CN106055107A - 基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统 - Google Patents

基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统 Download PDF

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Abstract

一种基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统，包括操作者行为感知子系统、人机交互子系统和空间操作地面模拟子系统；操作者行为感知子系统用于采集操作者的操作行为信息，将该操作行为映射为空间机器人的操作行为，并通过模拟天地通信链路将该操作行为传递给空间操作地面模拟子系统，由空间操作地面模拟子系统中的模拟服务星复现操作者行为，对模拟目标星实施相应操作行为；空间操作模拟子系统通过天地通信链路将空间状态信息通过模拟天地通信链路传递到空间状态显示器，空间状态显示器将该空间状态信息转换为三维立体图形，实时渲染后将该图形信息传递给操作者。本发明可以较为完整、真实地验证基于人在回路的空间操作技术。

Description

基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统
技术领域
本发明涉及航天器在轨服务技术领域，具体说涉及一种基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统。
背景技术
航天器在轨服务是指在空间通过人、机器人或者两者协同完成涉及延长各种航天器寿命、提升执行任务能力的一类空间操作。
为降低在轨服务技术研究与开发的风险和成本，在地面建立一套技术验证系统从而验证在轨服务技术的可行性，成为一种必然的选择。针对各自的技术路线，约翰逊航天中心JSC(Johnson Space Center)建立了一套基于全尺寸动力学实物模型的地面验证系统开展遥操作试验，戈达德航天中心GSFC(Goddard Space Flight Center)设计了在轨服务遥操作测试系统，支持在轨服务空间操作的软硬件测试。麻省理工大学和海军研究生院建立了基于气浮系统的地面试验平台，马里兰大学则采用了水浮试验系统来模拟空间的微重力环境。德国宇航中心DLR通过地球同步轨道数据中继卫星ARTEMIS的数据转发服务，设立了一套基于天地通信链路的在轨服务遥操作地面验证系统，其中空间操作机器人和被操作目标分别通过一个七自由度的机械臂进行仿真，操作员通过提供视觉临场感的浸入式虚拟现实头盔和提供触觉临场感的力觉反馈装置感受远端环境进行操作。
发明内容
与传统的直接控制和双边控制遥操作不同，本发明针对力觉前馈式的基于人在回路的空间操作技术路线，提供一种基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统。通过该试验系统，可以实现操作员行为特征提取、临场感获取、天地通信链路时延模拟以及微重力环境下空间操作仿真等功能，为下一步的在轨操作实验提供全方位的地面验证。
本发明的技术方案是：
一种基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统，包括操作者行为感知子系统、人机交互子系统和空间操作地面模拟子系统；人机交互子系统包括模拟天地通信链路和空间状态显示器；空间操作地面模拟子系统包括模拟服务星、模拟目标星以及气浮装置；
所述操作者行为感知子系统用于采集操作者的操作行为信息，然后通过模拟天地通信链路将该操作行为信息传递给空间操作地面模拟子系统，由空间操作地面模拟子系统中的模拟服务星复现操作者行为，对模拟目标星实施相应操作行为；空间操作模拟子系统通过天地通信链路将空间状态信息通过模拟天地通信链路传递到空间状态显示器，空间状态显示器将该空间状态信息转换为三维立体图形，实时渲染后将该图形信息传递给操作者。
本发明中，所述操作者行为感知子系统包括行为感知计算机、操作者手部行为感知模块和操作者臂部行为感知模块；
操作者手部行为感知模块通过表面肌电信号传感器采集操作者手腕位置的肌电信号获取操作信息，行为感知计算机通过预装的操作者手势识别算法对操作手势进行实时的判读，从而得到操作员的操作手势信息；
操作者臂部行为感知模块包括操作员臂部运动感知单元和操作员操作力感知单元，所述操作员臂部运动感知单元实时采集操作员臂部的位置信息获取手臂的实时位姿；所述操作员操作力感知单元实时采集操作员臂部的表面肌电信号后通过操作力提取算法获得操作者的操作力信息；
操作者手部行为感知模块输出的操作手势信息、操作者臂部行为感知模块输出的手臂实时位姿信息以及操作力信息通过模拟天地通信链路传递给空间操作地面模拟子系统。
本发明中，所述操作员臂部运动感知单元包括电磁跟踪传感器、天线以及信号处理器，若干个电磁跟踪传感器固定在操作者手臂的不同的位置，电磁跟踪传感器接收由天线发出的电磁信号，由信号处理器获取两者的相位差得到电磁跟踪传感器相对于天线的笛卡尔空间下的位姿，电磁跟踪传感器的位姿传递给行为感知计算机，由行为感知计算机通过预装的臂部运动感知算法解算出操作者的手臂位姿；
操作员操作力感知单元包括若干个布置在操作者手臂上的操作力感知肌电腕表，操作力感知肌电腕表采集操作员臂部的表面肌电信号并将该信号船体给行为感知计算机，行为感知计算机通过预装的操作力感知算法获得操作者的操作力信息。
本发明中，所述模拟天地通信链路由两条互为备份的通信链路组成，一路通过光纤连接操作者行为感知子系统和空间操作地面模拟子系统，一路通过无线方式连接操作者行为感知子系统和空间操作地面模拟子系统，两者可切换。
本发明中，所述的空间操作地面模拟子系统包括空间操作监控计算机、模拟服务星、模拟目标星、大理石气浮平台；空间操作监控计算机接收所述操作者行为感知子系统输出的操作行为信息，并将该信息无线传输给模拟服务星，控制模拟服务星其空间机械臂实施对模拟目标星的故障帆板模拟装置的故障解除操作；所述模拟服务星包括模拟服务星本体以及模拟服务星气浮装置，模拟服务星气浮装置产生浮力使模拟服务星本体悬浮在大理石气浮平台上；所述模拟目标星包括模拟目标星本体以及模拟目标星气浮装置，模拟目标星气浮装置产生浮力使模拟目标星本体悬浮在大理石气浮平台，以此来模拟空间微重力环境。
模拟服务星用于模拟具有在轨操作和服务能力的航天器，所述模拟服务星上设置有空间机械臂，其通过测量模拟目标星之间的相对位姿，实现模拟服务星向模拟目标星的自主逼近和交会对接，交会对接完成后，模拟服务星接收来自操作者行为感知子系统的操作行为信息，空间机械臂模拟操作者的操作行为进行模拟目标星的在轨故障解除操作。
所述模拟目标星用于模拟具有在轨故障的航天器，所述模拟目标星上设置有故障帆板模拟装置,其作用是模拟帆板由于连接铰链卡住而无法展开的故障，从而给模拟服务星实施在轨故障解除操作提供对象。帆板在发射时处于收拢状态，发射入轨后再打开。所以，本发明故障帆板模拟装置模拟的故障是，帆板入轨后无法展开的故障。一般故障的发生原因的是，帆板之间的连接铰链卡住了。
本发明中，模拟服务星气浮装置包括储存有压缩气体的气瓶，所述气瓶通过输气管路连接气足，气足将气瓶内的压缩空气喷出产生推力进而将模拟服务星悬浮在大理石气浮平台上，模拟微重力环境。
模拟目标星气浮装置包括储存有压缩气体的气瓶，所述气瓶通过输气管路连接气足，气足将气瓶内的压缩气体喷出产生推力进而将模拟目标星悬浮在大理石气浮平台上，模拟微重力环境。
本发明中，在模拟服务星气浮装置以及模拟目标星气浮装置中的气瓶与气足之间的输气管路上设置有缓冲集气模块、截止阀、减压阀、进气阀以及放气阀，贮存于气瓶中的高压气体，经过截止阀、减压阀，通过输气管路到达缓冲集气模块后，经气足排出，产生浮力从而抵消模拟卫星所受重力。
通过以上发明设计，基于人在回路的空间操作地面演示验证系统可以较为完整、真实地验证基于人在回路的空间操作技术，为下一步空间在轨技术实验奠定基础。
附图说明
图1是基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统示意图。
图2是操作者行为感知子系统示意图。
图3是人机交互子系统示意图。
图4是空间操作地面模拟子系统示意图。
图中：
1、操作者行为感知子系统；2、模拟天地通信链路；3、空间状态显示器；4、空间操作地面模拟子系统；5、电磁跟踪传感器；6、感知肌电腕表；7、天线；8、信号处理器；9、行为感知计算机；10、操作者；11、1#监控摄像头；12、2#监控摄像头；13、1#交换机；14、1#光纤转发器；15、2#交换机；16、2#光纤转发器；17、1#无线网桥；18、1#天线；19、2#天线；20、2#无线网桥；21、大理石气浮平台；22、模拟目标星本体；23、模拟服务星本体；24、气浮装置；25、空间机械臂；26、故障帆板模拟装置；27、视觉导航相机；28、光学靶标；29、无线通信模块；30、空间操作监控计算机；31、模拟服务星；32、模拟目标星；33、手势识别腕表。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供一种基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统，由操作者行为感知子系统1、人机交互子系统和空间操作地面模拟子系统4组成。其中人机交互子系统由模拟天地通信链路2和空间状态显示器3组成。全系统的工作流程如下：操作者行为感知子系统1提取操作者行为特征后，将该操作行为映射为空间机器人的操作行为，通过模拟天地通信链路2将该行为传递给空间操作地面模拟子系统4，由空间操作地面模拟子系统4中的模拟服务星复现操作者行为，对模拟目标星实施操作，解除故障帆板模拟装置的故障。空间操作模拟子系统通过天地通信链路将空间状态信息包括模拟服务星和模拟目标星的位姿信息、图像信息以及力信息等通过模拟天地通信链路2传递到空间状态显示器2，空间状态显示器2通过虚拟现实和增强现实技术等将该状态信息转换为三维立体图形，实时渲染后将该图形信息传递给操作者。操作者沉浸在临场感视觉中进行操作。
图2是操作者行为感知子系统示意图。操作者行为感知子系统由操作者手部行为感知模块和操作者臂部行为感知模块两部分组成。操作者手部行为感知模块主要是由操作者手势识别腕表33和安装在行为感知计算机9内的手势识别算法组成。操作者手势识别腕表33具体是指一种基于肌电信号的操作者手势识别腕表，该腕表通过表面肌电信号(sEMG)传感器采集操作者的肌电信号获取操作信息，通过操作者手势识别算法对操作手势进行实时的判读，从而得到操作员的操作手势。
手势识别腕表33提取操作者的肌电信号并进行预处理，传递给行为感知计算机9，通过手势识别算法给出当前的操作手势。
操作者臂部运动感知模块由电磁跟踪传感器5、天线7以及信号处理器8构成。一定数目的电磁跟踪传感器5根据分布在不同的位置固连在人的手臂上，该传感器接收由天线7发出的电磁信号，由信号处理器8取两者的相位差得到传感器5相对于天线7的笛卡尔空间下的位姿，传感器的位姿传递给行为感知计算机9，由行为感知计算机9通过预装的臂部运动感知算法解算出操作者10的手臂位姿。操作者臂部操作力感知模块是由若干个以布置在操作者10手臂上的操作力感知肌电腕表6以及预装在行为感知计算机9内的操作力感知算法软件组成，其工作原理与操作者手部行为感知装置类似，但由于操作力感知肌电腕表6的布置位置以及感知算法的不同，这里提取的是操作者10臂部的操作力信息，从而实现了操作力的前馈，避免了由于力信息反馈导致的遥操作系统的稳定性问题。以上信息均通过人机交互子系统2传递到空间操作地面模拟子系统4中。
图3是人机交互子系统示意图，是对图1中模拟天地通信链路2的展开。所述的人机交互子系统主要由模拟天地通信链路和空间状态显示器组成。模拟天地通信链路由两条互为备份的通信链路组成，一路通过光纤连接操作者行为感知子系统和空间操作地面模拟子系统，一路通过无线方式连接，两者可切换。空间状态显示器作为网络中的一个组件，通过一个图形工作站连接在操作者行为感知子系统端的交换机上。所述的人机交互子系统为系统提供信息传递和视觉临场感服务。本实施例中，分别布置在空间操作模拟子系统端的1#交换机13和操作者行为感知子系统端的2#交换机15通过1#光纤转发器14和2#光纤转发器16分别经两路通信链路进行连接。一路通过两芯单模光纤直接连接；另一路通过两芯单模光纤连接室外的1#无线网桥17和2#无线网桥20，经过天线馈线，通过两路天线(1#天线18和2#天线19)进行连接。空间操作模拟子系统端和操作者行为感知子系统端均布置有1#监控摄像头11和2#监控摄像头12，有1#监控摄像头11和2#监控摄像头12分别与1#交换机13和2#交换机15相连。
图4所示的空间操作地面模拟子系统由空间操作监控计算机30、模拟服务星31、模拟目标星32和大理石气浮平台21等组成。所述模拟服务星31包括模拟服务星本体23以及气浮装置24，模拟服务星气浮装置24产生浮力使模拟服务星本体23悬浮在大理石气浮平台21上。所述模拟目标星32包括模拟目标星本体22以及气浮装置24，气浮装置24产生浮力使模拟目标星本体22悬浮在大理石气浮平台21，以此来模拟空间微重力环境。所述的模拟服务星以及服务星卫星本体由结构电池一体化分系统、推进分系统、姿态与轨道控制分系统以及测控分系统等组成，其中模拟服务星的有效载荷为空间机械臂25，模拟服务星的有效载荷为故障帆板模拟装置26。所述的模拟目标星和服务星可通过推进分系统和姿态与轨道控制分系统完成自主交会对接模拟实验。所述的模拟服务星的空间机械臂通过对所述的模拟目标星的故障帆板模拟装置展开操作，打开故障帆板，完成在轨服务技术演示验证任务。
气浮装置24由气瓶、缓冲集气模块、截止阀、减压阀、进气阀、放气阀、气足、气路管线等组成，其工作原理如下：贮存于气浮装置气瓶中的高压气体，经过截止阀、减压阀，通过气路管线到达缓冲集气模块后，经气足排出，产生浮力从而抵消模拟卫星所受重力。
模拟服务星的卫星本体23中的有效载荷空间机械臂如图4中的25所示，模拟目标星卫星本体23中的有效载荷故障帆板模拟装置如图4中的26所示。空间操作任务开始后，模拟服务星通过视觉导航相机27观测模拟目标星的光学靶标28实时获取模拟服务星31相对于模拟目标星32的相对位姿，通过姿态与轨道控制分系统完成与目标星的自主交会对接。交会对接完成后，接收经由空间操作监控计算机30和无线通信模块29转发的操作行为信息，开展帆板故障解除实验。实验开始后，空间机械臂25对故障帆板模拟装置26实施操作，完成故障帆板的展开操作，利用该操作任务，可以验证空间遥操作技术的可行性，为实际的空间在轨操作任务奠定基础。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该提出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统，其特征在于，包括操作者行为感知子系统、人机交互子系统和空间操作地面模拟子系统；人机交互子系统包括模拟天地通信链路和空间状态显示器；空间操作地面模拟子系统包括模拟服务星、模拟目标星以及气浮装置；
所述操作者行为感知子系统用于采集操作者的操作行为信息，然后通过模拟天地通信链路将该操作行为信息传递给空间操作地面模拟子系统，由空间操作地面模拟子系统中的模拟服务星复现操作者行为，对模拟目标星实施相应操作行为；空间操作模拟子系统通过天地通信链路将空间状态信息通过模拟天地通信链路传递到空间状态显示器，空间状态显示器将该空间状态信息转换为三维立体图形，实时渲染后将该图形信息传递给操作者。
2.根据权利要求1所述的基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统，其特征在于，所述操作者行为感知子系统包括行为感知计算机、操作者手部行为感知模块和操作者臂部行为感知模块；
操作者手部行为感知模块通过表面肌电信号传感器采集操作者手腕位置的肌电信号获取操作信息，行为感知计算机通过预装的操作者手势识别算法对操作手势进行实时的判读，从而得到操作员的操作手势信息；
操作者臂部行为感知模块包括操作员臂部运动感知单元和操作员操作力感知单元，所述操作员臂部运动感知单元实时采集操作员臂部的位置信息获取手臂的实时位姿；所述操作员操作力感知单元实时采集操作员臂部的表面肌电信号后通过操作力提取算法获得操作者的操作力信息；
操作者手部行为感知模块输出的操作手势信息、操作者臂部行为感知模块输出的手臂实时位姿信息以及操作力信息通过模拟天地通信链路传递给空间操作地面模拟子系统。
3.根据权利要求2所述的基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统，其特征在于，所述操作员臂部运动感知单元包括电磁跟踪传感器、天线以及信号处理器，若干个电磁跟踪传感器固定在操作者手臂的不同的位置，电磁跟踪传感器接收由天线发出的电磁信号，由信号处理器获取两者的相位差得到电磁跟踪传感器相对于天线的笛卡尔空间下的位姿，电磁跟踪传感器的位姿传递给行为感知计算机，由行为感知计算机通过预装的臂部运动感知算法解算出操作者的手臂位姿；
操作员操作力感知单元包括若干个布置在操作者手臂上的操作力感知肌电腕表，操作力感知肌电腕表采集操作员臂部的表面肌电信号并将该信号船体给行为感知计算机，行为感知计算机通过预装的操作力感知算法获得操作者的操作力信息。
4.根据权利要求1所述的基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统，其特征在于，所述模拟天地通信链路由两条互为备份的通信链路组成，一路通过光纤连接操作者行为感知子系统和空间操作地面模拟子系统，一路通过无线方式连接操作者行为感知子系统和空间操作地面模拟子系统，两者可切换。
5.根据权利要求1所述的基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统，其特征在于，所述的空间操作地面模拟子系统包括空间操作监控计算机、模拟服务星、模拟目标星、大理石气浮平台；空间操作监控计算机接收所述操作者行为感知子系统输出的操作行为信息，并将该信息无线传输给模拟服务星，控制模拟服务星其空间机械臂实施对模拟目标星的故障帆板模拟装置的故障解除操作；所述模拟服务星包括模拟服务星本体以及模拟服务星气浮装置，模拟服务星气浮装置产生浮力使模拟服务星本体悬浮在大理石气浮平台上；所述模拟目标星包括模拟目标星本体以及模拟目标星气浮装置，模拟目标星气浮装置产生浮力使模拟目标星本体悬浮在大理石气浮平台，以此来模拟空间微重力环境；
模拟服务星用于模拟具有在轨操作和服务能力的航天器，所述模拟服务星上设置有空间机械臂，其通过测量模拟目标星之间的相对位姿，实现模拟服务星向模拟目标星的自主逼近和交会对接，交会对接完成后，模拟服务星接收来自操作者行为感知子系统的操作行为信息，空间机械臂模拟操作者的操作行为进行模拟目标星的在轨故障解除操作；
所述模拟目标星用于模拟具有在轨故障的航天器，所述模拟目标星上设置有故障帆板模拟装置,其作用是模拟帆板由于连接铰链卡住而无法展开的故障，从而给模拟服务星实施在轨故障解除操作提供对象。
6.根据权利要求5所述的基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统，其特征在于，模拟服务星气浮装置包括储存有压缩气体的气瓶，所述气瓶通过输气管路连接气足，气足将气瓶内的压缩空气喷出产生推力进而将模拟服务星悬浮在大理石气浮平台上，模拟微重力环境；
模拟目标星气浮装置包括储存有压缩气体的气瓶，所述气瓶通过输气管路连接气足，气足将气瓶内的压缩气体喷出产生推力进而将模拟目标星悬浮在大理石气浮平台上，模拟微重力环境。
7.根据权利要求6所述的基于人在回路的空间遥操作技术地面验证系统，其特征在于，在模拟服务星气浮装置以及模拟目标星气浮装置中的气瓶与气足之间的输气管路上设置有缓冲集气模块、截止阀、减压阀、进气阀以及放气阀，贮存于气瓶中的高压气体，经过截止阀、减压阀，通过输气管路到达缓冲集气模块后，经气足排出，产生浮力从而抵消模拟卫星所受重力。
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