[发明专利]同步控制遥操作系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于空间遥操作控制模式技术领域，具体为基于地面集成的空间系统模型获取空间机器人同步模拟状态，实施连续、实时遥操作的控制系统及其方法。

背景技术

空间遥操作技术通过地面操作者操纵在轨空间机器人完成空间操作任务，是地面操作者智能和行为向空间延伸和拓展的有力手段。1967年美国的Surveyor III月球登陆器成功完成了月球表面土壤采集及力测量任务，成为人类应用空间机器人遥操作技术的首例。此后的二十余年间，对空间遥操作技术的研究主要停留于理论层面，期间T.Sheridan，L.Penin和M.Spong等人的工作具有代表性。进入20世纪90年代，由于新的空间操作任务需求不断涌现，以及遥操作相关关键技术相继突破，空间遥操作技术得到了空前的发展，各国陆续开展了一系列在轨试验，包括以日本的工程试验星7号、美国的轨道快车等为代表的近地轨道自由飞行空间机器人遥操作试验，以德国的Rotex和ROKVISS等为代表的宇航舱内空间机械臂遥操作试验，和以美国的“勇气”号、“机遇”号火星车等为代表的行星表面巡视勘察试验等。我国也自20世纪90年代起开始进行相关研究，陆续构建了空间遥操作验证系统，开展了地面模拟验证试验。

业已开展的在轨试验为空间遥操作技术研究积累了丰富的实践经验，形成了多种技术特点鲜明的控制模式，主要包括自主、遥编程和主从等3类。上述三类传统遥操作控制模式或是将决策环节置于空间机器人（自主遥操作），由于空间机器人有限的智能水平降低了遥操作的鲁棒性；或是将决策环节置于操作者（遥编程遥操作和主从遥操作），由于操作者有限的响应速度降低了遥操作的实时性；因此均不能同时满足遥操作高鲁棒性和强实时性的双重要求，这是传统遥操作控制模式的主要缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提出一种同步控制遥操作系统及方法，其基本思想是在地面构建空间系统的等效模型，对空间系统进行同步仿真；地面系统根据同步仿真状态自动生成遥控指令，通过对等效模型的同步控制完成对空间机器人的自动控制，从而既将操作者从机器人执行闭环中分离出来以提高实时性，又依靠地面系统的智能弥补空间机器人自主能力的不足。

本发明采用如下技术方案：

一种同步控制遥操作系统，包括操作者、地面控制中心、空间系统，以及上、下行信道；

所述操作者在线监督遥操作过程，并在必要时对遥操作实施干预；

所述地面控制中心在地面构建空间系统的等效模型，并对上行时延进行实时预测；根据等效模型的同步仿真状态生成空间机器人的遥控指令，同时接收并处理空间系统的反馈状态，根据反馈状态对遥控指令进行修正；为操作者的监督提供视觉信息，为操作者的必要干预提供人-机接口；

所述空间系统，包括空间机器人和空间环境，空间机器人用于执行控制指令，完成操作任务；

所述上、下行信道，用于沟通地面控制中心和空间系统的联系。

进一步的，所述地面控制中心包括：

（1）遥控指令终端，根据同步控制器输出的空间系统同步仿真状态和控制指令修正数据生成空间系统及其模型的实时控制指令，并为操作者干预遥操作过程提供人-机接口；

（2）同步控制器，用于构建空间系统模型，实时预测上行时延，接收遥控指令终端输出的实时控制指令和经下行数据处理模块处理后的空间系统反馈状态，生成空间系统的同步仿真状态和控制指令的修正数据；

（3）下行数据处理模块，用于接收并处理空间系统反馈状态，即对遥测和数传数据进行解析，获取空间系统实际状态；

（4）监控显示模块，根据下行数据处理模块输出的空间系统实际状态，生成空间系统真实在轨视觉信息；根据同步控制器输出的空间系统同步仿真状态，生成空间系统模型的同步仿真视觉信息；为操作者监督遥操作过程提供界面和依据。

进一步的，所述同步控制器包括：

（1）空间系统模型，包括空间机器人模型和空间环境模型两部分，用于生成空间系统的同步仿真状态； 

（2）上行时延预测模块，用于建立空间遥操作天地回路的上行时延状态模型，预测未来上行时延值；

（3）反馈控制器，用于根据同步仿真状态和反馈真实状态之间的误差，计算遥操作实时控制指令的修正数据。

一种同步控制遥操作方法，包括以下步骤：

步骤一，操作者启动任务，开始同步控制遥操作；

步骤二，地面控制中心建立空间系统模型；

步骤三，地面控制中心实时预测上行时延值，生成与空间机器人接收指令近似同相的同步控制指令，以及驱动空间机器人运动的遥控指令；