Aktuální vydání

celé číslo

08

2024

Automatizace v potravinářství a farmacii

Měření a regulace průtoku, čerpadla

celé číslo

MATLAB – vývoj orbitální stanice

Automa 1/2001

Ing. Petr Byron,
Humusoft s. r. o.

MATLAB – vývoj orbitální stanice

Spojení raketoplánu se stanicí na oběžné dráze je jedním z nejnáročnějších manévrů kosmického programu. Smart Systems Research Laboratory je špičkové pracoviště v oboru adaptivního řízení pomocí neuronových sítí. Jejich řídicí systémy jsou schopny reagovat na vnější podněty a pružně se přizpůsobovat nastalým změnám, což jsou nutné předpoklady pro použití v kosmu. Smart Systems spolupracují s NASA na projektu řízení přiblížení a spojení dvou kosmických těles. Manévr bude ovládán pákovým ovládačem s podporou adaptivního řídicího systému. Tato technologie bude využívána při přistání raketoplánu či jiného kosmického plavidla na Mezinárodní orbitální stanici (MOS).

Obr. 1.

Spojení dvou těles na oběžné dráze je nejen časově náročné (spojení raketoplánu s MOS v současné době trvá několik hodin), ale i velmi nebezpečné. Jakákoliv neočekávaná změna na palubě jednoho z přibližujících se těles, např. posun nákladu a tím vyvolaná změna těžiště, může mít fatální následky. Vzpomeňme na havárii při připojování rakety ke kosmické stanici MIR v roce 1997. Nebezpečné situace mohou nastat při přibližování a připojování k pohybujícímu se tělesu nebo při pokusu o zachycení nefunkčního rotujícího satelitu. Další nepříjemností může být nedefinovaná změna tahu pomocných trysek nebo přistávání s neznámou zátěží na robotické ruce raketoplánu při záchranné operaci apod.

Konvenční automatický spojovací systém vyžaduje přesný matematický model chování kosmické lodi, který ovšem platí jen pro standardní situace. V mimořádných situacích je úspěch přistání závislý především na zručnosti a zkušenostech pilota, který pomocí pákového ovládače přímo řídí směr a tah pomocných trysek. Cílem vývojových inženýrů společnosti Smart Systems je navrhnout počítačem podporovaný systém pákového ovládače, který se bude v reálném čase přizpůsobovat změnám zátěže lodi, tahu trysek apod. Mezi pákový ovládač a výkonové členy bude vložena adaptivní kompenzační neuronová jednotka. Systém bude automaticky kompenzovat změny parametrů kosmického plavidla a umožní bezpečné a hladké spojení s jiným plavidlem téměř za jakýchkoliv podmínek, a to bez předem připraveného přesného matematického modelu situace. Ovládání spojovacího manévru nesmí být příliš složité, aby jej v nouzi mohl zvládnout kdokoliv z posádky. „Naším cílem je vytvořit bezpečný a velmi efektivní přistávací a navigační systém,“ říká o projektu šéf vývoje Smart Systems pan Richard Papasin. „Předpokládáme, že nastanou situace, kdy systém bude muset pracovat v podstatě automaticky tak, aby kdokoliv z posádky bez pilotních zkušeností mohl vymanévrovat plavidlo např. i přes trosky vzniklé při havárii a byl schopen přistát s lodí na kosmické základně či na Zemi, a to jen stiskem několika knoflíků.“

Vývojoví pracovníci Smart Systems používají pro návrhy a testování neuronových sítí a pro simulaci chování celého systému matematické a simulační prostředí Matlab. „Matlab nám poskytl efektivní vývojové prostředí pro tvorbu učících se algoritmů a neuronových sítí. Mohli jsme sice programovat tyto úlohy v jazycích C nebo C++, ale to by nám trvalo pětkrát až desetkrát déle,“ shrnuje zkušenosti s výpočetním prostředím Matlab pan Papasin.

Obr. 2.

Při návrhu adaptivní kompenzační neuronové jednotky byla zkombinována technika neuronové identifikace s adaptivním nelineárním řízením. Tento přístup nevyžaduje předem připravený přesný matematický model chování kosmické lodi ve všech možných situacích. Učící mechanismy průběžně aktualizují standardní model podle reálného chování plavidla a upřesněný matematický model je tak automaticky k dispozici v každém okamžiku. K učení jsou používány především údaje z navigačních senzorů. Řídicí jednotka je tak schopna ovládat kosmickou loď i při podstatných změnách parametrů lodi a okolních podmínek, jako jsou odchylky ve směru a tahu motorů, změny hmotnosti a těžiště lodi, neřízený únik plynů apod. Tento systém řízení a navigace umožní automatické přiblížení a spojení raketoplánu s orbitální stanicí i při výchozí vzájemné rotaci těles.

Uvedená technologie bude použita také v mnoha dalších projektech Smart Systems Research Laboratory pro NASA, např. při adaptivním neuronovém řízení stability dalekohledu mobilní letecké stratosférické observatoře za letu. „Snažíme se o to, aby se naše adaptivní neuronové řídicí systémy chovaly podobně jako lidé,“ říká pan Papasin. „Jako lidé musejí být schopny se učit a na základě naučených postupů jednat. Matlab nám pomáhá tuto vizi uskutečňovat.“

HUMUSOFT s. r. o.
Novákových 6
180 00 Praha 8
tel: 02/66 31 57 67
tel./fax: 02/684 41 74
e-mail: info@humusoft.cz
http://www.humusoft.cz