基于力反饋手柄的移動(dòng)載人月球車操作控制系統(tǒng)

彭維鋒 周燁康 譚麗芬 唐子涵 李會(huì)軍 徐寶國(guó)

1 東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京，210096 2 中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心 人因工程國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京，100094

0 引言

載人登月是目前人類深空探測(cè)中的重要活動(dòng),也是展示國(guó)家綜合實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要平臺(tái)．Apollo計(jì)劃是人類至今第一次實(shí)現(xiàn)載人登月任務(wù),并完成月球采樣381.7 kg[1]．我國(guó)自20世紀(jì)60年代中期就開(kāi)始著手月球科學(xué)領(lǐng)域的研究．2020年,嫦娥五號(hào)任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)地外天體采樣返回,其成功實(shí)施標(biāo)志著我國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走規(guī)劃如期完成,奠定了21世紀(jì)前20年我國(guó)在無(wú)人月球探測(cè)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位[2]．隨著我國(guó)探月工程的進(jìn)一步發(fā)展和推進(jìn),實(shí)現(xiàn)載人登月,將會(huì)成為我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)任務(wù)[3]．

作為載人登月的重要載體,移動(dòng)載人月球車相關(guān)技術(shù)的研究極為重要[4]．而在月球車的操作控制中,操作手柄是航天員駕駛月球車的重要交互設(shè)備之一,控制著月球車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、剎車等[5-6]．月面作業(yè)時(shí),月球車駕駛環(huán)境的復(fù)雜性會(huì)給航天員帶來(lái)一定的挑戰(zhàn),加之航天服體積和質(zhì)量都較大,航天員的駕駛能力會(huì)因此而有所降低,而現(xiàn)有研究以及Apollo計(jì)劃中的傳統(tǒng)交互手柄并不能起到輔助駕駛的作用,如果航天員發(fā)生誤判斷或誤操作,將會(huì)帶來(lái)不可估量的嚴(yán)重后果[6]．因此,本文基于安全、高效的駕駛需求提出基于力反饋的操作手柄,其不僅滿足操控月球車移動(dòng)的基本功能,還具有一定的輔助駕駛功能,能夠在復(fù)雜的月面環(huán)境中幫助航天員提高駕駛效率,保證航天員的駕駛安全性[5,7]．目前,世界上多個(gè)國(guó)家對(duì)力反饋交互技術(shù)都有深入的研究,很多國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)和公司都紛紛加入了研究行列．國(guó)外對(duì)力反饋技術(shù)的研究起步較早,美國(guó)麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室和Sensable Devices公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制的PHANTOM系列具有舒適靈巧的操作性能以及逼真的力反饋效果,是目前開(kāi)發(fā)成功的力反饋裝置之一;法國(guó)Haption公司研制出的Haption系列具有六自由度的位置檢測(cè)和力反饋功能,但其體積和所需要的操作力較大,具有較大的活動(dòng)冗余度;日本Niigata大學(xué)研制的六自由度力反饋交互設(shè)備,采用改進(jìn)的Delta結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)3個(gè)平動(dòng)自由度,能夠在大范圍的圓柱工作空間內(nèi)操作．國(guó)內(nèi)對(duì)于力反饋技術(shù)的研究起步比較晩,與國(guó)外的力反饋技術(shù)還存在一定的差異[8]．

本文將結(jié)合力反饋技術(shù),提出基于力反饋手柄的移動(dòng)載人月球車操作控制系統(tǒng),為月面作業(yè)探測(cè)提供一種更加高效、安全的輔助駕駛模式．首先,本文提出了一種二自由度力反饋手柄,結(jié)合空間探測(cè)場(chǎng)

景完成了基于操作工作空間和操作舒適度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);其次,利用unity3D軟件建立了虛擬月球地形以及移動(dòng)載人月球車模型,搭建了移動(dòng)載人月球車的仿真駕駛環(huán)境,并在STM32單片機(jī)硬件系統(tǒng)的支持下,完成了位置檢測(cè)輸入和力反饋輸出;最后,在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的支持下,對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．

1 基于力反饋手柄的移動(dòng)載人月球車操作控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要包含力反饋手柄、STM32單片機(jī)硬件系統(tǒng)以及基于unity3D的月面環(huán)境軟件系統(tǒng)．在unity3D 虛擬探測(cè)場(chǎng)景中,移動(dòng)載人月球車可以在月面環(huán)境中進(jìn)行漫游,完成作業(yè)探測(cè)．通過(guò)操作力反饋手柄可以控制月球車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、剎車等,同時(shí)根據(jù)月面地形信息以及月球車的運(yùn)動(dòng)信息，力反饋手柄會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)大小的反饋力,以輔助航天員的駕駛,避免駛?cè)氕h(huán)形坑等危險(xiǎn)區(qū)域．其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示．

本系統(tǒng)采用一種無(wú)累計(jì)誤差、無(wú)傳動(dòng)鏈的并聯(lián)式力反饋手柄,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)了水平、垂直兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,操作手柄末端運(yùn)動(dòng)具有較大的工作空間,同時(shí)在兩個(gè)方向上包含位置檢測(cè)輸入和力反饋執(zhí)行輸出．硬件系統(tǒng)以STM32F427單片機(jī)為控制核心,軟件系統(tǒng)在 Microsoft Visual Studio 2017平臺(tái)開(kāi)發(fā),利用unity3D 物理引擎完成月面探測(cè)場(chǎng)景的搭建．

2 力反饋手柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間探測(cè)場(chǎng)景中,手柄的使用較為頻繁,操作設(shè)計(jì)不合理的手柄,會(huì)導(dǎo)致航天員手部力量消耗較多,造成手部疲勞或疼痛,將會(huì)影響航天員駕駛月球車執(zhí)行任務(wù)的質(zhì)量和效率．為提高操作的精細(xì)度,使航天員在操作過(guò)程中更加舒適自然,本文將從操作工作空間和操作舒適度出發(fā),完成二自由度力反饋手柄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9]．

二自由度力反饋手柄包括二自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手桿、帶光編碼器的直流無(wú)刷電機(jī)、底座等[10],其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示．

圖2 二自由度力反饋手柄結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the 2-DOF force feedback handle

二自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在兩個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸方向上安置了兩段圓弧,跟隨手桿運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在各自方向上獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng),水平方向決定了駕駛方向,控制著車輪的左右轉(zhuǎn)動(dòng),垂直方向決定了駕駛速度,控制著車輪前后轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度．航天員操縱手桿由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向上的物理轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)角度由減速比為19∶1的直流電機(jī)所裝配的光編碼器測(cè)量得到,并設(shè)計(jì)了與電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸相匹配的軸銷,由電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸直接驅(qū)動(dòng)手柄旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),減少了傳動(dòng)鏈,傳動(dòng)精度、力控制精度較高．所測(cè)得的高精度角度數(shù)據(jù)直接輸入移動(dòng)載人月球車的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)月球車的方向控制和速度控制．

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的二自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)對(duì)稱結(jié)構(gòu),具有很好的各向同性,獨(dú)立運(yùn)動(dòng)無(wú)累計(jì)誤差,控制精度較高．旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的兩個(gè)重要參數(shù)是可旋轉(zhuǎn)最大角度α和圓弧半徑R,在空間探測(cè)中將影響到手柄的操作工作空間S和操作舒適度C[9,11]．

在底座中心建立笛卡爾直角坐標(biāo)系O-XYZ,如圖3所示．根據(jù)人機(jī)工效學(xué),經(jīng)過(guò)場(chǎng)景模擬設(shè)計(jì),航天員手持中心到底座中心為D=265 mm．

圖3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the rotating part

操作工作空間描述了手柄可操縱的范圍,即手持中心可移動(dòng)的面積,決定著航天員操縱載人月球車運(yùn)動(dòng)的精細(xì)度．操作工作空間的數(shù)學(xué)模型:

(1)

式中,θ為手柄繞旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)于初始位置的旋轉(zhuǎn)角度．

在本文中,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和驗(yàn)證,提出適用于本手柄的操作舒適度,其數(shù)學(xué)模型由兩部分組成,決定著航天員手持手柄的舒適感和疲憊度．如圖4所示,一部分是圓弧半徑R,是固定的高度,另一部分是手持中心到圓弧中心的高度,利用對(duì)數(shù)函數(shù)動(dòng)態(tài)分配各部分的影響因子[12-13],由兩部分組合描述了操作舒適度．操作舒適度的數(shù)學(xué)模型:

圖4 操作舒適度數(shù)學(xué)模型示意Fig.4 Mathematical model of operation comfort

(2)

用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)操作工作空間和操作舒適度進(jìn)行歸一化處理,得到等量級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值,并進(jìn)行加權(quán)組合,由操作工作空間和操作舒適度組合描述了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)評(píng)價(jià)模型:

F(α,R)=w1S+w2C,

(3)

式中,w1,w2分別是操作工作空間和操作舒適度的權(quán)值．

綜合手柄的應(yīng)用場(chǎng)景,可以選擇不同的權(quán)值,調(diào)整操作工作空間和操作舒適度的重要程度,可得到不同的最優(yōu)手柄結(jié)構(gòu)參數(shù),如表1所示．

表1 不同權(quán)值對(duì)應(yīng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

在月球載人月球車操作場(chǎng)景中,選擇w1=0.4,w2=0.6的權(quán)重配比,利用Matlab軟件進(jìn)行模型分析,得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),α=40°和R=44 mm,如圖5所示．其操作工作空間如圖6所示．

圖5 w1=0.4,w2=0.6下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析Fig.5 Analysis chart of optimal structural parameters

圖6 w1=0.4,w2=0.6下的操作工作空間示意Fig.6 Schematic diagram of workspace under w1=0.4,w2=0.6

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,上位機(jī)使用unity3D物理引擎構(gòu)建了移動(dòng)載人月球車模型以及相應(yīng)的虛擬月面環(huán)境,根據(jù)月球車在月面環(huán)境中的物理運(yùn)動(dòng)信息向下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制命令,下位機(jī)向上位機(jī)提供由光電編碼器采集的手柄位置信息,同時(shí)接收上位機(jī)的控制命令以驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生力反饋?zhàn)饔?輔助航天員的安全高效駕駛．系統(tǒng)工作原理如圖7所示[14]．

圖7 系統(tǒng)工作原理Fig.7 Working principle of the system

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含下位機(jī)的位置測(cè)控單元、力反饋驅(qū)動(dòng)單元以及通信模塊．下位機(jī)系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心,完成光電編碼器的手柄位置信息采集并進(jìn)行軟件算法處理得到手柄各方向的位置值以控制載人月球車,并在上位機(jī)的控制下驅(qū)動(dòng)力反饋單元產(chǎn)生合適的力或力矩．

力反饋驅(qū)動(dòng)單元以DJI無(wú)刷直流電機(jī)為主要執(zhí)行器．由于力反饋執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力矩與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流為正相關(guān),電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流與PWM波的占空比成正相關(guān),下位機(jī)在接收到力反饋指令后,根據(jù)反饋力矩的大小線性變換成驅(qū)動(dòng)電流,搭配使用DJI C620電調(diào),利用電調(diào)自動(dòng)完成PWM的轉(zhuǎn)換過(guò)程.電調(diào)占用下位機(jī)資源較少,且控制更為精準(zhǔn)、便捷．

本文中所使用的DJI直流電機(jī)裝有絕對(duì)式位置編碼器,可以測(cè)量得到電機(jī)主動(dòng)軸的絕對(duì)位置,轉(zhuǎn)子機(jī)械位置值范圍0～8 191,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子機(jī)械角度0～360°,但編碼器測(cè)量到的值是電機(jī)主動(dòng)軸的絕對(duì)位置,其傳動(dòng)到手柄還應(yīng)乘以相應(yīng)的減速比.為了得到手柄的位置還需進(jìn)行相應(yīng)的軟件處理.首先計(jì)算出兩次測(cè)量之間的變化值.在位置處理算法中,對(duì)比上一次位置值與本次測(cè)量值,根據(jù)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各計(jì)算一次結(jié)果,其中絕對(duì)值小的就是兩次測(cè)量的變化值．手柄位置值=轉(zhuǎn)子位置變化值/(減速比×(360/8 191))．位置檢測(cè)算法流程如圖8所示．

圖8 位置檢測(cè)算法流程Fig.8 Flow chart of position detection algorithm

STM單片機(jī)與上位機(jī)通過(guò)全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模塊(USART,Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)實(shí)現(xiàn)信息交換．單片機(jī)接收來(lái)自上位機(jī)的指令信號(hào)和力反饋信息,并向上位機(jī)反饋手柄轉(zhuǎn)動(dòng)位置信息．開(kāi)啟通信端口后,上位機(jī)和單片機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送信息,上位機(jī)利用線程模式接收單片機(jī)的位置反饋信息,從而控制載人月球車的行進(jìn)速度和方向,單片機(jī)采用中斷方式接收指令信號(hào)和力反饋信息,根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令發(fā)送力反饋驅(qū)動(dòng)信息,電調(diào)基于CAN總線方式與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)全雙工通信,驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的力反饋,并通過(guò)光電編碼器接口電路實(shí)時(shí)獲取機(jī)械轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)．

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中的軟件系統(tǒng)主要為上位機(jī)中的unity3D場(chǎng)景．為完成操作控制系統(tǒng)的仿真測(cè)試,出于成本、實(shí)效性的考慮,本文在unity3D軟件中建立了面向移動(dòng)載人月球車的月面地形、移動(dòng)載人月球車以及相應(yīng)的虛擬傳感器等模型．

根據(jù)月面典型地貌特征的剖面特征數(shù)據(jù),建立相應(yīng)地貌特征模型,地貌特征主要為撞擊山、巖石等．同時(shí)根據(jù)探月工程數(shù)據(jù)發(fā)布與信息服務(wù)系統(tǒng)所發(fā)布的月面地形數(shù)據(jù),可以計(jì)算得到單位面積內(nèi)月面典型地貌特征的規(guī)格和數(shù)量并建立月面撞擊坑統(tǒng)計(jì)模型、月面石塊統(tǒng)計(jì)模型[15],在地圖上隨機(jī)生成月面撞擊坑、月面石塊等地貌特征,同時(shí)添加適當(dāng)?shù)募y理映射來(lái)增強(qiáng)月球表面模型的真實(shí)感,即可生成月球三維地形．

移動(dòng)載人月球車模型由3D MAX建模構(gòu)建其各個(gè)單元模塊,將模型導(dǎo)入unity3D進(jìn)行綁定并利用unity3D 強(qiáng)大的物理引擎建立起相應(yīng)的物理模型,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)載人月球車與月面環(huán)境的碰撞和交互[16]．月球車模型和月球表面模型分別如圖9、圖10所示．

圖9 移動(dòng)載人月球車模型Fig.9 Mobile manned lunar rover model

圖10 月球表面模型Fig.10 Lunar surface model

手柄的力反饋信息來(lái)源于駕駛的月面地形以及月球車運(yùn)動(dòng)信息.為了獲取力反饋信息,本系統(tǒng)建立了虛擬傳感器模型,包含激光雷達(dá)、速度傳感器等[17],其中最為重要的是激光雷達(dá)射線檢測(cè),用于采集周邊環(huán)境的地形數(shù)據(jù),開(kāi)發(fā)效果如圖11所示．

圖11 虛擬傳感器開(kāi)發(fā)效果Fig.11 Layout of the developed virtual sensing system

在虛擬月面環(huán)境中,月球車在行進(jìn)的過(guò)程中能夠通過(guò)激光雷達(dá)觀察到四周的地形環(huán)境,獲取地形數(shù)據(jù)并鏈接上一幀掃描得到的數(shù)據(jù)建立起完整的地形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),軟件系統(tǒng)將地形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理,在不同的地形區(qū)域標(biāo)記不同的顏色塊顯示駕駛推薦程度,尤其是月面上環(huán)形山判斷,其出現(xiàn)頻率高,且不容發(fā)現(xiàn),而較深的環(huán)形山容易發(fā)生月球車被困而無(wú)法駛出的情況．由于本文篇幅的限制,以環(huán)形山判斷規(guī)則為例做簡(jiǎn)單的說(shuō)明:俯仰角在±15°以內(nèi)的地面,標(biāo)記為綠色;仰角15°～45°,標(biāo)記為黃色;仰角超過(guò)45°,標(biāo)記為紅色;俯角15°～45°,標(biāo)記為藍(lán)色;俯角超過(guò)45°,標(biāo)記為紫色．其中,綠色表示能夠通行,而其余顏色均不是推薦選擇．黃色表示需要一定的預(yù)加速才能通過(guò);藍(lán)色表示需要踩住剎車;紅色和紫色則表示危險(xiǎn)坡度,一般情況下禁止通行．

虛擬傳感器獲取了月面地形數(shù)據(jù)以及月球車本身的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),進(jìn)行系列決策判斷,決策區(qū)域顏色塊的顏色以及數(shù)量決定行駛方向以及行駛速度的推薦值,以發(fā)送力反饋信息輔助航天員的駕駛行為．根據(jù)駕駛方向推薦值向STM32單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的力反饋信息,將會(huì)在手柄水平方向相應(yīng)的力反饋,輔助航天員感知到此方向駕駛的難易程度,而駕駛速度推薦值在手柄垂直方向產(chǎn)生的力反饋,將會(huì)幫助航天員在相關(guān)駕駛區(qū)域上提前加速或減速才能安全有效通過(guò)．除此,在相關(guān)的場(chǎng)景探測(cè)中,力反饋手柄也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的震動(dòng)效果,提示航天員感知駕駛信息[17-18]．

作為駕駛移動(dòng)載人月球車過(guò)程中重要的人機(jī)交互通道之一,力反饋手柄對(duì)于航天員的駕駛行為起著很重要的作用．在月球探測(cè)行進(jìn)過(guò)程之中,由于月面環(huán)境的未知性、復(fù)雜性,且航天員在不同于地球環(huán)境中本身的判斷能力以及駕駛能力會(huì)有所下降,在月球車對(duì)月面環(huán)境進(jìn)行一定的掃描判斷之后,力反饋手柄將會(huì)有效輔助航天員駕駛著月球車朝著正確的方向以合適的速度行駛,遇到較陡的山坡、復(fù)雜且深的環(huán)形山、顛簸嚴(yán)重的路段等危險(xiǎn)區(qū)域會(huì)在力反饋手柄的力反饋?zhàn)饔孟轮鲃?dòng)避免．即使在有意探測(cè)復(fù)雜、未知的危險(xiǎn)月面地形時(shí),在力反饋手柄的輔助駕駛下,月球車將會(huì)更加平穩(wěn)、安全的通過(guò).如遇到較陡的環(huán)形山,力反饋手柄將會(huì)引導(dǎo)航天員朝著環(huán)形山缺口處沖出,在沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)的計(jì)算速度時(shí),力反饋手柄將會(huì)產(chǎn)生相反的作用力于人手,提示無(wú)法沖上,在加速至相應(yīng)的速度后力反饋手柄的作用消失,航天員可從環(huán)形山的探測(cè)中安全駛離．

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在硬件和軟件系統(tǒng)的支持下,本文對(duì)基于力反饋手柄的移動(dòng)載人月球車操作控制系統(tǒng)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):為了避免無(wú)關(guān)因素的干擾,本實(shí)驗(yàn)隨機(jī)性地邀請(qǐng)了6名無(wú)經(jīng)驗(yàn)志愿者作為力反饋手柄實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在虛擬月面環(huán)境中標(biāo)注了起點(diǎn)和終點(diǎn),志愿者將會(huì)在有力反饋輔助駕駛和無(wú)力反饋直接駕駛操作兩種實(shí)驗(yàn)條件下駕駛月球車,完成從起點(diǎn)到終點(diǎn)的駕駛．實(shí)驗(yàn)之前,向志愿者說(shuō)明了力反饋手柄的操作方法以及力反饋的輔助作用,即手柄某方向上的力反饋大小表示相應(yīng)方向上的不推薦程度,在力反饋輔助駕駛條件下,志愿者應(yīng)該盡可能地遵循手柄相應(yīng)方向上的力反饋輔助駕駛．在沒(méi)有力反饋?zhàn)饔脮r(shí),駕駛行為完全由志愿者自身所決定．本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示．

圖12 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.12 Experimental platform

在unity3D軟件系統(tǒng)的支持下,通過(guò)USB接口連接力反饋操作手柄,實(shí)驗(yàn)者可直接操縱手柄控制移動(dòng)載人月球車的移動(dòng),完成起點(diǎn)到終點(diǎn)的駕駛．在駕駛經(jīng)驗(yàn)不足時(shí),為保證實(shí)驗(yàn)安全,實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅由unity3D 軟件輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)于無(wú)力反饋和有力反饋兩次實(shí)驗(yàn),對(duì)比了兩次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中月球車俯仰角隨著到終點(diǎn)直線距離的變化,俯仰角的變化體現(xiàn)了駕駛過(guò)程中的平穩(wěn)程度．1號(hào)、6號(hào)志愿者兩次駕駛對(duì)比結(jié)果如圖13所示．

圖13 志愿者兩次駕駛對(duì)比結(jié)果Fig.13 Driving comparison between two volunteers,(a) volunteer No.1,and (b) volunteer No.6

在志愿者相對(duì)熟練地掌握月球車駕駛方法后,進(jìn)一步實(shí)驗(yàn),除上節(jié)所描述的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)之外,搭載一個(gè)六自由度平臺(tái),其使用體感模擬算法模擬了載人月球車在月面環(huán)境中的運(yùn)動(dòng),包括俯仰角、橫滾角、偏航角以及沿空間3個(gè)方向上的加速度[19],能夠讓實(shí)驗(yàn)者感受到在不同駕駛方向和駕駛速度下的車輛平穩(wěn)程度,讓志愿者更為直觀、真實(shí)地體驗(yàn)到載人月球車的駕駛,從而感受到力反饋手柄輔助駕駛的必要性．分別在無(wú)力反饋直接操作和力反饋輔助的情況下,再次從起點(diǎn)出發(fā),到達(dá)終點(diǎn)后,志愿者為2次駕駛體驗(yàn)評(píng)分,各對(duì)比組評(píng)分如圖14所示．

圖14 志愿者駕駛體驗(yàn)評(píng)分Fig.14 Volunteers’ scores for driving experience

最后,讓志愿者不受起點(diǎn)和終點(diǎn)的限制,自由駕駛月球車進(jìn)行月面探測(cè),分別統(tǒng)計(jì)在無(wú)力反饋直接操作和力反饋輔助情況下每1 000 m被困環(huán)形山、車輪卡死、側(cè)翻等意外情況的平均次數(shù),結(jié)果如表2所示．

表2 有無(wú)力反饋發(fā)生危險(xiǎn)次數(shù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:6位志愿者在無(wú)力反饋情況下直接操作月球車容易發(fā)生被困環(huán)形山、車輪卡死、側(cè)翻等危險(xiǎn)駕駛行為,志愿者面對(duì)未知駕駛環(huán)境以及操作不熟練等原因車輛顛簸嚴(yán)重,導(dǎo)致駕駛體驗(yàn)不適以及容易發(fā)生意外;而在有力反饋輔助志愿者操作月球車的情況下,車輛行駛過(guò)程中更為平穩(wěn),駕駛更為舒適,在進(jìn)行未知區(qū)域探索時(shí),在力反饋的輔助下月球車不容易發(fā)生意外,月面探測(cè)更為安全．

5 結(jié)論

本文依據(jù)移動(dòng)載人月球車操作為需求,綜合考慮航天員在復(fù)雜的月面環(huán)境中操作舒適度和操作工作空間,完成了基于力反饋手柄的移動(dòng)載人月球車操作控制系統(tǒng)的研制,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．本文所設(shè)計(jì)的力反饋手柄結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,各自由度獨(dú)立工作且無(wú)誤差積累．作為人機(jī)交互的一個(gè)重要通道,二自由度力反饋手柄不僅是移動(dòng)載人月球車操作控制系統(tǒng)的輸入通道,控制載人月球車的運(yùn)動(dòng)方向和速度,而且是系統(tǒng)的輸出通道,可以帶給航天員真實(shí)的力觸覺(jué)感受,輔助載人月球車的駕駛,幫助航天員進(jìn)行正確、有效的駕駛操作,從而保證駕駛的安全性和高效性．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的力反饋手柄對(duì)于操作者駕駛移動(dòng)載人月球車具有很好的輔助作用．

本文所研制的基于力反饋手柄的移動(dòng)載人月球車操作控制系統(tǒng),可以應(yīng)用在我國(guó)的月面探測(cè)任務(wù)之中．同時(shí),本文中所設(shè)計(jì)的力反饋手柄具有可擴(kuò)展性,更改其力反饋解算策略,或增加其手柄機(jī)構(gòu)的自由度,可在模擬訓(xùn)練、深空遙操作、醫(yī)療康復(fù)等諸多領(lǐng)域?qū)嵺`應(yīng)用,具有廣闊的前景．