月球車地面遙操作技術發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望

李衛(wèi)華，郭軍龍，丁亮，高海波

1．哈爾濱工業(yè)大學（威海） 汽車工程學院，威海 264201

2．哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150001

由于月球在太陽系中的獨特位置及其自身的環(huán)境特點，使其成為人類邁出地球搖籃、進入太空的第一站。通過月球探測，人類可以獲取大量的資源，還可將其作為進入遙遠空間的中轉站，帶來相關科學的發(fā)展和技術的創(chuàng)新［1］。因此，月球探測已成為各國重大航天工程的必然選擇。

自1959年以來，美國、蘇聯(lián)、中國等國家相繼開展了一系列月球探測活動［2-4］。美國“阿波羅”（Apollo）計劃共發(fā)射了3輛載人月球漫游車（Lunar Roving Vehicle，LRV），它們由宇航員操縱行駛來開展月面探測任務。蘇聯(lián)月球車Lunokhod-1和Lunokhod-2也先后成功著陸，并對月球進行了無人化探測。

中國的“嫦娥”探月工程于2004年正式啟動，已經成功實施了“繞”“落”“回”三步走［5-7］：2007年10月24日，“嫦娥一號”繞月探測衛(wèi)星在西昌衛(wèi) 星 發(fā) 射 中 心 成 功 發(fā) 射；2013年12月14日，“嫦娥三號”月球探測器成功在月球虹灣區(qū)著陸，使中國成為世界第3個實現(xiàn)月球軟著陸的國家；2019年1月3日，“玉兔二號”月球車成功與“嫦娥四號”著陸器分離，首次實現(xiàn)月球背面著陸；2020年12月17日，“嫦娥五號”返回器安全著陸，成功完成中國首次地外天體采樣返回任務，使中國成為世界上第2個月球無人自主采樣返回的國家。截至2030年，中國還將實施“嫦娥六號”到“嫦娥八號”等月球探測任務，擬建成具備科學探測、科研試驗和資源利用技術驗證等綜合功能的月球科研站基本型［1］。

截至目前，人類一共發(fā)射了7輛月球車。按照是否載人，月球車可以分為載人月球車和無人月球車。美國“阿波羅”計劃中所采用的月球漫游車由宇航員操縱，作為拓展宇航員活動范圍的運載工具，因此在運動控制過程中較少需要地面人員的輔助，主要依賴宇航員的駕駛經驗；蘇聯(lián)月球車（Lunokhod-1和Lunokhod-2）與中國月球車（“玉兔號”和“玉兔二號”）均屬于無人駕駛的月球車，在運動控制過程中，主要依賴車載傳感器及控制器的智能程度及地面人員的遠程輔助來完成探測任務。

本文章節(jié)詳細安排如下：首先對美國、蘇聯(lián)、中國等國家已發(fā)射的月球車及相關月球探測任務進行梳理；第1節(jié)重點分析了蘇聯(lián)與中國的無人月球車地面遙操作技術及性能對比；第2節(jié)介紹了地面移動機械臂連續(xù)遙操作技術的最新進展，為后續(xù)月球車探測工程提供新的控制理論與技術；第3節(jié)結合月表環(huán)境特點，分析了月球車實現(xiàn)地面連續(xù)遙操作所面臨的主要技術難點；第4節(jié)對未來月球車遙操作的發(fā)展趨勢進行了展望；第5節(jié)給出了本文結論，以期為中國月球車探測技術的發(fā)展提供參考。

1 月球車地面遙操作技術現(xiàn)狀

1.1 蘇聯(lián)月球車的地面遙操作模式

蘇聯(lián)發(fā)射的2臺無人月球車Lunokhod-1與Lunokhod-2分別行走了10.54 km、37 km，平均移動速度分別為0.14 km/h、0.34 km/h。它們的運動控制均采用了完全由地面操作人員進行遠程輔助智能感知、規(guī)劃、控制的“移動-等待”地面遙操作模式［8-9］，其遙操作框圖如圖1所示［9］。

圖1 Lunokhod-1與Lunokhod-2月球車遙操作框圖［9］Fig. 1 Teleoperation of Lunokhod-1 and Lunokhod-2［9］

在Lunokhod月球車的地面遙操作過程中，其運行場景的反饋信息主要來源于車載的4部高分辨率攝像頭。根據(jù)執(zhí)行的功能，其遠程控制系統(tǒng)由以下模塊組成：運動管理組、安全指令生成組、運動狀態(tài)估計組，每一組由幾個人共同組成功能塊。如果車輪發(fā)生滑動，操作員則可以基于月球車行駛速度和車輪轉速解譯遙測信息所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，并評估這種情況的危險性。傳感系統(tǒng)還包括一種具有三自由度與鐘擺校正的航空陀螺儀，可以構建出一個沿運動路線的等高線圖。所有信息都是通過遙測通道傳輸?shù)降孛娌倏刂行?，用于診斷月球車運行狀況、底盤子系統(tǒng)操作和運動控制。由于Lunokhod完全依賴地面人員進行遠程控制，車上并未裝載計算機等智能設備，因此不具備自主功能。

地面操作人員以月面反饋圖像作為依據(jù)，完成障礙物識別、確定障礙距離、分析道路可通行性以及運動指令規(guī)劃等一系列工作。月球車則需要基于自身正逆運動學將操作員發(fā)送的速度與方向指令轉化成各驅動輪的速度及轉向輪的方向轉角，同時收集月球車運動過程中的行駛狀態(tài)信息并反饋給地面操作員，為制定下一步移動任務提供參考。由于Lunokhod-2采用了電磁摩擦制動器，其運動速度與行進轉向性能相比Lunokhod-1得到了大幅提升。通過地面操作，Lunokhod-1累計工作時間302天，其最大單次連續(xù)運行時間為50 s；而Lunokhod-2累計工作時間125天，其最大單次連續(xù)運行時間為1檔437 s、2檔200 s［9］。

在這種完全依靠地面人員操作的模式下，月球車移動性能主要取決于地面操作人員的遠程駕駛經驗，因此，需要花費很長的時間訓練操作員。受下傳圖像畫面質量較低的影響，操作人員只能對月球車進行目視量測和分析，進而使得月球車遙操作效率很低；此外，操作員需要同時處理的數(shù)據(jù)量偏大，極易產生駕駛疲勞，且難以完成高精度的規(guī)劃與操作。但是，這種操作模式大大降低了遙操作系統(tǒng)對月球車車載自主能力的要求，進而減少了車載計算與感知元件的負擔，在當時的科技水平下已是最佳的選擇。

1.2 中國月球車的遙操作模式

中國已經在“嫦娥”探月工程任務中完成了月球車遙操作系統(tǒng)的開發(fā)和應用［10-11］。“玉兔號”和“玉兔二號”月球車，均是由北京航天飛行控制中心作為月面巡視探測的地面遙操作中心，負責任務數(shù)據(jù)通訊、探測任務規(guī)劃、巡視器導航、指令生成等工作。中國月球車地面遙操作同樣也采取了“移動-等待”方式，但是為了提升月球車的行駛安全性，將地面遙操作與器上自主充分結合起來，詳細方案如圖2所示［11］。

在圖2中，地面控制中心與月表月球車系統(tǒng)通過月地通信網絡實現(xiàn)信息互傳。地面控制中心利用回傳的環(huán)境數(shù)據(jù)和月球車狀態(tài)信息恢復出巡視器周圍的地形環(huán)境狀況并構建遙現(xiàn)場（Lunar Terrain Reconstruction），進而輔助地面操作人員對月球車進行視覺定位與導航規(guī)劃（Vision-based Navigation and Localization），形成月球車的安全行駛路徑方案（Path Planning for Safe Moving）以及車載機械臂的運動規(guī)劃方案（Motion Planning for Robotic Arm）；而后，在地面月球車模擬系統(tǒng)中對月球車及機械臂規(guī)劃結果進行虛擬演示和驗證，再將通過驗證的控制指令上傳至月球車。月球車依據(jù)接收到的控制指令序列進行運動并采集月表信息（Lunar Image Acquisition）；在運動過程中，還能夠結合器上自主技術完成近距離障礙識別和局部避障（Moving Obstacle Avoidance），并利用攜帶的儀器開展科學探測活動。

圖2 “玉兔號”月球車遙操作系統(tǒng)示意圖［11］Fig. 2 Teleoperation system of “Jade Rabbit” lunar rover［11］

在“嫦娥三號”遙操作任務中，地面遙操作中心將視覺定位、三維地形重建、路徑規(guī)劃3項關鍵技術緊密配合，控制月球車完成了落月點的精確定位和圍繞著陸器的遠距離避障行進，指引“玉兔號”成功地實現(xiàn)了從著陸器北側點X到南側點E的繞行，準確抵達目標位置。與蘇聯(lián)的月球車遙操作方案相比，數(shù)字孿生以及人工智能等諸多技術在“玉兔號”上的廣泛應用有效提高了操作員的任務作業(yè)效率與精度，減少了操作負擔；而基于車載傳感設備與計算設備實現(xiàn)的器上自主功能又進一步保障了月球車的行駛安全。

中國“玉兔號”累計行駛里程超過100 m；而玉兔二號至今仍在正常工作，成為月表工作時間最長的月球車，累計行駛里程也已超過700 m。然而，由于月面環(huán)境較為復雜，中國月球車遙操作采用的“移動-等待”方式效率不高，完成一個站點7~8 m距離的行進通常需要5~8 h，尚未達到地面的連續(xù)直接控制，嚴重影響任務實施效率。

與蘇聯(lián)月球車的完全依靠地面人員的遙操作模式相比，“玉兔號”月球車已經具備了基于車載相機等傳感器實現(xiàn)局部自主避障控制的功能，能夠更好地完成行駛任務，彌補了由于操作員感知信息缺失所產生的不當操作，提高了月球車的行駛安全性。

1.3 月球車在軌遙操作模式

此外，航天員在星球軌道載人航天器內，通過具有視覺沉浸感、力覺反饋等設備來控制空間機器人執(zhí)行作業(yè)任務的在軌遙操作技術由于能夠縮短通信距離，大幅提高遙操作作業(yè)效率［12-13］，也逐漸在空間機器人上得到了廣泛應用，對于解決現(xiàn)有月球車地面遙操作模式效率低的問題具有重要的工程價值。

美國宇航中心在此領域已經做了大量技術預研， 并開展了Surface Telerobotics工程專項，以模擬月球軌道載人航天器內的航天員遙操作月球車在月面部署射電望遠鏡的作業(yè)場景，如圖3所示［14］。德國宇航局和俄羅斯宇航局聯(lián)合開展KONTUR工程專項，由空間站內的航天員通過操縱器遙操作地面機器人執(zhí)行作業(yè)任務［15］。

基于K10漫游車的在軌遙操作測試表明［14］：基于人機交互生成命令序列是星表機器人以操作員為中心進行遠程操作的一種有效策略；行星探測車的自主能力（尤其是安全駕駛功能）使得操作員能夠更加安全地執(zhí)行任務；駕駛員通過機器人運動狀態(tài)和行為的三維交互式可視化界面，可以高效地保持較好的機器人態(tài)勢感知；在遠程操作過程中，月球車利用率始終超過50%的時間，提升了操作效率。此外，通過在軌遙操作，操作人員所需完成的工作量也較少，這表明在操作期間，可以實現(xiàn)多任務的同時作業(yè)。

圖3 航天員在軌遙操作地面K10漫游車［14］Fig. 3 On-orbit teleoperation of K10 rover by astronaut［14］

與月球車地面遙操作模式相比，由于通信距離降低與通信帶寬提升，在軌遙操作技術使得操作者能夠及時獲取從端的環(huán)境反饋信息及力覺反饋信息，具有更好的臨場沉浸感，借助于成熟的地面機器人遙操作技術，能夠實現(xiàn)更為高效的連續(xù)遙操作模式，并完成更為復雜的作業(yè)任務。

1.4 月球車遙操作模式性能對比

3種月球車的遙操作模式性能對比如表1所示。Lunokhod系列與“玉兔”系列均采用了地面控制中心的“移動-等待”遙操作模式。但是受移動系統(tǒng)設計參數(shù)限制，“玉兔”系列的行駛里程均遠小于Lunokhod系列，但是隨著計算機水平與傳感器水平的提升，可以看出“玉兔號”月球車的車載智能水平得到了極大的提升，與地面操作模式相結合，有效地提升了操作員的操作性能。

表1 3種遙操作模式性能對比Table 1 Comparison of property of 3 teleoperation modes

對于地面遙操作模式，通信時延受月球-地球距離影響，相比于在軌遙操作（單向時延<1 s）要偏大一些；而在軌遙操作由于通信時延較短，可以連續(xù)遙操作月球車，極大地提高了任務效率。這主要是由于前2種模式中，地面操作人員需要對月表環(huán)境的回傳信息進行場景重構與障礙物識別，而后經過大量的運動規(guī)劃、優(yōu)化、迭代而得到的控制指令。但是“玉兔號”所采用的地面遙操作與器上自主相結合的模式能夠更好地保證月球車的行駛安全性。

因此，可以預見：在未來的月球探測工程中，采用在軌遙操作模式，以力反饋交互設備為主，視覺、觸覺等臨場信息反饋與重構為輔的月球車連續(xù)遙操作模式在提高月球車作業(yè)效率、保障行駛安全性等方面將會發(fā)揮重要的作用。接下來，本文將進一步分析月球車連續(xù)遙操作可以從地面機器人遙操作現(xiàn)狀中借鑒的主要技術及其面臨的主要技術難點。

2 地面輪式移動機械臂連續(xù)遙操作技術

為了完成科學探測任務，月球車通常會搭載一個多自由度機械臂，構成一個輪式移動機械臂。輪式移動機械臂可以利用移動底盤實現(xiàn)大范圍運動，利用機械臂來執(zhí)行作業(yè)任務，在工業(yè)、探測、救災等應用領域都得到了廣泛應用，并且大量學者也對其遙操作技術開展了深入地研究。因此，與現(xiàn)有的月球車“移動-等待”遙操作模式相比，地面移動機械臂的連續(xù)遙操作模式可為后續(xù)的月球探測工程提供大量技術參考。

一個具有時延的機器人雙邊連續(xù)遙操作系統(tǒng)可以用圖4所示的雙端口網絡進行描述［16］：操作 端（Human Termination，HT）、環(huán) 境 端（Environment Termination，ET）、通 信 通 道（Communication Channel，CC）、主 端 機 器 人（Master Controller Unit，MCU）、從 端 機 器 人（Slave Controller Unit，SCU）。圖4中：qm和qs為主、從端機器人狀態(tài)；fh和fe為操作端與環(huán)境端作用力；fmd和qsd為主端期望反饋力與從端期望速度；T1和T2分別為系統(tǒng)前向和反向通信時延。

機器人連續(xù)遙操作系統(tǒng)的控制目標是：操作者通過主端機器人連續(xù)發(fā)送控制指令至從端機器人，從端機器人對指令進行跟蹤控制，并將從端與環(huán)境的接觸力以及視覺信息等反饋至主端操作者，操作者獲得較好地臨場沉浸感。為了評估遙操作系統(tǒng)的操作性能，通常采用混合矩陣（Hybrid Matrix）對其進行性能分析：

對于一個機器人雙邊遙操作系統(tǒng)，當其混合矩陣滿足

時，具有最佳的系統(tǒng)透明性。

圖4 機器人雙邊連續(xù)遙操作系統(tǒng)框圖［16］Fig. 4 Robot bilateral continuous teleoperation scheme［16］

2.1 輪式移動機器人遙操作技術

與非移動機器人（比如：機械臂）遙操作相比，輪式移動機器人的遙操作技術具有以下2個特殊的運動學難點［17］，如圖5所示。

1）從端輪式移動機器人作為移動載體，通常需要在不受限制的平面內運動（如圖5（b）所示，理論上移動機器人可以在xy整個平面內運動，航向角為θp），而主端操作手柄的工作空間則是有限的（如圖5（a）所示，受操作者手臂運動范圍約束，關節(jié)角度qmi（i=1，2，3）僅在某一區(qū)間內運動），使得主從端的機器人工作空間難以建立合理的遙操作運動映射。

2）在硬質地面上，由于輪地接觸存在側向約束力，輪式移動機器人在運動過程中會受到非完整約束（全向運動輪除外），因此其實際可控運動僅有前進（vs）和轉向速度（ωs），側向速度則恒為0。

這2類難點也是當前輪式移動機器人遙操作研究主要關注的技術挑戰(zhàn)，國內外學者面向硬質地面的應用場景也已經提出了大量的解決方案。

為了解決主從端機器人工作空間不匹配的難點，輪式移動機器人遙操作常采用類似于汽車駕駛的控制模式，將主端手柄的位置設定為從端機器人的前進和轉向速度指令，即主從端機器人采用位置-速度運動映射［18-20］，比如：主端第1關節(jié)位置映射月球車前進線速度，即（qm1，vs）；主端第2關節(jié)位置映射月球車轉向角速度，即（qm2，ωs）。

圖5 輪式移動機器人遙操作示意圖［17］Fig. 5 Teleoperation scheme of wheeled mobile robot［17］

為了保證采用位置-速度映射的主端機器人系統(tǒng)絕對無源性，Lee等［18］在主從端控制模型中引入了包含位置信息和速度信息的新運動變量來 代替原阻抗矩 陣 中的qm或 者q?m，并 在 主 從 端 分 別 采 用P+d控 制 律實現(xiàn)運動跟蹤，在往返時延均為0.7 s的通信條件下驗證了較好的指令跟蹤性能與力的透明性。在這種模式下，從端輪式機器人需要滿足車輪純滾動約束的理想假設（即環(huán)境端口滿足無源性條件）。然而，在松軟地形下，由于車輪滑轉的存在，環(huán)境端難以滿足端口的無源性假設，Li等［17］進一步提出了采用無源性補償控制器與PEB（Position Error-Based）遙操作框架相結合的方式來提升運動跟蹤性能，實驗結果表明即使在車輪高度滑轉下，遙操作系統(tǒng)依然具有較好的指令跟蹤性能，系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6 輪式移動機器人雙邊遙操作系統(tǒng)框圖［17］Fig. 6 Bilateral teleoperation of wheeled mobile robot［17］

此外，由于手臂的肌電信號可以反映人類大腦中樞神經對手臂肌肉的調節(jié)作用，因此，肌電信號也可以被視為操作員對從端機器人控制意圖的一種表達方式，在機器人遙操作系統(tǒng)中得到了越來越多的關注。Luo等［20］提出了一種基于肌電信號和力反饋手柄的混合共享遙操作方法，并采用人工勢場法實現(xiàn)了自主避障功能，實驗結果表明肌電信號與力反饋相結合的方式在多障礙物場景下可以有效提升任務效率（由60.847 0 s減少至51.756 0 s，路徑長度由182.373 6 cm減少至154.877 5 cm），保障機器人安全（最小安全距離由55.08 cm增加至57.53 cm）。這種控制方式也為月球車遙操作系統(tǒng)的主端力反饋設備提供了可行性替代方案。

在輪式移動機器人遙操作過程中，常見的力反饋形式依據(jù)不同任務可以總結為以下3類［21］：① 采用從端機器人速度信號設計力反饋算法；② 采用從端機器人的速度指令跟蹤誤差信號設計力反饋算法；③ 采用從端機器人與環(huán)境的作用力信號設計力反饋算法。

在上述提出的遙操作方案中，盡管可以實現(xiàn)在硬質地面（車輪滿足純滾動約束的理想假設）上良好的運動跟蹤性能，但是，在機器人執(zhí)行精準的定點作業(yè)任務時，位置-速度映射卻會降低作業(yè)效率，使得輪式移動機器人的位置控制精度變差。因此，在這種情況下，主從端就需要采用位置-位置映射來滿足高精度的作業(yè)需求。非完整約束則是在實現(xiàn)位置-位置映射過程中的主要難點，由于操作手柄一般為完整約束，其解決方案主要是采用自主與遙操作相結合的控制方式。

Malysz和Sirouspour［22］提 出 了 基 于 任 務 空間權重矩陣的半自主控制策略，將遙操作控制與自主跟蹤控制算法通過任務空間矩陣結合在一起克服非完整約束帶來的指令跟蹤偏差問題，通過Sigmoid函數(shù)完成自主控制開（權重系數(shù)為0.25）與關（權重系數(shù)為0）的切換，實現(xiàn)了對移動機 器 人 的 位 置 指 令 跟 蹤 控 制；Yuan和Li［23］采 用腦機接口技術，提出了一種基于四極勢函數(shù)的遙操作方法解決非完整約束難點，測試結果表明：操作者的任務平均成功率達到90%以上；華南理工大學趙素娜［24］將腦電信號與非完整約束結合起來，設計了腦電分類結果控制的極坐標PPC曲線和Bezier曲線軌跡實時規(guī)劃，并設計了基于誤差模型的跟蹤控制器，5名測試者均能夠通過腦電信號實現(xiàn)對移動機器人的協(xié)調運動控制。在上述針對非完整約束的輪式移動機器人遙操作過程中，由于主、從端機器人運動學的非對稱性，從端機器人在遙操作指令的基礎上，設計了自主軌跡規(guī)劃算法或跟蹤控制算法，采用半自主的遙操作控制方式，以此克服非完整約束帶來的指令跟蹤難點。

在輪式移動機器人遙操作過程中，由于信息滯后，從端機器人極易與周圍環(huán)境產生非預期的接觸，進而降低系統(tǒng)性能。針對松軟地形上輪地接觸產生的滑轉現(xiàn)象，基于時域無源性分析的控制（Time-Domain Passivity Control，TDPC）算法［21］，Li等［25］提出了一種改進方法來消耗輪式移動機器人雙邊遙操作系統(tǒng)中由車輪滑轉帶來的環(huán)境端有源性能量，設計了環(huán)境端無源性觀測器（POe），基于觀測得到的端口有源性能量，實時調整阻尼補償器系數(shù)（αe），以維持環(huán)境端的絕對無源性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，如圖7所示。

圖7 采用TDPC的機器人雙邊遙操作系統(tǒng)框圖［25］Fig. 7 Robot bilateral teleoperation scheme with TDPC［25］

此時，在復雜環(huán)境下，由于信息滯后，操作者在主端很難對從端機器人進行實時規(guī)避，需要其具備自主檢測環(huán)境與障礙物的感知能力，并采用自主控制算法完成自主避障以保證行駛安全。人工勢場法在機器人自主避障領域有著廣泛的應用，通過在場景中構建虛擬的目標點引力場與障礙物斥力場，快速完成機器人避障任務［26-27］。而基于這種虛擬作用力又可以設計主端機器人的力反饋算法，因此在機器人遙操作過程中，這種從端機器人的局部自主避障算法得到了廣泛應用。在遙操作過程中，通過感知從端機器人與障礙物的相對方位，構建一種虛擬引力和斥力，當從端機器人向障礙物靠近時，操作者可以通過力反饋算法感知到障礙物的存在，同時通過遙操作與自主避障控制完成安全避障［20］。在遙操作系統(tǒng)中，這種力通常以障礙物為中心建立一個虛擬的人工勢能場，來產生一定的斥力，使得機器人在進行遙操作時能夠具備自主避障的功能［28-29］。

此外，針對輪式移動機器人編隊以及無人車-無人機的編隊遙操作也是一個研究熱點［30-31］。這屬于多從機器人的遙操作問題，為了維持編隊任務，操作者一般只對Leader機器人進行直接控制，其他Follower機器人則通過自主控制算法進行跟隨并保持隊形，通?；陉犘伪３终`差信號來設計力反饋算法。張穎等［31］設計了一種一對多的遙操作系統(tǒng)半物理仿真平臺，并基于主從端之間速度偏差與障礙物排斥力設計了2種不同的反饋力，對于從端多機器人的編隊問題則采用了虛擬力的形式來維持隊形。這些研究不僅豐富了在多機器人場景下的遙操作理論，對于未來的多月球車編隊操作任務也具有較好的參考意義。

綜上所述，多數(shù)輪式移動機器人遙操作技術研究仍是基于硬質地面上車輪純滾動與非完整約束［32］的理想假設展開的，且多數(shù)是基于運動學的遙操作［16］。然而，對于行駛在松軟月壤上的月球車，車輪理想的純滾動及非完整約束假設將難以維持，產生縱/側滑現(xiàn)象［33］，使得其動力學建模十分復雜［34］，尤其是月球車與機械臂動力學高度耦合在一起作業(yè)時，對月球車的動力學遙操作帶來了極大的挑戰(zhàn)。

2.2 輪式移動機械臂遙操作技術

輪式移動機器人通過搭載機械臂可以相互協(xié)作完成許多科研、探測、作業(yè)等任務，在星球探測領域也有著廣泛的應用，如圖8所示［35］。輪式移動機械臂是一個典型的高度非線性、強耦合的多自由度運動冗余系統(tǒng)，并且引入了車輪的非完整約束；此外，系統(tǒng)中還存在不確定性，比如：未建模動態(tài)及輪地突變接觸等外界干擾。這些因素都為移動機械臂遙操作帶來了極大地挑戰(zhàn)。

圖8 德國宇航中心星球探測用移動機械臂［35］Fig. 8 DLR mobile manipulator for planetary rover［35］

在移動機械臂的遙操作過程中，操作員既需要考慮移動底盤的移動任務，又需要考慮機械臂的多場景作業(yè)，因此，需要同時處理的信息量較大。當前，其遙操作策略可大致分為以下2類：

1）采用單操作者進行遙操作，比如：采用位置-位置和位置-速度混合的方法對移動機械臂進行遙操作［36］。如圖9所示，在該模式下，操作者僅需要一個力反饋手柄就可以對2個從端機器人進行控制，成功完成了揀選與放置作業(yè)。主從端機器人的運動映射則考慮了機械臂與移動底盤的不同任務特性，分別設計了運動遙操作算法，并在操作不同對象時，在二者之間進行切換：機械臂通常用于執(zhí)行作業(yè)，且運動空間有限，采用常規(guī)的位置-位置映射，以實現(xiàn)高精度的位置控制；移動底盤需要進行大范圍移動，則采用位置-速度映射，以實現(xiàn)快速的運動。此外，還有學者提出了采用遠目標點運動約束的遙操作方法進行運動映射［37］，采用操作者肢體動作映射移動機械臂進行遙操作［38］。采用單操作者進行遙操作，其系統(tǒng)結構相對簡單，但是單操作者需要兼顧移動機械臂多個運動自由度，極易產生疲勞，將移動底盤與機械臂操作對象混淆，進而造成錯誤決策。

圖9 移動機械臂位置-速度混合遙操作［36］Fig. 9 Scheme of position/velocity hybrid teleopera?tion of mobile manipulator［36］

2）由于移動機械臂遙操作任務復雜，采用多操作者協(xié)同遙操作技術是一個更為有效的解決方案。通常情況下，雙操作者各操作一個力反饋手柄，對移動底盤和機械臂分別進行控制，并相互協(xié)作，共同完成作業(yè)任務。Malysz和Sirouspour［39］針對雙臂移動機器人提出了一種非對稱的半自主遙操作方法，如圖10所示。在雙操作者模式下，移動底盤操作者會較少關注車載相機視圖或者其他輔助視圖，只有當全局俯視圖難以反映障礙物信息時才會使用輔助視圖；而機械臂操作者則會偶爾觀看全局俯視圖以確定機械臂的位置，這是由于車載相機視圖缺乏足夠的深度 信 息。此 外，Zhai和Xia［40］還 提 出 了 一 種 基 于自適應模糊控制的遙操作方法，來控制多個移動機械臂協(xié)同完成作業(yè)任務。與單操作者切換控制移動機械臂不同對象相比，雙操作者可以在每個操作者回路里構建唯一的遙操作框架，且不需要轉換其任務屬性，進而大大提高任務執(zhí)行效率，但是雙操作者協(xié)同控制及力覺協(xié)同則是其需要攻克的關鍵技術。

圖10 單-雙操作者對比示意圖［39］Fig. 10 Comparison between single and double opera?tors［39］

機器人遙操作理論在單主-單從（單主端機器人-單從端機器人）的雙邊遙操作系統(tǒng)領域已經取得了豐碩的成果。隨著移動機械臂遙操作研究的深入展開，雙邊遙操作理論開始向多邊遙操作理論發(fā)展［41-42］，學者們分別提出了多主單從、單主多從、多主多從等機器人遙操作系統(tǒng)。這也為空間探測機器人的遙操作提供了理論基礎。

綜上所述，輪式移動機械臂“地面”遙操作技術存在2個顯著的特點：

1）時延較小。通常在1 s之內，信息滯后對于操作者操作性能影響較小，一般采用控制理論設計補償控制器對時延帶來的不穩(wěn)定進行補償即可，較少考慮信號滯后對操作者帶來的干擾。

2）結構化環(huán)境。多數(shù)研究均是面向室內或者結構化室外環(huán)境。輪地接觸與約束通常滿足理想的“純滾動”與“非完整約束”假設。因此，輪地接觸對于操作性能的影響通常被忽略掉。

3 “月面”遙操作主要技術挑戰(zhàn)

與地面移動機械臂的遙操作相比，月球車遙操作主要具備以下2個特有的難點：更大的通信時延與更復雜的月表環(huán)境。因此，這也對機器人遙操作理論在多邊遙操作、預測顯示遙操作等技術帶來了新的挑戰(zhàn)。

1）受月地之間遠距離影響，通信通道存在以下2個難點：通信中的時間延遲與有限的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。通信延遲包括操作指令的發(fā)送延遲和遙測信號的返回延遲，地球和月球之間的最大距離是 4.06×105km，通訊延遲約為1.4 s，加上一般的系統(tǒng)延遲1.1 s，地月回路延遲約為3~10 s左右甚至更大（主要取決于信息傳輸量），且通常為變時延（Time-Varying Time-Delay），而這種大時延的存在不僅會使得連續(xù)遙操作閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，且信息滯后極易干擾操作者的決策判斷能力。

2）由于月球表面覆蓋著一層松軟月壤，使得月球車移動過程中，在車輪的縱向及側向均會存在明顯的打滑現(xiàn)象和車輪沉陷現(xiàn)象。這些現(xiàn)象在硬質地面的輪式移動機器人研究過程中極少出現(xiàn)，因此，往往不被學者們所關注。大量關于松軟崎嶇地形下的輪地接觸研究表明［43-44］，這些現(xiàn)象會對輪地之間的相互作用機理帶來擾動，進而對月球車的運動帶來不穩(wěn)定的外部影響。如果在月球車遙操作過程中忽視它們，會直接威脅到月球車的行駛安全性。

3.1 通信時延

為了對月球車進行有效的遠程控制，需要在地面及月球之間建立有效安全的通信通道。然而，較大的通信時延使得連續(xù)遙操作閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定；有限的數(shù)據(jù)傳輸帶寬會使得操作者在地球端能夠獲得的反饋信息有限且滯后［45］，從而限制了操作者對月球車的操作性能。因此，大通信時延是月球車遙操作的首要難題。

3.1.1 時延補償策略

時延問題一直以來都是機器人遙操作研究重點關注的一個問題。隨著空間探測和海洋探測的深入展開，機器人遙操作系統(tǒng)中的時延補償技術也得到了快速發(fā)展。當前，克服遙操作時延的方法主要有以下2類。

1） 基于電路網絡的無源性理論克服系統(tǒng)通信 時 延。1989年，Anderson和Spong將 遙 操 作 控制系統(tǒng)與電路網絡系統(tǒng)進行類比，提出了基于電路端口網絡理論來分析遙操作系統(tǒng)的設計方法［46］?；谙到y(tǒng)無源性理論，設計遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定的控制參數(shù)，并克服通信時延所帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定因素。該領域應用最廣泛的2個理論是散射理論和波變換理論。

Anderson和Spong提出的散射理論，是基于二端口網絡所提出的一套能保證系統(tǒng)在任何時延下都穩(wěn)定的控制算法［46］；1991年Niemeyer和Slotine提出的波變換理論，如圖11所示，利用能量流理論克服通信端口的有源性問題［47］。

然而，遙操作系統(tǒng)的通信時延往往并不是固定不變的，當通信時延為變時延時，通信模塊不再滿足系統(tǒng)無源性。而后，學者們根據(jù)不同的遙操作任務，對它們進行了一系列改進［48-49］。

圖11 波變換示意圖［47］Fig. 11 Scheme of wave transformation［47］

2） 基于預測顯示技術克服系統(tǒng)通信時延。許多理論分析和實驗結果［50］表明，基于無源性控制的時延補償方法對解決小時延（<1 s）問題具有較好的效果，而對于大時延（>1 s）的情況，由于信息滯后過大，操作者很難對從端運動狀態(tài)做出實時準確地判斷。因此，學者們采用預測顯示技術來克服遙操作大時延，并補償遲滯的反饋信息，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性及操作性能。

預測顯示技術（Predictive Display）［51-53］是針對空間機器人大時延遙操作的一項關鍵技術。它通過建立一個虛擬的仿真環(huán)境，實時地將操作者發(fā)出的指令響應反饋給操作者，在一定的時延之后，從端機器人將會復現(xiàn)預測仿真的結果，使得操作者能夠直接對虛擬機器人進行連續(xù)無時延的遙操作，以達到對從端機器人控制的目的，由此來克服通信時延對遙操作系統(tǒng)的影響。例如，1993年，德國宇航中心（DLR）研制的六自由度空間機器人ROTEX采用預測顯示技術來補償時延影響，并進行了首次太空大時延遙操作實驗［54］。

在機器人遙操作系統(tǒng)中，預測顯示系統(tǒng)需要對從端機器人及其工作環(huán)境建立精確的物理模型和動力學模型，才能確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和良好的操作性能。然而，由于預測系統(tǒng)難以實現(xiàn)對從端控制對象理想的建模，不可避免地會帶來一些建模誤差與運動誤差，進而會導致虛擬機器人與實際機器人的運動狀態(tài)存在偏差，干擾操作者的操作指令，甚至導致操作者出現(xiàn)誤操作現(xiàn)象。

針對虛擬機器人與實際機器人之間存在的動力學預測偏差，通常采用參數(shù)在線辨識/修正方法來提高模型的預測精度［55］。

1）針對未知環(huán)境下機器人摩擦、碰撞的線性模型，遞歸最小二乘法是一種運算簡單、收斂速度快的參數(shù)在線辨識方法。Haddadi和Hashtrudi-Zaad［56］基于遞歸最小二乘法對Hunt-Crossley模型的動力學參數(shù)進行了辨識。東南大學倪得晶［57］根據(jù)碰撞產生的真實力數(shù)值與虛擬力數(shù)值之間的差異，提出了一種基于最小可覺差與遞歸最小二乘法的分狀態(tài)動力學模型偏差修正算法，實驗結果表明接觸力的估計偏差在初始接觸及平穩(wěn)接觸階段均在10%以下。對于快速動態(tài)系統(tǒng)，基于梯度下降的參數(shù)在線辨識法可以加快收斂速度［58］。自適應辨識也是一種常用的參數(shù)在線估計方法，通常作為自適應控制算法的一部分來提高系統(tǒng)性能［59］。Seraji和Colbaugh［60］采用自適應控制來提升阻抗控制力跟蹤的魯棒性和估計未知環(huán)境阻尼和剛度參數(shù)。

2）針對從端環(huán)境的非線性模型，參數(shù)在線辨識的收斂速度通常較慢，限制了其在遙操作系統(tǒng)中的實際應用。Diolaiti等［61］提出了雙階段參數(shù)估計思想，實現(xiàn)了Hunt-Crossley非線性模型的 參 數(shù) 在 線 估 計。Haddadi和Hashtrudi-Zaad［56］通過將Hunt-Crossley模型線性化，進而可以采用一些線性辨識方法對其進行辨識。Gao等［62］通過將非線性模型線性化與非線性補償相結合，提出了一種快速收斂的輪地接觸力學模型的參數(shù)在線辨識方法。在一些復雜環(huán)境或未知場景下，機器人與環(huán)境的交互作用難以采用提前給定的模型進行準確描述。因此，采用神經網絡來擬合從端機器人與環(huán)境的動力學模型也逐漸得到了廣泛應用［63］。

3.1.2 月球車動力學預測技術

中國“玉兔號”月球車裝載了雙目視覺導航相機、立體視覺系統(tǒng)、加速度計、陀螺儀等傳感器，利用月球車前后站點圖像中提取的觀測點，基于光束法平差模型的定位方法成功地實現(xiàn)了月球車著月點及各個月面導航點位置的精確解算，設計了低重疊區(qū)的快速匹配與全局性高精度三維地形重構系統(tǒng)，這些信息也是地面控制中心進行“移動-等待”遙操作運動規(guī)劃與驗證的主要依據(jù)［10］。然而，基于回傳環(huán)境信息及月球車狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高精度的月球車動力學預測，補償主端臨場感所需要的滯后信息，仍然是月球車動力學預測需要進一步克服的技術難點。

與硬質地形相比，在月表松軟地形下，車輪極易產生滑轉沉陷現(xiàn)象，操作者為了能夠對月球車在行駛過程中的安全性、穩(wěn)定性等進行完整地評估，除了基本的環(huán)境信息與地形信息之外，還需要在地面控制中心獲取以下月球車動力學特性及運行環(huán)境參數(shù)，以提升操作者的臨場沉浸感。

1）輪地接觸力及力矩特性：法向力、牽引力、側向約束力、驅動阻力矩等。

2）輪地接觸運動學特性：車輪沉陷量、縱向打滑參數(shù)、側向打滑參數(shù)等。

3）月球車狀態(tài)特性：月球車位姿、橫縱向速度。

4）月球車與障礙物等剛體的接觸特性：接觸力、月球車接觸響應等。

因此，對于月球車遙操作系統(tǒng)，由于缺少從端環(huán)境的全局圖像反饋或者通信時延較大時，在主端地面控制中心對從端月球車及環(huán)境的動力學交互特性進行實時高精度預測有著重大的意義。

與空間機械臂動力學預測及硬地上輪式機器人動力學相比，高保真度一直是月球車動力學預測技術的難點之一。這主要是由于受月表松軟月壤的影響，輪地之間易產生縱向/側向滑動，進而破壞了輪地接觸的純滾動約束與側向的非完整約束，且輪地交互作用機理復雜，難以建立精準的月球車動力學模型以及輪地接觸力學模型。此外，沙土的流動性與堆積特性等也會影響車輪受力狀態(tài)，進而對其動態(tài)特性預測也帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，在中國的“玉兔號”月球車遙操作系統(tǒng)中，動力學仿真也只用于地面控制中心的離線運動規(guī)劃及指令驗證工作。

面向樣機研制、性能測試及遠程任務規(guī)劃等需求，國內外學者基于車輪與整車實驗數(shù)據(jù)，采用經驗法針對輪地接觸力學展開了深入研究，并且開發(fā)出了多款月球車、火星車預測仿真系統(tǒng)。

Bekker 基于傳統(tǒng)車輛-地面力學模型，將沉陷模量描述為平板尺寸參數(shù)，采用內聚力模量和內摩擦力模量代替沉陷模量，提出了Bekker 正應力 分 布 模 型［64］；Janosi和Hanamoto提 出 了 描 述剪切應力與剪切變形量、正應力關系的剪切應力模型［65］。這2個模型構成了地面力學理論的基礎，學者們相繼提出了多種輪地相互作用力學模型。Senatore和Iagnemma基于輪地相互作用的應力分布、運動變量的測試結果［66］，對傳統(tǒng)的輪地作用積分模型進行了分析，實驗誤差在11%以內。此外，顆粒阻力理論也可以可靠地預測剛性車輪-顆粒介質相互作用，其精度在某些情況下甚至超過了地面力學方法［67］。為了進一步提高模型求解速度，丁亮［68］基于應力分布線性化建立了輪地接觸作用的封閉解析模型，并提出了該模型的參數(shù)辨識方法，對車輪實驗數(shù)據(jù)進行了參數(shù)辨識后，模型預測精度可達5%以內。該模型在精度和解算速度上更能滿足實時動力學預測平臺的開發(fā)需求。

美國NASA/JPL實驗室為了測試星球車的移動和控制性能開發(fā)了一款動力學仿真軟件ROAMS （Rover Analysis Modeling and Simulation），其輪地作用力（包括：法向力、掛鉤牽引力和側向力）采用了基于Coulumb摩擦模型與三自由度彈簧阻尼模型進行求解［69］，并對星球車的移動性能進行了仿真驗證，滑轉率預測絕對誤差約在10%以內。但是該彈簧阻尼模型相對簡單，難以反映復雜的輪地作用關系。Patel等［70］基于Bekker模型，開發(fā)了RMPET（Rover Mobility Performance Evaluation Tool）仿 真 軟件，該軟件可以計算星球車與地面之間的沉陷量和相互作用力等信息，主要用于評價星球車的移動性能，優(yōu)化構型設計。

吉林大學陳百超［71］基于ADAMS進行二次開發(fā)，完成了月球車輪地作用力的解算，并對月球車移動系統(tǒng)的性能進行了分析。哈爾濱工業(yè)大學基于研制的國內首個月球車車輪-土壤多功能測試裝置，李衛(wèi)華等在星球車輪地作用力學開展了深入研究，揭示了交互作用力學規(guī)律，建立了滑轉/滑移驅動等輪地接觸力學模型并完成全參數(shù)辨識，開發(fā)了星球車實時動力學仿真平臺——ROSTDyn（見圖12）［72］，進而完成了中國月球車和火星車的輪地接觸力學與移動性能測試，其在穩(wěn)態(tài)下動力學參數(shù)最大誤差低于12%。

圖12 ROSTDyn仿真平臺［72］Fig. 12 ROSTDyn simulation platform［72］

綜上所述，國內外科研院所基于商業(yè)的物理引擎軟件或自主研發(fā)已經開發(fā)出了多個星球車仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了在松軟地形上的星球車動力特性分析。但是，大多數(shù)模型均是基于經驗數(shù)據(jù)建立的，通常是在車輪穩(wěn)定運行狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)進行參數(shù)辨識而實現(xiàn)的動力學預測。Iagnemma等［73］通過將輪地接觸的經典地面力學方程線性化，并采用線性最小二乘法在線辨識了土壤的內聚力和內摩擦角等參數(shù)。Hutangkabodee 等［74］采用Newton Raphso方法對輪地接觸參數(shù)的內摩擦角、剪切變形模量、承壓模量進行了辨識，該方法的計算速度較快、計算精度也較好。Ding等［75］通過線性化正應力和剪應力來簡化模型，而后得到了模型的封閉解析解，進而結合實驗數(shù)據(jù)對全部參數(shù)進行了離線辨識，得到了較高精度的模型參數(shù)。在文獻［75］的基礎上，Li等［76］針對車輪滑轉率預測，對全部輪地接觸參數(shù)進行了敏感度分析，針對內摩擦角與剪切變形模量提出了用于非線性補償?shù)挠行禂?shù)，該方法能夠快速消除滑轉率的預測誤差，達到收斂點只需要2~3個周期。

月球車遙操作實際上是一個動態(tài)的控制過程，在運動過程中地形參數(shù)、運動狀態(tài)等變化均會降低其預測精度。因此，基于參數(shù)在線辨識與數(shù)據(jù)驅動的數(shù)字孿生技術為解決此問題提供了有效的解決方案。

3.1.3 數(shù)字孿生技術

數(shù)字孿生（Digital Twin）是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力［77］。美國宇航中心已經成功將這種技術應用到了深空探測任務中的高端裝備和復雜設備的研制與測控環(huán)節(jié)［78］。通過數(shù)字孿生技術，宇航員將能夠實時獲得地面人員的指令數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)和解決方案，讓宇航員能夠更加有效地執(zhí)行操作任務。

數(shù)字孿生技術在中國探月工程和載人航天工程中已經取得了較為廣泛的應用［79-82］。北京航天飛行控制中心聯(lián)合國內其他科研院所開發(fā)的數(shù)字孿生航天任務三維實時可視化飛行控制與工程任務指揮平臺、地外遙操作平臺等，成功地將數(shù)字孿生技術和三維實時可視化虛擬仿真應用到“嫦娥”探月工程和空間機械臂等航天器的在軌測控、對接、遙操作等任務。圖13為“嫦娥四號”月球車基于視覺的月球車定位技術與三維場景重構技術建立的數(shù)字化仿真場景，并對月球車的行駛路徑進行運動規(guī)劃與模擬［80］。

圖13 月球車曲線行走與原地轉彎規(guī)劃仿真［80］Fig. 13 Simulation of curve walking and turning planning for rover［80］

現(xiàn)有的航天器數(shù)字孿生系統(tǒng)多是基于幾何模型重構（環(huán)境重構技術）與運動學模型構建的側重于虛實場景驅動的數(shù)字映射技術。然而，當將數(shù)字孿生技術應用于月球車遙操作過程時，由于月球車在松軟地形下的運動機理極其復雜，現(xiàn)有的輪地接觸模型也多基于經驗數(shù)據(jù)進行擬合而得到，使得其數(shù)字模型的保真度較低，難以滿足基于預測進行遙操作任務的高精度需求。

因此，近些年，學者們開始嘗試利用現(xiàn)場真實的傳感器信息去改善預測仿真模型，建立基于數(shù)據(jù)驅動的輪地接觸模型孿生系統(tǒng)迭代優(yōu)化方法［76］，這種方法可有效彌補遙操作系統(tǒng)中預測仿真系統(tǒng)自身所帶來的預測誤差。

哈爾濱工業(yè)大學李衛(wèi)華等為了補償機器人遙操作過程中的時滯信息影響，提升操作者的臨場感，提出了基于預測顯示的三邊共享遙操作架構［16，83］，如 圖14所 示。為 了 進 一 步 提 高 輪 式 移動機器人數(shù)字仿真平臺在遙操作過程中的滑轉率預測精度，以減少從端機器人與預測端機器人的模型差異對該三邊遙操作系統(tǒng)的影響，提出了基于數(shù)據(jù)驅動的模型參數(shù)在線修正方法來彌補預測平臺與從端機器人之間的滑轉率預測誤差。

圖14 基于數(shù)據(jù)驅動的三邊共享遙操作架構［16］Fig. 14 Trilateral shared teleoperation scheme with data-driven technology［16］

結合3.1.2節(jié)與3.1.3節(jié)可以看出，國內外研究機構針對星球移動機器人已經進行了大量基于輪地接觸力學模型的數(shù)字仿真與基于真實場景的數(shù)字孿生技術研究，但是對于物理實體與場景之間的交互力學模型進行在線數(shù)據(jù)修正的研究還不充分。因此，面向月球車及其復雜環(huán)境，進行月表場景與月球車運動狀態(tài)的數(shù)據(jù)交互，基于場景重構技術與輪地接觸力學模型構建有別于傳統(tǒng)數(shù)字孿生技術的月球車高保真度孿生仿真系統(tǒng)，是未來實現(xiàn)月球車連續(xù)遙操作的主要技術難點。

3.2 月表環(huán)境

由于月球表面覆蓋著一層松軟月壤，使得月球車在工作時，在車輪的縱向及側向均會存在明顯的打滑現(xiàn)象和車輪沉陷現(xiàn)象。而車輪縱向/側向滑動會影響從端月球車對主端操作者指令的跟蹤性能，較大的沉陷量會威脅月球車的行駛安全性，對月球車遙操作帶來了極大的挑戰(zhàn)。月球車車輪在松軟地形上的縱向打滑與側向滑動通常用以下2種方式進行描述。

1） 當月球車在松軟月壤上行駛時，由于輪地接觸產生的驅動力有限，使得輪地接觸面產生剪切變形，進而輪地接觸面會出現(xiàn)縱向滑動現(xiàn)象，定義車輪的縱向滑動程度為［17］

式中：si為車輪i的滑轉參數(shù)；ωi為車輪i的轉動角速度；vi為車輪i的前進線速度。

2） 在松軟的月球表面，當輪-地相互作用產生的側向約束力小于月球車的側向載荷時，車輪的非完整約束將會被破壞，從而出現(xiàn)側向滑動，比如：月球車在松軟斜坡上橫向移動，如圖15（a）所示。當重力側向分量（mg·sinα）較大時，由于軟土的力學特性，側向約束力很難平衡這種側向荷載，因此產生明顯的側向運動，如圖15（b）所示。通常采用側偏角表示側向滑動程度［43］，側偏角會影響側向約束力，進而對傳統(tǒng)動力學模型帶來干擾。

式中：β為月球車的側偏角；vx為月球車的縱向線速度；vy為月球車的側向線速度。

圖15 月球車側向運動示意圖Fig. 15 Lateral motion scheme of lunar rover

在車輪縱向/側向滑動影響下，月球車運動學模型可以描述為

式中：vxd和ωd為月球車期望縱向速度與轉向速度；2b為左右車輪輪距；為輪地交互作用。

對于上述系統(tǒng)，其環(huán)境端子系統(tǒng)能量函數(shù)可以描述為

當對月球車進行遙操作時，輪地接觸表面會以下3種縱向滑動情況［84］：

1） 對于堅硬地形，輪地接觸通常為純滾動（無滑動）（si=0）。此時，由輪地交互作用構成的環(huán)境端為一嚴格無源系統(tǒng)，可以對從端月球車進行基于速度指令的遙操作，同時，車輪具有良好的指令跟蹤性能。

2） 當車輪在松軟地形上縱向滑動si>0時，環(huán)境端依然是嚴格無源的，但月球車指令跟蹤性能變差。

3） 當車輪在松軟地形上縱向滑移si<0時，月球車不僅會產生較大的線速度和角速度指令跟蹤誤差，而且由于環(huán)境端是有源的，因此會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

此外，車輪側向滑動不僅會使整車實際線速度變大，還會影響其實際前進方向，也是從端月球車不可忽視的一個有源性單元。因此，受車輪在松軟地形上縱向/側向滑動參數(shù)的綜合影響，會造成輪地接觸構成的環(huán)境端子系統(tǒng)表現(xiàn)出有源性，在遙操作過程中會對月球車注入額外的能量，進而可能造成遙操作系統(tǒng)失穩(wěn)。此外，車輪縱向/側向滑動參數(shù)的存在還會降低從端月球車對主端操作者指令的跟蹤效果［16］。

面向月球探測需求，哈爾濱工業(yè)大學李衛(wèi)華等率先開展了松軟地形下的輪式移動機器人運動 學 遙 操 作 研 究［17，72，85-86］?？?慮 車 輪 滑 轉，建 立了融合車輪縱向滑動的輪式移動機器人運動學模型，首次揭示了車輪滑轉會導致環(huán)境端的系統(tǒng)有源性，并提出了基于無源性的補償控制方法；將預測平臺引入雙邊遙操作系統(tǒng)，提出了一種對稱的三邊共享遙操作系統(tǒng)。針對“玉兔號”月球車移動系統(tǒng)，由于自由度較多（包括6個驅動電機和4個轉向電機），李衛(wèi)華等提出了雙層遙操作控制框架［86］：在遙操作層，車體的線速度和角速度跟隨主端的位置指令；在從端，單獨為驅動電機和轉向電機設計了局部補償控制器，以跟蹤車體的期望速度，消除車輪縱向打滑對指令跟蹤的影響，見圖16。圖中：TC為遙操作控制器； FFC為前饋控制器； FBC為反饋控制器。

圖16 六輪月球車遙操作控制框圖［86］Fig. 16 Teleoperation scheme of six-wheeled lunar rover［86］

受松軟崎嶇月壤影響，月球車車輪與月壤的接觸面極易產生縱/側滑現(xiàn)象，進而破壞傳統(tǒng)輪式移動機器人在硬質地形上的純滾動假設與非完整約束。月球車與機械臂之間受牽連運動影響，他們在運動學和動力學層面上高度耦合在一起。機械臂與作業(yè)對象的接觸作用會給月球車施加一個反作用力，受車輪縱/側滑影響，極易對月球車運動狀態(tài)產生擾動，這是月球車連續(xù)遙操作過程中需要重點關注的一個難點。

3.3 月球車遙操作理論難點

綜上所述，地-月通信時延與月表環(huán)境均對月球車連續(xù)遙操作帶來了新的挑戰(zhàn)。除此之外，對于機器人遙操作理論也帶來了新的難點。

1） 針對地面輪式移動機器人的大多數(shù)遙操作技術研究仍是面向硬質地形，基于車輪純滾動與非完整約束的理想假設而展開的，且多數(shù)是在輪式機器人運動學的層面進行控制［17］。然而，對于行駛在松軟月壤上的月球車，這些理想假設將難以維持，尤其是月球車和機械臂的高度耦合對遙操作系統(tǒng)的設計提出了極大的挑戰(zhàn)，尚沒有系統(tǒng)、成熟地機器人遙操作理論體系。因此，在車輪縱/側滑、且車-臂動力學高度耦合的工況下，針對月球車（移動機械臂）的遙操作技術急需相關的理論與技術突破。

2） 通常情況下，基于高精度的虛擬建模技術，預測顯示單元是串聯(lián)在一個雙邊遙操作系統(tǒng)中，對大通信時延進行補償?shù)囊环N主要手段。然而，對于月球車的動力學模型，由于難以建立精準的輪地接觸作用力學模型，預測端和從端會產生較大的場景誤差［83］。此外，在這種模式下，由于預測端還缺少了與從端的交互，不可避免地會產生指令跟蹤誤差。因此，基于真實場景數(shù)據(jù)驅動的預測顯示遙操作技術仍然需要深入地研究。

3） 為了更好地控制月球車和機械臂，操作者需要采用不同的運動映射比例尺。操作者在進行遙操作時，力覺臨場感是主要的即時感知能力，在具有不同尺度的遙操作系統(tǒng)中，多操作者與操縱手柄的人機交互機制需要進一步解析；而從端月球車與機械臂又高度耦合在一起，需要考慮操作者尺度效應，合理設計力反饋信息，解析多操作者的力覺協(xié)同機制［41］。因此，為了提升遙操作系統(tǒng)性能，多尺度下操作者人機交互與力覺協(xié)同機制也是機器人遙操作理論的一個新挑戰(zhàn)。

4） 通過分解移動機械臂的遙操作任務，采用多操作者分別控制月球車與機械臂，構成一個多主多從的多邊遙操作系統(tǒng)。然而，大多數(shù)輪式移動機器人或機械臂的遙操作研究仍是基于雙邊遙操作理論展開的，還沒有形成面向多邊遙操作系統(tǒng)的成熟理論體系［41］；而且，對于月球探測移動機械臂，輪地復雜作用、車-臂-環(huán)耦合等都是潛在的不穩(wěn)定因素；且月球車與機械臂具有較強的動力學耦合，多操作者之間需要合理的力協(xié)同機制。因此，面向月球探測環(huán)境及技術特點，需要建立移動機械臂的多邊遙操作技術。

4 未來展望

自1970年人類第一次成功發(fā)射Lunokhod-1登陸月球，到2019年“玉兔二號”首次成功著陸月球背面，人類共向月球發(fā)射7輛月球車，地面遙操作一直支撐著月球車的巡視探測過程。隨著機器人技術及遙操作技術的不斷革新，與以下4項技術充分融合將會極大促進月球車遙操作向著更高效、更智能、更安全的方向發(fā)展。

1） 連續(xù)遙操作技術將逐步取代“移動-等待”模式。由于月面較為復雜，中國月球車遙操作仍然采用了安全性更高的“移動-等待”方式，尚未達到地面的連續(xù)直接控制，嚴重影響任務實施效率。因此，在地面遙操作或在軌遙操作模式下，考慮通信時延，突破月球車連續(xù)遙操作等技術難點，提升遠程操作效率，對后續(xù)月球巡視探測任務具有重大意義。

2） 月球車多操作者協(xié)同遙操作仍將占主導地位。由前文可知，在現(xiàn)有的地面遙操作模式中，通常由多人協(xié)同完成基于反饋信息的月球車場景感知、規(guī)劃與指令生成，可有效保證系統(tǒng)可靠性與行駛安全。在未來連續(xù)遙操作模式中，多操作者仍是必要的，一方面多人協(xié)作可保證系統(tǒng)可靠性，另一方面也可以協(xié)作完成精度更高、流程更繁瑣的復雜作業(yè)。因此，由多操作者與從端月球車（包括底層移動系統(tǒng)與機械臂作業(yè)系統(tǒng)）構成的多邊遙操作系統(tǒng)仍需要開展深入地研究。

3） 基于數(shù)字孿生的月球車預測顯示技術為連續(xù)遙操作提供了可行性支撐。月球車動力學預測仿真受到月表環(huán)境復雜性和多樣性的影響，難以通過單一的機器人動力學建模及機-環(huán)交互模型實現(xiàn)對機器人狀態(tài)演變的準確描述?；跀?shù)據(jù)驅動的數(shù)字孿生機制，構建基于硬件在環(huán)的星球移動機器人數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)星球移動機器人設計/測試/操控全生命周期的移動性能評價、控制算法驗證以及交互作業(yè)任務，可以為月表環(huán)境下的月球車高精度動力學預測提供新方法。

4） 人機共融技術是未來月球探測工程的重要支撐［87］。當月球車在月表執(zhí)行任務時，受較大的通信時延限制，操作者難以及時應對突發(fā)狀況。因此，為提升遙操作性能，更好地完成科研探測任務和保證移動機械臂的安全，將從端月球車的局部自主能力融入遙操作系統(tǒng)中，在操作者無法及時響應環(huán)境變化時，利用局部自主來進行及時調整。將二者深度融合，一方面可以保證從端機器人的安全，另一方面，通過從端力反饋也可以指導操作者快速、安全地完成任務。

5 結 論

考慮月表復雜環(huán)境及作業(yè)任務需求，在地-月通信變時延條件下，多操作者協(xié)同連續(xù)遙操作月球車在月表復雜環(huán)境中進行探測活動，是一項高度復雜的系統(tǒng)工程，且具有環(huán)境約束條件復雜、系統(tǒng)非線性高、耦合性強、可靠性高等突出特點。如何確保月球車在遙操作過程中的穩(wěn)定性、透明性、指令跟蹤性能及建立多操作者之間的協(xié)同機制，是安全、高效地遠程控制移動機械臂完成探測任務的核心難點。因此，將現(xiàn)有的地面機器人連續(xù)遙操作技術與預測顯示、數(shù)字孿生、人機共融等技術深度結合，對中國后續(xù)的月球探測工程具有重要的推進意義。