机器人航天员精细操作方法及在轨验证

针对航天员舱外活动风险与空间探索的效率问题,建立了具有双臂手的机器人航天员系统。该机器人航天员由多自由度机械臂、仿人灵巧手及具有双目视觉系统的头部等构成,具有位置、力矩、视觉等多种感知功能。为了验证机器人航天员及在轨人机协同关键技术,在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证试验,为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累了经验和数据。     

航天员与类人机器人月面联合探测概念初步研究

介绍了人机联合探测中涉及的类人机器人、遥操作、人机共享控制、地面验证等技术发展现状;对月面类人机器人与航天员联合探测的概念进行了初步研究,规划出了月面人机联合探测系统结构、探测模式和探测任务等;并对类人机器人技术、人机协同操作技术、遥操作控制技术和地面仿真验证技术等关键技术进行了总结。     

虚拟航天员多层次运动仿真模型研究与实现

为解决虚拟现实训练中航天员模型实时交互控制和失重运动仿真等问题,提出了一种多层次运动仿真模型,在运动控制层实现运动跟踪,并构建标准化人体运动模型;物理控制层采用物理引擎建立人体多刚体动力学模型;规则控制层为不同的运动方式制定相应规则,显示层使用骨骼蒙皮技术提升显示效果。通过各层次组合的方式,共同实现了虚拟航天员的交互运动仿真。通过两个应用实例,证明了该层次化组合模型实现的虚拟航天员运动,可同时实现实时交互控制、失重运动仿真、交互操作仿真、太空行走仿真以及较好的显示效果,并适用于多种任务场景的航天员训练。     

近地空间航天员训练视景真实感渲染技术研究

载人航天任务中,地面模拟训练是培养提升航天员操作技能的重要手段。视景系统是航天飞行训练模拟的重要组成部分,高逼真度的仿真场景对提升航天员训练效果有重要的意义。针对空间视景仿真场景调度和渲染的特殊性,提出并设计实现视景仿真软件的总体架构。对影响空间场景真实感的地球纹理数据库的生成和调度技术、大气散射仿真技术、场景光照实时渲染等关键技术进行研究,融合各种方法,在视景仿真系统中基于GPU实现。试验验证表明,实现算法准确,模型设计合理,已经应用于航天员的训练中。     

复杂任务场景无人机集群自组织侦察建模与仿真

基于agent的作战建模与仿真是无人机集群侦察效能评估的重要方法,但以往方法中agent行为机制 和模型结构难以描述复杂任务场景下的自组织侦察行为。以反海盗侦察任务为例,提出一种面向集群自组织 侦察的作战建模与仿真方法。设计多agent分层复合行为机制和可组合模块化agent模型结构,通过简单行为 的组合描述复杂行为;通过信息素图模块与航路管理模块的交互,实现自组织航路规划与飞行控制;并通过仿 真算例,来验证方法的可行性,对比分析不同航路规划方法的侦察效能。结果表明:自组织航路规划对中断航 路侦察的动态事件的适应性更强;对于大区域、长时间、低目标密度的区域覆盖侦察任务,仅通过改进航路规划 方法来降低访问间隔难以显著提高目标发现概率。     

基于Hybrid State A* 与增强安全管道的直升机低空航迹规划

直升机低空突防已逐渐成为现代空战察打任务的核心,而低空航迹规划算法是实现该技术的关键。 尽管现有的航迹规划算法已经被应用于实际低空突防任务,但基于“前端- 后端”式的传统航迹规划算法依然 存在规划航迹机动执行性差与复杂动态场景下易碰撞的缺陷。针对上述问题,本文提出一种基于Hybrid State A* 与增强安全管道的改进算法。首先,基于Hybrid State A* 算法的联合轨迹优化,可以在状态空间中完成兼 顾直升机机动特性的初始航迹高效搜索,有效保证直升机航迹的可达性。其次,基于初始航迹膨胀的增强安全 管道,将后端航迹优化参数限制在安全的可行域内,进而有效提升复杂动态场景下规划航迹的安全性。在实验 环节,本研究结合ROS 机器人仿真环境与Rviz 数据可视化工具完成仿真验证,通过算法间的综合对比实验, 论证了本研究所提算法对规划的航迹机动性与安全性有明显的提升。     

失重状态下旋转陀螺交互操作的仿真研究

针对在地面难以使用实物进行空间操作任务训练的问题,提出了一种基于人机交互和物理引擎技术的交互操作虚拟仿真方法,并实现了失重状态下旋转陀螺的虚拟操作训练。实现中首先建立航天员和陀螺的三维图形模型和用于碰撞检测的物理模型,并采用虚拟现实设备数据手套和位置跟踪仪实时跟踪获取受训人体的实时运动数据,用于交互控制虚拟航天员的运动,最终通过物理引擎及仿真算法计算失重状态下旋转陀螺的运动状态。结果显示,该方法较好地解决了旋转陀螺定轴特性仿真问题,能够满足虚拟训练的实时性和有效性要求。     

航空发动机总装脉动线单模块集成仿真分析

航空发动机总装脉动线具有主体设备技术复杂、建设和运维成本高等特点,单工位模块是总装脉动线的基本组成单元,承担着航发产品总装时的脉动运输、夹持固定、部件对接和配套件安装等任务,因此在工艺流程规划、设备运动控制等方面存在较大难度,脉动线单模块的集成仿真可以验证单模块结构与机构设计、工作流程设计和运动控制设计方案,对于模块开发具有重要意义。提出基于数字孪生模型和实际控制信号的人在回路的单模块集成仿真方案,并据此研发了完全知识产权的国产仿真软件和集成仿真平台,完成了某型航发脉动总装工艺的评估。结果表明,所研发平台能够用于多种脉动总装工艺评估,并可支持人在回路的方案验证和操作培训。     

航天员舱内活动的分析及仿真

分析了自由态航天员的运动特性,对航天员在失重状态下的转体技术进行了仿真;根据人体力学的生理学基础,建立了航天员的力量分析模型;使用最优控制方法,对航天员在任务操作时的姿态进行了优化。     

一种微型载人操作舱系统设计

针对未来载人深空探测任务中太空基地建造、设施在轨加工制造、星体资源抵近勘探和原位利用等复杂舱外操作需求,设计了一种微型载人操作舱系统。首先,根据舱外操作任务开展功能和性能需求分析,确定了微型载人操作舱的供配电、环控生保、测控通信等功能基线;然后进行了结构、能源、环控生保、热控等系统设计;最后,通过仿真分析了重量、功耗和任务时间,并与传统舱外活动装备进行了比较。结果表明,微型载人操作舱总重量小于900 kg,可容纳1名航天员,单次舱外操作时间大于12 h,支持航天员从母体航天器快速进入操作舱执行舱外任务,适用于未来复杂的空间设施建造、资源开发利用和空间站扩展应用任务。     

航天员舱外活动安全绳虚拟现实操作仿真方法研究

为了解决航天员舱外活动虚拟现实训练仿真中安全绳的逼真仿真问题,分析了安全绳的结构组成和神七任务航天员出舱过程微重力下的安全绳变形规律,对安全绳采用质点-直线弹簧-弯曲弹簧模型建模,使用基于位置的仿真方法计算了安全绳的变形,给出了安全绳的仿真参数,建立了航天员舱外活动安全绳操作仿真系统。开展了受试者试验,仿真结果表明,仿真方法实时有效,可为航天员虚拟现实舱外维修仿真提供基础算法。     

基于体态识别的航天员虚拟训练仿真技术研究

以未来空间站任务建设虚拟现实训练器为需求,为了最大限度地降低虚拟现实设备穿戴给航天员带来的额外束缚,提出了一种新的基于体态识别的航天员虚拟训练仿真系统:采用平行双目视觉原理和偏振立体电视实现立体图像的生成与显示;采用人体三层模型实现虚拟航天员表达,采用骨骼动画实现人体典型动作自动演示、Kinect实现人机交互过程中人体跟踪和运动控制,适合于空间站任务航天员训练、工效验证、典型流程演示等人机交互应用。     

在轨加注任务中变质量特性下的空间操作臂状态扩展自适应镇定控制

模块更换方式在轨加注任务面向不同类型的多个待加注目标与推进剂模块,过程中涉及航天器对接与分离、推进剂模块拆卸与组装等多种操作,研发时需要考虑系统中质量特性变化复杂,以及地面验证中存在的全周期、遍历性的任务级微重力模拟试验难以实现的问题。首先,针对地面调试良好时在轨加注空间操作臂系统可能被掩盖的非线性动力学特性,分析了一定参数范围下,任务执行过程中负载和基座质量特性变化对空间操作臂动力学特性和控制性能的影响。随后为实现对控制对象及环境改变的自适应性,基于惯性矩阵分解与重力载荷矩阵线性化,设计g的自适应律,并扩展系统状态变量,建立系统的Hamilton模型,进而基于能量函数整形与阻尼注入的无源性控制思想,设计预置镇定控制律,提出一种可对不同工况下的系统非线性实现自适应镇定的控制方案。最后,通过仿真研究验证了所提控制方案的有效性。     

面向空间站桁架的三分支机器人的步态规划与研究

针对空间站的检测和维修任务中传统的二分支攀爬机器人在移动速度、操作空间和灵活性上存在不足的问题,提出了一种9自由度三分支攀爬机器人,既可实现在空间站桁架上的二分支运动步态和三分支运动步态,又可利用第三支进行操作和载荷的搬运。机器人步态仿真结果表明,设计的三分支仿生攀爬机器人具有更多的运动方式和操作模式,并且提高了移动速度。     

视觉与惯性融合的多旋翼飞行机器人室内定位技术

随着人工智能技术的发展，无人机的应用场景趋向多元，人们对无人机的需求也不仅仅满足于简单的飞行任务，而是赋予其飞行机器人的角色，对其自主导航、复杂环境下的定位以及智能协同方面提出了更高的要求。针对室内场景下的定位需求，融合视觉与惯性数据实现了多旋翼飞行机器人的室内定位。在视觉前端加入图像增强算法以提高图像灰度对比度，减少了光流跟踪的误匹配点数。提出了一种基于图像信息的特征点提取和图像帧发布策略提高了定位精度，解决了室内环境下的定位漂移问题。针对飞行机器人室内自主跟踪及降落任务，设计了基于视觉定位的飞行机器人自主降落系统。在Gazebo中搭建飞行机器人模型仿真验证自主降落系统有效性，在EuRoC数据集下对定位算法进行对比评估，搭建飞行机器人平台在真实场景下进行室内定位实验，完成了室内场景下平台自主跟踪及降落任务，并采用运动捕捉系统获取的定位真值数据进行了误差分析，结果表明该定位技术满足室内场景下的自主跟踪及降落任务需求。     

航空装备深腔作业超冗余机器人路径实时跟随方法与试验

高灵活性、大长径比结构的超冗余机器人是实现航空装备制造、装配、维修过程中深腔作业任务智能化操作的可行途径。针对超冗余机器人在复杂深腔空间的高效安全操作问题,提出了适用于实时遥控操作的超冗余机器人路径跟随运动方法。仿真结果表明,路径跟随方法平均解算时间为0.413 ms,圆锥螺旋形曲线路径运动最大偏差为0.011 mm,满足了实时运动和安全精确操作需求。开发了基于ROS-Gazebo的遥控操作虚拟仿真平台,提供了低成本的虚拟训练、模拟操作手段。试验结果表明,路径跟随方法保障了超冗余机器人复杂深腔中的高效安全运动。     

3D双臂空间机器人广义雅克比矩阵推导与运动学特性分析

基于智能机器人空间在轨服务任务,对空间机械臂系统进行了一种新的3D双臂空间机器人广义雅克比矩阵推导方法研究和简单的运动学特性定量分析,并使用Simulink与ADAMS完成了3D双臂多自由度空间机器人的运动仿真和运动特性定性分析的验证。与以往对多臂机器人广义雅克比矩阵推导的单臂化或平面化处理不同,该方法适用于任意多臂多自由度空间机器人广义雅克比矩阵的推导,是一种普遍通用的推导方法,当臂的条数增多时相应修改对应参数即可。     

面向空间站在轨服务的人机系统概念设计

针对航天员与空间机器人组成的人机系统,对航天员与机器人的定位和关系进行了分析,根据我国空间站未来舱内外平台运营维护及载荷设备照料对人机系统的任务和功能需求,提出了一种以构型及操作特点与航天员类似的四臂拟人机器人为基础的新型人机系统,并从机器人的机构构型、控制模式及人机交互手段等方面对人机系统进行了概念设计。可为我国空间站后续运营维护手段的配置提供有益参考。     

面向出舱活动的典型功能操作肌肉激活预测

面向出舱活动中航天员肌肉状态和体力负荷的风险评估,为了实现航天员肌肉激活的预测,开展了着常服和舱外服两种工况下不同操作位置的推、拉、提、压共8组典型功能操作实验,测试航天员最大施力能力的同时采集了肱二头肌长头、肱三头肌外侧头和三角肌前束的肌电信号。提出基于人-舱外服耦合运动生物力学模型预测着舱外服人体的肌肉激活,并预测了两种工况下8组典型功能操作的肌肉激活。通过预测结果和积分肌电值的相关性分析,验证了模型预测的有效性,为研究人-舱外服真实交互方式提供了新的方法学思路,对肌肉激活的预测为出舱活动任务规划提供了生理学依据。     

面向航天员训练的混合现实场景理解方法研究

针对航天员混合现实系统在人机交互过程中尚未实现自主智能诱导的局限性,结合航天器舱内环境的特殊性,构建了一种航天员混合现实空间场景理解原型系统架构,提出了基于深度学习的空间场景自主理解方法,采用合成样本的方法建立了舱内设备数据库,实现了基于深度学习算法的自主舱内设备识别。实验结果表明,对舱内设备识别的mAP值达到79.8%,混合现实空间场景理解原型架构和场景理解方法可以有效解决航天员舱内训练设备操作状态变化的自然识别需求,并实现混合现实虚拟流程的自主引导。