением глаза, основанного на модели третьего порядка. Эта модель позволяет описать появления пре- и постсаккадических движений в результате управления, соответствующего решению задачи быстродействия при наличии возмущений в начальных условиях. Данное решение может использоваться для симуляции и моделирования перевода взора человеком с одной точки на другую.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".