專利名稱：同步控制遙操作系統及方法
技術領域：
本發明屬于空間遙操作控制模式技術領域，具體為基于地面集成的空間系統模型獲取空間機器人同步模擬狀態，實施連續、實時遙操作的控制系統及其方法。
背景技術：
空間遙操作技術通過地面操作者操縱在軌空間機器人完成空間操作任務，是地面操作者智能和行為向空間延伸和拓展的有力手段。1967年美國的Surveyor III月球登陸器成功完成了月球表面土壤采集及力測量任務，成為人類應用空間機器人遙操作技術的首例。此后的二十余年間，對空間遙操作技術的研究主要停留于理論層面，期間T. Sheridan,L. Penin和M. Spong等人的工作具有代表性。進入20世紀90年代，由于新的空間操作任務需求不斷涌現，以及遙操作相關關鍵技術相繼突破，空間遙操作技術得到了空前的發展，各國陸續開展了一系列在軌試驗，包括以日本的工程試驗星7號、美國的軌道快車等為代表 的近地軌道自由飛行空間機器人遙操作試驗，以德國的Rotex和R0KVISS等為代表的宇航艙內空間機械臂遙操作試驗，和以美國的“勇氣”號、“機遇”號火星車等為代表的行星表面巡視勘察試驗等。我國也自20世紀90年代起開始進行相關研究，陸續構建了空間遙操作驗證系統，開展了地面模擬驗證試驗。業已開展的在軌試驗為空間遙操作技術研究積累了豐富的實踐經驗，形成了多種技術特點鮮明的控制模式，主要包括自主、遙編程和主從等3類。上述三類傳統遙操作控制模式或是將決策環節置于空間機器人(自主遙操作)，由于空間機器人有限的智能水平降低了遙操作的魯棒性；或是將決策環節置于操作者(遙編程遙操作和主從遙操作)，由于操作者有限的響應速度降低了遙操作的實時性；因此均不能同時滿足遙操作高魯棒性和強實時性的雙重要求，這是傳統遙操作控制模式的主要缺陷。

發明內容
本發明的目的在于提出一種同步控制遙操作系統及方法，其基本思想是在地面構建空間系統的等效模型，對空間系統進行同步仿真；地面系統根據同步仿真狀態自動生成遙控指令，通過對等效模型的同步控制完成對空間機器人的自動控制，從而既將操作者從機器人執行閉環中分離出來以提高實時性，又依靠地面系統的智能彌補空間機器人自主能力的不足。本發明采用如下技術方案一種同步控制遙操作系統，包括操作者、地面控制中心、空間系統，以及上、下行信道；所述操作者在線監督遙操作過程，并在必要時對遙操作實施干預；所述地面控制中心在地面構建空間系統的等效模型，并對上行時延進行實時預測；根據等效模型的同步仿真狀態生成空間機器人的遙控指令，同時接收并處理空間系統的反饋狀態，根據反饋狀態對遙控指令進行修正；為操作者的監督提供視覺信息，為操作者的必要干預提供人-機接口；所述空間系統，包括空間機器人和空間環境，空間機器人用于執行控制指令，完成操作任務；所述上、下行信道，用于溝通地面控制中心和空間系統的聯系。進一步的，所述地面控制中心包括(I)遙控指令終端，根據同步控制器輸出的空間系統同步仿真狀態和控制指令修正數據生成空間系統及其模型的實時控制指令，并為操作者干預遙操作過程提供人-機接Π ；(2)同步控制器，用于構建空間系統模型，實時預測上行時延，接收遙控指令終端輸出的實時控制指令和經下行數據處理模塊處理后的空間系統反饋狀態，生成空間系統的同步仿真狀態和控制指令的修正數據；(3)下行數據處理模塊，用于接收并處理空間系統反饋狀態，即對遙測和數傳數據進行解析，獲取空間系統實際狀態；(4)監控顯示模塊，根據下行數據處理模塊輸出的空間系統實際狀態，生成空間系統真實在軌視覺信息；根據同步控制器輸出的空間系統同步仿真狀態，生成空間系統模型的同步仿真視覺信息；為操作者監督遙操作過程提供界面和依據。
進一步的，所述同步控制器包括(I)空間系統模型，包括空間機器人模型和空間環境模型兩部分，用于生成空間系統的同步仿真狀態；(2)上行時延預測模塊，用于建立空間遙操作天地回路的上行時延狀態模型，預測未來上行時延值；(3)反饋控制器，用于根據同步仿真狀態和反饋真實狀態之間的誤差，計算遙操作實時控制指令的修正數據。一種同步控制遙操作方法，包括以下步驟步驟一，操作者啟動任務，開始同步控制遙操作；步驟二，地面控制中心建立空間系統模型；步驟三，地面控制中心實時預測上行時延值，生成與空間機器人接收指令近似同相的同步控制指令，以及驅動空間機器人運動的遙控指令；步驟四，空間系統模型接收并執行同步控制指令，生成與空間系統實際狀態近似同相的同步仿真狀態；步驟五，空間機器人接收并執行遙控指令，生成并反饋空間系統實際狀態；步驟六，地面控制中心根據空間系統反饋的實際狀態，生成實際空間系統虛擬場景；根據空間系統模型輸出的同步仿真狀態，生成空間系統的同步虛擬場景；步驟七，操作者根據實際空間系統虛擬場景和空間系統的同步虛擬場景在線監督遙操作過程，實施必要干預；步驟八，地面控制中心根據同步仿真狀態和空間系統反饋的實際狀態，生成遙控指令的修正量，返回至步驟三。上述空間遙操作系統及方法通過空間系統模型對實際空間系統的同步仿真，自動生成遙控指令，并根據模型的同步仿真狀態和系統的真實反饋狀態修正遙控指令，從而用對地面系統的決策取代傳統遙操作模式對空間系統或對操作者決策的依賴，克服了傳統遙操作控制模式的不足，實現了空間操作任務實時性和魯棒性的統一。


圖I本發明提出的同步控制遙操作系統的原理結構圖。圖2本發明提出的同步控制遙操作系統同步控制器的原理結構圖。圖3本發明提出的同步控制遙操作方法的流程圖。圖4本發明實施例中同步控制遙操作方法的應用對象——平面三自由度串聯連桿空間操作臂的基本構型。圖5本發明實施例中空間遙操作上行時延的測量值。圖6本發明實施例中應用非高斯自回歸模型預測方法獲得的空間遙操作上行時 延預測結果。圖7本發明實施例中應用同步控制遙操作控制方法獲得的空間操作臂末端執行器位置誤差曲線。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。如圖I所示，本發明所述同步控制遙操作系統包括操作者、地面控制中心、空間系統，以及上、下行信道。操作者為實際操作人員，其在線監督遙操作過程；當空間系統實際狀態與預期狀態偏差較大，或者系統狀態存在較大風險，或者發生其它操作錯誤時，操作者通過遙控指令終端和上行信道向空間系統發送操作暫停指令，從而對遙操作過程實施必要的在線干預。所述地面控制中心通過在地面構建空間系統的等效模型，并對上行時延進行實時預測，從而實現對空間系統的同步仿真；根據等效模型的同步仿真狀態生成空間機器人的遙控指令，同時接收并處理空間系統的反饋狀態，根據反饋狀態對遙控指令進行修正；為操作者的監督提供視覺信息，為操作者的必要干預提供人-機接口。所述空間系統，包括空間機器人和空間環境，空間機器人用于執行控制指令，完成操作任務；所述上、下行信道，用于溝通地面控制中心和空間系統的聯系。其中地面控制中心具體包括(I)遙控指令終端，根據同步控制器輸出的空間系統同步仿真狀態和控制指令修正數據生成空間系統及其模型的實時控制指令，并為操作者干預遙操作過程提供人-機接Π ；(2)同步控制器，用于構建空間系統模型，實時預測上行時延，接收遙控指令終端輸出的實時控制指令和經下行數據處理模塊處理后的空間系統反饋狀態，生成空間系統的同步仿真狀態和控制指令的修正數據；(3)下行數據處理模塊，用于接收并處理空間系統反饋狀態，即對遙測和數傳數據進行解析，獲取空間系統實際狀態；(4)監控顯示模塊，根據下行數據處理模塊輸出的空間系統實際狀態，生成空間系統真實在軌視覺信息；根據同步控制器輸出的空間系統同步仿真狀態，生成空間系統模型的同步仿真視覺信息；為操作者監督遙操作過程提供界面和依據。
其中，同步控制器的結構如圖2所示，具體包括(I)空間系統模型，包括空間機器人模型和空間環境模型兩部分，用于生成空間系統的同步仿真狀態；其中，空間機器人模型包括空間機器人的路徑規劃模型、運動學模型和動力學模型，可選用C、Matlab等編程語言具體實現；空間機器人模型和空間環境模型的建模技術較為成熟，其具體實現方式不應構成對本發明的限制；(2)上行時延預測模塊，準確的上行時延預測是空間系統模型進行同步仿真的前提，所述的上行時延預測模塊用于建立空間遙操作天地回路的上行時延狀態模型，預測未來上行時延值；上行時延預測模塊可以選用自回歸模型預測、最大熵準則預測、稀疏多元線性自回歸模型預測、非高斯自回歸模型預測方法等多種方法具體實現，其具體實現方法較為成熟，其具體實現方式不應構成對本發明的限制；其中，非高斯自回歸模型預測方法可參見文獻〈〈The Stochastic Time Delay Model and Prediction for Space Teleoperation))(Hu Tianjian, Huang Xuexiang, Tan Qian. Space0ps-2012 Conference, Stockholm,Sweden, June 12-15，2012, AIAA.)。
( 3 )反饋控制器，用于根據同步仿真狀態和反饋真實狀態之間的誤差，計算遙操作實時控制指令的修正數據；反饋控制器可以選用PID算法、自抗擾控制算法、無源性理論算法等多種控制算法具體實現，其具體實現方法較為成熟，其具體實現方式不構成對本發明的限制。同步控制遙操作系統的工作流程如圖3所示，具體步驟為步驟一，操作者通過遙控指令終端啟動任務，同步控制遙操作開始；步驟二，遙控指令終端收到任務啟動命令，于Ti時刻生成并輸出實時控制指令序列，一路送至同步控制器，另一路經上行信道送至空間機器人；步驟三，同步控制器于Ti時刻接收控制指令序列，開始工作控制指令序列經上行時延預測值延遲Ak，得到與空間機器人接收指令近似同相的同步控制指令；空間機器人模型于Ti+Δ ι時刻接收并執行同步控制指令，于Ti+Δ υ時刻輸出與空間機器人狀態近似同相的同步仿真狀態；步驟四，Τι+Δ !時刻同步控制器生成的同步仿真狀態一路反饋至遙控指令終端，由遙控指令終端自動生成新的控制指令序列；一路送至反饋控制器模塊；另一路送至監控顯示模塊；步驟五，遙控指令終端生成的實時控制指令經上行時延Λ tu延遲，于Ti+ Λ tu時刻送至空間機器人，由空間機器人執行指令；步驟六，空間機器人真實狀態經下行時延Λ td延遲，于Ti+ Δ tu+ Δ td時刻送至地面控制中心進行下行數據處理，處理結果一路送至遙控指令終端，另一路送至監控顯示模塊；步驟七，Ti+Δ tu+Δ td時刻，同步控制器中的反饋控制器將Ti+Δ υ時刻收到的同步仿真狀態與Ti+Atu+Atd時刻收到的空間機器人真實狀態做差，生成的狀態誤差經反饋控制算法運算生成反饋控制數據，并于Ti+ Δ tu+ Δ td時刻作為控制修正量反饋至遙控指令終端，調整下一時刻的控制指令；步驟八，監控顯示模塊于Ti ■ .\tu時刻接收同步控制器生成的同步仿真狀態，生成與空間機器人Ti+ Δ tu時刻近似同步的虛擬場景；于Ti+ Λ tu+ Δ td時刻接收空間機器人反饋的真實在軌狀態，生成實際空間機器人延遲的虛擬場景；步驟九，操作者根據監控顯示模塊給出的虛擬視覺信息監督遙操作過程，必要時通過遙控指令終端對任務實施干預。下面以一類平面三自由度串聯連桿空間操作臂為對象，說明本發明同步控制器的一種優選實現方式。所述空間操作臂的基本構型如圖4所示。建立基礎坐標系X1Y1Z1和各連桿固聯坐標系XiYiZi (1=2 4)，連桿長度為&1 (i=l 3 )，關節轉角為Qi (i=f 3)，末端執行器在基礎坐標系中的坐標為P (Px，Py)，角度為Ψ，連桿動力學參數由下表給出。
權利要求
1.一種同步控制遙操作系統，其特征在于，包括操作者、地面控制中心、空間系統，以及上、下行信道； 所述操作者在線監督遙操作過程，并在必要時對遙操作實施干預； 所述地面控制中心在地面構建空間系統的等效模型，并對上行時延進行實時預測；根據等效模型的同步仿真狀態生成空間機器人的遙控指令，同時接收并處理空間系統的反饋狀態，根據反饋狀態對遙控指令進行修正；為操作者的監督提供視覺信息，為操作者的必要干預提供人-機接口； 所述空間系統，包括空間機器人和空間環境，空間機器人用于執行控制指令，完成操作任務； 所述上、下行信道，用于溝通地面控制中心和空間系統的聯系。
2.根據權利要求I所述的同步控制遙操作系統，其特征在于，所述地面控制中心包括 (1)遙控指令終端，根據同步控制器輸出的空間系統同步仿真狀態和控制指令修正數據生成空間系統及其模型的實時控制指令，并為操作者干預遙操作過程提供人-機接口 ； (2)同步控制器，用于構建空間系統模型，實時預測上行時延，接收遙控指令終端輸出的實時控制指令和經下行數據處理模塊處理后的空間系統反饋狀態，生成空間系統的同步仿真狀態和控制指令的修正數據； (3)下行數據處理模塊，用于接收并處理空間系統反饋狀態，即對遙測和數傳數據進行解析，獲取空間系統實際狀態； (4)監控顯示模塊，根據下行數據處理模塊輸出的空間系統實際狀態，生成空間系統真實在軌視覺信息；根據同步控制器輸出的空間系統同步仿真狀態，生成空間系統模型的同步仿真視覺信息；為操作者監督遙操作過程提供界面和依據。
3.根據權利要求2所述的同步控制遙操作系統，其特征在于，所述同步控制器包括 (1)空間系統模型，包括空間機器人模型和空間環境模型兩部分，用于生成空間系統的同步仿真狀態； (2)上行時延預測模塊，用于建立空間遙操作天地回路的上行時延狀態模型，預測未來上行時延值； (3 )反饋控制器，用于根據同步仿真狀態和反饋真實狀態之間的誤差，計算遙操作實時控制指令的修正數據。
4.一種同步控制遙操作方法，包括以下步驟 步驟一，操作者啟動任務，開始同步控制遙操作； 步驟二，地面控制中心建立空間系統模型； 步驟三，地面控制中心實時預測上行時延值，生成與空間機器人接收指令近似同相的同步控制指令，以及驅動空間機器人運動的遙控指令； 步驟四，空間系統模型接收并執行同步控制指令，生成與空間系統實際狀態近似同相的同步仿真狀態； 步驟五，空間機器人接收并執行遙控指令，生成并反饋空間系統實際狀態； 步驟六，地面控制中心根據空間系統反饋的實際狀態，生成實際空間系統虛擬場景；根據空間系統模型輸出的同步仿真狀態，生成空間系統的同步虛擬場景； 步驟七，操作者根據實際空間系統虛擬場景和空間系統的同步虛擬場景在線監督遙操作過程，實施必要干預； 步驟八， 地面控制中心根據同步仿真狀態和空間系統反饋的實際狀態，生成遙控指令的修正量，返回至步驟三。
全文摘要
本發明屬于空間遙操作技術領域，公開了一種同步控制遙操作系統及方法。該系統包括操作者、地面控制中心、空間系統，以及上、下行信道。其中，地面控制中心構建空間系統模型，并對上行時延進行實時預測；根據模型的同步仿真狀態生成空間機器人的遙控指令，同時接收并處理空間系統的反饋狀態，根據反饋狀態對遙控指令進行修正。該方法通過在地面構建空間系統的等效模型，對空間系統進行同步仿真；并根據同步仿真狀態自動生成遙控指令，通過對等效模型的同步控制完成對空間機器人的自動控制。相比傳統空間遙操作模式，本發明采用地面系統的決策取代了傳統模式對空間系統或對操作者決策的依賴，兼顧了空間操作任務實時性和魯棒性的雙重要求。
文檔編號G05B17/02GK102880063SQ201210338848
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者胡天健, 黃學祥, 譚謙 申請人:中國人民解放軍63921部隊