CN101630146B - 面向月球车远程遥操作的仿真控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种虚拟现实技术领域的面向月球车远程遥操作的仿真控制系统，包括：离线分析模块、地图创建模块、虚拟传感模块、图形化编程模块、三维仿真模块、遥操作模块和人工输入模块，其中：离线分析模块与图形化编程模块分别与三维仿真模块相连接以输出月表数字几何模型和路径规划程序，地图创建模块与月球车系统相连接收图像序列和倾斜角信号并输出实际地图模型至虚拟传感模块，虚拟传感模块输出全局地图至图形化编程模块，遥操作模块接收三维仿真模块输出的仿真结果、图形化编程模块输出的仿真程序以及人工输入模块输出的运动控制指令，并将轨迹控制输出至月球车系统。本发明对月球车能够得到有效、安全的控制，模拟月球车所要进行的遥操作控制的过程并在线实时仿真显示。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种航天技术领域的控制系统，具体是一种面向月球车远程遥操作的仿真控制系统。
背景技术
我国为了实现月球车登月探测这一目标，非常有必要开发出一套仿真控制系统，不但可以进行在线仿真，而且也可以对远程的月球车进行遥操作，同时还可接受人工输入以避免重大事故的出现。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN101083020，公开日为2007.12.05，专利名称为：星球着陆探测器地面模拟试验场的建立方法，公开了一种星球着陆探测器地面模拟试验场的建立方法，包括试验场的选址、设计及遥操作信息的建立，模拟月面试验的综合环境条件建立深空探测试验场，为月面巡视探测器遥操作试验提供地平线环境，并为探测器自主导航提供了照明以及探测目标，实现了星球着陆探测器远距离遥操作的试验，考验了巡视探测器的防沙尘能力和高低温干燥环境下的适应能力，成功地解决了星球着陆巡视探测器在地面模拟试验结果可靠性差的问题。但是，该发明只是从建立地面模拟试验场开始而进行的一些测试和试验，没有从控制层面来具体说明对远程的月球车所要进行的遥操作的控制过程实现，在线实时仿真显示问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种面向月球车远程遥操作的仿真控制系统，对月球车能够得到有效、安全的控制，模拟月球车所要进行的遥操作控制的过程并在线实时仿真显示。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：离线分析模块、地图创建模块、虚拟传感模块、图形化编程模块、三维仿真模块、遥操作模块和人工输入模块，其中：离线分析模块与图形化编程模块分别与三维仿真模块相连接以输出月表数字几何模型和路径规划程序，地图创建模块与月球车系统相连接收图像序列和倾斜角信号并输出实际地图模型至虚拟传感模块，虚拟传感模块输出全局地图至图形化编程模块，遥操作模块接收三维仿真模块输出的仿真结果、图形化编程模块输出的仿真程序以及人工输入模块输出的运动控制指令，并将轨迹控制输出至月球车系统。
所述的离线分析模块，根据月表典型特征和月球车动力参数计算生成月表数字几何模型；
所述的月表典型特征包括月岩、月坑、月溪、月脉和坡地的面积和深度。
所述的月表数字几何模型包括：月面模型、仿真用数字模型、地形快速原型模型、动力学仿真路谱文件、软土路面轮-地接触模型、月球车运动学模型、动力学仿真碰撞模型、车辆速度，加速度反馈模型。
所述的月球车运动学模型是指基于电机的模型和车体的机械结构模型——六轮驱动、四轮转向的月球车运动学模型。
所述的地图创建模块通过无线信号传回的月球车载系统上采集到的图像序列和倾斜角信息并分析计算得到的实际地图模型。
地图创建模块通过比较月球车在不同时刻所采集到的视觉信息，通过概率方法找到其中的最大相似处，从而确定月球车在捕获两幅图像位置之间的位移，由此获得月球车相对于初始位置的一系列定位结果。通过比较月球车在不同时刻所采集到的倾斜计信息，可以确定月球车相对于初始位置时的一系列姿态信息。同时在不同的位置，利用异构传感器系统获得的信息可以对月球车周围的环境进行重建，获得局部的三维环境。随着月球车的运动，其探测的环境会随之扩张，利用各个位置的定位信息可以将不同时刻不同位置建立的三维环境相互拼接，形成更为完整的环境表达，即全局地图。
所述的虚拟传感模块对地图创建模块所创建的地图进行分析、处理和识别。该模块包括：虚拟视觉单元和虚拟倾斜计单元，其中：虚拟视觉单元与三维仿真模块连接以传输虚拟视觉信息，虚拟倾斜计单元与三维仿真模块相连接以传输月球车的当前位姿信息。
虚拟传感模块利用虚拟传感器技术在三维虚拟环境中为虚拟月球车装备适用的虚拟传感器构成传感器系统，对月球车的导航相关功能进行仿真验证。通过比较虚拟月球车在不同位置及不同姿态下获得的图像，利用视觉算法确定月球车在捕获两幅图像位置之间的位移，由此获得月球车相对于初始位置的一系列定位结果。同时在不同的位置，利用异构传感器系统获得的信息可以对虚拟环境进行重建，为三维仿真模块获得局部的三维环境。随着虚拟月球车的运动，其探测的环境会随之扩张，利用各个位置的定位信息可以将不同时刻不同位置建立的三维环境相互拼接，形成更为完整的环境表达，即全局地图。
所述的图形化编程模块根据全局地图进行图形化编程处理，将每种图形原语以特定的图形符号来表示，通过组织行为原语最终得到仿真程序和路径规划。
所述的三维仿真模块根据月表数字几何模型和图形化编程模块所生成的路径规划程序进行虚拟的三维图形仿真，并仿真结果输出至遥操作模块。
所述的遥操作模块根据仿真结果、仿真程序以及运动控制指令通过无线电对月球车进行远程遥操作。
本发明离线分析模块输出月表数字几何模型，地图创建模块接收图像序列和倾斜角信号并输出实际地图模型至虚拟传感模块，虚拟传感模块输出全局地图至图形化编程模块，遥操作模块接收三维仿真模块输出的仿真结果、图形化编程模块输出的仿真程序和路径规划以及人工输入模块输出的运动控制指令，当三维仿真模块在三维仿真过程中未发生出错情况则开始解析来自图形化编程模块产生的路径规划程序，生成相应的轨迹控制指令；生成的轨迹控制指令经无线通讯传输到远程的月球车上，从而对其进行运动控制；与此同时，通过分析月球车机载系统上反馈的视觉和倾斜信息，边进行虚拟的三维仿真边对远程的月球车进行实时的控制。当三维仿真模块在三维仿真过程中发生路径失效或出现侧翻情况时遥操作模块则接受人工输入模块输出的运动控制指令对月球车系统进行控制，从而可以有效地防止事故发生。
本发明在实现虚拟的三维仿真的基础上，能够通过无线通讯对远程的月球车进行遥操作，同时可接受人工输入来对月球车当前运动状态作改正以防止事故发生。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明中各模块的逻辑关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例包括：离线分析模块、地图创建模块、虚拟传感模块、图形化编程模块、三维仿真模块、遥操作模块和人工输入模块，其中：离线分析模块与图形化编程模块分别与三维仿真模块相连接以输出月表数字几何模型和路径规划程序，地图创建模块与月球车系统相连接收图像序列和倾斜角信号并输出实际地图模型至虚拟传感模块，虚拟传感模块输出全局地图至图形化编程模块，遥操作模块接收三维仿真模块输出的仿真结果、图形化编程模块输出的仿真程序以及人工输入模块输出的运动控制指令，并将轨迹控制输出至月球车系统。
本实施例中所述的离线分析模块，是指在进行三维仿真之前所进行的有关月球车的一系列运动学和动力学分析和有关环境的数字模型的建立。根据月岩、月坑、月溪、月脉和坡地的面积和深度，计算生成月表数字几何模型，进而建立与仿真月面环境实验室形貌一致的数字月表模型，并且进行可视化。参数化生成各种特征组合的月面模型、仿真用数字模型、动力学仿真路谱文件以及动力学仿真碰撞模型。建立基于电机模型和车体机械结构的六轮驱动、四轮转向的月球车运动学模型；建立基于贝克(Bekker)理论的软土路面轮-地接触模型，实时修正刚性接触模型；同时建立车辆速度，加速度反馈模型。
本实施例中所述的地图创建模块通过无线信号传回的月球车载系统上采集到的图像序列和倾斜角信息并分析计算得到的实际地图模型。通过比较月球车在不同时刻所采集到的视觉信息，通过概率方法找到其中的最大相似处，从而确定月球车在捕获两幅图像位置之间的位移，由此获得月球车相对于初始位置的一系列定位结果。通过比较月球车在不同时刻所采集到的倾斜计信息，可以确定月球车相对于初始位置时的一系列姿态信息。同时利用异构传感器系统获得的信息可以对月球车周围的环境进行地形重建，获得局部三维环境。随着月球车的运动，利用各个位置的定位信息可以将不同时刻不同位置建立的三维环境相互拼接，形成全局地图，进而对月球车进行全局定位。
本实施例中的所述的虚拟传感模块包括：虚拟视觉单元和虚拟倾斜计单元，其中：虚拟视觉单元与三维仿真模块连接以传输虚拟视觉信息，虚拟倾斜计单元与三维仿真模块相连接以传输月球车的当前位姿信息。虚拟传感模块利用虚拟传感器技术在三维虚拟环境中为虚拟月球车装备适用的虚拟传感器构成传感器系统，对月球车的导航相关功能进行仿真验证。通过比较虚拟月球车在不同位置及不同姿态下获得的图像，利用视觉算法确定月球车在捕获两幅图像位置之间的位移，由此获得月球车相对于初始位置的一系列定位结果。同时在不同的位置，利用异构传感器系统获得的信息可以对虚拟环境进行重建，为三维仿真模块获得局部的三维环境。随着虚拟月球车的运动，其探测的环境会随之扩张，利用各个位置的定位信息可以将不同时刻不同位置建立的三维环境相互拼接，形成更为完整的环境表达，即全局地图。
本实施例中的所述的图形化编程模块根据全局地图进行图形化编程处理，将每种图形原语以特定的图形符号来表示，通过组织行为原语最终得到仿真程序和路径规划并分别输出至遥操作模块和三维仿真模块。
本实施例中所述的三维仿真模块根据月表数字几何模型和图形化编程模块所生成的路径规划程序进行虚拟的三维图形仿真，并仿真结果输出至遥操作模块。该模块利用虚拟现实语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)建立机器人仿真模型，并导入到由JAVA3D构建的三维虚拟场景中进行实时仿真，同时利用离线分析模块中得到的运动学、动力学仿真模型对虚拟环境中的月球车进行运动控制和碰撞检测。另外，通过采用Java语言编程，能够跨平台使用，增加了该仿真控制系统的通用性。
本实施例中所述的遥操作模块根据仿真结果、仿真程序以及运动控制指令通过无线电对月球车进行远程遥操作。
当三维仿真模块在三维仿真过程中未发生出错情况则开始解析来自图形化编程模块产生的路径规划程序，生成相应的轨迹控制指令；生成的轨迹控制指令经无线通讯传输到远程的月球车上，从而对其进行运动控制；与此同时，通过分析月球车机载系统上反馈的视觉和倾斜信息，边进行虚拟的三维仿真边对远程的月球车进行实时的控制。
当三维仿真模块在三维仿真过程中发生路径失效或出现侧翻情况时遥操作模块则接受人工输入模块输出的运动控制指令对月球车系统进行控制，从而可以有效地防止事故发生。
本实施例中的人工输入模块，是在发现实际月球车运动过程中出现不可预计的错误和故障情况后，通过人工输入控制指令来对远程的月球车进行轨迹控制。该模块所产生的控制指令经遥操作模块下发到远程的月球车系统上。
Claims (6)
1.一种面向月球车远程遥操作的仿真控制系统，其特征在于，包括：离线分析模块、地图创建模块、虚拟传感模块、图形化编程模块、三维仿真模块、遥操作模块和人工输入模块，其中：离线分析模块与图形化编程模块分别与三维仿真模块相连接以输出月表数字几何模型和路径规划程序，地图创建模块与月球车系统相连接收图像序列和倾斜角信号并输出实际地图模型至虚拟传感模块，虚拟传感模块输出全局地图至图形化编程模块，遥操作模块接收三维仿真模块输出的仿真结果、图形化编程模块输出的仿真程序以及人工输入模块输出的运动控制指令，并将轨迹控制输出至月球车系统。
2.根据权利要求1所述的面向月球车远程遥操作的仿真控制系统，其特征是，所述的离线分析模块，根据月表典型特征和月球车动力参数计算生成月表数字几何模型：月表典型特征包括月岩、月坑、月溪、月脉和坡地的面积和深度；月表数字几何模型包括：月面模型、仿真用数字模型、地形快速原型模型、动力学仿真路谱文件、软土路面轮-地接触模型、月球车运动学模型、动力学仿真碰撞模型、车辆速度，加速度反馈模型。
3.根据权利要求1所述的面向月球车远程遥操作的仿真控制系统，其特征是，所述的虚拟传感模块对地图创建模块所创建的地图进行分析、处理和识别，该模块包括：虚拟视觉单元和虚拟倾斜计单元，其中：虚拟视觉单元与三维仿真模块连接以传输虚拟视觉信息，虚拟倾斜计单元与三维仿真模块相连接以传输月球车的当前位姿信息。
4.根据权利要求1所述的面向月球车远程遥操作的仿真控制系统，其特征是，所述的图形化编程模块根据全局地图进行图形化编程处理，将每种图形原语以特定的图形符号来表示，通过组织行为原语最终得到仿真程序和路径规划。
5.根据权利要求1所述的面向月球车远程遥操作的仿真控制系统，其特征是，所述的三维仿真模块根据月表数字几何模型和图形化编程模块所生成的路径规划程序进行虚拟的三维图形仿真，并将仿真结果输出至遥操作模块。
6.根据权利要求1所述的面向月球车远程遥操作的仿真控制系统，其特征是，所述的遥操作模块根据仿真结果、仿真程序以及运动控制指令通过无线电对月球车进行远程遥操作。
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