Стыкуется с МКС с помощью JavaScript и циркуля

Во мне заиграли патриотичные и стало обидно, за бывшую космическую держу, и я принял этот симулятор как вызов. Раз Маск решил показать сложность стыковки, и какие сложности их инженеры проходили, чтобы сделать программу автоматической стыковки, я решил написать, в свободное от работы время, программу на JavaScript, которая с легкостью состыкует Dragon и МКС в этом симуляторе.

Как тебе такое Илон Маск?

Внимание! Данный алгоритм является «стебным», и не предназначал для использования его в реальных условиях. Автор не несет ответственности за любые прямые или косвенные убытки, нанесенные вашему космическому короблю или иным объектам при использовании данного алгоритма.

— Для начала немного истории.
Широко известный факт, что наш многоразовый космический корабль «Буран» был очень похож на американский челнок. А так же известно, что он летал всего только один раз, в отличии от американских «аналогов». Но мало кто знает, что его единственный полет был беспилотным. Он сам взлетел, сам приземлился и все это он сделал в очень плохие погодные условия. Американские Шатлы всегда приземлялись только в ручном режиме. Это было удивительно, принимая во внимание тот факт, что компьютеры раньше были не мощнее калькулятора. То, в теории, это не должно быть сложно, — подумал вчера вечером.

— Но дайте перейдем к сути. Что представляет собой симулятор на сайте SpaceX.
На старте мы видим общую информацию, что отклонение по всем параметрам должно быть в пределах 0.2 метра (20 см). Учитывая размеры станции и корабля, это довольно серьезное ограничение.
Запускаем симулятор и видим.

Сверху, справа и снузу центральной окружности — уговое отклонение коробля по трем осям.
Зеленым — текущее значение.
Синие — скорость в секунду с которым оно измениятся.

Слева смещение относительно, шлюза в метрах. Скорости смещения нет…

Контролёры управления внизу экрана представляют собой кнопки с дублированием их на клавиатуре.
Вот с них и начнем разбор программы, как наименее интересных.
Схема клавиатурных кнопок.

Левый блок отвечает за смещение относительно шлюза, а вот правый за смещение относительно осей.

Пишем, или находим в сети код, который умеет эмулировать клавиатруные нажатие на document. В моем случае код выглядел так.

function simulateKey(keyCode, type, modifiers) {     var evtName = (typeof (type) === "string") ? "key" + type : "keydown";     var modifier = (typeof (modifiers) === "object") ? modifier : {};      var event = document.createEvent("HTMLEvents");     event.initEvent(evtName, true, false);     event.keyCode = keyCode;      for (var i in modifiers) {         event[i] = modifiers[i];     }     document.dispatchEvent(event); }  function keyPress(keyCode) {     simulateKey(keyCode)     setTimeout(() => simulateKey(keyCode, "up"), 15); } 

Запишем коды кнопок:

let _accelerator = 69; let _brake = 81; let _translateLeft = 65; let _translateRigth = 68; let _translateUp = 87; let _translateDown = 83;  let _left = 37; let _rigth = 39; let _up = 38; let _down = 40;  let _rollRigth = 105; let _rollLeft = 103;

Любая система управления подразумевает работу в цикле. Сделаем его наиболее простым, с шагом в 200 миллисекунд. За одно организуем счетчик, он нам еще понадобиться.

let index = 0; function A() {      index++;     setTimeout(A, 200); }  A(); 

Вернемся к структуре сайта.

Его интересной особенностью является, что МКС рисуется на канвасе, а вот информация о состоянии нашего космического корабля нарисованы обычной разметкой. Такое чувство, что разработчики сайта предполагали, что найдутся подобные энтузиасты, кто захочет «автоматизировать» игру и дали им такую возможность… А может разметкой, было сделать, тупо, проще.

И так, допишем еще пару легких строк, дабы вытащить информацию о состоянии нашего космического аппарата.

     let range = parseFloat($("#range .rate").outerText.split(' '));      let yDistance = parseFloat($("#y-range .distance").outerText.split(' ')[0]);     let zDistance = parseFloat($("#z-range .distance").outerText.split(' ')[0]);      let rollError = parseFloat($("#roll .error").outerText);     let pitchError = parseFloat($("#pitch .error").outerText);     let yawError = parseFloat($("#yaw .error").outerText);      let rate = parseFloat($("#rate .rate").outerText.split(' ')[0]);

Как можно заметить я вытащил далеко не всё. Я вытащил только значения смещения, но скорость изменения значений брать не стал и вот почему…
На самом деле, это уже третья итерация алгоритма. Сначала он представляя собой простой, который каждый 200 миллисекунд берет информацию о состоянии корабля и подгоняет его под 0.
Выглядело это так.

if (rollError !== -rollSpeed) {         const rollLimit = (Math.abs(rollError) / 10);         if (0 < rollError && rollSpeed < rollLimit) {             keyPress(_rollRigth);         } else if (rollError < -0 && -rollLimit < rollSpeed) {             keyPress(_rollLeft);         }     }

И на самом деле он вполне был рабочий. Особенно для угловых смещений. А для смещения по осям я использовал такой вариант.

   const zLimit = (Math.abs(yawError) / 10);         if (0 < zDistance && zSpeed < zLimit) {             keyPress(_translateDown);         } else if (zDistance < 0 && -1 < zSpeed) {             keyPress(_translateUp);         }

Скорость смещения корабля относительно каждой из осей на экран не выводится, но её не сложно подсчитать.

function carculateSpeed() {     let yDistance = parseFloat($("#y-range .distance").outerText.split(' ')[0]);     let zDistance = parseFloat($("#z-range .distance").outerText.split(' ')[0]);      ySpeed = yPrev - yDistance;     yPrev = yDistance;      zSpeed = zPrev - zDistance;     zPrev = zDistance;     setTimeout(carculateSpeed, 1000); } carculateSpeed();

И получалось довольно сносно. Классическая схема управления с обратной связью. И пока корабль был на удалении от МКС мы летели себе вполне ровненько [так мне тогда казалось]. Но проблемы начинались возле самого корабля. На самом деле корабль сильно колбасило и попасть с точностью 0.2 метра было физически невозможно. Дело в том, что смешение нашего корабля происходило… скажем так в непрерывном пространстве (с большой точностью), а вот мы видели лишь десятые доли от этого. И естественно, пытаясь реагировать на них каждые 200 миллисекунд, у нас получалось очень сильные действия по регулированию. Мы слишком много раз «тыкали на кнопки» при малейшем отклонении. А чем ближе к кораблю, тем сильнее значения смещения начинали скакать и мы фактически еще больше раскачивали корабль… Увеличивая амплитуду его движения…

Нужно было где-то взять недостающую точность. Во второй итерации в решении данной задачи, я сам постарался посчитать уже только на основе смещения скорости. И да, так вроде тоже получалось неплохо, но это не решило проблему с движением…
А в чем суть проблемы движения? Ну смотрите, мы находим в космическом пространстве и нажимая на кнопки управление придаём ускорение кораблю в той или иной плоскости. Но как только мы отпускаем кнопку движение не прекращается. В космическом пространстве, в связи с вакуумом, нет никакого сопротивления. И как только мы придали импульс (нажатием кнопки) корабль нажал движение с этой скоростью… И его нужно как-то остановить. Остановить в симуляторе довольно легко – нужно дать обратный импульс.

Но на второй итерации решения, увеличенная точность ошибки не давала мне ответа о том, как мне корректировать скорость…

И вот здесь нам и потребовался «циркуль». Капитан любого корабля/судна должен рассчитывать маршрут заранее. Если он даст команду сбросить скорость после того как войдет в порт, то вряд ли он ювелирно пришвартуется. А нам, как раз, это и нужно.
Нам нужно рассчитать маршрут, капитаны обычно это делают с помощью циркуля с дискретным состоянием его наконечников. И сделаем тоже самое. Будем рассчитывать маршрут на секунду вперед, которая будет включать в себя пять итераций нажатий на кнопки ну или не будет…

    if (index % 5 === 0) {         carculatePath(roll, rollError);         carculatePath(pitch, pitchError);         carculatePath(yaw, yawError);         carculatePath(y, yDistance);         carculatePath(z, zDistance);     }

Функция carculatePath, исходя их текущего значения отклонении, рассчитывает 5 шагов которые по идее должны это уклонение свести к 0. Необязательно на этой итерации, но каждый раз мы должны приближаться к заветному нулю в свой собственной более детальной сетке.

function carculatePath(data, value) {     data.path = [];     if (data.prev === value) {         data.speed = 0;     }     for (let i = 0; i < 5; i++) {         if (0 < value + data.speed * (i + 1)) {             data.speed -= 0.1;             data.path.push(-1);         } else if (value + data.speed * (i + 1) < -0) {             data.speed += 0.1;             data.path.push(1);         } else if (i > 0) {             if (0 < data.speed) {                 data.speed -= 0.1;                 data.path.push(-1);             } else if (data.speed < 0) {                 data.speed += 0.1;                 data.path.push(1);             } else {                 data.path.push(0);             }         } else {             data.path.push(0);         }     }     data.prev = value; }

Собственно всё, мы рассчитываем маршрут каждую «равную» секунду (index % 5 === 0) и теперь нужно просто идти этим курсом.

  let rollStep = roll.path[index % 5];     if (0 < rollStep) {         keyPress(_rollLeft);     } else if (rollStep < 0) {         keyPress(_rollRigth);     }      let pitchStep = pitch.path[index % 5];     if (0 < pitchStep) {         keyPress(_up);     } else if (pitchStep < 0) {         keyPress(_down);     }      let yawStep = yaw.path[index % 5];     if (0 < yawStep) {         keyPress(_left);     } else if (yawStep < 0) {         keyPress(_rigth);     }      let yStep = y.path[index % 5];     if (0 < yStep) {         keyPress(_translateRigth);     } else if (yStep < 0) {         keyPress(_translateLeft);     }      let zStep = z.path[index % 5];     if (0 < zStep) {         keyPress(_translateUp);     } else if (zStep < 0) {         keyPress(_translateDown);     }

Единственный расчет, который уцелел еще с первой итерации, это сближение с кораблем.
Тут довольно всё, хорошо, мы, на относительно малом ходу, движемся вперед

    const rangeLimit = Math.min(Math.max((Math.abs(range) / 100), 0.05), 2);     if (-rate < rangeLimit) {         keyPress(_accelerator);     } else if (-rangeLimit < -rate) {         keyPress(_brake);     } 

Под спойлером полный код. Вы моете сами проверить его робоспособность на сайте iss-sim.spacex.com

function simulateKey(keyCode, type, modifiers) {     var evtName = (typeof (type) === "string") ? "key" + type : "keydown";     var modifier = (typeof (modifiers) === "object") ? modifier : {};      var event = document.createEvent("HTMLEvents");     event.initEvent(evtName, true, false);     event.keyCode = keyCode;      for (var i in modifiers) {         event[i] = modifiers[i];     }     document.dispatchEvent(event); }  function keyPress(keyCode) {     simulateKey(keyCode)     setTimeout(() => simulateKey(keyCode, "up"), 15); }  let _accelerator = 69; let _brake = 81; let _translateLeft = 65; let _translateRigth = 68; let _translateUp = 87; let _translateDown = 83;  let _left = 37; let _rigth = 39; let _up = 38; let _down = 40;  let _rollRigth = 105; let _rollLeft = 103;  let index = 0;  roll = {     path: [0, 0, 0, 0, 0],     prev: 0,     speed: 0, }  pitch = {     path: [0, 0, 0, 0, 0],     prev: 0,     speed: 0, }  yaw = {     path: [0, 0, 0, 0, 0],     prev: 0,     speed: 0, }  z = {     path: [0, 0, 0, 0, 0],     prev: 0,     speed: 0, }  y = {     path: [0, 0, 0, 0, 0],     prev: 0,     speed: 0, }  function carculatePath(data, value) {     data.path = [];     if (data.prev === value) {         data.speed = 0;     }     for (let i = 0; i < 5; i++) {         if (0 < value + data.speed * (i + 1)) {             data.speed -= 0.1;             data.path.push(-1);         } else if (value + data.speed * (i + 1) < -0) {             data.speed += 0.1;             data.path.push(1);         } else if (i > 0) {             if (0 < data.speed) {                 data.speed -= 0.1;                 data.path.push(-1);             } else if (data.speed < 0) {                 data.speed += 0.1;                 data.path.push(1);             } else {                 data.path.push(0);             }         } else {             data.path.push(0);         }     }     data.prev = value; }  function A() {     let range = parseFloat($("#range .rate").outerText.split(' '));      let yDistance = parseFloat($("#y-range .distance").outerText.split(' ')[0]);     let zDistance = parseFloat($("#z-range .distance").outerText.split(' ')[0]);      let rollError = parseFloat($("#roll .error").outerText);     let pitchError = parseFloat($("#pitch .error").outerText);     let yawError = parseFloat($("#yaw .error").outerText);      let rate = parseFloat($("#rate .rate").outerText.split(' ')[0]);      if (index % 5 === 0) {         carculatePath(roll, rollError);         carculatePath(pitch, pitchError);         carculatePath(yaw, yawError);         carculatePath(y, yDistance);         carculatePath(z, zDistance);     }      let rollStep = roll.path[index % 5];     if (0 < rollStep) {         keyPress(_rollLeft);     } else if (rollStep < 0) {         keyPress(_rollRigth);     }      let pitchStep = pitch.path[index % 5];     if (0 < pitchStep) {         keyPress(_up);     } else if (pitchStep < 0) {         keyPress(_down);     }      let yawStep = yaw.path[index % 5];     if (0 < yawStep) {         keyPress(_left);     } else if (yawStep < 0) {         keyPress(_rigth);     }      let yStep = y.path[index % 5];     if (0 < yStep) {         keyPress(_translateRigth);     } else if (yStep < 0) {         keyPress(_translateLeft);     }      let zStep = z.path[index % 5];     if (0 < zStep) {         keyPress(_translateUp);     } else if (zStep < 0) {         keyPress(_translateDown);     }      const rangeLimit = Math.min(Math.max((Math.abs(range) / 100), 0.05), 2);     if (-rate < rangeLimit) {         keyPress(_accelerator);     } else if (-rangeLimit < -rate) {         keyPress(_brake);     }      index++;     setTimeout(A, 200); }  A();

Собственно все. Всем спасибо за прочтение 🙂

П.С.
Да я немного хайпанул и поприкалывался. Не воспринимайте статью в серьез, я хотел почувствовать себя космонавтом, как Гагарин Юрий Алексеевич… Хотя это скорее инженерная работа Королёва Сергея Павловича, который к сожалению, так и не побывал в космосе, о котором мечтал…