基于环境建模与修正的视觉/力觉辅助遥操作系统

为增强空间遥操作系统的力交互性,提出了一种基于视觉/力觉辅助的空间遥操作系统。结合虚拟现实技术,借助力觉反馈设备搭建了基于虚拟3D视觉反馈和虚拟力觉反馈的空间遥操作实验平台。使用KINECT相机采集3D点云数据,采用滑动最小二乘法(SLSM)在线识别未知环境中的模型参数并更新本地虚拟环境。通过虚拟预测环境产生实时的视觉、力觉反馈。基于人工势场的共享控制方法,产生引力或斥力信号来增强操作者控制远端机器人的避障及接近操作目标的能力。该方法在7自由度Schunk机械臂上得到了实现,实验表明此方法能够克服2 s时延影响并显著提高操作效率。     

复杂大时延的多主多从共享遥操作方法

共享遥操作结合了遥操作和多机器人协调技术,是重要的空间机器人复杂任务拓展和遥操作可靠性提升方式。首先,在综述现有共享遥操作技术的基础上,利用遥操作系统的超前预报特性,提出机器人复杂大时延的共享遥操作方法,给出了多操作员多机器人（MM/MS）复杂操作系统描述模型,设计了分时树状分组策略并给出其使用的前提条件。提出了MM/MS组间共享遥操作方法、时延信息维护规则、操作请求判断和状态信息维护方法。然后,给出了相应组内共享遥操作算法。最后,以多操作员单机器人（MM/SS）共享遥操作为例,给出了简化规则,使用以某大型空间机械臂为对象的MM/SS遥操作系统进行了数字仿真实验。实验结果表明：本文方法在20 s级不确定时延、操作端的交互时延与遥操作回路时延比为0~1等复杂条件下,均可实施连续稳定的遥操作。     

空间遥操作分段自适应碰撞预警方法

目前空间遥操作碰撞预警机制并未考虑遥操作任务的阶段性特点,操作的快速性与精细性难以兼顾。针对这一现状,提出了空间遥操作分段自适应碰撞预警方法。通过计算机械手末端与操作目标之间的相对距离,将遥操作任务划分为自由接近、精细调整和操作控制三个阶段,分阶段自适应调整碰撞检测策略和操作比例系数,并通过直观的预警视觉信息,使得遥操作员实时感知任务阶段。目标逼近试验表明:在自由接近段,随着对目标的逼近,操作速度从7.46mm/s逐渐减小为4.41mm/s,关节运动和相对位置的抖动较大;在精细调整段,操作速度为3.98mm/s,关节运动和相对位置的抖动较小。因此,该分段自适应碰撞预警方法有效克服了操作快速性与精细性的矛盾,适合于未来更为精细、复杂的空间遥操作任务。     

时延遥操作系统的非对称双通道波变量补偿法

为保证遥操作系统在时延条件下的稳定性,以及减少传统波变量方法的跟踪误差,提出一种非对称双通道波变量补偿法。该方法在前向通道波变量补偿法的基础上,采用能量整定器对反向通道的波变量进行补偿。通过调节波阻抗、滤波器和能量整定器的相关参数可以充分保证遥操作系统的稳定性和跟踪性能。实验结果表明该方法在保证时延遥操作系统稳定性的基础上,速度跟踪平均误差比传统波变量法减少70%以上,力跟踪平均误差比前向通道波变量补偿法减少60%以上。为了比较不同时延下本方法的效果,设计时延分别为3s和0.6s的2种实验。结果表明本方法在不同时延条件下均可以取得较好的效果。     

基于预显示的大时延遥操作交会相平面控制

以时延条件下的地球轨道遥操作交会对接为背景,针对遥操作交会对接中时延引起的控制系统不稳定问题,开展了交会平移靠拢段的控制策略研究,在基于C-W方程的预测显示模型基础上,设计了平移靠拢段纵向速度曲线控制及横向位置-速度的相平面控制算法。仿真表明,该方法能有效克服大时延影响,具有较好控制效果,且算法简单可靠,易于工程实现。     

面向空间遥操作的非对称双人共享控制及其性能分析

面向复杂操控任务的多人/机遥操作技术是未来空间遥操作的发展趋势之一。在综述目前双主单从的遥操作控制模式的基础上,提出一种面向空间遥操作的非对称双人共享控制方法。首先,通过分析理想双主单从遥操作系统模型,并对优势因子进行区分,建立了时延影响下的非对称双主单从共享控制系统模型;然后,利用传递阻抗、可达阻抗范围、性能表现距离和传递阻抗比等函数对系统的性能指标进行评价分析,并给出优势因子、控制阻抗和环境阻抗等参数对系统运动学性能的影响;最后,对所提出的方法进行仿真和实验验证,结果表明相比于传统控制方法,非对称双人共享控制具有较好的透明性和抗时延影响特性。     

空间遥操作人体动作捕捉相似性控制方法

针对传统空间遥操作控制方法灵活性不足的问题,提出了一种ATSMS(Adaptive Terminal Sliding Mode Similarity,自适应终端滑模相似性)控制方法。该方法在利用动作捕捉技术采集操作者手臂末端位置和关节角数据的基础上,设计了ATSM(Adaptive Terminal Sliding Mode,自适应终端滑模)控制器,精确控制空间机器人的末端位置;还设计了钳位速度,控制机器人关节构型趋向于操作者手臂关节构型,且不会影响末端位置的精确控制。数值仿真和地面实验结果表明,ATSMS控制方法可以实现操作者对空间机器人末端位置的精确控制和关节空间的灵活控制,末端位置控制精度约为97.58%,操作者手臂与机器人关节空间平均相似度高达99.06%。因此,ATSMS控制方法提高了空间遥操作的灵活性,可以应用于未来更为精细和复杂的空间遥操作任务中。     

空间遥操作任务中显控界面关键技术研究进展

为提高空间站机械臂等空间遥操作任务的操作表现,提升操作者的临场感是一项重要的技术途径。为此,须开展显控界面的工效学设计。结合目前国内外研究文献,分别就视觉实景界面,增强现实界面,对抗时延的操作策略,语音、力觉交互以及预警机制等几项关键技术进行了梳理和讨论,并提出了几项空间遥操作人机界面可以深入展开的研究方向。     

具有时延的漂浮基空间机器人基于泰勒级数预测、逼近的改进非线性反馈控制

 探讨了本体位置与姿态均不受控的漂浮基空间机器人在时间延迟(简称时延)情况下惯性空间轨迹跟踪的控制问题.利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,分析、建立了漂浮基空间机器人完全能控形式的系统动力学模型及运动Jacobi关系.以此为基础,针对系统存在时延的情况,利用泰勒级数预测、逼近的方法,建立了适用于时延情况下控制系统设计的数学模型.利用该模型,提出了一种空间机器人在时延情况下的改进非线性反馈控制方案.然后运用Lyapunov第二类方法,结合范数以及图形分析的方法证明了在时延情况下整个闭环控制系统的渐近稳定性.文中提到的控制方案能够有效地克服系统存在时延的影响,控制漂浮基空间机器人末端爪手跟踪惯性空间的期望轨迹.系统数值仿真结果证明了上述控制方案的有效性与精确性.     

面向机械臂遥操作的虚拟人机交互系统设计

为提高空间站机械臂遥操作系统的精度和安全性,设计了一种基于混联式七自由度力反馈设备的虚拟人机交互系统。系统由力反馈设备、控制系统及虚拟场景构成,实现了三维平动自由度和三维转动自由度的机械解耦,并通过标定修正了存在误差的机械参数,可以对末端输出反馈力稳定控制。性能试验表明:系统可以在250 mm×250 mm×250 mm的空间内精确跟踪操作人员手部位置,位置精度达到0.6 mm;可提供最大15 N的力觉反馈;在虚拟夹物体试验中,有力反馈的人机交互系统比无力反馈系统的完成时间缩短了23%,损坏率降低了50%,提高了操作精度和夹取过程的安全性。     

Virtual Reality-based Teleoperation with Robustness Against Modeling Errors

This article investigates virtual reality (VR)-based teleoperation with robustness against modeling errors. VR technology is an effective way to overcome the large time delay during space robot teleoperation. However, it depends highly on the accuracy of model. Model errors between the virtual and real environment exist inevitably. The existing way to deal with the problem is by means of either model matching or robot compliance control. As distinct from the existing methods, this article tries to combine model matching and robot compliance control. On one hand, the status of the virtual robot is corrected by using the position sensor data from robot joints before and during teleoperation, and the pose of the virtually manipulated object is obtained with visual recognition technology. On the other hand, compliance control algorithms of impedance control based on joint torque sensors and hybrid position/force control based on a wrist sensor have been executed in order to eliminate the small sustaining model errors. A VR-based teleoperation system of satellite on-orbit self-serving is built up. In order to verify the proposed method, an experiment deploying the solar panel troubled by malfunction is carried out through teleoperation. It shows that the large model errors are removed with the model matching method and the adopted compliance control is robust against the remaining small model errors.     

Investigation into Pilot Handling Qualities in Teleoperation Rendezvous and Docking with Time Delay

Teleoperation rendezvous and docking can be used as a backup for autonomous rendezvous and docking(RVD) for an unmanned spacecraft when the autonomous system is failure or for guiding the chaser docking with an uncooperative target.The theoretical model for analyzing the handling qualities in teleoperation RVD process is established based on the previous studies conducted by National Aeronautics and Space Administration(NASA).The predictive factor is introduced to describe the pilot’s predictive ability in the teleoperation tasks with time delay,which interrelates with the skills of a pilot and the predictive assist approach used in the tasks such as the predictive display method.Based on the semi-physical simulation system in our laboratory,900 experiments at two levels of time delay are carried out by 18 volunteers for validating the established model.The experimental results demonstrate the correctness of the theoretical model and indicate that a skilled pilot has a predictive ability of approximately 0.9 in teleoperation RVD tasks.The theoretical analysis shows that the handling qualities are greatly affected by the time delay and the predictive factor,and it is impossible to achieve a teleoperation RVD task for the skilled pilot when the time delay is larger than 9.0 s.     

空间绳系机器人逼近目标协调控制方法

 为了节省空间绳系机器人的末端执行装置在逼近目标卫星过程中推力器所使用的燃料,本文提出一种利用推力器、反作用轮及空间系绳的协调控制方法。首先利用二次型最优控制器(LQR)算法计算出末端执行装置逼近目标所需的理想轨道控制力,然后利用模拟退火算法将所需轨道控制力优化分配到推力器及空间系绳,同时利用时间延迟算法通过反作用轮补偿空间系绳产生的姿态干扰力矩。仿真结果表明,利用该协调控制方法能显著节省末端执行装置上推力器的燃料消耗,有效抑制空间系绳协调控制力产生的姿态干扰,使末端执行装置保持相对稳定的姿态。     

Haptic based teleoperation with master-slave motion mapping and haptic rendering for space exploration

This paper presents a new solution to haptic based teleoperation to control a large-sized slave robot for space exploration, which includes two specially designed haptic joysticks, a hybrid master-slave motion mapping method, and a haptic feedback model rendering the operating resistance and the interactive feedback on the slave side. Two devices using the 3 R and DELTA mechanisms respectively are developed to be manipulated to control the position and orientation of a large-sized slave robot by using both of a user's two hands respectively. The hybrid motion mapping method combines rate control and variable scaled position mapping to realize accurate and efficient master-slave control. Haptic feedback for these two mapping modes is designed with emphasis on ergonomics to improve the immersion of haptic based teleoperation. A stiffness estimation method is used to calculate the contact stiffness on the slave side and play the contact force rendered by using a traditional spring-damping model to a user on the master side stably. Experiments by using virtual environments to simulate the slave side are conducted to validate the effectiveness and efficiency of the proposed solution.     

AOS自适应帧长传输算法研究

以自适应帧长传输的高级在轨系统(AOS)为对象,从提高系统吞吐量出发,对包信道复用、虚拟信道(VC)复用及帧同步技术进行研究并提出相关的算法。包信道和VC复用算法可有效解决传统固定长度帧的生成与传输问题,降低复用时延,提高复用效率;帧同步算法则解决已有算法受帧长度标识误码影响较严重的问题,提升帧同步性能和数据处理可靠性。在分析、推导并仿真各算法性能公式和参数的基础上,对系统吞吐量性能进行仿真比较。结果表明,新算法能够很好地适应AOS自适应帧长系统,保证系统高吞吐量性能。     

Methods for determining unimpeded aircraft taxiing time and evaluating airport taxiing performance

The objective of this study is to improve the methods of determining unimpeded (nom-inal) taxiing time, which is the reference time used for estimating taxiing delay, a widely accepted performance indicator of airport surface movement. After reviewing existing methods used widely by different air navigation service providers (ANSP), new methods relying on computer software and statistical tools, and econometrics regression models are proposed. Regression models are highly recommended because they require less detailed data and can serve the needs of general per-formance analysis of airport surface operations. The proposed econometrics model outperforms existing ones by introducing more explanatory variables, especially taking aircraft passing and over-passing into the considering of queue length calculation and including runway configuration, ground delay program, and weather factors. The length of the aircraft queue in the taxiway system and the interaction between queues are major contributors to long taxi-out times. The proposed method provides a consistent and more accurate method of calculating taxiing delay and it can be used for ATM-related performance analysis and international comparison.     

用二次相关提高超声测风精度和噪声抑制性能

以超声测风为应用背景,对基于相关法的时延估计性能进行分析,指出其存在的问题。利用发射信号为已知这一先验信息,提出了二次相关估计时延的解决方法。仿真结果表明,在相同的信噪比下,与相关法相比,二次相关法能够利用先验信息,提高了时延估计的正确率,并能改善系统6dB以上的噪声抑制性能。最后,对二次相关法的运算量进行了分析,并分别以TI TMS320C5000系列DSP处理器和Ahera CycloneⅡ系列FPGA作为硬件平台,估计了该方法在这两种平台上的处理时间,得出了该方法可满足实时处理的结论。