Инженерный журнал: наука и инновацииЭЛЕКТРОННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ
свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-53688 от 17 апреля 2013 г. ISSN 2308-6033. DOI 10.18698/2308-6033
  • Русский
  • Английский
Статья

Разработка модульного программно-аппаратного комплекса управления стендом с моделью космической оранжереи

Опубликовано: 25.06.2021

Авторы: Буряк А.А., Очков О.А., Беркович Ю.А., Лапач С.Н.

Опубликовано в выпуске: #6(114)/2021

DOI: 10.18698/2308-6033-2021-6-2090

Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Инновационные технологии в аэрокосмической деятельности

Космические оранжереи для обогащения рациона питания космонавтов рассматриваются как средство улучшения среды обитания космонавтов в автономных пилотируемых экспедициях. Одним из основных требований к космическим оранжереям является минимизация удельного потребления основных бортовых ресурсов: энергии, объема, хладагента, трудозатрат оператора на единицу массы выращенной продукции. Разработан программно-аппаратный комплекс для управления стендом с моделью космической оранжереи при проведении экспериментов по адаптивной оптимизации облученности и спектра освещения посевов. Основным объектом контроля является периодически герметизируемый объем с посевом растений, внутри которого расположены датчики температуры и влажности, а также ИК-газоанализатор для определения видимого фотосинтеза посева по динамике поглощения CO2. Датчики и исполнительные механизмы подключены к микроконтроллеру на базе AVR серии Mega 2560, который подсоединен к одноплатному компьютеру Raspberry Pi 4B через преобразователь USB-UART. Модульный пакет программ создан на базе фреймворка ROS (Robot Operating System), что позволило максимально сократить период обучения новых разработчиков и операторов эксперимента. Первые версии разработанного программно-аппаратного комплекса были успешно испытаны на стенде с посевом китайской капусты для поиска траектории параметров оптимального освещения в процессе роста. С помощью этого комплекса были выполнены несколько повторений двухфакторного эксперимента для исследования дрейфа оптимальных режимов светодиодного освещения вегетирующего посева в течение 10 дней при ежедневном варьировании двух факторов — тока в цепи красных светодиодов и тока в цепи белых светодиодов. Были получены оптимальные траектории изменения параметров освещения растений на стенде с моделью космической оранжереи.


Литература
[1] Романов С.Ю., Железняков А.Г., Телегин А.А., Гузенберг А.С., Андрейчук П.О., Протасов Н.Н., Беркович Ю.А. Системы жизнеобеспечения экипажей длительных межпланетных экспедиций. Известия РАН, Энергетика, 2007, № 3, с. 57–74.
[2] Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Смолянина С.О., Ерохин А.Н. Космические оранжереи: настоящее и будущее. Москва, Изд-во «Фирма “Слово”», 2005, 368 с.
[3] Zabel P., Bamsey M., Schubert D., Tajmar M. Review and analysis of over 40 years of space plant growth systems. Life Sciences in Space Research, 2016, vol. 10, pp. 1–16.
[4] Morrow R., Wetzel J., Richter R., Crabb T. Evolution of space-based plant growth technologies for hybrid life support systems. 47th International Conference on Environmental Systems 16-20 July 2017, Charleston, South Carolina. 47th ICES paper. Sierra Nevada Corp., 2017, vol. ICES-2017-301. URL: https://ttu-ir.tdl.org/bitstream/handle/2346/73075/ICES_2017_301.pdf?sequence=1
[5] Беркович Ю.А., Синяк Ю.Е., Смолянина С.О. Кривобок Н.М., Ерохин А.Н., Романов С.Ю., Гузенберг А.С. Энергетические потребности для производства растительной пищи в длительных пилотируемых космических экспедициях. Известия РАН, Энергетика, 2009, № 1, с. 27–35.
[6] Орлов О.И., ред. Медико-биологические эксперименты на борту российского сегмента Международной космической станции. Сб. ст. ГНЦ РФ–ИМБП РАН. Москва, 2021, с. 144–148.
[7] Berkovich Yu.A., Konovalova I.O., Erokhin A.N., Smolyanina S.O., Smolyanin V.G., Yakovleva O.S., Tarakanov I.G., Ivanov T.M. LED lighting optimization as applied to a vitamin space plant growth facility. Life Sciences in Space Research, 2019, vol. 20, pp. 93–100.
[8] Мокроносов А.Т. Онтогенетический аспект фотосинтеза. Москва, Наука, 1981, 196 с.
[9] Avgoustaki D.D., Xydis G. Plant factories in the water-food-energy. Nexus era: a systematic bibliographical review. Food Security, 2020, vol. 12.2, pp. 253–268.
[10] Kozai T., Niu G., Takagaki M. Plant factory: an indoor vertical farming system for efficient quality food production. Academic press, 2016, 405 p.
[11] Беркович Ю.А., Очков О.А., Буряк А.А., Смолянина С.О., Переведенцев О.В., Лапач С.Н. Некоторые пути оптимизации светодиодного освещения в светокультуре растений. Светотехника, спецвыпуск «Светокультура растений», 2019, S1, с. 37–42.
[12] Беркович Ю.А., Очков О.А., Переведенцев О.В. Обоснование метода адаптивной оптимизации светодиодного освещения растений для витаминной оранжереи в составе системы жизнеобеспечения космических экипажей. Авиакосмическая и экологическая медицина, 2018, т. 52, № 6, с. 86–94.
[13] Ведяхин А. и др. Сильный искусственный интеллект: На подступах к сверхразуму. Москва, Изд-во «Интеллектуальная литература», 2021, 232 с.
[14] Попков А.Ю. Градиентные методы для нестационарных задач безусловной оптимизации. Автоматика и телемеханика, 2005, № 6, с. 38–46.
[15] Беркович Ю.А., Очков О.А., Переведенцев О.В., Буряк А.А. Выбор алгоритмов адаптивной оптимизации фотосинтеза растений для космических оранжерей. Авиакосмическая и экологическая медицина, 2019, т. 53, № 2, с. 85–92.
[16] Лапач С. Н. Робастные планы эксперимента. Математические машины и системы, 2016, № 4, с. 111–121.
[17] Levri J.A., Vaccary D.A., Drysdale A.E. Theory and Application of Equivalent System Mass Metric. SAE Technical Paper, 2000, vol. 2000-01-2395.
[18] Drysdale A., Bugbee B. Optimizing a plant habitat for space: a novel approach to plant growth on the Moon. International Conference on Environmental Systems. SAE Technical Paper, 2003, vol. 2003-01-2360. DOI: 10.4271/2003-01-2360
[19] Quigley M., Gerkey B., Conley K., Faust J., Foote T., Leibs J., Berger E., Wheeler R., Ng A. ROS: an open-source Robot Operating System. ICRA workshop on open source software, 2009, vol. 3, no. 3.2, pp. 5–9.
[20] Malavolta I., Lewis G., Schmerl B., Lago P., Garlan D. How do you architect your robots? State of the practice and guidelines for ROS-based systems. 2020 IEEE/ACM 42nd International Conference on Software Engineering: Software Engineering in Practice (ICSE-SEIP). IEEE, 2020, pp. 31–40.
[21] Skendzic A., Kovacic B. Open source system OpenVPN in a function of Virtual Private Network. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2017, vol. 200, no. 1, art. no. 012065.