載人月球探測混合現(xiàn)實(shí)遙操作控制總體方案研究

王鵬基， 邢 琰， 孫赫婕， 王 碩

(1.北京控制工程研究所， 北京 100094； 2.空間智能控制國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094)

1 引言

遙操作巡視探測是月球探測的重要方式，具有代表性的是蘇聯(lián)的Luna 系列[1]。 由于地月之間距離傳輸時(shí)延和傳輸帶寬的限制[2]，在軌數(shù)據(jù)難以實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫔?，地面操控人員無法直接根據(jù)圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)操控月面移動機(jī)器人。 而月面地形環(huán)境復(fù)雜未知，且存在較大的不確定性，給月面移動機(jī)器人的遙操作任務(wù)帶來較大的挑戰(zhàn)。

蘇聯(lián)共開展了2 次月面無人巡視探測任務(wù)，于1970 年發(fā)射的Luna17 首次使用月球車(Lunokhod1)在月面巡視探測，1973 年發(fā)射的Luna21中的月球車2 號工作了約4 個(gè)月，行走里程達(dá)37 km[3]。 中國的玉兔1 號于2013 年底抵達(dá)月球正面虹灣地區(qū)，玉兔2 號于2019 年1 月3 日開始在月球背面南極-艾特肯盆地的馮·卡門撞擊坑開展巡視探測，已經(jīng)成為在月面工作時(shí)間最長的月球車。

蘇聯(lián)的月球車系列主要采用移動—等待的遙操作控制策略[4]，確保地面獲取了完整的在軌圖像信息，遙操作指令經(jīng)地面充分驗(yàn)證后才上傳到天上執(zhí)行，從而確保月面探測的安全性。 與蘇聯(lián)的Luna 系列月球車類似，中國的玉兔號月球車也主要采用移動—等待的地月遙操作探測方式，所不同的是，玉兔號還具備局部的自主避障探測能力。 但這種走走停停的探測方式導(dǎo)致探測效率較低，對于未來載人月球探測大范圍未知月面空間來說顯然是不夠的。 若能在地面上將地月時(shí)延間隔內(nèi)移動機(jī)器人的未來運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測[5]，并利用混合現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互仿真技術(shù)[6]在地面控制中心逼真再現(xiàn)月面操作現(xiàn)場的任務(wù)場景，實(shí)現(xiàn)月面物理場景和操控人員面前虛擬場景的準(zhǔn)平行，操控人員就可在高沉浸感的虛擬場景下實(shí)時(shí)驅(qū)動虛擬機(jī)器人，以達(dá)到對月面移動機(jī)器人連續(xù)遙操作控制的目的，從而提高移動機(jī)器人的探測效率和安全性。

本文提出一種基于運(yùn)動預(yù)測修正和混合現(xiàn)實(shí)場景仿真的月面遙操作控制總體方案，地月傳輸時(shí)延過程的月球車運(yùn)動狀態(tài)通過預(yù)測得到，并利用混合現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬場景更新和顯示，實(shí)現(xiàn)月面物理場景和操控人員面前虛擬場景的準(zhǔn)平行，從而使操控人員可以在地面控制中心、月軌空間站或月面居住艙內(nèi)完成月球車的實(shí)時(shí)遙操作探測，提高月面探測效率。

2 載人探月遙操作任務(wù)分析

2.1 載人探月遙操作方式

根據(jù)遙操作人員所處的位置，中國未來載人月球探測遙操作方式大致可分為地面遙操作、月軌遙操作和月面遙操作3 類。 其中，月面遙操作又包括操作人員在月面居住艙內(nèi)的短期月面遙操作、操作人員在艙外跟隨機(jī)器人的月面伴隨遙操作及操作人員位于月球基地控制中心內(nèi)的月球基地遙操作3 種形式。

圖1 給出了載人探月巡視探測任務(wù)可能采取的遙操作控制方式。 載人探月遙操作分為上中下3 層。 中層為月面上的遙操作，上層為操控人員位于月軌空間站中的遙操作，下層為操控人員在地面控制中心的遙操作。 上中下3 層遙操作方式可同時(shí)存在，協(xié)同工作。 根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平，在某個(gè)探測階段，以其中一種遙操作方式為主，其他遙操作方式為輔。

2.2 載人探月遙操作發(fā)展階段

按照中國載人探月工程的技術(shù)發(fā)展水平，遙操作大致可分為以下4 個(gè)階段:

1)地面遙操作階段。 月球基地尚未建立，著陸器和居住艙的生保條件和遙操作能力有限，考慮安全性，航天員直接出艙進(jìn)行伴隨遙操作的可能性也不大。 因此，以操作人員位于地面控制中心進(jìn)行地面遙操作為主，著陸器、居住艙或月軌空間站里的航天員對遙操作過程進(jìn)行監(jiān)視，必要時(shí)可參與操作。 該階段遙操作時(shí)延最大，但計(jì)算資源最強(qiáng)。

2)月面遙操作初期階段。 操作人員留在著陸器或居住艙內(nèi)，或者出艙跟隨移動機(jī)器人進(jìn)行伴隨遙操作。 通過月面上的遠(yuǎn)程或者近程無線通訊鏈路進(jìn)行指令通訊和數(shù)據(jù)傳輸，操作移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)月面環(huán)境巡視和采樣等探測活動。 該階段遙操作的優(yōu)勢是通訊和傳輸延時(shí)較小，不足是著陸器/居住艙或航天員自身的生保系統(tǒng)受限，難以實(shí)施長期遙操作探測任務(wù)，且計(jì)算資源有限。 該階段下，地面控制中心和月軌空間站的遙操作為輔助，必要時(shí)可參與操作。

3)月軌遙操作階段。 在構(gòu)建起月軌空間站和中繼衛(wèi)星、解決了月軌通訊問題后，月軌空間站遙操作就具備了一定優(yōu)勢:比地面遙操作延時(shí)更短，指令通訊和數(shù)據(jù)傳輸速率更快，實(shí)時(shí)性更好；比月面遙操作計(jì)算能力更強(qiáng)，實(shí)時(shí)遙操作的可實(shí)現(xiàn)性更高，月面探測的時(shí)間更長。 該階段下，著陸器和居住艙的航天員或地面控制中心的操控人員對遙操作過程進(jìn)行監(jiān)視，必要時(shí)可參與操作。

4)月面遙操作高級階段。 待在月面上建立起長期值守的月球基地后，操作人員位于月球基地控制中心進(jìn)行的遙操作與其他遙操作相比具備更大的優(yōu)勢:遙操作指令通訊和數(shù)據(jù)傳輸相較于地面或月軌空間站遙操作方式延時(shí)更小，實(shí)時(shí)遙操作的可實(shí)現(xiàn)性更好；操作環(huán)境更舒適，大大降低人的疲勞程度；計(jì)算資源相對更豐富，生存條件更好，可長期執(zhí)行遙操作探測任務(wù)。 若配合月軌空間站或中繼衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)全月面任意位置的遙操作巡視探測。 該階段下，地面操控人員或月軌空間站的航天員對遙操作過程進(jìn)行監(jiān)視，必要時(shí)參與操作。

2.3 遙操作時(shí)延分析

無論采取哪種遙操作控制方式，或多或少都會受到時(shí)延影響，其中最為突出的是數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，包括距離傳輸時(shí)延和鏈路帶寬時(shí)延。

對于地月距離傳輸時(shí)延，其大小是由無線電傳輸速度決定的，無論載人探月發(fā)展到哪個(gè)階段，地月距離傳輸時(shí)延都是存在的，且不會隨著技術(shù)的發(fā)展而縮短。 按地月距離380 000 km 估算，傳輸時(shí)延單程大約為1.5 s。

鏈路帶寬時(shí)延主要針對圖像等大容量數(shù)據(jù)的傳輸情況，受傳輸鏈路的帶寬限制較大。 帶寬提高，同樣的數(shù)據(jù)量，其傳輸過程所用時(shí)間就相應(yīng)減少，該類時(shí)延大小會隨著載人探月技術(shù)的發(fā)展而大大縮短。 另外，圖像壓縮會減小下傳的數(shù)據(jù)容量，同樣可縮短地月數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

2.4 下傳數(shù)據(jù)需求分析

對于載人探月遙操作任務(wù)，尤其是時(shí)延較大的地月遙操作任務(wù)來說，下傳的測量數(shù)據(jù)按下傳速度可分為短周期時(shí)延數(shù)據(jù)和長周期時(shí)延數(shù)據(jù)。

1) 短周期時(shí)延數(shù)據(jù)。 主要指月面移動機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)。 這類數(shù)據(jù)容量很小，通常只考慮距離傳輸時(shí)延，由安裝在移動機(jī)器人上的導(dǎo)航敏感器直接測量得到，適用于對時(shí)延要求比較高的遙操作路徑規(guī)劃制導(dǎo)和預(yù)測任務(wù)。

2) 長周期時(shí)延數(shù)據(jù)。 主要指月面移動機(jī)器人周圍的月面地形數(shù)據(jù)，包括雙目圖像、激光點(diǎn)云等。 這類數(shù)據(jù)通常容量較大，受鏈路帶寬限制也較大，由安裝在移動機(jī)器人上的各類感知敏感器(如導(dǎo)航/避障相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)、激光雷達(dá)等)獲取。 隨著載人探月技術(shù)的發(fā)展，還可以充分利用月軌空間站或著陸器/居住艙上的高分相機(jī)精確獲取月面操作現(xiàn)場的大范圍地形數(shù)據(jù)。 該類數(shù)據(jù)雖然下傳周期較長，但測量精度比較高，可對移動機(jī)器人進(jìn)行精確定位定姿，對利用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行的移動機(jī)器人位姿預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正。

3 地月準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作方案

地月遙操作是載人月球探測初期的主要遙操作方式，且與其他形式的遙操作相比，其通訊和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)最大，克服時(shí)延實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遙操作的難度也最大，因此研究地月遙操作最具有代表性。本文重點(diǎn)針對地月遙操作控制進(jìn)行方案研究，突破該方式下較大時(shí)延預(yù)測修正和顯示等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作，提高探測效率。 載人月球探測混合現(xiàn)實(shí)地月準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作控制的基本過程如下:初始化階段，由混合現(xiàn)實(shí)仿真子系統(tǒng)根據(jù)提前獲取的月面圖像進(jìn)行大范圍三維重建和地形特征的增強(qiáng)信息顯示，形成靜態(tài)虛擬月面任務(wù)場景，包括虛擬移動機(jī)器人。 之后，由操作人員根據(jù)重建的虛擬月面任務(wù)場景操控虛擬移動機(jī)器人運(yùn)動，從而生成遙操作指令；將指令連續(xù)上傳至月面的真實(shí)移動機(jī)器人，在指令執(zhí)行之前提前預(yù)測移動機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)；利用延時(shí)下傳的性能測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)等測量數(shù)據(jù)進(jìn)行短周期預(yù)測修正；待月面圖像延時(shí)下傳后，由預(yù)測修正子系統(tǒng)解算得到更為精確的機(jī)器人位姿結(jié)果，并進(jìn)行長周期預(yù)測修正，以達(dá)到預(yù)測軌跡逼近移動機(jī)器人真實(shí)運(yùn)動軌跡的目的。 與此同時(shí)，混合現(xiàn)實(shí)仿真子系統(tǒng)根據(jù)移動機(jī)器人的位姿預(yù)測結(jié)果和延時(shí)下傳的月面圖像數(shù)據(jù)對任務(wù)場景進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)更新與增強(qiáng)顯示，為操控人員提供高臨場感且與月面操作現(xiàn)場延時(shí)同步變化的虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)場景。

由此循環(huán)進(jìn)行指令上傳、位姿預(yù)測、定位定姿、預(yù)測修正和場景更新顯示，從而構(gòu)成地月時(shí)延下混合現(xiàn)實(shí)遙操作閉環(huán)控制系統(tǒng)。 如圖2 所示，載人月球探測混合現(xiàn)實(shí)地月準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作系統(tǒng)包括3 部分:地面控制中心、月面任務(wù)操作現(xiàn)場和地月通訊鏈路。

圖2 載人月球探測混合現(xiàn)實(shí)地月準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作系統(tǒng)方案及組成框圖Fig.2 Scheme and block diagram of Earth-Moon quasi-real-time mixed reality teleoperation system for manned lunar exploration

3.1 地面控制中心

地面控制中心是混合現(xiàn)實(shí)遙操作的核心，其主要功能是由地面操控人員根據(jù)三維重建和增強(qiáng)的數(shù)字任務(wù)場景完成人機(jī)交互遙操作，生成并上傳遙操作指令，實(shí)現(xiàn)對月面移動機(jī)器人的遙操作控制。 地面控制中心包括3 個(gè)子系統(tǒng):遙操作預(yù)測修正子系統(tǒng)、混合現(xiàn)實(shí)仿真子系統(tǒng)和人機(jī)交互子系統(tǒng)。

3.1.1 遙操作預(yù)測修正子系統(tǒng)

遙操作預(yù)測修正子系統(tǒng)是地月時(shí)延下準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作任務(wù)得以實(shí)現(xiàn)的核心系統(tǒng)之一，主要由移動機(jī)器人定位定姿模塊和運(yùn)動狀態(tài)預(yù)測與修正模塊等組成。 移動機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)的預(yù)測優(yōu)劣取決于定位定姿和預(yù)測修正兩部分的綜合作用結(jié)果，任何一部分性能降低，都將直接影響最終的預(yù)測性能，進(jìn)而影響遙操作任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。 該子系統(tǒng)主要功能如下:

1)狀態(tài)預(yù)測。 通過建立月面移動機(jī)器人的預(yù)測模型(含有月面地形起伏的運(yùn)動學(xué)模型)，對地月時(shí)延下的機(jī)器人位置姿態(tài)進(jìn)行外推預(yù)測。

2)定位定姿。 根據(jù)月面上延時(shí)下傳的機(jī)器人位姿和月面地形圖像數(shù)據(jù)，利用即時(shí)定位與建圖(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)方法對成像時(shí)刻機(jī)器人真實(shí)位姿進(jìn)行精確計(jì)算，這是預(yù)測修正的重要參考數(shù)據(jù)。 由于地月時(shí)延的存在，該位姿數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)獲取，只能是有限幀數(shù)據(jù)。

3)預(yù)測修正。 利用延時(shí)下傳的慣性測量單元(IMU)等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)短周期預(yù)測修正，并結(jié)合SLAM 技術(shù)獲取的位姿信息實(shí)現(xiàn)長周期預(yù)測修正，確保機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)預(yù)測誤差收斂，精度滿足要求。

3.1.2 混合現(xiàn)實(shí)仿真子系統(tǒng)

混合現(xiàn)實(shí)仿真子系統(tǒng)是地面操控人員實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遙操作控制的重要條件，為地面操控人員提供虛擬月面任務(wù)操作場景，由三維場景重建與更新、增強(qiáng)信息生成與顯示、混合現(xiàn)實(shí)仿真等模塊組成。其主要功能如下:

1)三維重建。 對包括大范圍月面地形和移動機(jī)器人在內(nèi)的月面任務(wù)操作現(xiàn)場真實(shí)場景進(jìn)行精確三維重建，實(shí)現(xiàn)月面真實(shí)場景的數(shù)字化。

2)場景更新。 一方面，根據(jù)預(yù)測修正的虛擬機(jī)器人位姿更新虛擬月面任務(wù)操作場景(虛擬機(jī)器人在虛擬月面環(huán)境中的狀態(tài))；另一方面，根據(jù)延時(shí)下傳的雙目相機(jī)和激光雷達(dá)月面地形數(shù)據(jù)對局部虛擬月面地形、尤其是局部月面特征進(jìn)行更新。

3)信息生成。 對虛擬月面場景中的地形特征進(jìn)行精確計(jì)算，獲取特征尺寸、危險(xiǎn)程度、規(guī)劃路徑等增強(qiáng)信息。

4)增強(qiáng)顯示。 對三維重建和更新的場景進(jìn)行渲染，并將生成的增強(qiáng)信息準(zhǔn)確顯示在虛擬月面場景中，為地面操控人員提供準(zhǔn)確且高臨場感的混合現(xiàn)實(shí)可視場景。

3.1.3 人機(jī)交互子系統(tǒng)

人機(jī)交互子系統(tǒng)主要通過遙操作平臺(如操控手柄等)和虛擬現(xiàn)實(shí)月面任務(wù)場景，構(gòu)建起地面操控人員與真實(shí)任務(wù)操作現(xiàn)場之間的實(shí)時(shí)互動關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)操控人員對月面移動機(jī)器人的準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作控制任務(wù)。 包括地面操控人員、操控手柄及頭盔等混合現(xiàn)實(shí)仿真設(shè)備等。

3.2 月面任務(wù)操作現(xiàn)場

月面任務(wù)操作現(xiàn)場是遙操作任務(wù)的真實(shí)操作現(xiàn)場，負(fù)責(zé)獲取并延時(shí)下傳各類敏感器測量數(shù)據(jù)，同時(shí)執(zhí)行地面控制中心實(shí)時(shí)上傳的遙操作指令，從而完成移動機(jī)器人的巡視探測和采樣任務(wù)。 月面任務(wù)操作現(xiàn)場主要包括移動機(jī)器人和月面環(huán)境(月面地形、光照環(huán)境等)。 其中，移動機(jī)器人包括移動平臺及各類敏感器設(shè)備(雙目相機(jī)、激光雷達(dá)、慣性測量單元等)、操作機(jī)械臂和手眼雙目相機(jī)等。

3.3 地月通訊鏈路

地月通訊鏈路主要負(fù)責(zé)地面控制中心與月面任務(wù)操作現(xiàn)場移動機(jī)器人之間的指令通訊和數(shù)據(jù)傳輸。 距離時(shí)延和有限傳輸帶寬引起的數(shù)傳時(shí)延都將對地月遙操作的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性產(chǎn)生較大影響。

4 地月遙操作系統(tǒng)工作流程

載人月球探測混合現(xiàn)實(shí)地月準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作控制系統(tǒng)的基本工作流程設(shè)計(jì)如圖3 所示。 中間一條帶有箭頭的軸為時(shí)間軸，軸的上端為天，即月面環(huán)境下的真實(shí)操作現(xiàn)場，天上時(shí)刻用下標(biāo)s 表示；軸的下端為地，即地面控制中心的虛擬操作現(xiàn)場。 遙操作控制指令與月面執(zhí)行之間，可認(rèn)為相差一個(gè)地月傳輸延時(shí)Ttrans，而遙測下傳的測量數(shù)據(jù)可分為短周期和長周期:短周期數(shù)據(jù)為運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)(位置、姿態(tài)等)，其時(shí)延主要為地月傳輸時(shí)延Ttrans；長周期遙測數(shù)據(jù)為圖像數(shù)據(jù)，其時(shí)延包括地月傳輸時(shí)延Ttrans和圖像下傳時(shí)間Tpic兩部分。 載人月球探測混合現(xiàn)實(shí)地月準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作的基本工作流程如下:

圖3 載人月球探測混合現(xiàn)實(shí)地月準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作基本工作流程Fig.3 Basic workflow of Earth-Moon quasi-real-time mixed reality teleoperation system for manned lunar exploration

1)初始化。t＝0 時(shí)刻，月面移動機(jī)器人位于月面任務(wù)操作現(xiàn)場。 利用移動機(jī)器人或者軌道器/著陸器上的高分辨率相機(jī)/雷達(dá)對待探測的大范圍月面地形進(jìn)行成像，并將圖像數(shù)據(jù)下傳到地面控制中心。 然后由混合現(xiàn)實(shí)仿真子系統(tǒng)對月面任務(wù)操作現(xiàn)場(包括月面地形和移動機(jī)器人)進(jìn)行靜態(tài)三維重建、渲染和增強(qiáng)信息生成，在地面控制中心呈現(xiàn)虛擬操作任務(wù)場景，包括月面地形和移動機(jī)器人數(shù)字模型。

2)一步遙操作。 操控人員根據(jù)三維重建后的虛擬場景，通過人機(jī)交互子系統(tǒng)操控手柄進(jìn)行一步遙操作，使得虛擬機(jī)器人在三維場景中按預(yù)定軌跡運(yùn)動，操作指令立即上傳至任務(wù)操作現(xiàn)場的真實(shí)移動機(jī)器人。

3)一步預(yù)測。 在當(dāng)前地月時(shí)延間隔內(nèi)，每個(gè)遙操作控制周期，由遙操作預(yù)測與修正子系統(tǒng)對移動機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)(車體位置、速度、姿態(tài)等)進(jìn)行一步預(yù)測。

4)一步場景更新。 混合現(xiàn)實(shí)仿真子系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測的移動機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)更新虛擬場景中的機(jī)器人位姿和月面地形。

5)重復(fù)步驟2)～4)，直到第一個(gè)短周期時(shí)延的IMU 數(shù)據(jù)下傳到地面。

6)短周期預(yù)測修正。 在每個(gè)遙操作周期，連續(xù)下傳移動機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)至地面控制中心，預(yù)測修正子系統(tǒng)利用下傳的位姿信息對之前的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正，直至當(dāng)前時(shí)刻。 之后每個(gè)遙操作控制周期，都根據(jù)延時(shí)下傳的位姿信息進(jìn)行短周期預(yù)測修正，直到第一個(gè)長周期時(shí)延的圖像數(shù)據(jù)下傳到地面。

7)長周期定位定姿。 雙目相機(jī)和激光雷達(dá)每間隔一個(gè)延時(shí)周期(如10 s)下傳一組圖像數(shù)據(jù)至地面控制中心，預(yù)測修正子系統(tǒng)根據(jù)延時(shí)下傳的圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合短周期位姿數(shù)據(jù)對圖像對應(yīng)時(shí)刻移動機(jī)器人的位置姿態(tài)進(jìn)行精確解算，為長周期預(yù)測修正提供基準(zhǔn)。

8)長周期預(yù)測修正。 預(yù)測修正子系統(tǒng)以長周期定位定姿確定的精確位置姿態(tài)為初值，結(jié)合IMU 數(shù)據(jù)對長延時(shí)周期內(nèi)的移動機(jī)器人位姿預(yù)測結(jié)果進(jìn)行精確修正，直至當(dāng)前時(shí)刻。

9)混合現(xiàn)實(shí)仿真。 混合現(xiàn)實(shí)仿真子系統(tǒng)以修正的移動機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)和延時(shí)下傳的圖像數(shù)據(jù)作為輸入，實(shí)時(shí)更新虛擬月面任務(wù)場景，包括虛擬月面地形和虛擬機(jī)器人，結(jié)合人機(jī)交互子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬場景遙操作。

重復(fù)步驟2)～9)，完成地月延時(shí)條件下的地面遙操作、指令上傳、位姿預(yù)測、場景更新、數(shù)據(jù)下傳、預(yù)測修正、混合現(xiàn)實(shí)仿真和再操作的閉環(huán)過程，直至遙操作任務(wù)結(jié)束。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建包括實(shí)物月面移動機(jī)器人、月面模擬環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字仿真環(huán)境在內(nèi)的混合現(xiàn)實(shí)月面遙操作半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，通過行走機(jī)器人定位預(yù)測和虛實(shí)結(jié)合遙操作，實(shí)現(xiàn)月面巡視探測準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作移動控制，進(jìn)而驗(yàn)證混合現(xiàn)實(shí)遙操作性能。 仿真系統(tǒng)與試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 仿真系統(tǒng)與試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.4 Simulation system and experiment site

遙操作控制誤差測試是綜合性測試，在混合現(xiàn)實(shí)虛擬仿真環(huán)境下使用方向盤對月面移動機(jī)器人進(jìn)行遙操作，結(jié)合預(yù)測信息等增強(qiáng)信息的提示作用，控制月面移動機(jī)器人進(jìn)行軌跡運(yùn)動。 該指標(biāo)用于評估混合現(xiàn)實(shí)遙操作移動控制的綜合性能(包括重建、定位、預(yù)測、控制精度)，采用半物理試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

在混合現(xiàn)實(shí)虛擬仿真環(huán)境下進(jìn)行20 組測試，速度為5 cm/s，10 cm/s，12 cm/s，15 cm/s 和20 cm/s，包括直線軌跡、曲線軌跡等多種情況，測得遙操作控制誤差約為7.86 cm。 測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 遙操作控制誤差Table 1 Control error of teleoperation/cm

依據(jù)混合現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境下的半實(shí)物仿真測試結(jié)果，本文研制的地月準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作控制系統(tǒng)總體方案，能夠適應(yīng)于不同的速度、軌跡和運(yùn)動狀態(tài)的遙操作，在仿真環(huán)境的崎嶇環(huán)境能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，遙操作控制誤差滿足預(yù)期要求。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于運(yùn)動預(yù)測修正和混合現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的地月準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作控制系統(tǒng)總體方案:通過對月面任務(wù)操作現(xiàn)場進(jìn)行精確三維重建和增強(qiáng)信息顯示，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)場景動態(tài)匹配；通過對月面移動機(jī)器人進(jìn)行融合定位和時(shí)延運(yùn)動預(yù)測，實(shí)現(xiàn)虛擬場景下機(jī)器人遙操作移動控制的準(zhǔn)實(shí)時(shí)性。 利用構(gòu)建的混合現(xiàn)實(shí)月面遙操作半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行遙操作控制誤差測試，充分驗(yàn)證了方案的可行性與有效性。 本文成果目前正在推廣應(yīng)用到中國載人月球探測月面活動相關(guān)的探測技術(shù)攻關(guān)研究中，后續(xù)也可應(yīng)用到無人月球基地建設(shè)中。