基于多传感器的空间遥操作机器人虚拟预测环境建模

虚拟预测环境技术是解决遥操作系统中时延问题的有力手段,但其有效性依赖于环境模型的精度。为了提高虚拟预测环境的建模精度,提出了基于多传感器信息融合的建模方法。首先根据CCD摄像机采集的图像建立虚拟环境模型的初始模型,再利用远地力觉和位置传感器信息对初始模型进行校验。为了观察命令在虚拟环境中的执行情况,采用一种简单有效的注册方法,将图形模型叠加在摄像机视频图像上,以便操作者进行对比分析。实验表明利用本文算法建立的虚拟环境模型是准确可靠的,有利于提高基于虚拟预测环境技术的遥操作系统的有效性和可操作性。     

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。
     

基于单像素成像的遥感图像分辨率增强模型

目前对地遥感的最主要途径之一便是通过遥感相机获得目标物信息,然而遥感相机的分辨率直接影响成像质量。结合遥感相机的推扫式成像技术,文章提出了一种基于单像素成像的超分辨增强技术模型,该模型能够简化重建过程,其设计目标是基于单像素超分辨的技术手段将航天遥感相机的图像分辨率增强4倍。为了验证该设计思想及其重建效果,文章设置了超分辨增强仿真试验,最终仿真试验结果表明,基于单像素的超分辨模型可以将图像的信噪比提高1.1倍,且重建的图像具有明显的抑制噪声的效果,起到了良好的降噪功能,相较于其他传统图像分辨率增强方法（如双三次内插、超深超分辨神经网络）具有更高的优越性。该方法可为地理遥感探测、土地资源探查与管理、气象观测与预测、目标毁伤情况实时评估等诸多领域的图像处理和应用提供有力支持。     

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。     

未知空间目标纹理缺失表面三维重建算法

针对传统三维重建方法难以对纹理缺失表面进行完整重建的问题，提出一种基于深度学习与截断符号距离函数(TSDF)融合的未知目标三维表面完整重建算法。首先设计一种基于深度学习的图像逐像素深度估计框架，通过在训练过程中引入多个复杂结构模型，提高该深度估计框架的泛化能力；其次，利用TSDF对各帧图像所估计的深度信息进行融合，实现对纹理缺失区域的空间目标完整三维重建。根据仿真校验，对于300 mm尺寸的卫星模型图像，像素深度估计平均误差约为13 mm，通过TSDF融合后尺寸精度误差小于5.10%。实验结果表明该算法可以对未知空间目标光学图像进行逐像素深度估计，并获得目标完整的三维结构与纹理信息，有效解决无纹理区域的重建结构缺失问题。     

双边遥操作系统操作性能度量频域指标

在双边遥操作控制系统的设计中,如何分析和评价遥操作系统的操作性能是一个至关重要的问题。利用频域分析方法,引入了一种新的遥操作系统操作性能度量指标,运用该指标分析了Anderson无源性遥操作系统的操作性能,并针对单边时延条件下的双边控制系统,获得了系统透明性与系统单边时延以及系统跟踪性与系统单边时延之间的关系曲线,解释了Anderson方法为什么只适用于时延不大于1s的系统,并验证了所提度量指标的合理性和有效性。
     

一种适用于地球空间传感器网络的TCP Vegas模型

针对地球空间传感器网络中由正反向链路带宽不对称引起的正向链路吞吐量下降问题，提出一种基于时延且能够维持反向链路确认频率的拥塞控制模型。该模型基于反向链路中确认分组的排队时延，在反向链路发生拥塞时，降低确认分组的发送频率，以缓解反向链路的拥塞程度；而在反向链路没有发生拥塞时，加快确认分组的发送频率，以提高正向链路中数据分组的吞吐量。同时，该模型将确认分组的延迟发送时间追加到最小往返时延中，提高了最小往返时延的准确程度，从而提升模型的正向链路拥塞控制效果。仿真试验结果表明，该模型可以有效地解决由于反向链路拥塞所造成的正向链路吞吐量低的问题。     

面向月球科研站任务的地月准实时遥操作模拟验证系统设计与关键技术研究

针对月球科研站任务地月遥操作需求和特点,设计地月准实时遥操作模拟验证系统,对其中的关键技术海量多尺度遥感数据环境感知、空地协同高精度定位、基于混合现实的预测仿真等进行了研究。提出了基于海量多尺度遥感数据的联合处理方法,环境感知数据融合可处理米级至厘米级环境感知结果;设计基于空地多运动平台协同定位的原型软件,空地协同地标约束下,定位精度不低于轨道器影像1个像素;开发了带有力觉反馈的预测仿真验证平台,在2~3 s变时延约束下可在仿真环境下协同演示遥操作过程,真实还原从端的遥操作作业场景,提高遥操作的执行效率和安全性。为地面人员的方案设计、操作手训练、故障处置等提供实时支持,为我国未来实施月球科研站任务筑牢基础。     

一种基于切换控制律的机器人双边遥操作方法

针对变时延下多自由度机器人在任务空间的遥操作问题,为在保证时延稳定性的同时提高其透明性和跟踪性,在一种比例微分+阻尼的任务空间双边控制器基础上,加入变增益切换控制律。结合性能需求,为不同操作模式设计合适的控制增益。在切换律中引入临界模态,保证系统在碰撞发生时切换控制的稳定性。利用李雅普诺夫理论证明系统在各模态下以及切换过程中的稳定性。通过对一个典型任务的仿真,校验该方法的有效性;同时,几组对比仿真试验也展示了该方法在稳定性和操作性上的优势。     

基于卷积神经网络的局部图像特征描述符算法

为提升基于图像序列三维重建的速度,解决传统局部特征描述符算法提取速度慢的问题,设计了一种基于深度学习的局部特征描述符网络。利用特征描述符网络实现对图像特征点的特征提取,结合本文采用的欧氏距离匹配准则,实现了对不同图像间特征点的匹配。算法对MVS数据集进行了验证,实验结果表明:提出的局部特征描述符算法实现了对图像特征点特征的快速准确的提取、匹配,与传统特征描述符算法相比,特征提取时间缩短了50%以上,特征点的匹配时间缩短了60%以上。相对于本算法中复杂结构的特征描述符网络,结构简单的泛化性更好,可拓展到航天领域的三维重建中。     

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。     

基于虚拟夹具的交互式空间机器人遥操作实验

预测仿真技术是目前消除大时延对遥操作影响的主要方法。在操作者控制虚拟机械臂与仿真环境中的物体接触之前,仅有的视觉信息不足以提供充分的临场感信息,操作者无法进行安全有效的操作;由于肌肉颤抖等原因导致徒手控制的精度较低,操作者无法进行精确的操作。针对这两个问题,使用虚拟夹具技术对操作者的动作进行限制和引导。实验结果表明,在虚拟夹具的辅助下,可以有效提高操作者的临场感,使操作者快速准确完成遥操作任务。
     

空间遥控作业机器人系统的内模控制研究

针对空间遥控作业机器人系统通讯时延严重破坏系统性能的问题，为力反馈遥作业系统建立了内模结构，对系统的透明性和稳定性进行分析并给出了控制器设计结果。给出的控制方法不仅能兼顾系统在时延下的稳定性和透明性，而且可以实现主从机械手速度与力的动静态跟踪，使系统具有良好的力觉临场感。借助于内模结构，以透明性为目标的控制器设计独立于稳定性来进行，降低了设计的复杂度，增强了控制的灵活性。理论分析和仿真实验证明该方法有效。     

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。     

Analysis of predictive entry guidance for a Mars lander under high model uncertainties

The problem of precision landing on Mars is now considered to be an essential challenge in the planned Mars missions. The paper focused on the guided atmospheric entry as a predominant phase in achieving a desired target state, as compared with the following parachute and powered descent. The predictive algorithms for the longitudinal guidance of a low-lift entry vehicle are treated. The purpose is to investigate applicability of the predictive strategy under possible high discrepancies between the on-board dynamic model and real environment while in entry trajectory. The comparative performance analysis based on computer simulation has been made between the standard one-parametric “shooting” predictive algorithm and a more complex two-parametric algorithm providing lower final velocity and, thus, expanding the interval of admissible downrange. However, both algorithms display considerable degradation of downrange accuracy in the cases when the actual drag force is larger than the modelled one. An acceptable solution has been found by including to both predictive guidance schemes an identification algorithm that repeatedly adapts the on-board model to varied environment in real time scale.     

大时延力反馈遥操作系统的PID控制

如何保证稳定性和透明性是时延力反馈遥操作系统面临的主要问题.本文把最简单的PID控制应用于这类系统,由绝对稳定的莱威林准则和电路阻尼理论推导出保系统稳定性和透明性的参数约束条件.最后进行实验验证,在时延6秒的情况下完成了硬结触曲面跟踪任务.理论分析和实验都表明这种方法能保证系统的稳定性和透明性.