面向在軌服務(wù)遙操作技術(shù)的研究與展望*

孫富春，吳鳳鴿，劉華平

（清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系，北京l00084）

面向在軌服務(wù)遙操作技術(shù)的研究與展望*

孫富春，吳鳳鴿，劉華平

（清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系，北京l00084）

回顧了面向在軌服務(wù)遙操作技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。針對現(xiàn)代航天器對在軌服務(wù)的技術(shù)需求，分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與體系結(jié)構(gòu)、控制模式、控制技術(shù)等方面論述了面向在軌服務(wù)遙操作技術(shù)需要研究的主要關(guān)鍵技術(shù)問題。最后，對遙操作技術(shù)的未來發(fā)展進行了展望。

空間飛行器；在軌服務(wù)；遙操作

1 引 言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，太空競爭愈加激烈，越來越多的航天器被發(fā)射到太空執(zhí)行各種任務(wù)。當(dāng)航天器自身攜帶的燃料用盡或者功能單元老化失效就會導(dǎo)致航天器使用壽命終結(jié)。如何提高航天器在太空軌道的生存能力，增強其控制效能是未來航天器在軌服務(wù)的難點和熱點問題。

遠程控制和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展為解決上述問題提供了可能?？臻g飛行器可以借助遙操作技術(shù)提供各種在軌服務(wù)，包括在軌航天器的捕獲、加注和維修更換等操作，達到延長在軌航天器的服務(wù)壽命、提高其靈活執(zhí)行多種空間任務(wù)的目的。這種操作手段對于提高空間應(yīng)用效率，降低系統(tǒng)成本都大有好處。因而從長期發(fā)展角度來看，面向在軌服務(wù)的遙操作技術(shù)將成為我國未來探索與控制太空必不可少的一項應(yīng)用技術(shù)。

2 面向在軌服務(wù)遙操作技術(shù)的發(fā)展

遙操作技術(shù)是一種達到人與實驗設(shè)備之間遠程交互的技術(shù)手段，根據(jù)控制對象的不同，到目前為止在軌服務(wù)的遙操作技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了兩代。

加拿大設(shè)計制造的航天飛機專用空間機械臂系統(tǒng)（SRMS）[l]隨哥倫比亞號航天飛機一起升空，從航天飛機上釋放，并用其捕捉和回收有效載荷，為宇航員提供工作平臺。其控制方式是典型的主從式遙操作，主端由宇航員控制。

空間站遙控操作系統(tǒng)（SSRMS）較先前研制的SRMS要更加先進，可進行力矩測量，操作手借此可了解到臂的推力或拉力有多大。圖l為SSRMS機械臂。與航天飛機不同，空間站上不大可能通過窗口來觀察機械臂的動作，即使能看到，也難以判斷遠近。為了解決這個問題，專門設(shè)計了圖像顯示監(jiān)視系統(tǒng)。日本開發(fā)的日本實驗艙遙控機械臂系統(tǒng)（JEMRMS）[2]安裝在空間站日本實驗艙（JEM）本體部分，在Exposed Deck作業(yè)臺上做各種有效載荷的安裝和維修作業(yè)。JEM機械手的操作是由JEM給壓室內(nèi)設(shè)置的2根單向操縱桿進行控制，分臂具有雙向力反饋。此外，還有歐洲機器人手臂（ERA），俄羅斯的主從機械手設(shè)備（PELICAN）等。這種用于載人飛船、航天飛機與空間站的機械手分別進行了多次有宇航員協(xié)助的在軌服務(wù)，包括對接、物質(zhì)補給、燃料加注和維修等等。

圖l SSRMS機械臂

由宇航員通過機械手直接進行的空間操作對宇航員要求很高，且工作強度大。為了減少宇航員空間活動的高風(fēng)險性，節(jié)省時間和成本，達到長期在軌服務(wù)的目的，人們開始關(guān)注利用自由飛行機械手完成在軌服務(wù)的遙操作技術(shù)。

l993年，德國在哥倫比亞航天飛機的密封實驗艙中進行了空間機器人實驗（ROTEX）[3]。ROTEX既可以由宇航員借助攝像機進行在軌遙操作，也可由地面人員進行地面遙操作。它通過一個數(shù)據(jù)中繼航天器和一個通信航天器實現(xiàn)通信回路，延遲大約為6s。該裝置具有遠地環(huán)境三維計算機預(yù)測和立體顯示能力，驗證了基于傳感器的離線編程操作技術(shù)，并完成了軌道替換單元（ORU）的插拔、桁架裝配及抓取物體等任務(wù)。這是人類第一次在空間完全由機器人進行的在軌操作。l997年，日本進行了空間機械手的飛行試驗（MFD），宇航員在航天飛機的增壓艙內(nèi)通過監(jiān)視屏幕花費l6h進行了更換單元和開關(guān)門的試驗，以對機器人操作控制性能和作業(yè)性能進行評價。

日本技術(shù)試驗衛(wèi)星ETS-Ⅶ[2，4]的成功發(fā)射是在軌服務(wù)遙操作的一個里程碑。主要實驗內(nèi)容包括地面遙操作空間機械臂的試驗、衛(wèi)星姿態(tài)與星載機械臂的協(xié)調(diào)控制和在軌衛(wèi)星服務(wù)試驗。地面遙操作試驗采用了多種力反饋技術(shù)，包括可視化預(yù)測力方法、基于預(yù)測力的地面遙控以及可視化力反射和力調(diào)節(jié)控制方法。地面系統(tǒng)有兩種機械臂控制模態(tài)：主從控制與自主控制。在主從控制中，地面操作員通過兩個操作桿控制裝在航天器上的機械臂。根據(jù)從機械臂上的CCD攝像機得到的原始視覺圖像和從航天器得到的遙測數(shù)據(jù)，為操作員提供星上機器人系統(tǒng)的狀態(tài)。

近年來，美國的遙操作研究和試驗從最初的主從模式轉(zhuǎn)變?yōu)榘胱灾髂Ｊ?，并向自主模式過渡。美國國防高級研究計劃局（DARPA）組織實施的“軌道快車”（Orbit Express）計劃歷時7年，花費3億美元，于2007年3月8日發(fā)射，演示了低成本在軌服務(wù)途徑與自主在軌服務(wù)的技術(shù)可行性。圖2為軌道快車對接圖。歷經(jīng)3個月的軌道快車演示實驗，成功演示了自主分離、接近、對接、捕獲。在“軌道快車”燃料補給任務(wù)中，ASTRO航天器成功地將近l4.5kg（32 lb）肼燃料輸給了NextSat航天器，并在NextSat航天器上更換了一塊電池。這些任務(wù)的自主程度是不同的，例如燃料補給中，地面發(fā)出了23條核準(zhǔn)命令?！败壍揽燔嚒比蝿?wù)在發(fā)射后不久就遭遇了一次小故障，ASTRO上一條動力齒輪安裝錯誤，導(dǎo)致這艘飛船執(zhí)行了與導(dǎo)航系統(tǒng)相反的命令。這次故障涉及硬件和軟件兩方面的問題。飛行控制人員依靠NextSat航天器的導(dǎo)航系統(tǒng)來確保ASTRO太陽電池板朝向太陽。在上載新的軟件后，ASTRO的命令才讓齒輪按照預(yù)想轉(zhuǎn)動。

歐洲一些國家計劃發(fā)射在軌服務(wù)空間飛行器。我國部分研究機構(gòu)很早就開展了遙操作技術(shù)的研究[5～7]，然而面向在軌服務(wù)的遙操作技術(shù)還處于起步階段。

從上述情況來看，在軌服務(wù)的實現(xiàn)將依賴人力與自主控制的配合。對于一些復(fù)雜的在軌服務(wù)，地面人員將通過遠程交互方式直接將位于太空的航天器與地面控制中心連接在一個回路中。這種遙操作手段能夠增加空間各系統(tǒng)的安全系數(shù)，確保在軌服務(wù)的可靠性和高效性。

圖2 軌道快車對接圖

3 面向在軌服務(wù)的遙操作關(guān)鍵技術(shù)

與地面遙操作相比，面向在軌服務(wù)的遙操作技術(shù)最主要的問題是空間與地面通信中存在較長時間延遲。通信延遲包括遙控指令延遲和遙測信號延遲。以ETS-Ⅶ為例，其時延達到了5～7s。在存在時延情況下，即使操作者完成簡單工作也需要比無時延情況花費較長時間，這時操作者為避免系統(tǒng)操作不穩(wěn)定，必須采取“運動-等待”的階段工作方式。除此以外，缺乏對工作環(huán)境的了解，受到熱、輻射、真空、變化的光照環(huán)境和對目標(biāo)視覺條件有限等因素影響，微重力引力，任務(wù)具有重復(fù)性，對遙操作設(shè)備的后勤服務(wù)能力有限等因素也影響遙操作技術(shù)的實施[6]。

根據(jù)在軌服務(wù)遙操作技術(shù)特點，應(yīng)當(dāng)避免地面控制中心向空間機器人頻繁發(fā)送遙控信號。過長的信息延遲與過快的決策控制出現(xiàn)在一個系統(tǒng)回路中時，完全有可能引發(fā)不可靠的結(jié)果。所以，正常的操作過程以人的最少介入為好，更為現(xiàn)實的做法是對將由機械手自動進行的操作進行宏觀組合，而在修改操作步驟或是處理意外情況時，則需要充分運用遙操作的交互能力，最有效地利用人的知識、經(jīng)驗與設(shè)想加以最大限度地干預(yù)。

為了完成在軌服務(wù)的功能，遙操作系統(tǒng)往往包含很多功能子系統(tǒng)，如預(yù)測仿真、通信、本地自主和多傳感器信息融合等，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和龐大。如何合理設(shè)計和組織遙操作系統(tǒng)，如何有效地進行人機協(xié)作以及如何對提出的方法理論進行驗證等是面向在軌服務(wù)的遙操作技術(shù)中需要解決問題。下面將論述面向在軌服務(wù)遙操作的一些關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 面向在軌服務(wù)的遙操作控制方式研究

根據(jù)空間機器人智能程度的高低，遙操作可以分為3種方式：主從遙操作、半自主遙操作和自主遙操作。

主從遙操作是在時延較小或沒有時延的場合，主手和從手之間根據(jù)視覺信息和雙向力反饋使從手跟隨主手運動。這種控制方式下的機器人智能程度較低，遙操作質(zhì)量由操作員決定，不僅要花費很長時間訓(xùn)練操作員，而且操作員工作時勞動強度大，易疲勞，難以完成高精度操作。

半自主遙操作，又稱共享遙操作。在這種控制方式中，機器人控制系統(tǒng)具有一定的智能程度，工作目標(biāo)的部分自由度（或部分工作目標(biāo)）由操作員控制，而其它的自由度（或工作目標(biāo)）則由控制系統(tǒng)控制。這種控制模式減輕了操作員的工作強度，大幅度地提高了工作效率。

自主遙操作，又稱監(jiān)測遙操作。監(jiān)測遙操作系統(tǒng)中遠程回路利用傳感器反饋信息，自主完成操作現(xiàn)場的工作目標(biāo)；監(jiān)控回路估計空間機器人系統(tǒng)的工作效能，設(shè)立新的工作目標(biāo)，必要時由人直接控制機器人的動作；本地回路提供空間機器人狀態(tài)和工作環(huán)境，預(yù)報下一個動作。監(jiān)測控制技術(shù)的應(yīng)用，將操作員排除在遠程回路之外，避免了時延的影響，同時操作員又可隨時干擾空間機器人的工作情況，大幅度地提高了遙操作機器人的工作效率，增加了系統(tǒng)靈活性。

采用何種遙操作控制方式依賴于在軌服務(wù)的步驟與任務(wù)。完成在軌服務(wù)的前提是進行服務(wù)星與客戶星的對接。在對接過程中捕獲階段可以有兩種模式：直接捕獲和自由飛行捕獲。直接捕獲是使空間機器人機動到“捕獲包絡(luò)”中，執(zhí)行軌道保持，直到使用對接機構(gòu)將客戶星固定；自由飛行捕獲是使用機械臂抓取客戶星并對其執(zhí)行?？坎僮鳎@是一種更加安全的捕獲模式，適用于捕獲具有巨大附屬肢體或者機動能力差的航天器，也能減輕羽流的影響。選用何種捕獲模式直接影響到選用何種遙操作控制方式。對接完成后就可以執(zhí)行燃料傳輸或者單元更換等在軌服務(wù)任務(wù)。燃料傳輸可以選擇對接部分的流體連接器，利用流體輸送泵或貯箱再壓縮技術(shù)進行肼推進劑的傳輸，或者采用間接傳輸。先執(zhí)行ORU更換，在ORU中有一個燃料罐和一套在航天器平臺上連接該燃料罐和其它燃料罐的液體連接器，然后進行燃料傳送。其關(guān)系如圖3所示。

實驗研究表明，由于空間作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜多變性，讓空間機器人完全自主地完成各種空間作業(yè)任務(wù)是不現(xiàn)實的，它往往需要宇航員或地面操作人員進行必要的監(jiān)控和遙操作。同時，由于受天地之間的通信大時延和微重力影響，用宇航員或地面操作人員的肉眼作為操作依據(jù)往往容易造成誤判，甚至失去遙操作的因果關(guān)系，造成遙操作的失敗或設(shè)備部件的損壞。需要針對不同的階段步驟選用不同的遙操作控制方式，得到燃料最省、時間最短和負荷最小的條件下進行對接在軌服務(wù)遙操作控制步驟，保證在軌服務(wù)任務(wù)的成功。

圖3 在軌加注與單元更換任務(wù)分解圖

3.2 面向在軌服務(wù)的遙操作系統(tǒng)設(shè)計

面向在軌服務(wù)的遙操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要滿足如下的設(shè)計要求：

（l）用最少數(shù)目的操作員控制空間服務(wù)衛(wèi)星，監(jiān)控和操作航天器的操作員人數(shù)決定航天器操作的主要經(jīng)費。

（2）在存在延時及有限通信能力情況下也能容易操作。眾所周知，大于幾秒的延時使得遙控操作相當(dāng)困難。

（3）采用模塊化設(shè)計以便對一些易老化損壞的部分進行單元替換。

據(jù)此我們設(shè)計了在軌服務(wù)遙操作系統(tǒng)的方框圖，如圖4所示，它由空間衛(wèi)星系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)組成，其中任務(wù)協(xié)調(diào)模塊分別接收來自操作者發(fā)出的控制命令和接收到傳感器信息，根據(jù)一定原則對操作者的命令進行處理：接受、拒絕或等待，并將此信息發(fā)回主操作端。如果安全信息返回正常，則繼續(xù)運行程序，進入軌跡規(guī)劃模塊；否則調(diào)用異常處理模塊。任務(wù)解釋模塊能夠?qū)⒉僮髡甙l(fā)出的操作命令和各種傳感器返回的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)換為底層控制所需的格式。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以進行主從遙操作，半自主遙操作以及自主遙操作，但是還需進一步細化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊，設(shè)計或者選擇相應(yīng)合適的遙操作機構(gòu)以及利用軟件仿真、半實物仿真驗證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求，改進在軌服務(wù)遙操作系統(tǒng)。同時還需設(shè)計能夠接收空間在軌服務(wù)的客戶星遙操作系統(tǒng)，兩者能夠很好的互相配合也是能夠?qū)崿F(xiàn)在軌服務(wù)的關(guān)鍵。

圖4 遙操作系統(tǒng)的方框圖

經(jīng)過分析比較國內(nèi)外先進的遙操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，我們認為基于任務(wù)的分層體系結(jié)構(gòu)模型是一個較好的選擇，與面向在軌服務(wù)的遙操作系統(tǒng)模塊化設(shè)計思想相一致。這樣的設(shè)計比較符合遙操作技術(shù)的需求。為了更好的描述遙操作結(jié)構(gòu)，可以針對在軌服務(wù)的不同階段設(shè)計相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)，并對比較復(fù)雜的系統(tǒng)模塊設(shè)計相應(yīng)的子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

3.3 基于Agent的遙操作參考模型與控制技術(shù)

在軌遙操作系統(tǒng)中的長時延使整個遙操作控制系統(tǒng)的設(shè)計具有挑戰(zhàn)性，即長時延的存在將導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，甚至是系統(tǒng)的不穩(wěn)定。此外遙操作系統(tǒng)的透傳性、同步性很難得到保證。

現(xiàn)有的方法往往只解決系統(tǒng)某些方面的問題?；陔娐肪W(wǎng)絡(luò)的無源通信法則對解決短時延問題具有很好的效果。而在長時延情況下，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定又具有良好的可操作性則顯得無能為力，并且它只是系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個充分條件，具有較大的保守性，系統(tǒng)在不滿足無源性的條件下仍可能是穩(wěn)定的。LOG控制、H∞控制和Lyapunov-like函數(shù)等方法雖然可以得到較好的系統(tǒng)性能或者優(yōu)化指標(biāo)意義下的穩(wěn)定控制，但需要對系統(tǒng)的時延有足夠的了解?；谑录姆椒ㄒ部梢缘玫綄θ我鈺r延的穩(wěn)定控制，且不需知道時延的任何特性，但系統(tǒng)的操作性能卻有待改善，尤其是如何尋找一個合理的非時間參考變量是一個技巧問題。

采用基于Agent的“按需求進行控制”為遙操作技術(shù)提供了一種解決方法。這一方法的基本思想就是將整體控制算法分解成許多面向任務(wù)的簡單控制模塊，并利用代理技術(shù)將它們包裝成可在通信鏈路上轉(zhuǎn)移的代理，即控制代理。利用這些代理來控制空間機械手，就可以根據(jù)運行條件的變化派遣或回收控制代理，從而實現(xiàn)對它的“按需求進行控制”。面向在軌服務(wù)的空間服務(wù)星只需要支持正在運行的控制代理，而不是同時支持全程工作所需要的所有的代理，從而大大降低所需的內(nèi)存與計算能力。同時也可解決指令控制“移動-等待”模式造成系統(tǒng)動態(tài)性能差，難以實現(xiàn)連續(xù)操作和精細操作的問題。代理控制研究的重點將是利用Petri網(wǎng)建立代理控制的解析方法，為基于代理的遙操作系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

此外還有多種關(guān)鍵技術(shù)需要研究，例如建立預(yù)測虛擬仿真所需要的增強現(xiàn)實技術(shù)、多種力反饋技術(shù)以及為了驗證遙操作理論而建立面向在軌服務(wù)的地面演示驗證平臺的相關(guān)技術(shù)等。

4 遙操作未來技術(shù)展望

實用化的遙操作工程系統(tǒng)應(yīng)該具有優(yōu)良的人機交互功能，以便以友好的方式充分發(fā)揮操作員在回路中的作用。在這一總體發(fā)展趨勢下，遙操作需要重點發(fā)展的技術(shù)包括：

（l）交互式未知環(huán)境建模技術(shù)。面向在軌服務(wù)的環(huán)境建模要求通過星載傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，然后與操作員的高層決策進行充分交互。這方面需要有機融合知識庫管理、操作員決策等多方面因素。最終能夠針對未知環(huán)境建立起適合在軌服務(wù)的遙操作環(huán)境模型。另一方面，由于操作員感知能力的局限性，容易造成操作效率不高、甚至失誤的情形。實際系統(tǒng)應(yīng)能提高輔助支撐系統(tǒng)，充分利用傳感器返回的信息及虛擬場景的布局，自動生成遙操作策略供操作者參考或選擇。

（2）協(xié)同遙操作?，F(xiàn)有的遙操作系統(tǒng)大多針對單操作者單操作對象。然而，復(fù)雜的在軌服務(wù)工作往往需要多個操作者并行地對多個設(shè)備進行協(xié)調(diào)遙操作。如何處理操作員間的協(xié)同和操作對象之間的協(xié)同是遙操作系統(tǒng)走向大規(guī)模實際應(yīng)用的重要問題。

（3）雙邊控制。雙邊控制[8，9]是遙操作性能提高的重要措施。但目前的雙邊控制技術(shù)無論是理論上還是工程上都未能突破大延時的限制。未來的研究應(yīng)圍繞總體提高雙邊力控制性能展開，包括對大時延的容忍性和提高過渡過程性能等。這方面不僅要進行工程驗證，更需要相關(guān)理論工作的支持。

（4）性能評價體系。鑒于遙操作在空間在軌服務(wù)中的重要性，有必要針對空間在軌服務(wù)的實際需要建立起完善的遙操作性能評價體系。具體而言，不僅需要擬訂空間在軌服務(wù)的遙操作典型任務(wù)，還需要針對遙操作不同環(huán)節(jié)擬訂具有針對性的性能指標(biāo)，最終形成一套科學(xué)實用的性能評價體系，以促進遙操作的研究朝著定量化和工程化的方向發(fā)展。

5 結(jié) 論

面向在軌服務(wù)的遙操作技術(shù)在空間應(yīng)用中具有經(jīng)濟性、可靠性與安全性，適合于我國國情，對該領(lǐng)域的研究和探索是一件非常有意義的工作。我國在這方面起步較晚，與美歐日等航天先進國家相比，還存在著一定的距離，因此需要我們對這方面的研究給予更大的關(guān)注和投入。

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Research and Prospects for Te1e-Operation in On-O rbit Servicing

SUN Fuchun，WU Fengge，LIU Huaping
（Department of Computer Science and Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The state of the art for tele-operation technologies in on-orbit servicing is briefly reviewed in this paper.Some key technologies，such as control mode，architecture and control technigues，are proposed and discussed through analyzing tele-operation characteristic for on-orbit servicing.The prospects of future tele-operation technologies are also highlighted.

spacecraft；on-orbit servicing；tele-operation

TP24

A

l674-l579（2008）0l-0033-05

*國家863計劃（2007AA704339，2007AA70430l）資助項目.

2007-l2-25

孫富春（l964-），男，江蘇人，教授，研究方向為空間飛行器智能控制與網(wǎng)絡(luò)（e-mail：fcsun@tsinghua.edu.cn）。