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面向在轨服务下的不定大时延遥操作系统研究

面向在轨服务下的不定大时延遥操作系统研究

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作者：郭胜凯北京邮电大学

学位级别：硕士

在进行外太空的探索过程中,通过空间站或卫星实施在轨服务,利用遥操作技术进行远程控制机器人来实施各种任务,如桁架组装、插孔任务及模块化物体的更换,由于这一过程中任务较为复杂,既需要精确地控制机器人,也需要通过机器人了解部分未... 详细信息

在进行外太空的探索过程中,通过空间站或卫星实施在轨服务,利用遥操作技术进行远程控制机器人来实施各种任务,如桁架组装、插孔任务及模块化物体的更换,由于这一过程中任务较为复杂,既需要精确地控制机器人,也需要通过机器人了解部分未知环境,当出现难以预计的情况时,借助遥操作进行人为干预,双边遥操作控制方法是一种有效的人机合作方式,利用双边控制方法将主从端机械臂和通讯环节纳入同一控制回路,但由于时延会导致系统不稳定且跟踪精度变差,控制系统难以运行,本文围绕着控制系统在不定大时延下稳定性和跟踪性变差的问题展开以下研究.首先,分析了两种较为常规的方法,基于位置PD算法的双边控制和基于从端环境直接接触力反馈的双边控制,对这两种方法均进行建模和系统稳定性参数分析以及透明性的分析,并在此基础上进行了两种算法的Simulink环境下的仿真,并对于参数对系统造成的影响进行分析,同时进行了实物实验,验证了在不定大时延下其综合效果。其次,根据无源理论,在双边控制中采用时域无源性算法,在控制系统中添加了无源性观测器和无源性控制器,实时判定通信环节是否一直处于消耗能量的状态,也就是无源状态,在不满足无源性时,利用串联式控制器或并联式控制器中的可变阻尼参数进行消耗多余的能量,使得系统重新达到无源状态。根据主从端中输入输出的不同情况,在主端中采用串联式控制器对反馈力进行修正,在从端采用并联式控制器对接收速度进行修正,使得系统整体时时刻刻满足无源稳定状态,并进行了 Simulink环境下的算法仿真验证单端口控制器的算法和双端口控制器的算法,仿真结果表明该算法能够进行2秒左右的不定大时延下的遥操作,相对于传统双边控制方法有明显提升。最后,根据所提算法搭建地面试验验证平台,利用三自由度平动手控器作为主端,Falcon手控器作为从端,模拟了在轨服务下的典型的插孔任务,验证了本文方法的有效性。

关键词：双边遥操作稳定性时域无源性不定大时延

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基于增强现实与无源性的空间机器人遥操作控制研究

基于增强现实与无源性的空间机器人遥操作控制研究

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作者：王根源哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近几十年来，利用空间机器人进行在轨维护任务越来越受到各国的重视。该方式大大地减轻了航天员的工作负担，减小了部分出舱工作的危险;也降低了空间活动的成本，提高了工作效率。但是由于智能技术、计算机技术等水平不足，空间机器人... 详细信息

近几十年来，利用空间机器人进行在轨维护任务越来越受到各国的重视。该方式大大地减轻了航天员的工作负担，减小了部分出舱工作的危险;也降低了空间活动的成本，提高了工作效率。但是由于智能技术、计算机技术等水平不足，空间机器人还很难进行自主操作，因此各国普遍采用的是遥操作的方式完成在轨维护任务。对此本文搭建了空间机器人在轨维护地面遥操作平台，并对增强现实技术和基于时域无源性的双边遥操作控制算法进行了研究。本文搭建在轨维护地面遥操作平台，供操作者在地面控制空间机器人。建立了机器人的几何模型和运动学模型。建立的预测仿真场景，实现主端模型对于从端机器人的预测显示，克服时延对于视觉临场感的影响。还实现了力反馈手柄与地面遥操作平台的连接，操作者可以通过力反馈手柄控制从端机器臂的末端位姿，感受力觉临场感。针对地面-空间大时延导致的力反馈遥操作系统稳定性问题，建立力反馈系统中各环节的数学模型，采用基于时域无源性的控制方法，指出系统不稳定的原因在于通讯时延环节在某一时刻处于向外释放能量的状态，通过设计无源性观测器和无源性控制器，将释放的能量消耗，又不像其它无源性方法消耗更多的能量，避免因能量消耗过多导致系统性能下降。并用Simulink进行了仿真，仿真结果表明该方法在满足跟踪性能的情况下，可以有效地克服5s的时延对于双边力反馈系统稳定性的影响。针对空间机器人抓捕目标的任务中，操作者难以单纯依靠视频图像实现对目标跟踪的问题，利用增强现实技术，实现了机械臂末端相机的视频图像与靶标的虚拟模型间的叠加，通过视频图像获取靶标标志点坐标，分析图像图形偏差与机械臂实际位姿偏差两者间的关系，总结出了一套根据图像差异判断的手控规律，提供给操作者，直观地帮助其控制机械臂到达目标位姿。并通过一个实例，验证了该方法的可行性。通过拉弹簧实验验证时域无源性算法，在时延为5s的情况下，可以保证力反馈系统的稳定性，而且系统的跟踪性能未受太大影响。通过更换在轨可更换单元实验，对上述地面遥操作平台进行测试，证明该平台可以实现对机器人在关节空间和笛卡尔空间进行控制，可以操作空间机器人完成一些在轨维护任务。

关键词：空间机器人遥操作虚拟现实时域无源性增强现实

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空间望远镜在轨组装遥操作技术研究

空间望远镜在轨组装遥操作技术研究

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作者：钟少康哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

传统的空间望远镜口径小,聚光能力弱,无法捕获到空间中更暗、更弱的目标,而增大空间望远镜的口径能够极大提高分辨率。受限于火箭的运载能力,致使大型空间望远镜入轨应用成为困难。目前可行的方法是将空间望远镜设计为模块化结构,模块... 详细信息

传统的空间望远镜口径小,聚光能力弱,无法捕获到空间中更暗、更弱的目标,而增大空间望远镜的口径能够极大提高分辨率。受限于火箭的运载能力,致使大型空间望远镜入轨应用成为困难。目前可行的方法是将空间望远镜设计为模块化结构,模块化组件被运送到特定轨道后,借助空间机械臂进行在轨组装和调整,最终获得完整且运行稳定的空间望远镜。由于空间环境较为复杂,空间机械臂以完全自主的方式执行在轨任务存在很多风险和限制,目前主要通过遥操作的控制方式完成在轨任务。本文构建了空间望远镜在轨组装遥操作平台,对在轨组装空间望远镜实现任务规划以及对基于时域无源性的遥操作控制算法进行研究。首先,设计了空间望远镜在轨组装遥操作平台。根据在轨组装任务特点,对在轨组装遥操作系统进行了需求分析。对空间机械臂建立运动学模型,并推导了基于关节变量参数化的逆运动学。搭建了预测仿真场景,实现了对在有时延存在下的动作预测,为操作者提供了视觉临场感。此外,将力反馈手柄接入遥操作系统,通过手柄的输入控制机械臂运动,同时手柄向操作者提供从端的反馈力。其次,对在轨组装空间望远镜实现了任务规划。设计了在轨组装空间望远镜总体方案,结合不同的遥操作模式,对在轨遥操作任务进行分析、分解和规划。在任务级遥操作模式下,使用样条插值方法对空间机械臂进行轨迹规划,经仿真验证后,能够实现预期的运动轨迹;在主从遥操作模式下,设计了遥操作运动映射策略,包含了靠近和远离目标位置时对应的运动映射系数变化策略。最后,采用基于时域无源性的控制算法,改善了双边遥操作系统的稳定性和操作性。对单自由度双边遥操作系统建立动力学模型,基于无源性理论,通过引入无源性观测器和无源性控制器使通讯环节无源,验证了在时延下遥操作系统的稳定性。对基于时域无源性控制框架进行改进,引入了虚拟质量-弹簧的无源系统和基于感知死区的数据压缩算法。引入虚拟质量-弹簧的无源系统后,在时延为1秒时,能够弱化因手柄低速而产生的突变力;引入感知死区算法后,在不引发信号明显失真的情况下,降低了网络通信的包速率。

关键词：在轨组装遥操作任务规划时域无源性

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