立体信息不同缺失水平下基本认知能力在遥操作任务中的作用研究

针对具体的遥操作任务中与遥操作相关的认知功能在不同立体信息缺失水平下对操作绩效、情境意识水平的影响,对24名受试者开展机械臂遥操作模拟任务实验和6项基本认知能力测试,采用相关性分析方法分析了各项认知能力在遥操作任务中的作用。试验结果表明,空间能力、运动控制能力和持续注意水平与任务的完成率以及操作的安全性、高效性紧密相关;注意分配能力、心理旋转能力在局部立体信息缺失的情境下,对保持机械臂遥对接任务的各项绩效指标的稳定、保障任务的顺利完成作用显著。因此,根据任务要求以及航天员自身特点有针对性地开展认知能力训练,合理分配在轨任务,有利于提高训练效果、保障在轨任务的顺利完成。     

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。     

机械臂遥操作任务过程脑力负荷研究

脑力负荷是影响机械臂遥操作绩效的重要因素,通过提取机械臂遥操作过程的自发脑电功率谱特征以及非线性动力学特征,结合机械臂遥操作的三阶段操作理论,分析了操作过程脑力负荷变化规律,以及各阶段的主要认知负荷来源。实验表明:自发脑电功率谱指标能有效评估遥操作过程被试的脑力负荷水平,非线性指标能有效评估思维活动水平。在遥操作中,脑电功率谱能量逐渐向高频段转移,脑力负荷水平逐渐升高;前两阶段的非线性动力学特征值显著高于最后阶段,在第二阶段达到最大,与被试的思维活动强度变化规律相同。前两阶段被试脑力负荷主要来源于空间认知,第三阶段负荷主要来源于距离和角度偏差认知及任务压力。根据遥操作任务过程的脑力负荷变化规律及负荷的主要来源针对性提供信息补偿,完善任务设计,可降低航天员在各个阶段的脑力负荷水平,对保障遥操作任务的完成有一定指导意义。     

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。     

飞行员和空管员的情境意识错误

情境意识(Situation Awareness)是指飞行人员对自身以及和飞行动态环境有关的飞机、威胁、作战任务、气象、飞行阶段以及空中其他飞行物等的一种连续知觉,并以此知觉为基础来预见、决策和完成任务的能力。据统计有51.6％的致命性飞行事故和35.1％的非致命性飞行事故与飞行人员决策错误密切相关,而飞行人员情境意识缺陷和决策错误及操作错误直接相连。     

影响空间机械臂遥操作任务绩效的关键因素研究

为研究影响空间机械臂操作的关键因素,面向空间站背景下的机械臂遥操作任务,融合情境意识理论,从操作过程和结果中提出6项客观绩效指标：失误率、操作效率、有效操作比率、复合操作比率、位置操作精度及姿态操作精度。招募24名志愿者平均分为2组,通过有差别培训区分为操作技能水平高的实验组和操作技能水平低的对照组;基于机械臂遥操作三维仿真平台,开展了指令、手柄、参数3种控制方法和低、中、高3种任务难度的机械臂末端操作任务实验。结果表明：指令控制方法适合机械臂在局部范围内的精细调整时使用;手柄控制方法适合熟练操作者在机械臂较大范围转移时使用;参数控制方法适合熟练操作者在各维度偏差较大时使用。操作精度结果呈现个体差异,与任务难度关联不显著(P>0.05);操作技能水平对机械臂操作有效性有显著影响(P<0.01)。     

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。     

空间机械臂技术发展综述

介绍了国外载人航天中的航天飞机、国际空间站上的典型空间机械臂系统,概述了用于我国空间站建造和维护任务的空间站机械臂系统,详述了其中核心舱机械臂和实验舱机械臂的任务要求和基本方案,重点阐述了实验舱机械臂的关节、末端作用器、控制器以及遥操作子系统的方案、组成和主要功能,并对我国未来空间机械臂技术的发展提出了建议。     

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。     

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。     

月球车地面遥操作技术发展现状与未来展望

针对月球车在地球-月球大通信时延、月表复杂环境下的地面遥操作技术进行了分析，回顾了苏联、美国、中国已成功发射月球车的控制技术或者远程控制技术现状。为了解决当前月球车采用的“移动-等待”模式低效率难点，结合地面轮式移动机械臂在运动学约束、小时延、多自由度映射等方面的技术现状，从通信时延及时延补偿策略、月表松软月壤带来的纵向/侧向滑动、机器人遥操作理论等3个方面，对月球车进行连续遥操作所面临的关键技术进行了梳理。最后，对未来月球探测工程中的月球车地面遥操作技术发展方向进行了展望。     

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。     

NASA空间操作管理办公室——实施NASA降低操作费用计划的核心部门

在NASA,空间操作包括从发射前准备到任务寿命终结全过程中支持任务所需的所有功能。操作功能包括对空间飞行器进行遥控和遥测的空间/地面网;地面数据分发;包括导航功能在内的空间飞行器和仪器设备的跟踪控制;以及数据处理。近年来,NASA设立了一个空间操作管理办公室(SOMO)以管理它的空间操作功能,并定义它未来的操作结构。     

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.     

机载天线及其布局设计要求

结合机载天线的实际工程应用,从载机平台物理性能、任务系统功能要求、天线方向图覆盖以及系统电磁兼容性等几个方面对如何合理地设计天线布局进行了分析;列举了一些任务系统天线的最优布局位置,进一步说明了合理的天线布局是载机平台的物理性能和系统电气性能的折衷结果,并针对未来机载天线的发展趋势提出了一些看法。     

TBCC进气道模态转换气动技术研究综述

阐述了涡轮基组合循环发动机(TBCC)进气道模态转换国内外的研究现状,并结合串联、内/外并联等典型TBCC发动机的主要特点对其模态转换气动技术研究存在的主要问题及未来主要发展趋势进行对比分析。给出了TBCC模态转换过程需要进一步解决的主要关键气动问题,主要包括新型高性能TBCC进气道模态转换设计技术、模态转换过程高精准度数值模拟及风洞试验技术、模态转换条件对进气道出口流场性能和起动特性影响、模态转换过程分流板区域内外流复杂非定常流动机理及对飞行器气动特性的影响等,为TBCC组合动力模态转换气动技术研究提供参考。     

备件携行量研究方法综述

备件是舰载机在海上执行维修保障任务的重要资源,而备件数量的配置受成本、储存空间与使用可用度等因素的影响。针对出航准备阶段备件携行量的确定问题,分析和总结了当前备件数量配置方法的研究现状,重点对基于间断型历史数据的备件需求预测法、先维修后备件的序贯优化法以及维修与备件的联合优化法进行了综述,并从成本、舰船储存空间与使用可用度等角度分析了3种方法的特点与适用场合,认为联合优化是备件携行量的最佳计算方法。结合已有的研究基础,对备件携行量联合优化方法未来的研究重点与趋势进行了展望。     

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。     

面向载人月球探测的三体周期轨道应用方案分析

为适应未来地月空间飞行器顶层轨道选择与窗口、测控等总体方案论证,对NRHO轨道、L2平动点Halo轨道、DRO轨道等不同三体周期轨道在载人月球探测中的应用进行研究分析,从地月空间转移任务速度增量与飞行时间需求、测控通信、月面可达性、登月窗口、深空拓展任务可行性等方面定量综合评估三体周期轨道的优劣性,对比确定三体周期轨道在载人月球探测不同任务中的适用性。结果表明：3种类型轨道支持登月任务的主要差异在于任务可行性与月球探测区域的选择。研究结果对未来登月飞行器近月空间部署以及轨道方案分析具有一定的参考意义。