基于任务级的空间遥操作研究

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1、Vo1．18No．5载人航天第18卷第5期82MannedSpaceflight2012年9月基于任务级的空间遥操作研究赵迪-，一，李世其，朱文革，王明明(1华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074；2湖北工业大学机械工程学院，武汉430068)摘要提出了一种复杂遥操作任务的统一描述结构，使对复杂遥操作任务建模简单易行。该结构将遥操作系统划分为任务规划层和动作仿真层两个层次，运用动作研究理论，对遥操作任务进行任务划分和分解。操作者与遥操作系统在任务规划层进行人机交互，由遥操作系统对复杂任务进行规划，利用操作者输入的参数实现遥操作作业。关

2、键词遥操作；任务级；模块化；petri网中图分类号：TP872-3文献标识码：A文章编号：1674—5825(2012)05—0082—06对接中的应用，可以作为未来我国空间站无人飞行l引言器自动交会对接系统的备份手段，也可用于空间非遥操作系统可以使机器人等智能设备代替人类合作目标的空间交会和对接。在遥操作中当从端远工作在危险、人类不能到达或人类不适于长期驻留离主端时，两者之间的通讯时延不可忽略。例如，在的环境中。遥操作的应用领域和范围决定了其主端地面站与行星轨道上的空间机器人之间的通讯时延和从端的空间距离的分布，时延是一个不可避免的达到了3s

3、～6st4,5,~。当采用传统的方法时，在这样大的突出问题，试验证明对于通常意义下的双向力反馈通信时延下可能导致整个系统的不稳定。此外，远端遥操作系统，如果存在0．25s的时延就可能造成系的操作环境也可能因某些外界因素的作用而发生变统的不稳定，严重降低人的操作感觉，进而降低遥化，而这些变化却不能及时地在仿真中得到反映，因操作的效率和安全性。为了解决时延带来的遥操作此如完全依靠操作者对复杂的任务进行实时的主从系统的透明性问题很多学者进行了相关的研究，主遥操作，则经常面临“运动一等待一运动”的问题，一方要采用的方法包括遥编程，预测控制和基于事件面需

4、要操作者具有很强的任务规划能力和遥操作的监督控制方式l1．】。传统的解决方法是利用基于虚专业知识；另一方面增加了操作者的疲劳程度，降低拟现实的预测图形仿真技术来消除其影响，即建了遥操作的效率l7181。立一个虚拟的仿真环境，该虚拟仿真环境可以实时为解决复杂遥操作的任务规划难、任务执行质将操作结果反馈给操作者，而远端的机器人则在一量、效率难以保证和非专业人员无法进行操作等问定的时延后重复仿真结果，这样就可使操作者面对题，充分融合动作研究理论和Petri网技术的各自优虚拟仿真模型进行连续地实时操作，以克服时延的势，本文提出了一种机器人遥操作任务规划

5、和仿真影响。方法。该方法由将遥操作任务进行三阶段划分，使用我国在2011年11月通过神舟八号飞船实现了六元组结构描述遥操作任务并动素分析方法对遥操空间自动交会对接，空间遥操作技术在遥操作交会作任务进行仿真规划。收稿日期：2011-07—05；修回日期：2012—05—28基金项目：载人航天领域领先研究项目(030202)作者简介：赵迪(1981-)，男，博士研究生，主要研究方向为机队遥操作和虚拟现实。E-mail：vbscripzt@126．corn第5期赵迪等：基于任务级的空间遥操作研究832基于任务级模块化的遥操作结构如图1所示，针对遥操作

6、任务仿真将其划分为任务规划层和动作仿真层两个层次，简称任务规划层和动作仿真层。任务规划层是指完成给定的一套任务的输人、规划和控制的集成与协调，主要完成任务输入、任务划分与描述、任务规划与建模、任务过程仿真等工作，产生动素指令序列，指导动作仿真层功能的实现。动作仿真层是任务规划层任务规划在虚拟环境中的具体体现和验证，主要负责接受任务规划层指令，完成指令的映射、动素仿真和仿真反馈等工作，以及通过仿真反馈实现任务规划的改正与图2遥操作任务规划和动作仿真示意图优化，最终实现遥操作任务的精确、最优控制。在“任务规划层一动作仿真层”结构中，任务规和六元组结

7、构描述法进行任务划分与描述，应用划层特指高层任务规划，动作仿真层特指低层的具网理论进行任务规划和任务建模，并采用体动作执行。网仿真工具进行任务过程仿真，随之产生相应的动高层任务规划素指令序列，至此任务规划层的工作结束。动作仿真酉层则负责将动素指令序列输入虚拟环境，通过指令映射，产生相应的动素仿真；从仿真结果可判断任务＼f

8、l规划是否正确，正确则输出相应的操作指令，否则返回至Pe网任务规划和任务建模阶段，从而对其进行修改，直至输出正确的动素仿真为止。I■j在遥操作系统中操作者处于任务规划层，仅进行上层的宏观任务规划和高级操作；机械臂的具体执行与基

9、本操作由动作层具体实现，该层对操作者任务具体执行多透明。动作层实现对空间机械臂的基本操作，如平移图1遥操作任务仿真的双层规划方法示意图旋转子操作；动作