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。     

速度型虚拟夹具辅助空间遥操作技术研究

 天地间通讯存在大时延是影响空间遥操作性能的主要问题。传统虚拟夹具应用于空间遥操作中,已获得一定的操作性能提升,但不具备动态的预测能力,对于克服时延带来的操作错觉等能力的提升有很大限制。本文提出一种速度型虚拟夹具作用于操作末端,利用操作末端的速度信息,实时改变虚拟夹具的形状,对操作末端在3 s时延后的运动进行动态预测。利用方向包围盒(OBB)方法进行图形碰撞检测,能在3 s内检测到即将到来的碰撞,按照一定规则产生相应的阻力反馈给操作者,以克服时延引起的误操作,提高遥操作性能。经过多组目标平台的近距离停靠实验,验证了该方法的有效性。     

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。     

空间机器人主从遥操作的自抗扰控制

目前基于模型的控制方法是空间机器人遥操作控制的主流方法,但该方法不可避免地会引入运动的累积误差,甚至造成控制失稳。针对这一问题,基于自抗扰控制方法为空间机器人主从遥操作设计了一类单关节控制器,并采用计算机仿真方法研究了其基本性能,结果表明所设计的自抗扰控制器能够实现稳定的遥操作控制,且具有良好的抗扰性和鲁棒性。特别是由于自抗扰控制方法不依赖于机器人的数学模型,因此十分适合作为现行基于模型控制的有益补充。     

影响机械臂遥操作的认知功能分析

研究遥操作过程涉及到的认知行为,识别影响遥操作任务绩效的认知功能,有助于建立空间遥操作的人因可靠性分析体系,并保障在轨遥操作任务顺利完成。结合国内外研究,着重分析遥操作与情境意识、空间转换、感知觉三者之间的关系,并结合具体遥操作任务剖析各项认知功能在操作过程各个阶段的影响作用;针对情境意识、空间转换、感知觉等认知功能对NASA的机械臂遥操作训练指标进行分类梳理;最后提出了未来从认知层面开展空间遥操作研究时应该注意的问题,并从视觉信息呈现、认知功能变化和人为失误预测等方向对未来遥操作研究进行展望。     

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。     

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。     

货运飞船遥操作交会对接仿真试验系统初步设计与仿真分析

以无人货运飞船与空间站交会对接为背景,设计并构建了一套货运飞船遥操作交会对接仿真系统,用于模拟空间站内航天员遥操作货运飞船进行交会对接,重点是各种时延条件下的仿真试验及评估分析.试验结果表明:在所设定的时延范围内,燃料消耗和任务用时受到时延大小的影响,而对接成功率和安全率则不受影响,即在TV图像和测量数据等辅助下,可完成航天员遥操作货运飞船与空间站的交会对接任务.     

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.     

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.     

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。     

吻切锥乘波构型参数化设计与正交试验分析

为了获得外形控制参数对吻切锥乘波构型性能的影响程度,通过分析吻切锥乘波构型的生成特点和生成方法,在其参数化设计的基础上,运用正交试验设计方法分析了各个控制参数乘波构型性能的影响,确定了对气动性能和容积率影响较大的参数,为进一步合理确定优化空间和优化策略提供指导。运用CFD方法对典型外形进行了性能分析,结果显示:吻切锥乘波构型具有较高升阻比,下表面中心区流动均匀,可为高超声速飞行器机身/进气道一体化提供参考。作为应用,基于正交试验结果设计了以吻切锥乘波构型作为前体的一个高超声速飞行器,验证了设计方法的合理性。     

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.     

基于变步长与非对称模糊的光伏MPPT控制策略

针对于光伏发电系统的输出特性,容易受到外界变数的影响而出现非对称的强非线性特征,输出的功率会偏离最大输出功率点的现象。分析了最大功率点跟踪的几种常用控制策略的优缺点,对PU曲线进行了分析,提出了非对称模糊与变步长电导增量法相结合的控制策略。这里的变步长电导增量法可以在远离最大功率点两侧时,快速靠近最大功率点,当进一步靠近最大功率点区间附近时,采取非对称模糊控制进行寻优,能够较好地削弱系统在最大功率点周围的振荡现象,提升整个系统的稳定性能。通过MATLAB/Simulink进行建模仿真对比,得出所提的方法有较好的动态性能。     

环境阻尼比的悬臂梁试验测试与分析

环境阻尼对结构振动具有一定的影响,对环境介质的阻尼特性进行研究在振动控制分析和应用分析中具有重要的意义。本文设计了在流体介质环境中的悬臂梁结构振动试验装置,并进行了几种流体介质的阻尼特性的试验测试。试验采用峰值衰减方法计算了介质环境的阻尼比,分析了介质的动力粘度、运动阻抗与振动频率对介质环境阻尼比的影响规律。应用了量纲...     

空间机械臂技术综述及展望

介绍了国外空间机械臂在轨技术验证与工程应用的概况,从任务类型、构型配置、末端执行器与操作方式方面分析了空间机械臂技术的发展趋势。综述了空间机械臂的任务规划、系统控制、路径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及地面试验验证7项关键技术。介绍了中国试验七号与天宫二号空间机械臂在轨验证情况,重点介绍了正在研制的中国空间站机械臂基本方案。最后,总结了目前空间机械臂技术存在的问题,并对中国未来空间机械臂技术发展提出了建议。     

折叠机翼变体飞机非对称变形控制效率分析

折叠机翼变体飞机变形量大,变形引起的气动参数变化显著,提出一种将非对称变形作为操纵输入的控制方案,研究非对称变形的控制效率和有效区间。首先建立能够完整描述变形过程的非线性动力学方程和气动力模型;然后基于非对称变形控制方法建立一种非对称变形操纵模型;最后通过与常规操纵面效率对比和仿真的动态响应总结出非对称变形操纵的最大变形操纵有效区间。结果表明:在较低飞行速度下非对称变形操纵效率高,非对称变形操纵能够在基准折叠角度90°附近提供最高的滚转操纵效率。