CN102880063A - 同步控制遥操作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间遥操作技术领域，公开了一种同步控制遥操作系统及方法。该系统包括操作者、地面控制中心、空间系统，以及上、下行信道。其中，地面控制中心构建空间系统模型，并对上行时延进行实时预测；根据模型的同步仿真状态生成空间机器人的遥控指令，同时接收并处理空间系统的反馈状态，根据反馈状态对遥控指令进行修正。该方法通过在地面构建空间系统的等效模型，对空间系统进行同步仿真；并根据同步仿真状态自动生成遥控指令，通过对等效模型的同步控制完成对空间机器人的自动控制。相比传统空间遥操作模式，本发明采用地面系统的决策取代了传统模式对空间系统或对操作者决策的依赖，兼顾了空间操作任务实时性和鲁棒性的双重要求。

Description

同步控制遥操作系统及方法

技术领域

本发明属于空间遥操作控制模式技术领域，具体为基于地面集成的空间系统模型获取空间机器人同步模拟状态，实施连续、实时遥操作的控制系统及其方法。

背景技术

空间遥操作技术通过地面操作者操纵在轨空间机器人完成空间操作任务，是地面操作者智能和行为向空间延伸和拓展的有力手段。1967年美国的Surveyor III月球登陆器成功完成了月球表面土壤采集及力测量任务，成为人类应用空间机器人遥操作技术的首例。此后的二十余年间，对空间遥操作技术的研究主要停留于理论层面，期间T.Sheridan，L.Penin和M.Spong等人的工作具有代表性。进入20世纪90年代，由于新的空间操作任务需求不断涌现，以及遥操作相关关键技术相继突破，空间遥操作技术得到了空前的发展，各国陆续开展了一系列在轨试验，包括以日本的工程试验星7号、美国的轨道快车等为代表的近地轨道自由飞行空间机器人遥操作试验，以德国的Rotex和ROKVISS等为代表的宇航舱内空间机械臂遥操作试验，和以美国的“勇气”号、“机遇”号火星车等为代表的行星表面巡视勘察试验等。我国也自20世纪90年代起开始进行相关研究，陆续构建了空间遥操作验证系统，开展了地面模拟验证试验。

业已开展的在轨试验为空间遥操作技术研究积累了丰富的实践经验，形成了多种技术特点鲜明的控制模式，主要包括自主、遥编程和主从等3类。上述三类传统遥操作控制模式或是将决策环节置于空间机器人（自主遥操作），由于空间机器人有限的智能水平降低了遥操作的鲁棒性；或是将决策环节置于操作者（遥编程遥操作和主从遥操作），由于操作者有限的响应速度降低了遥操作的实时性；因此均不能同时满足遥操作高鲁棒性和强实时性的双重要求，这是传统遥操作控制模式的主要缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提出一种同步控制遥操作系统及方法，其基本思想是在地面构建空间系统的等效模型，对空间系统进行同步仿真；地面系统根据同步仿真状态自动生成遥控指令，通过对等效模型的同步控制完成对空间机器人的自动控制，从而既将操作者从机器人执行闭环中分离出来以提高实时性，又依靠地面系统的智能弥补空间机器人自主能力的不足。

本发明采用如下技术方案：

一种同步控制遥操作系统，包括操作者、地面控制中心、空间系统，以及上、下行信道；

所述操作者在线监督遥操作过程，并在必要时对遥操作实施干预；

所述地面控制中心在地面构建空间系统的等效模型，并对上行时延进行实时预测；根据等效模型的同步仿真状态生成空间机器人的遥控指令，同时接收并处理空间系统的反馈状态，根据反馈状态对遥控指令进行修正；为操作者的监督提供视觉信息，为操作者的必要干预提供人-机接口；

所述空间系统，包括空间机器人和空间环境，空间机器人用于执行控制指令，完成操作任务；

所述上、下行信道，用于沟通地面控制中心和空间系统的联系。

进一步的，所述地面控制中心包括：

（1）遥控指令终端，根据同步控制器输出的空间系统同步仿真状态和控制指令修正数据生成空间系统及其模型的实时控制指令，并为操作者干预遥操作过程提供人-机接口；

（2）同步控制器，用于构建空间系统模型，实时预测上行时延，接收遥控指令终端输出的实时控制指令和经下行数据处理模块处理后的空间系统反馈状态，生成空间系统的同步仿真状态和控制指令的修正数据；

（3）下行数据处理模块，用于接收并处理空间系统反馈状态，即对遥测和数传数据进行解析，获取空间系统实际状态；

（4）监控显示模块，根据下行数据处理模块输出的空间系统实际状态，生成空间系统真实在轨视觉信息；根据同步控制器输出的空间系统同步仿真状态，生成空间系统模型的同步仿真视觉信息；为操作者监督遥操作过程提供界面和依据。

进一步的，所述同步控制器包括：

（1）空间系统模型，包括空间机器人模型和空间环境模型两部分，用于生成空间系统的同步仿真状态；

（2）上行时延预测模块，用于建立空间遥操作天地回路的上行时延状态模型，预测未来上行时延值；

（3）反馈控制器，用于根据同步仿真状态和反馈真实状态之间的误差，计算遥操作实时控制指令的修正数据。

一种同步控制遥操作方法，包括以下步骤：

步骤一，操作者启动任务，开始同步控制遥操作；

步骤二，地面控制中心建立空间系统模型；

步骤三，地面控制中心实时预测上行时延值，生成与空间机器人接收指令近似同相的同步控制指令，以及驱动空间机器人运动的遥控指令；

步骤四，空间系统模型接收并执行同步控制指令，生成与空间系统实际状态近似同相的同步仿真状态；

步骤五，空间机器人接收并执行遥控指令，生成并反馈空间系统实际状态；

步骤六，地面控制中心根据空间系统反馈的实际状态，生成实际空间系统虚拟场景；根据空间系统模型输出的同步仿真状态，生成空间系统的同步虚拟场景；

步骤七，操作者根据实际空间系统虚拟场景和空间系统的同步虚拟场景在线监督遥操作过程，实施必要干预；

步骤八，地面控制中心根据同步仿真状态和空间系统反馈的实际状态，生成遥控指令的修正量，返回至步骤三。

上述空间遥操作系统及方法通过空间系统模型对实际空间系统的同步仿真，自动生成遥控指令，并根据模型的同步仿真状态和系统的真实反馈状态修正遥控指令，从而用对地面系统的决策取代传统遥操作模式对空间系统或对操作者决策的依赖，克服了传统遥操作控制模式的不足，实现了空间操作任务实时性和鲁棒性的统一。

附图说明

图1 本发明提出的同步控制遥操作系统的原理结构图。

图2 本发明提出的同步控制遥操作系统同步控制器的原理结构图。

图3 本发明提出的同步控制遥操作方法的流程图。

图4 本发明实施例中同步控制遥操作方法的应用对象——平面三自由度串联连杆空间操作臂的基本构型。

图5 本发明实施例中空间遥操作上行时延的测量值。

图6 本发明实施例中应用非高斯自回归模型预测方法获得的空间遥操作上行时延预测结果。

图7 本发明实施例中应用同步控制遥操作控制方法获得的空间操作臂末端执行器位置误差曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，本发明所述同步控制遥操作系统包括操作者、地面控制中心、空间系统，以及上、下行信道。操作者为实际操作人员，其在线监督遥操作过程;当空间系统实际状态与预期状态偏差较大，或者系统状态存在较大风险，或者发生其它操作错误时，操作者通过遥控指令终端和上行信道向空间系统发送操作暂停指令，从而对遥操作过程实施必要的在线干预。所述地面控制中心通过在地面构建空间系统的等效模型，并对上行时延进行实时预测，从而实现对空间系统的同步仿真；根据等效模型的同步仿真状态生成空间机器人的遥控指令，同时接收并处理空间系统的反馈状态，根据反馈状态对遥控指令进行修正；为操作者的监督提供视觉信息，为操作者的必要干预提供人-机接口。所述空间系统，包括空间机器人和空间环境，空间机器人用于执行控制指令，完成操作任务；所述上、下行信道，用于沟通地面控制中心和空间系统的联系。

其中地面控制中心具体包括：

（1）遥控指令终端，根据同步控制器输出的空间系统同步仿真状态和控制指令修正数据生成空间系统及其模型的实时控制指令，并为操作者干预遥操作过程提供人-机接口；

（2）同步控制器，用于构建空间系统模型，实时预测上行时延，接收遥控指令终端输出的实时控制指令和经下行数据处理模块处理后的空间系统反馈状态，生成空间系统的同步仿真状态和控制指令的修正数据；

（3）下行数据处理模块，用于接收并处理空间系统反馈状态，即对遥测和数传数据进行解析，获取空间系统实际状态；

（4）监控显示模块，根据下行数据处理模块输出的空间系统实际状态，生成空间系统真实在轨视觉信息；根据同步控制器输出的空间系统同步仿真状态，生成空间系统模型的同步仿真视觉信息；为操作者监督遥操作过程提供界面和依据。

其中，同步控制器的结构如图2所示，具体包括：

（1）空间系统模型，包括空间机器人模型和空间环境模型两部分，用于生成空间系统的同步仿真状态；其中，空间机器人模型包括空间机器人的路径规划模型、运动学模型和动力学模型，可选用C、Matlab等编程语言具体实现；空间机器人模型和空间环境模型的建模技术较为成熟，其具体实现方式不应构成对本发明的限制；

（2）上行时延预测模块，准确的上行时延预测是空间系统模型进行同步仿真的前提，所述的上行时延预测模块用于建立空间遥操作天地回路的上行时延状态模型，预测未来上行时延值；上行时延预测模块可以选用自回归模型预测、最大熵准则预测、稀疏多元线性自回归模型预测、非高斯自回归模型预测方法等多种方法具体实现，其具体实现方法较为成熟，其具体实现方式不应构成对本发明的限制；其中，非高斯自回归模型预测方法可参见文献《The Stochastic Time Delay Model and Prediction for Space Teleoperation》（HuTianjian, Huang Xuexiang, Tan Qian. SpaceOps-2012 Conference, Stockholm, Sweden, June 12-15, 2012, AIAA.）。

（3）反馈控制器，用于根据同步仿真状态和反馈真实状态之间的误差，计算遥操作实时控制指令的修正数据；反馈控制器可以选用PID算法、自抗扰控制算法、无源性理论算法等多种控制算法具体实现，其具体实现方法较为成熟，其具体实现方式不构成对本发明的限制。

同步控制遥操作系统的工作流程如图3所示，具体步骤为：

步骤一，操作者通过遥控指令终端启动任务，同步控制遥操作开始；

步骤二，遥控指令终端收到任务启动命令，于Ti时刻生成并输出实时控制指令序列，一路送至同步控制器，另一路经上行信道送至空间机器人；

步骤三，同步控制器于Ti时刻接收控制指令序列，开始工作：控制指令序列经上行时延预测值延迟，得到与空间机器人接收指令近似同相的同步控制指令；空间机器人模型于

时刻接收并执行同步控制指令，于时刻输出与空间机器人状态近似同相的同步仿真状态；

步骤四，

时刻同步控制器生成的同步仿真状态一路反馈至遥控指令终端，由遥控指令终端自动生成新的控制指令序列；一路送至反馈控制器模块；另一路送至监控显示模块；

步骤五，遥控指令终端生成的实时控制指令经上行时延Δtu延迟，于Ti+Δtu时刻送至空间机器人，由空间机器人执行指令；

步骤六，空间机器人真实状态经下行时延Δtd延迟，于Ti+Δtu+Δtd时刻送至地面控制中心进行下行数据处理，处理结果一路送至遥控指令终端，另一路送至监控显示模块；

步骤七，Ti+Δtu+Δtd时刻，同步控制器中的反馈控制器将

时刻收到的同步仿真状态与Ti+Δtu+Δtd时刻收到的空间机器人真实状态做差，生成的状态误差经反馈控制算法运算生成反馈控制数据，并于Ti+Δtu+Δtd时刻作为控制修正量反馈至遥控指令终端，调整下一时刻的控制指令；

步骤八，监控显示模块于时刻接收同步控制器生成的同步仿真状态，生成与空间机器人Ti+Δtu时刻近似同步的虚拟场景；于Ti+Δtu+Δtd时刻接收空间机器人反馈的真实在轨状态，生成实际空间机器人延迟的虚拟场景；

步骤九，操作者根据监控显示模块给出的虚拟视觉信息监督遥操作过程，必要时通过遥控指令终端对任务实施干预。

下面以一类平面三自由度串联连杆空间操作臂为对象，说明本发明同步控制器的一种优选实现方式。

所述空间操作臂的基本构型如图4所示。建立基础坐标系X₁Y₁Z₁和各连杆固联坐标系X_iY_iZ_i（i=2~4），连杆长度为a_i（i=1~3），关节转角为θ_i（i=1~3），末端执行器在基础坐标系中的坐标为P（p_x，p_y），角度为

，连杆动力学参数由下表给出。

遥操作上行时延的测量值如图5所示，介于1.05s-1.2s间，时延抖动约0.15s。

空间操作臂各关节的期望转角函数为：

${\mathrm{\&theta;}}_M=\left\{\begin{array}{cc}\sin (\mathrm{\&pi;t}/15)\&CenterDot;{\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\&pi;}/2& \mathrm{\&pi;}/4& \mathrm{\&pi;}/3\end{array}\right]}^T& P_x\&GreaterEqual;2\\ \sin (\mathrm{\&pi;t}/30)\&CenterDot;{\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\&pi;}/4& \mathrm{\&pi;}/8& \mathrm{\&pi;}/4\end{array}\right]}^T& P_x<2\end{array}\right.$

即以机器人虚拟模型给出的末端执行器同步模拟位置的x轴分量P_x为状态判据，遥控指令终端依据P_x与2的大小关系切换期望关节转角函数。

（1）基于非高斯自回归模型（NGAR）方法预测遥操作上行时延值。由上行时延实际测量值得到NGAR模型阶数n=8，自回归系数

，以及白噪声标准差

，结合时延测量值得到空间遥操作上行时延的预测结果如图6所示。对于实施例假设的情况，时延预测误差e(t)小于80ms，占上行时延值的约7%。

（2）基于Matlab建立空间操作臂的运动学和动力学模型。控制指令经上行时延预测值延迟后由该模型接收，生成空间机器人的同步模拟状态。

（3）反馈控制器采用PID算法，其Laplace变换表达式为

$C_f\left(s\right)=K_p+K_i/s+K_{d}s$

其中s代表Laplace变量， K_p、K_i、K_d分别为PID控制器的三个参数，其取值可为

PID控制器参数的设计方法可参见文献《时滞系统最优PID控制》（胡天健，黄学祥，黄建余，谭谦. vol. 1, pp. 315-318, Proceedings of The 3^rd International Conference on Information, Electronics and Computer Science, Tianjin China,Dec. 2011.），由PID控制器生成空间操作臂控制指令的修正数据。

遥控指令终端接收同步控制器输出的同步仿真状态和控制指令修正数据，实时生成控制指令，驱动空间机器人关节按转角函数运动，得到无误差扰动条件下末端执行器距离误差曲线如图7所示。由仿真结果可知，在120s时间内末端执行器位置误差不发散，x方向误差（实际值减去期望值）可以控制在0.003m以内，y方向误差（实际值减去期望值）可以控制在0.006m以内，这表明同步控制遥操作系统工作正常，方法有效。

本发明所述一种同步控制遥操作方法具体步骤为：

步骤一，操作者启动任务，开始同步控制遥操作；

步骤二，地面控制中心建立空间系统模型；

步骤三，地面控制中心实时预测上行时延值，生成与空间机器人接收指令近似同相的同步控制指令，以及驱动空间机器人运动的遥控指令；

步骤四，空间系统模型接收并执行同步控制指令，生成与空间系统实际状态近似同相的同步仿真状态；

步骤五，空间机器人接收并执行遥控指令，生成并反馈空间系统实际状态；

步骤六，地面控制中心根据空间系统反馈的实际状态，生成实际空间系统虚拟场景；根据空间系统模型输出的同步仿真状态，生成空间系统的同步虚拟场景；

步骤七，操作者根据实际空间系统虚拟场景和空间系统的同步虚拟场景在线监督遥操作过程，实施必要干预；

步骤八，地面控制中心根据同步仿真状态和空间系统反馈的实际状态，生成遥控指令的修正量，返回至步骤三。

Claims (4)

1.一种同步控制遥操作系统，其特征在于，包括操作者、地面控制中心、空间系统，以及上、下行信道；

所述操作者在线监督遥操作过程，并在必要时对遥操作实施干预；

所述地面控制中心在地面构建空间系统的等效模型，并对上行时延进行实时预测；根据等效模型的同步仿真状态生成空间机器人的遥控指令，同时接收并处理空间系统的反馈状态，根据反馈状态对遥控指令进行修正；为操作者的监督提供视觉信息，为操作者的必要干预提供人-机接口；

所述空间系统，包括空间机器人和空间环境，空间机器人用于执行控制指令，完成操作任务；

所述上、下行信道，用于沟通地面控制中心和空间系统的联系。

2.根据权利要求1所述的同步控制遥操作系统，其特征在于，所述地面控制中心包括：

（1）遥控指令终端，根据同步控制器输出的空间系统同步仿真状态和控制指令修正数据生成空间系统及其模型的实时控制指令，并为操作者干预遥操作过程提供人-机接口；

（2）同步控制器，用于构建空间系统模型，实时预测上行时延，接收遥控指令终端输出的实时控制指令和经下行数据处理模块处理后的空间系统反馈状态，生成空间系统的同步仿真状态和控制指令的修正数据；

（3）下行数据处理模块，用于接收并处理空间系统反馈状态，即对遥测和数传数据进行解析，获取空间系统实际状态；

（4）监控显示模块，根据下行数据处理模块输出的空间系统实际状态，生成空间系统真实在轨视觉信息；根据同步控制器输出的空间系统同步仿真状态，生成空间系统模型的同步仿真视觉信息；为操作者监督遥操作过程提供界面和依据。

3.根据权利要求2所述的同步控制遥操作系统，其特征在于，所述同步控制器包括：

（1）空间系统模型，包括空间机器人模型和空间环境模型两部分，用于生成空间系统的同步仿真状态；

（2）上行时延预测模块，用于建立空间遥操作天地回路的上行时延状态模型，预测未来上行时延值；

（3）反馈控制器，用于根据同步仿真状态和反馈真实状态之间的误差，计算遥操作实时控制指令的修正数据。

4.一种同步控制遥操作方法，包括以下步骤：

步骤一，操作者启动任务，开始同步控制遥操作；

步骤二，地面控制中心建立空间系统模型；

步骤三，地面控制中心实时预测上行时延值，生成与空间机器人接收指令近似同相的同步控制指令，以及驱动空间机器人运动的遥控指令；

步骤四，空间系统模型接收并执行同步控制指令，生成与空间系统实际状态近似同相的同步仿真状态；

步骤五，空间机器人接收并执行遥控指令，生成并反馈空间系统实际状态；

步骤六，地面控制中心根据空间系统反馈的实际状态，生成实际空间系统虚拟场景；根据空间系统模型输出的同步仿真状态，生成空间系统的同步虚拟场景；

步骤七，操作者根据实际空间系统虚拟场景和空间系统的同步虚拟场景在线监督遥操作过程，实施必要干预；

步骤八，地面控制中心根据同步仿真状态和空间系统反馈的实际状态，生成遥控指令的修正量，返回至步骤三。

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