CN110480657A - 一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统 - Google Patents

一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统 Download PDF

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Abstract

本发明一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，包括软件系统和硬件系统；软件系统包括星上系统、地面测控系统以及地面指令生成与视景仿真系统；硬件系统包括六自由度气浮台、五自由度气浮台、多自由度灵巧操作机械臂、双目相机和激光测量敏感器、消旋与捕获工具、Omega‑7操作手柄和驱动踏板、台上台下控制器；本发明采用虚拟现实技术，动态、实时地虚拟还原空间目标和机械臂之间的动态三维环境，解算出机械臂与周围环境的是否相交等信息，并可以通过键盘输入等方式，实现动态三维环境不同观察视角的切换，为机械臂遥操作控制提供可视化平台。

Description

一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统
技术领域
本发明涉及一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，属于仿真系统领域。
背景技术
目前，空间机器人系统主要分为自主操作和遥操作两种基本操作方式。自主操作即机器人根据自己的判断完成相应的任务，工作时不需要操作者发送控制指令，可以代替人类进行工作，然而受限于星上计算机水平和人工智能技术，自主操作仅限于应用在结构化环境中。对于复杂的空间环境，利用自主操作很难完成空间中的作业任务，因此空间机器人的作业任务主要通过遥操作方式来完成。遥操作方式可以将人类的智能与机器人的精确有机的结合在一起，操作人员通过反馈传感器信息感知机器人的状态，再根据人类精确的判断和决策对机器人进行遥控，使得操控更为准确，再配合临场感技术，使操作人员可以获得逼真的临场感，从而有效地完成作业任务。地面遥控一般用于水下和核环境中的非重复性任务，对工作环境了解较多，并且一般限制在实时人工控制范围内。与之相比，空间遥操作任务环境模型不完整，天地通信时延影响也较明显，因此，需要构建一种安全、可靠、方便、经济的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统设计，该方法结合卫星搭载产品特性、通信协议、天地回路特点，将遥控和星上自主技术相结合，基于星上遥测和地面遥控，利用地面操作控制器远程完成对空间灵巧操控系统的执行任务过程控制。
本发明的技术方案是：一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，包括软件系统和硬件系统；
软件系统包括星上系统、地面测控系统以及地面指令生成与视景仿真系统；通过星上系统将测量数据经地面测控系统传输至地面指令生成与视景仿真系统，地面生成的指令又经地面测量系统传输至星上系统，星上系统按照指令执行操作任务；
硬件系统包括六自由度气浮台、五自由度气浮台、多自由度灵巧操作机械臂、双目相机和激光测量敏感器、消旋与捕获工具、Omega-7操作手柄和驱动踏板、台上台下控制器；六自由度气浮台用于模拟任务星本体；五自由度气浮台用于模拟目标星本体；多自由度灵巧操作机械臂放置于六自由度气浮台上，用于完成对目标的抓捕与维修操作；双目相机和激光测量敏感器放置于六自由度气浮台上，实现对目标的成像，供地面操作人员监控星上状态；消旋与捕获工具安装在灵巧操作机械臂的末端，实现对目标的消旋与捕获；Omega-7操作手柄和驱动踏板用于对六自由度气浮台上灵巧操作机械臂的遥控；台上台下控制器，作为遥操作系统程序的载体，负责数据计算与图形显示。
所述星上系统包括有数传分系统、灵巧操控子系统和机械臂控制指令子系统；数传分系统负责数据的下传与接收；灵巧操控子系统负责对目标进行操作；机械臂控制指令子系统负责驱动灵巧操控子系统对目标进行维修。
所述地面测控系统包括数传系统接收解调子系统和测控数据接收解调子系统；数传系统接收解调子系统负责接收星上数传分系统的下传数据，并向地面指令生成与视景仿真系统提供数据；测控数据接收解调子系统负责与地面指令生成与视景仿真系统进行数据交互。
所述地面指令生成与视景仿真系统包括视觉处理及分析子系统、遥测数据处理子系统、遥操作控制子系统、控制指令自动生成子系统、三维视景仿真及运动预测仿真子系统和空间操作任务仿真模拟器。
所述视觉处理子系统及分析子系统负责数传数据图像及视频数据的解调显示、目标特征提取、相对位姿测量、星图匹配，并作为遥操作控制子系统和三维视景仿真及运动预测仿真子系统的输入。
目标特征提取：采用Snake主动轮廓方法，以构成一定形状的控制点为模板或者轮廓线，通过模板或者轮廓线自身的弹性形变与图像局部特征进行匹配以达到调和程度，即通过采用能量函数极小化分割目标物体图像，通过分析模板或者轮廓线，实现目标特征提取与识别。
遥测数据处理子系统负责遥测数据的接收、解码、显示与分发，对机械臂运动情况进行判读，并作为遥操作控制子系统和三维视景仿真及运动预测仿真子系统的输入。
遥操作控制子系统接收视觉处理及分析子系统和遥测数据处理子系统的数据，负责完成控制器的驱动控制、碰撞检测、路径规划、故障重组控制以及运动的安全性判断，并作为控制指令自动生成子系统和空间操作任务仿真模拟器的输入。
所述碰撞检测，即检测在三维空间中两凸面体是否重叠、相交或分离，由明可夫斯基和进行求解获得；也即判断明科夫斯差是否包含原点；如果包含原点，物体之间就相交，否则，则不相交；当机械臂运动过程中与自身及周边环境相交时，其越过相交的关节部分会以红色高亮不断闪烁以提醒操作人员可能有碰撞发生。
路径规划的具体过程为：当已知工作空间中的一条无碰路径，由路径上的多个关节向量描述为q1,q2,...qj,...,qN，其中即在点j处的7个关节角位置；wm为各个关节运动的最大角速度，tp为每帧的时间间隔，给定以上条件，需要在第i个关节的路径点与线性插入n个点使满足机械臂运动能力的要求；其中即可给出机械臂的一条无碰轨迹。
所述控制指令自动生成子系统负责生成遥控指令，发送至地面测控系统与三维视景仿真及运动预测仿真子系统。
所述三维视景仿真及运动预测仿真子系统负责任务卫星及目标卫星的在轨操控任务视景仿真，实现机械臂操作的虚拟仿真显示，评估路径规划与碰撞检测等控制算法的有效性，为机械臂控制提供可视化平台。
所述空间操作任务仿真模拟器负责任务星及目标星在轨姿轨控及机械臂空间操作过程的动态仿真。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)采用虚拟现实技术，动态、实时地虚拟还原空间目标和机械臂之间的动态三维环境，解算出机械臂与周围环境的是否相交等信息，并可以通过键盘输入等方式，实现动态三维环境不同观察视角的切换，为机械臂遥操作控制提供可视化平台。
(2)采用碰撞检测与路径规划技术，系统需要根据Omega-7操作手柄下发的控制指令，实时地在关节空间规划出机械臂的运动轨迹，保证机械臂运行的安全和平稳。并根据机械臂当前状态，在线进行碰撞检测，实时显示机械臂末端和被操作对象的距离等信息。
(3)为克服信号传输产生的时延，对空间目标和机械臂构成的动态三维环境进行预估，根据测量得到的空间目标的运动状态及其特性，建立空间目标运动模型，预估其运动状态，通过机械臂图像和机械臂指令来预估机械臂运动状态，实现了机械臂运动目标位置的精确预测。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图；
具体实施方式
如图1所示，本发明一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，包括软件系统和硬件系统；软件系统包括星上系统、地面测控系统以及地面指令生成与视景仿真系统；通过星上系统将测量数据经地面测控系统传输至地面指令生成与视景仿真系统，地面生成的指令又经地面测量系统传输至星上系统，星上系统按照指令执行操作任务；硬件系统包括六自由度气浮台、五自由度气浮台、多自由度灵巧操作机械臂、双目相机和激光测量敏感器、消旋与捕获工具、Omega-7操作手柄和驱动踏板、台上台下控制器；六自由度气浮台用于模拟任务星本体；五自由度气浮台用于模拟目标星本体；多自由度灵巧操作机械臂放置于六自由度气浮台上，用于完成对目标的抓捕与维修操作；双目相机和激光测量敏感器放置于六自由度气浮台上，实现对目标的成像，供地面操作人员监控星上状态；消旋与捕获工具安装在灵巧操作机械臂的末端，实现对目标的消旋与捕获；Omega-7操作手柄和驱动踏板用于对六自由度气浮台上灵巧操作机械臂的遥控；台上台下控制器，作为遥操作系统程序的载体，负责数据计算与图形显示。
星上系统包括有数传分系统、灵巧操控子系统和机械臂控制指令子系统；数传分系统负责数据的下传与接收；灵巧操控子系统负责对目标进行操作；机械臂控制指令子系统负责驱动灵巧操控子系统对目标进行维修。
地面测控系统包括数传系统接收解调子系统和测控数据接收解调子系统；数传系统接收解调子系统负责接收星上数传分系统的下传数据，并向地面指令生成与视景仿真系统提供数据；测控数据接收解调子系统负责与地面指令生成与视景仿真系统进行数据交互。
地面指令生成与视景仿真系统包括视觉处理及分析子系统、遥测数据处理子系统、遥操作控制子系统、控制指令自动生成子系统、三维视景仿真及运动预测仿真子系统和空间操作任务仿真模拟器。
视觉处理子系统及分析子系统负责数传数据图像及视频数据的解调显示、目标特征提取、相对位姿测量、星图匹配，并作为遥操作控制子系统和三维视景仿真及运动预测仿真子系统的输入。
目标特征提取：采用Snake主动轮廓方法，以构成一定形状的控制点为模板或者轮廓线，通过模板或者轮廓线自身的弹性形变与图像局部特征进行匹配以达到调和程度，即通过采用能量函数极小化分割目标物体图像，通过分析模板或者轮廓线，实现目标特征提取与识别。
遥测数据处理子系统负责遥测数据的接收、解码、显示与分发，对机械臂运动情况进行判读，并作为遥操作控制子系统和三维视景仿真及运动预测仿真子系统的输入。
遥操作控制子系统接收视觉处理及分析子系统和遥测数据处理子系统的数据，负责完成控制器的驱动控制、碰撞检测、路径规划、故障重组控制以及运动的安全性判断，并作为控制指令自动生成子系统和空间操作任务仿真模拟器的输入。
所述碰撞检测，即检测在三维空间中两凸面体是否重叠、相交或分离，由明可夫斯基和进行求解获得；
明可夫斯基和概念为两物体间所有点的和集，表示为：A+B＝{a+b|a∈A,b∈B}，其中A，B表示两凸面体，a，b表示凸面体的顶点坐标；若两个物体都是凸面体，其明可夫斯基和也是凸面体；等同的得到明可夫斯基差的概念即：A-B＝{a-b|a∈A,b∈B}；若两凸面体重叠或相交，则他们的明科夫斯差构成的心的凸面体肯定包括原点；因此碰撞检测即判断明科夫斯差是否包含原点。如果包含原点，物体之间就相交，否则，则不相交。当机械臂运动过程中与自身及周边环境相交时，其越过相交的关节部分会以红色高亮不断闪烁以提醒操作人员可能有碰撞发生。
路径规划的具体过程为：当已知工作空间中的一条无碰路径，由路径上的多个关节向量描述为q1,q2,...qj,...,qN，其中即在点j处的7个关节角位置。wm为各个关节运动的最大角速度，tp为每帧的时间间隔，给定以上条件，需要在第i个关节的路径点与线性插入n个点使满足机械臂运动能力的要求。其中即可给出机械臂的一条无碰轨迹。
控制指令自动生成子系统负责生成遥控指令，发送至地面测控系统与三维视景仿真及运动预测仿真子系统。
三维视景仿真及运动预测仿真子系统负责任务卫星及目标卫星的在轨操控任务视景仿真，实现机械臂操作的虚拟仿真显示，评估路径规划与碰撞检测等控制算法的有效性，为机械臂控制提供可视化平台。
空间操作任务仿真模拟器负责任务星及目标星在轨姿轨控及机械臂空间操作过程的动态仿真。
试验过程如下：
(1)地面测控系统通过对六自由度气浮台的数传与遥测数据的接收和解码，传输至地面指令生成与视景仿真系统，传输过程中加入时延，真实模拟天地通信链路的大时延。
(2)视觉处理子系统及分析子系统对数传数据图像及视频数据的解调显示、目标特征提取、相对位姿测量等计算分析，作为遥操作控制子系统和三维视景仿真及运动预测仿真子系统的输入，显示出机械臂手眼相机图像、机械臂三维视景图像，并将操作现场触觉力信息反馈到操作者的Omega-7手柄上。
(3)遥测数据处理子系统通过对遥测数据的接收、解码、显示与分发，并对机械臂运动情况进行判读，作为遥操作控制子系统和三维视景仿真及运动预测仿真子系统的输入。
(4)遥操作控制子系统接收视觉处理及分析子系统和遥测数据处理子系统的数据，负责完成控制器的驱动控制、路径规划、避障计算、故障重组控制以及运动的安全性判断。为克服信号传输产生的时延，对五自由度气浮台(目标)和灵巧操作机械臂构成的动态三维环境进行预估，根据测量得到目标的运动状态及其特性，建立空间目标运动模型，预估其运动状态，通过机械臂图像和机械臂指令来预估机械臂运动状态，作为控制指令自动生成子系统和空间操作任务仿真模拟器的输入；
(5)控制指令自动生成子系统根据遥操作控制子系统的数据，生成遥控指令，发送至地面测控系统与三维视景仿真及运动预测仿真子系统；
(6)三维视景仿真及运动预测仿真子系统采用虚拟现实技术，动态、实时地虚拟还原空间目标和机械臂之间的动态三维环境，解算出机械臂与周围环境的最短距离等信息，并可以通过键盘输入等方式，实现动态三维环境不同观察视角的切换，能够评估控制算法的有效性，为机械臂控制提供可视化平台。
(7)空间操作任务仿真模拟器负责任务星及目标星在轨姿轨控及机械臂空间操作过程的动态仿真，操作人员根据三维视景显示和Omega-7手柄上的力反馈信息，通过手柄发出控制指令，地面三维视景仿真环境根据控制指令进行运动规划，显示对应当前指令的机械臂构型、机械臂与周围环境的最短距离等，输出控制指令的碰撞检测结果。如果当前指令满足安全性要求时，通过遥控指令编码上行，星上机械臂执行地面指令；否则，立即停止遥控指令上行。
(8)六自由度气浮台上的灵巧操作机械臂根据地面操作人员的手柄运动指令，完成对失效卫星的消旋或抓捕。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：包括软件系统和硬件系统；
软件系统包括星上系统、地面测控系统以及地面指令生成与视景仿真系统；通过星上系统将测量数据经地面测控系统传输至地面指令生成与视景仿真系统，地面生成的指令又经地面测量系统传输至星上系统，星上系统按照指令执行操作任务；
硬件系统包括六自由度气浮台、五自由度气浮台、多自由度灵巧操作机械臂、双目相机和激光测量敏感器、消旋与捕获工具、Omega-7操作手柄和驱动踏板、台上台下控制器；六自由度气浮台用于模拟任务星本体；五自由度气浮台用于模拟目标星本体；多自由度灵巧操作机械臂放置于六自由度气浮台上，用于完成对目标的抓捕与维修操作；双目相机和激光测量敏感器放置于六自由度气浮台上，实现对目标的成像，供地面操作人员监控星上状态；消旋与捕获工具安装在灵巧操作机械臂的末端，实现对目标的消旋与捕获；Omega-7操作手柄和驱动踏板用于对六自由度气浮台上灵巧操作机械臂的遥控；台上台下控制器，作为遥操作系统程序的载体，负责数据计算与图形显示。
2.根据权利要求1所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：所述星上系统包括有数传分系统、灵巧操控子系统和机械臂控制指令子系统；数传分系统负责数据的下传与接收；灵巧操控子系统负责对目标进行操作；机械臂控制指令子系统负责驱动灵巧操控子系统对目标进行维修。
3.根据权利要求1所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：所述地面测控系统包括数传系统接收解调子系统和测控数据接收解调子系统；数传系统接收解调子系统负责接收星上数传分系统的下传数据，并向地面指令生成与视景仿真系统提供数据；测控数据接收解调子系统负责与地面指令生成与视景仿真系统进行数据交互。
4.根据权利要求1所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：所述地面指令生成与视景仿真系统包括视觉处理及分析子系统、遥测数据处理子系统、遥操作控制子系统、控制指令自动生成子系统、三维视景仿真及运动预测仿真子系统和空间操作任务仿真模拟器。
5.根据权利要求4所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：所述视觉处理子系统及分析子系统负责数传数据图像及视频数据的解调显示、目标特征提取、相对位姿测量、星图匹配，并作为遥操作控制子系统和三维视景仿真及运动预测仿真子系统的输入。
目标特征提取：采用Snake主动轮廓方法，以构成一定形状的控制点为模板或者轮廓线，通过模板或者轮廓线自身的弹性形变与图像局部特征进行匹配以达到调和程度，即通过采用能量函数极小化分割目标物体图像，通过分析模板或者轮廓线，实现目标特征提取与识别。
6.根据权利要求4所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：遥测数据处理子系统负责遥测数据的接收、解码、显示与分发，对机械臂运动情况进行判读，并作为遥操作控制子系统和三维视景仿真及运动预测仿真子系统的输入。
7.根据权利要求4所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：遥操作控制子系统接收视觉处理及分析子系统和遥测数据处理子系统的数据，负责完成控制器的驱动控制、碰撞检测、路径规划、故障重组控制以及运动的安全性判断，并作为控制指令自动生成子系统和空间操作任务仿真模拟器的输入。
8.根据权利要求7所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：所述碰撞检测，即检测在三维空间中两凸面体是否重叠、相交或分离，由明可夫斯基和进行求解获得；也即判断明科夫斯差是否包含原点；如果包含原点，物体之间就相交，否则，则不相交；当机械臂运动过程中与自身及周边环境相交时，其越过相交的关节部分会以红色高亮不断闪烁以提醒操作人员可能有碰撞发生。
9.根据权利要求7所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：路径规划的具体过程为：当已知工作空间中的一条无碰路径，由路径上的多个关节向量描述为q1,q2,...qj,...,qN，其中即在点j处的7个关节角位置；wm为各个关节运动的最大角速度，tp为每帧的时间间隔，给定以上条件，需要在第i个关节的路径点与线性插入n个点使满足机械臂运动能力的要求；其中即可给出机械臂的一条无碰轨迹。
10.根据权利要求4所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：所述控制指令自动生成子系统负责生成遥控指令，发送至地面测控系统与三维视景仿真及运动预测仿真子系统。
11.根据权利要求4所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：所述三维视景仿真及运动预测仿真子系统负责任务卫星及目标卫星的在轨操控任务视景仿真，实现机械臂操作的虚拟仿真显示，评估路径规划与碰撞检测等控制算法的有效性，为机械臂控制提供可视化平台。
12.根据权利要求4所述的一种复杂结构环境空间机器人天地遥操作系统，其特征在于：所述空间操作任务仿真模拟器负责任务星及目标星在轨姿轨控及机械臂空间操作过程的动态仿真。
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