Институтом проблем управления РАН совместно с Центром подготовки космонавтов им. Ю.А.Гагарина разработаны объемные геометрические модели внешнего облика всех модулей орбитального комплекса "МИР". Модели используются для обучения космонавтов составу орбитального комплекса, постоянного повышения уровня их подготовленности, формирования у них единой образно-концептуальной модели по изучаемым служебным бортовым системам. Кроме того, на геометрической модели можно решать задачи анализа процессов перестыковки модулей, монтажа дополнительных конструкций и т.п. Использование геометрических моделей существенно снижает затраты на подготовку космонавтов и анализ различных ситуаций, возникающих в процессе функционирования орбитального комплекса.
Состав геометрических моделей орбитального комплекса "МИР"
Модель орбитального комплекса "МИР" содержит геометрические модели следующих модулей (рис. 1): "Квант-1", "Квант-2", "Кристалл", "Природа", "Спектр", грузовой транспортный корабль "Прогресс", транспортный корабль "Союз", базовый блок. Кроме того, разработана геометрическая модель космического корабля многоразового использования типа Шатл. Модель каждого модуля содержит сведения о конструкции и компоновке в следующем объеме: габаритные размеры и взаимное расположение отсеков, иллюминаторов и стыковочных агрегатов; размещение, угловые и линейные размеры внешних элементов конструкций (антенн, солнечных батарей, датчиков, баков, гиродинов, двигателей, агрегатов и манипуляторов системы перестыковки, трасс выхода и фар).
Для модели всего комплекса характерно наличие большого числа мелких детелей (поручней, антенн, датчиков и т.д) и крупногабаритных конструкций (корпусов, солнечных батарей и ферм). Соотношения размеров мелких деталей и крупногабаритных конструкций требуют от системы геометрического моделирования достаточно точного представления моделей в памяти компьютера. Разработка моделей комплекса "МИР" производилась на системе ГРАФИКА-81-3D [1,2,3]. Рассмотрим некоторые особенности процесса разработки геометрических моделей комплекса "МИР".
Объемное геометрическое моделирование в системе ГРАФИКА-81-3D
Система предназначена для автоматизации проектно - конструкторских работ, выпуска чертежной документации, создания объемных геометрических моделей изделий, в том числе кинематических, моделирования процессов обработки деталей и подготовки управляющей информации для станков с ЧПУ. Система производит расчет массо-инерционных характеристик, решает задачи отсечения 3-мерных объектов произвольной плоскостью, склеивания 3-мерных объектов, операции объединения, пересечения и разности 3-мерных объектов .
Система имеет возможность комбинированного представления моделей пространственных конструкций [4]: проволочное, типа многогранников, состоящее из ломаных, дуг второго порядка и сплайнов третьего порядка; 2,5-мерное, в виде тела, заданного отдельными сечениями, тела вращения и тела движения, полученных путем преобразования плоских объектов; 3-мерное представление объектов, аппроксимированных многогранниками, в виде твердых тел и поверхностей, заданных криволинейными участками.
Каждый способ представления модели позволяет решать задачи определенного класса. В проволочном представлении объект в пространстве задается либо линиями границ поверхностей (модель многогранника), либо кинематическим заданием моделей тел, так называемое 2,5-мерное (2,5D) представление модели.
Модель многогранника состоит из описаний ограничивающих его граней. Описание каждой грани содержит топологическую и геометрическую информацию и состоит из двух частей: описания контуров грани и координат вершин этих контуров. Описание контуров грани подчинено следующим правилам. Вершины внешних контуров записаны в такой последовательности, что их обход осуществляется по часовой стрелке, если смотреть на тело снаружи. Контуры описывают как сами грани, так и их отверстия. Описание граней всегда начинается с внешнего контура. Вершины контуров отверстий записаны в порядке, противоположном порядку внешних контуров. Запись вершин каждого внешнего контура такова, что треугольник, построенный на трех первых точках, принадлежит многоугольнику, ограниченному этим контуром. Это правило позволяет по трем первым точкам определить нормаль грани, которая направлена внутрь тела и не входит в описание модели.
2,5D-модели предназначены для описания тел и поверхностей с помощью движения плоского образа в пространстве. Образом является проволочная модель. Траектория движения образа также представляет собой проволочную модель. 2,5D-модели могут быть получены следующими тремя способами: несколькими афинными преобразованиями образа в пространстве или отдельными сечениями; вращением образа вокруг оси OY; движением образа вдоль траектории. Примером модели по первому способу описания является, например, призма, полученная двумя сдвигами образа. Примером модели по второму способу являются цилиндры, валы, кольца, по третьему – изогнутая труба. Образ объекта может содержать отверстия, их можно представить аналогично самому объекту, указав дополнительно связь с этим объектом.
Проволочные модели применяются при проектировании пространственных схем электро- и трубопроводов, простановке размеров на пространственных схемах, формировании чертежей пространственных схем, моделировании стержневых конструкций и т.д.
Твердотельные модели предполагают более компактное представление объектов из набора укрупненных блоков в виде простых геометрических тел: призм, цилиндров, конусов, сфер и т.п. Используя различные комбинации этих тел и теоретико-множественные операции над телами можно описывать достаточно большое количество объектов. Такое представление моделей за последнее время получило большое распространение в системах объемного геометрического моделирования .
Представление моделей в виде поверхностей позволяет описывать достаточно сложные конструкции. Поверхности могут быть заданы в системе аналитически, введены через считывающие устройства, созданы в интерактивном режиме. Модель гладкой поверхности используется в тех случаях, когда невозможно создать описание из типового набора базовых форм или кинематических моделей, а также в тех случаях, когда поверхность задана с помощью каркаса.
Для формирования моделей гладких поверхностей используются участки поверхности, заданной своими границами. Из таких, сшитых по границам участков, как из заплат, собирается вся поверхность. Каждая заплата описывается четырьмя угловыми точками и соответствующими векторами касательных. Границы заплаты задаются кривыми по координатам и производным в концевых точках. Любая точка на заплате лежит на пересечении кривых, соединяющих ее противоположные границы.
Построение модели начинается с создания проволочной модели каркаса из необходимых примитивов. Затем с требуемой точностью производится аппроксимация модели сплайнами и создание топологии заплат (связывание границ). Для визуализации и выполнения расчетов формируется сеточная модель поверхности. Каждая заплата разбивается на более мелкие подобные заплаты, а результатом разбивки является множество трех- или четырехугольных граней. Модель позволяет строить равноудаленные поверхности и делать их сеточное представление. Эта возможность используется для подготовки управляющей информации к станкам с ЧПУ.
Представление моделей в виде поверхностей используется для построения внешних обликов летательных аппаратов, кораблей и т.п. Такое представление моделей всегда связано с большим объемом информации.
Система ГРАФИКА-81-3D позволяет отображать объемные геометрические модели на плоскости с произвольной точки наблюдения в следующем виде: векторном без удаления невидимых линий; векторном с удалением невидимых линий; растровом с удалением невидимых поверхностей и с учетом освещения. Кроме того возможно отображение произвольного сечения трехмерного объекта. В системе имеется возможность передачи информации о геометрических моделях в другие системы, например в 3D Studio и AutoCAD, для использования дополнительных возможностей этих систем.
На основе разработанного специализированного языка система позволяет описывать параметрические модели объектов, создавать макрорасширения с передачей параметров, описывать динамические конструкции. Система обеспечивает пакетный режим работы, интерактивный с использованием "подсказок" и интерактивный с использованием меню, создаваемого самим пользователем средствами системы.
Создание геометрическoй модели орбитальной станции "МИР"
Рассмотрим особенности создания геометрических моделей модулей станции "МИР" на примере модуля "Природа". На рис. 2 показаны модель корпуса модуля (слева), приборы и устройства, расположенные на внешней стороне корпуса (в центре) и модель в собранном виде (справа). Модель корпуса представлена как 2,5- мерная модель типа тела вращения.
Параболическая антенна представлена двумя основными элементами: стержневой конструкцией и рабочей поверхностью. Рис. 3 иллюстрирует основные этапы создания модели антенны. Особенностью ее создания является использование различных способов представления данных.
Описание стержневой конструкции антены начинается с создания пространственной проволочной модели направляющих (справа вверху). Затем задаются сечения стержней. Перемещением сечений вдоль направляющих создается модель стержневой конструкции (справа внизу).
Создание модели поверхности антенны также начинается с проволочной модели. Для этого описываются границы участков поверхности (слрава вверху). Затем на проволочную модель натягиваются гладкие бикубические участки двухсторонней поверхности (справа внизу).
При создании модели манипулятора (рис. 4 ) используются булевы операции с моделями тел. Модель манипулятора формируется из трех базовых элементов: цилиндра, конуса, призмы, а также тела движения с помощью операций объединения и вычитания. Модель тела движения первоначально формируется как 2,5 - мерная модель заданием плоского профиля и перемещения его в пространстве.
Описание процесса перестыковки модулей станции "МИР"
Перестыковка модулей необходима для освобождения стыковочного узла станции к приему транспортного корабля. Перестыковка модулей производится в автоматическом режиме с использованием специального манипулятора.Таким образом в процессе перестыковки задействованы три основные объекта: стыковочный узел, манипулятор, перестыкуемый модуль. Эти объекты при перестыковке перемещаются относительно друг друга. Взаимодействие объектов наглядно может быть показано на созданном учебном компьютерном фильме. Описание процесса перестыковки и создание кадров компьютерного фильма проводилось на языке системы ГРАФИКА-81-3D. В описании каждый объект представлен своим именем. Oбъекты при перестыковке передвигаются относительно друг друга.
Для создания фильма использовались языковые средства комплекса [3]. Программа состоит из головной программы, двух подпрограмм для записи кадра и редактирования:
PROG,DRAW Подпрограмма записи кадра номер C1. DEF C1=C1+1 Приращение счетчика. DEFS,NUMB,|,C1 Определение символьной переменной. RSCR,FON Фоновое изображение. SHAD Изображения модели. WSCR,CADR| Запись кадра. Конец подпрограммы. PROG,MODMAN Подпрограмма редактирования модуля и манипулятора. 2 Тип передачи параметров. EDI3,%1,MOD,%2,%3,%4,%5,%6,%7,%8 EDI3,%1,MAN,%2,%3,%4,%5,%6,%7,%8 Конец подпрограммы. Головная программа BLOC DEF Начальные присвоения: S1=READ() указатели осевых точек, C1=0 счетчик кадров, C2=0.1416667 шаги поворотов и перемещений C3=10.7 модуля и манипулятора в различных C4=6.877778 положениях. C5=-10 C6=-5.5 BLOC REM3,MODEL Чтение модели. RSCR,FON Чтение фона. SHAD Формирование изображения. WSCR,CADR0 Запись начального кадра. :M- Цикл смещения модуля и манипулятора. MODMAN,MV,0,0,C2 Смещение модуля и манипулятора. DRAW Запись кадра. IFLT,M-,C1,12 Условный переход. :R+ Цикл поворота манипулятора. EDI3,RL,MAN,S1,S2,C3 Редактирование модели DRAW Запись кадра. IFLT,R+,C1,22 Условный переход. :P+ Цикл поворота модуля. EDI3,RL,MODUL,S1,S2,C4 Редактирование модели. DRAW Запись кадра. IFLT,P+,C1,30 Условный переход. :P++ Цикл поворота модуля и манипулятора. MODMAN,RL,S3,S4,C5 Редактирование модели DRAW Запись кадра. IFLT,P++,C1,42 Условный переход. :P- Цикл поворота модуля. EDI3,RL,MODUL,S1,S2,C6 Редактирование модели DRAW Запись кадра. IFLT,P-,C1,52 Условный переход. :R- Цикл поворота манипулятора. EDI3,RL,MAN,S1,S2,-C3 Редактирование. DRAW Запись кадра. IFLT,R-,C1,62 Условный переход. :M+ Цикл смещения модуля и манипулятора. MODMAN,MV,0,-C2 Редактирование модели. DRAW Запись кадра. IFLT,M+,C1,75 Условный переход.
На рис. 5 показаны основные этапы перестыковки, соответствующие начальному состоянию, перемещению модуля и конечному состоянию. Стыковочный узел в процессе перестыковки неподвижен. Модуль изменяет свое положение с помощью манипулятора, выделенного на рисунках красным цветом.
 |  |  | |||
| Рисунок 5 | |||||
Заключение
Геометрическая модель станции "МИР" является достаточно сложной моделью, содержащей 715 узлов, описанных более 71 тысячью поверхностей. Такого рода модели, как правило, занимают много места в памяти компьютеров, на их обработку расходуется значительное время. Очевидно, что разные системы геометрического моделирования по-разному справляются с обработкой информации такой сложности. Например, в таблице показан объем занимаемой памяти(в байтах) под модель геометрической станции "МИР" в трех разных системах: ГРАФИКА-81-3D, AutoCAD (DXF, DWG) и 3D Studio (3DS). Объемы занимаемой памяти (в байтах) приведены для упрощенной геометрической модели станции "МИР" и для усложненного варианта, приближенного к реальному.
Из таблицы видно, что объем занимаемой памяти в системе ГРАФИКА-81-3D почти в 2 раза меньше по сравнению с 3DS и почти в 10 раз меньше по сравнению с AutoCAD(DXF). Время ввода - вывода модели станции в Графике-81 составляет менее 1 минуты, а в выше названных системах – десятки минут.Сравнительные результаты были получены для персональных компьютеров типа PENTIUM.
Литература
- Артамонов Е.И., Шурупов А.А. Особенности разработки ПО подсистем 3-х мерной машинной графики. – Приборы и системы управления. М.1986,№3,с.21-23.
- Арсланова В.М., Курицын В.В., Шурупов А.А., Томаш И.,Фанта М. Комплекс ПО моделирования 3-х мерных объектов. Моделирование, идентификация и автоматизация проектирования производственных систем.Сб.трудов ИПУ, М.1990. с.32-40.
- Артамонов Е.И., Загвоздкин В.А., Шурупов А.А., Щегольков М.Ю. Языки взаимодействия пользователя с ЭВМ в системе ГРАФИКА-81.M., Институт проблем управления. 1993.
- Artamonov E., Shurupov A. Grafika-81-3d Programm Package of 3-D Modelling. EAST-WEST International Conference INFORMATION TECHNOLOGY IN DESIGN. EWITD’96. M.,1996,р.323-332.