时延下空间遥操作机器人系统工作模式研究

工作在人机交互方式下的遥操作机器人是实现空间作业的有力手段。首先介绍了空间遥操作机器人系统的构成与工作原理，然后提出了基于临场感遥控技术、虚拟现实技术与自主控制技术相结合的多种工作模式，用于实现在不同条件下时延空间遥操作机器人系统的作业任务，并讨论了工作模式选择的方法。最后经模拟实验系统验证了所提出的工作模式的有效性。     

自由飞行空间机器人遥操作三维预测仿真系统研究

三维预测仿真技术是目前解决大时延遥操作的主要方法,在空间机器人的遥操作中起着至关重要的作用。针对自由飞行空间机器人建立了一套遥操作三维预测仿真系统,并进行了地面演示验证。首先介绍了空间机器人系统及其遥操作分系统组成,以及图形预测仿真原理。然后详细介绍了遥操作分系统预测仿真子系统的开发,该子系统基于面向对象的思想和MVC(Model\|View\|Controller)模式进行设计,采用Java语言和Java3D图形库进行开发。仿真系统以空间机器人的运动学模型和动力学模型进行驱动,具有快速、准确的图形碰撞检测功能。最后建立了遥操作地面演示验证系统,进行了多次遥操作实验。结果表明了预测仿真子系统的有效性。
关键词:中图分类号：文献标识码：A 文章编号：DOI:     

空间机器人大时延遥操作技术研究综述

空间机器人是完成多种空间作业任务的主体,能否在地空间存在大时延情况下实现有效 的地面遥操作是发挥空间机器人作用的关键。从基于虚拟预测环境遥操作和双边遥操作 两个方面,对国内外空间机器人大时延遥操作技术研究进行了系统的综述和深入的分析,并 在此基础上提出了进一步的发展方向。
     

空间遥操作机器人系统控制参考模型

从分析智能系统中智能行为机制人手，研究了智能系统中自组织单元基本结构，基于智能工程中的集成单元结构，提出了遥操作机器人系统的递阶嵌套控制参考模型，并应用到遥操作空间机器人模拟实验中，完成了模拟舱内作业任务，验证了其实用性。     

基于虚拟现实的空间机器人遥操作在维护作业中的应用

研究了变时延遥操作环境下的预测仿真技术、基于虚拟现实的机器人遥操作系统组成、遥操作系统的自主学习技术和虚拟操作环境建模技术。开发了基于虚拟现实的机器人遥操作演示系统和自学习功能。实现了基于虚拟现实的临场感遥操作,在5～8s模拟时延条件下完成了推开故障太阳翼,擦拭受污染的镜头和拉动调整出现故障的卫星天线等作业。     

一种基于共享控制的双臂协同遥操作控制方法

针对双臂空间机器人精细操作任务，提出一种双臂协同遥操作共享控制方法。该方法将传统的遥操作四通道控制结构与共享控制相结合，通过在主从端控制器中加入优势因子，实现操作者与机器人左右操作手力和位置信息的双闭环反馈回路，并通过调节优势因子使主端的操作者对从端机械臂具有不同的控制权重，且主端操作者在协同操作时可以感受到对方的操作意图。通过CHAI 3D搭建的实验平台设计典型空间操作实验，并与单个操作者单独进行双手操作和双操作者分别操作单机械臂的情况对比。实验结果表明，本算法操作精度和效率较高，操作中的碰撞次数较少。     

一种面向在轨服务的空间遥操作人机交互方法

为了解决人在遥操作回路中,人与操作目标时空隔离、缺乏环境信息和天地回路大时延等实际问题,以及减少空间机器人缺乏自主智能性和操作者手抖颤等不利因素,针对空间在轨服务操作交互问题,提出一种基于增强虚拟安全通道(AVSC)的分层辅助遥操作(LAT)方法。首先,设计组合体增强虚拟安全通道,通过给主端操作者施加虚拟引导力辅助完成操作任务,与徒手操作相比,操作时间短、操作平稳;其次,设计分层辅助遥操作系统,通过获取空间机器人末端与期望轨迹上最近点之间的距离,在安全通道内划分不同的虚拟力场,辅助操作者更加灵活地操作。演示实验表明,该方法利用力触觉和视觉信息,引导操作者控制空间机器人末端运动至期望位置,可以有效地提高操作精度、减轻操作者心理压力和减少操作时间。     

基于递推差分进化算法的空间机器人参数辨识

针对空间机器人抓取未知目标时的特性参数以及关节摩擦系数的辨识和在线修正问题,提出一种基于递推差分进化算法的实时参数辨识方法。首先采用静态连续摩擦模型描述机器人的关节摩擦特性,并建立两关节空间机器人的非线性动力学模型,然后基于差分进化算法和递推最大似然估计法推导出递推差分进化算法,并用于空间机器人的参数辨识,最后仿真校验了该辨识方法的有效性。仿真结果表明,该算法的辨识精度优于遗传算法和最小二乘法,辨识速度较快,能满足遥操作的要求,且对于动态信息有较好的跟随性。     

一个面向遥科学实验的遥操作实验系统

在空间遥科学实验应用中,通信信道的传输延迟和有限带宽是大时延遥操作面临的关键问题。本文阐述了应用遥编程技术的遥操作系统的基本设计思想,介绍了遥操作实验系统的实现,给出了试验结果。     

具有力觉临场感的主从遥控机器人系统的双向控制

本文研究借助力觉临场感技术实现主从机器人遥操作的控制理论和设计方法，基于对控制系统的动力学分析，在力和运动的双向控制中采用力反射伺服型控制方案，实验结果表明了该方案的可行性，显示了在非结构性环境下临场感在增强人机交互能力方面的优越性。     

钡钨空心阴极等离子体放电模式实验研究

主要通过实验的手段,系统研究了钡钨空心阴极的等离子体放电特性及其工作模式。实验中,使空心阴极工作在三极管构型下,调节相应的放电参数,详细分析钡钨空心阴极放电特性的变化规律、存在的放电模式及其转化规律。最后得到结论：钡钨空心阴极放电表现为羽毛状、亮斑状和弥漫状等3种典型的工作模式;不同放电模式可以用放电电流、放电电压及其振荡特性进行判定和区分;随着放电参数的变化,几种放电模式之间可以相互转化。     

柔性航天器自由飞行状态系统基频的估算方法

首先分别采用部件模态和系统模态建立柔性航天器在轨运行状态下的动力学方程；重点推导了航天器系统模态与其部件模态之间的模态恒等式，得到了由部件模态计算系统模态频率的一般公式；然后结合目前航天器的常见构型，对一般公式进行合理简化，得到了估算航天器系统基频的简化公式；最后给出了简化公式的工程应用算例。     

固体推进剂多失效模式相关的贮存可靠性评估

对丁羧(CTPB)推进剂的自然贮存数据进行分析,采用多失效模式相关的可靠性模型,根据推进剂的抗拉强度变化、燃速变化和密度变化导致推进剂失效以及这3种失效模式之间的相关性,对推进剂的贮存可靠性进行了评估,得到了丁羧推进剂可靠寿命约为10 a的结论。结果表明,考虑失效模式之间的相关性时,丁羧推进剂的贮存可靠度大于假设失效模式相互独立按串联模型计算的贮存可靠度,小于单一失效模式贮存可靠度的最小值,结果更加合理可信。     

捆绑火箭模态的传递矩阵全耦合算法

本文发展了适用于捆绑火箭的各向耦合自由振动的传递矩阵法，并对捆绑结构的处理难点－捆绑边界条件的处理给出了理论的说明，因而本方法是适用于各种捆绑结构振动模态分析的通用方法，对捆绑火箭１／１０比例模型进行计。算比较表明，传递矩阵法是适合于捆绑结构模态计算的方法。     

基于改进OOPN的系统工作模式分析方法

针对空间有效载荷系统工作模式的复杂性问题,在研究其动态行为和运行特征的基础上给出了一种基于改进的面向对象Petri网(IOOPN,Improved Obiect Oriented Petri Net)的系统工作模式分析方法.该方法集合了Petri网和面向对象的优点;在面向对象Petri网模型中引入了对象间的行为约束关系;并根据约束关系实现了基于最小序列组的系统工作模式分析算法.最后,将该方法应用于某资源卫星有效载荷系统中,实践结果表明该方法满足对有效载荷系统工作模式的分析、仿真和验证的要求,为有效载荷系统的总体设计和集成测试提供了重要的参考.     

考虑模态质量耦合的随机振动准静态载荷计算

针对目前模态质量参与法没有考虑模态质量耦合影响而导致模态密集时随机振动准静态载荷计算出现较大误差，从多自由度振动方程出发，利用模态理论和随机谱理论，分析推导出包含模态质量耦合作用的完全模态质量参与法，分析了耦合项的影响规律。此改进的模态质量参与法可用于计算包括密集模态在内的随机振动准静态载荷，并针对模态频率比大于0.95的密集模态给出简化计算公式。以一个算例验证了密集模态的准静态加速度载荷计算。     

运载火箭摇摆发动机与全箭动力学特性耦合关系研究

针对运载火箭“摆动发动机-伺服回路”负载频率低,可能影响全箭弹性模态稳定性的问题,首先建立了包含“发动机-伺服回路”动力学模型的全箭动力学模型,分析了“发动机－伺服回路”负载频率对伺服机构传递函数和控制系统开环传递函数特性的影响,指出了“发动机－伺服回路”负载频率与箭体弹性模态之间的动力学耦合关系,给出了保证弹性模态稳定的谐振频率判据,最后计算了保证全箭弹性模态稳定的负载频率边界值,并通过仿真算例验证了结果的正确性。研究结果表明,“发动机－伺服回路”局部的负载频率通过惯性负载力矩作用与全箭弹性模态形成耦合,当负载频率位于上、下边界值范围之内时就会导致某些弹性模态不稳定,因此在实际工程中应对负载频率进行限制,以保证运载火箭的飞行安全。
     

SFMEA方法在飞行控制软件中的应用

为提高飞行控制软件的安全性,分析了飞行控制软件的安全性薄弱环节,探讨了影响飞行控制软件安全性的隐患。简要阐述了软件失效模式、影响(SFMEA)方法,给出软件失效模式分类的方法以及飞行控制软件常见的失效模式,给出适用于航天飞行控制软件的软件危害性等级,结合某型号飞行控制软件进行了SFMEA方法的尝试性应用,分析了软件失效的局部影响和最终影响,形成了52个SFMEA的分析表格,总结了302个飞行控制软件的失效模式,发现了部分安全性薄弱环节,并提出了相应的改进措施,结果表明,SFMEA方法对提高飞行控制软件的安全性有一定的工程价值。