天體表面探測遙操作模擬驗證系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李立春，李 劍，王 鎵，于天一，劉傳凱，李 楠，萬文輝

（1.北京航天飛行控制中心，北京 100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，哈爾濱 150001；3.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101）

引 言

月球表面與火星表面巡視、表面采樣等天體探測任務(wù)采用遙操作模式實施，具有執(zhí)行端與操作端分離、信號延遲、規(guī)劃與實施不同步等特點(diǎn)，地面遙操作時效性、操作準(zhǔn)確性要求高，在地面對遙操作軟件及其操作開展驗證是實際天體表面遙操作安全實施的重要保證[1-2]。

基于全保真地面樣機(jī)是一種遙操作模擬驗證的有效手段，但是這種方法花費(fèi)大、經(jīng)濟(jì)性差，由于地面樣機(jī)同時承擔(dān)方案驗證、性能測試等工作，難以保證操作驗證和訓(xùn)練需求[2-3]。開展驗證的另一種方法是構(gòu)建數(shù)字式模擬驗證系統(tǒng)，以數(shù)字孿生的模式構(gòu)建星球車、天體表面環(huán)境，通過數(shù)字仿真對遙操作過程進(jìn)行模擬和訓(xùn)練。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的噴氣推進(jìn)實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）使用超級計算機(jī)構(gòu)筑虛擬火星環(huán)境，以三維立體的模式可視化感知遙環(huán)境，輔助地面遙操作[4-5]。這種方法使用上比較靈活，缺點(diǎn)是對環(huán)境感知、規(guī)劃評估等方面不能準(zhǔn)確模擬，遙操作處理的驗證和訓(xùn)練效果難以保證[1]。

針對高效準(zhǔn)確地進(jìn)行天體表面遙操作的驗證與模擬訓(xùn)練問題，本文設(shè)計實現(xiàn)了一套天體表面探測遙操作模擬驗證系統(tǒng)，提出了基于特種砂的可變形天體表面地形模擬方法，研制了具有感知、移動及規(guī)劃結(jié)果響應(yīng)功能的模擬星球車，提出了基于激光掃描的地形測量與星球車位姿測量方法，實現(xiàn)了對遙操作軟件感知與規(guī)劃處理的驗證考核。

與全保真地面驗證系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)在輕量級實體模擬的條件下，實現(xiàn)了場景模擬、地形和車體準(zhǔn)確測量，并能通過實體車響應(yīng)和驗證遙操作軟件的感知、規(guī)劃功能，相對虛擬輔助系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、真實與可靠。

本文首先給出了系統(tǒng)總體設(shè)計，然后對各功能模塊及核心算法進(jìn)行了具體設(shè)計，最后介紹了實際系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用情況，并對系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)面向星球車遙操作軟件的功能驗證和遙操作作業(yè)的考核需求，解決天體表面未知場景模擬、遙操作軟件的感知、規(guī)劃、控制等功能驗證問題，以更加輕量化、真實、可靠驗證為目的。

在總體設(shè)計上，模擬驗證系統(tǒng)通過實體的地形、星球車來模擬天體表面探測活動，并結(jié)合測量設(shè)備和軟件模塊來對遙操作軟件的感知、規(guī)劃、控制關(guān)鍵功能進(jìn)行驗證。系統(tǒng)由天體表面地形模擬、模擬星球車、地形掃描測量、遙操作作業(yè)驗證考核4個模塊構(gòu)成。

天體表面地形模擬模塊模擬天體表面探測場景，提供探測的視覺環(huán)境、星球車移動交互作用的典型地形及車體力學(xué)作用環(huán)境。模擬星球車模塊基于多輪運(yùn)動平臺搭建，提供遙操作指令的響應(yīng)及探測成像數(shù)據(jù)獲取。地形掃描測量模塊基于激光掃描設(shè)備對模擬地形進(jìn)行精確測量，同時可完成對星球車位置姿態(tài)的測量，支持遙操作軟件的性能驗證。遙操作作業(yè)驗證考核模塊接收遙操作軟件對模擬系統(tǒng)或真實任務(wù)數(shù)據(jù)的感知、規(guī)劃處理結(jié)果，并能對結(jié)果進(jìn)行考核評估，從而驗證遙操作軟件的正確性。

系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天體表面探測遙操作模擬驗證系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.1 Flowchart of simulating and testing system for remote operation in planetary exploration

2 天體表面地形模擬模塊設(shè)計

遙操作的感知處理對象為場景的光學(xué)圖像，此外，遙操作操控車體移動過程中，車體作用對象是其接觸的表面物質(zhì)，其力學(xué)特性是影響控制參數(shù)計算的主要因素，而環(huán)境的化學(xué)成分、溫度等屬性對操控的影響可以不予考慮[6]，因此驗證系統(tǒng)的模擬地形建設(shè)主要從地形的光學(xué)反射和力學(xué)性能兩方面進(jìn)行設(shè)計。

經(jīng)對比分析，地形模擬環(huán)境建設(shè)選用了人工砂材料，人工砂是石頭粉碎形成的，來源可人為選擇配備，成分以中粗砂為主，多呈三角體或方矩體，表面粗糙，棱角尖銳，承力性能穩(wěn)定，顆粒級配穩(wěn)定、可調(diào)，同時砂粒清潔，無泥質(zhì)和其它有害雜質(zhì)，容易管理維護(hù)。

2.1 光學(xué)成像特征

天體表面土壤成像特性由土壤的光譜特征確定，受到土壤的化學(xué)、幾何光學(xué)散射以及外部環(huán)境等因素的影響[7]。為了準(zhǔn)確模擬天體表面成像特性，需要從環(huán)境的光學(xué)反射特性、物理材質(zhì)等方面進(jìn)行設(shè)計。

對于探測波段在0.38～0.78 μm的可見光成像，土壤顆粒大小對土壤反射率有著顯著影響，黏土聚集體形成了更大、更粗糙的表面，因而看起來比砂質(zhì)土壤要黑。為了使色調(diào)更加明亮，選擇了顆粒度較大的砂質(zhì)土壤，首選細(xì)度模數(shù)為3.7～3.1的粗砂，細(xì)度模數(shù)3.0～2.3的中砂作為備選，為了兼顧月面和火星表面的模擬，選用了偏黃色調(diào)的人工砂。

由于土壤濕度增加導(dǎo)致反射率下降，土壤結(jié)殼也會使可見光吸收增強(qiáng)，不利于成像，因此對人工砂材料還需要經(jīng)過干燥和松化處理。

2.2 力學(xué)性能

為支持模擬星球車運(yùn)動特性測試及模擬，需要模擬地形的力學(xué)特性，借鑒沙壤與火星表面巖石基底硬度和摩擦性質(zhì)相類似的特點(diǎn)，設(shè)計上采用了人工砂基鋪設(shè)的方法，在地形基底上通過鋪設(shè)沙坑，或布置巖石等附著物，高保真模擬火星地形工況。

描述土壤力學(xué)性能的主要有沉陷指數(shù)、內(nèi)聚變形模量、摩擦變形模量、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力系數(shù)等參數(shù)。土壤的承壓性和抗剪力作用于車體，產(chǎn)生運(yùn)動。土壤的抗剪性由內(nèi)摩擦角和土壤的內(nèi)聚力系數(shù)決定，內(nèi)摩擦角的大小決定了土壤顆粒間的摩擦力，內(nèi)聚力的大小體現(xiàn)了顆粒間黏結(jié)力的強(qiáng)弱，在不同的土壤深度，這些參數(shù)并不一致。分析可知，土壤內(nèi)聚力與土壤內(nèi)摩擦角的大小對切應(yīng)力的值影響非常大，是星球車驅(qū)動效率主要影響因素。較大的內(nèi)摩擦角有利于驅(qū)動效率提高，而較大的內(nèi)聚力則可降低星球車的驅(qū)動效率和驅(qū)動能力。這兩個參數(shù)主要影響輪地交互作用，因此選擇合適的內(nèi)聚力系數(shù)和內(nèi)摩擦角是土壤選擇的關(guān)鍵[6]。

在系統(tǒng)建設(shè)中，選擇的沙土壤特性編號為HITLSS2，參照月壤/火壤的粒度分布情況，以沙土為原料，并且輔以剔除雜質(zhì)、通風(fēng)干燥、過篩、烘烤等技術(shù)手段制作而成，其部分物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模擬土壤的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanic propertis of the simulated soil

通過該地形模擬模塊的設(shè)計，成功實現(xiàn)了對火星地貌各種形式的模擬。對星球車行駛表面的摩擦工況的模擬逼近真實地形，可模擬多種工況，承載強(qiáng)度滿足模擬星球車運(yùn)動承載。

3 模擬星球車模塊設(shè)計

模擬星球車在設(shè)計上參考“玉兔號”月球車和“祝融號”火星車，在運(yùn)動驅(qū)動、環(huán)境感知等方面可模擬真實星球車的控制與感知模式。六輪結(jié)構(gòu)星球車在結(jié)構(gòu)組成、驅(qū)動能力方面具有小型化與綜合能力強(qiáng)的優(yōu)勢[8-9]，因此，模擬星球車采用懸架式六輪構(gòu)型，搖臂間相互連接方式、搖臂與車廂連接方式與“玉兔號”月球車相似。

模擬星球車結(jié)構(gòu)上由車廂、桅桿機(jī)構(gòu)、搖臂及輪系機(jī)構(gòu)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，功能上可劃分為移動部件、電氣與控制部件和載荷裝置3個部分。

圖2 模擬星球車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Layout of the simulating planetary rover

移動部件完成星球車移動、轉(zhuǎn)向及桅桿運(yùn)動等功能，采用電機(jī)–減速器傳動完成車輪驅(qū)動并采用非正交轉(zhuǎn)向。電氣與控制部件主要用于探測車運(yùn)動控制，接收遙操作系統(tǒng)發(fā)送的指令和注入數(shù)據(jù)。載荷裝置包括避障相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)各一對，避障相機(jī)在車體前部固定安裝，導(dǎo)航相機(jī)安裝于桅桿之上，桅桿具有3個自由度，通過電機(jī)驅(qū)動控制可以實現(xiàn)對環(huán)境的大范圍靈活感知。

3.1 移動部件

3.1.1 車體移動性能

車體移動分系統(tǒng)選擇搖臂–轉(zhuǎn)向架式懸架作為星球車移動基礎(chǔ)構(gòu)型，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)搖臂–轉(zhuǎn)向架式星球車結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of a typical swinging arm-bogie planetary rover

1）驅(qū)動力矩設(shè)計原則

車輪驅(qū)動力矩的設(shè)計滿足下述越障能力：

（1）驅(qū)動組件能夠持續(xù)地輸出力矩，使得整車爬上30°斜坡；

（2）驅(qū)動組件能夠在短時間輸出峰值力矩，使得整車能夠越過小于200 mm的垂直障礙；（3）車輪直徑選擇為300 mm，車輪寬度選擇為150 mm，輪齒高度為10 mm。

2）整車平地行駛及爬坡能力設(shè)計

車輪驅(qū)動功率及扭矩與工作環(huán)境、車輪直徑D、車輪寬度B、車輪數(shù)量N、整車質(zhì)量m、最大移動速度vmax、運(yùn)動加速度a、傳動效率η和爬坡坡度θ等參數(shù)有關(guān)。設(shè)計要求滿足爬行30°斜坡的驅(qū)動力矩。

對于星球車移動過程中因和地面相互作用而形成的阻力，采用經(jīng)驗公式計算，經(jīng)驗公式參照CMU總結(jié)的動力及功率分析方法。當(dāng)取原理樣機(jī)整車質(zhì)量m=100 kg，車輪寬度B= 0.2 m，運(yùn)動加速度a= 0 m/s2，傳動效率η= 67.5%時，根據(jù)車輪轉(zhuǎn)矩和功率的計算可知，驅(qū)動組件的連續(xù)輸出扭矩應(yīng)大于43.45 Nm。

3）整車平地越障的驅(qū)動力矩設(shè)計

水平路面爬越垂直障礙，星球車受力分析如圖4所示。移動系統(tǒng)上各力關(guān)系滿足下述公式。

其中：G為車體重量；Fti為車輪牽引力；Ni為車輪法向受力；R為車輪半徑。

平地爬越豎直障礙工況中，越障輪驅(qū)動力矩計算得

爬30°坡工況中，爬坡處車輪驅(qū)動力矩可由下式估算

由上述分析可知，驅(qū)動組件的峰輸出扭矩應(yīng)大于33.0 Nm。

圖4 水平路面爬越垂直障Fig.4 Diagram of crossing vertical obstacle

3.1.2 桅桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計

桅桿頂部安裝云臺和雙目導(dǎo)航相機(jī)，兩者總重約為4.0 kg。相機(jī)軸線和車廂頂板間距離為0.5 m。相機(jī)桅桿豎起時驅(qū)動機(jī)構(gòu)輸出力矩可按照豎起時最大力矩計算，安全裕度取2，則桅桿豎起關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩應(yīng)不小于式（5）的結(jié)果。

因此可選擇57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，該電機(jī)額定負(fù)載為1.2 Nm，可達(dá)6 400細(xì)分。采用行星減速器增矩方法，減速器為57步進(jìn)電機(jī)匹配的二級行星減速器，傳動比為1∶10，則一級減速機(jī)連續(xù)輸出力矩=1.2 ×10×0.75=10.8 Nm，該值大于豎起桅桿時的力矩需求4.0 Nm。相機(jī)桅桿及相機(jī)裝配效果如圖5所示。

圖5 相機(jī)桅桿及相機(jī)裝配效果Fig.5 Diagram of cameras supporting system

3.2 電氣與控制部件

模擬星球車的硬件控制架構(gòu)如圖6所示，包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)負(fù)責(zé)模擬車的主控，下位機(jī)負(fù)責(zé)控制模擬車的各類動作執(zhí)行，包括相機(jī)成像控制、車輛驅(qū)動控制、桅桿運(yùn)動控制等。

圖6 模擬系統(tǒng)硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.6 Hardware structure of the simulating system

針對星球車控制系統(tǒng)運(yùn)算實時性要求較高的特點(diǎn)，采用了分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，頂層為操縱控制系統(tǒng)，以外部遙操作作業(yè)的方式對上位機(jī)發(fā)送遙控指令，上位機(jī)負(fù)責(zé)接收指令，并將控制信號傳送給下位工控機(jī)。下位機(jī)對避障相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)的信號進(jìn)行實時采集，控制6個運(yùn)動車輪以及4個轉(zhuǎn)向車輪，并控制云臺俯仰角度和偏航角度以及桅桿抬升角度。

3.3 載荷裝置

載荷裝置完成星球車對探測環(huán)境的信息感知，載荷由避障相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)兩類相機(jī)構(gòu)成。避障相機(jī)固定在星球車體上，對車體前方大視角固定視場進(jìn)行感知，設(shè)計視場角在（110～170）°之間。導(dǎo)航相機(jī)視場角為60°，采用Ethernet 軟觸發(fā)方式進(jìn)行同步控制，可通過桅桿配合，實現(xiàn)大范圍場景的高分辨率成像感知。

4 地形掃描測量模塊設(shè)計

遙操作作業(yè)模擬訓(xùn)練中，探測場景地形的高程數(shù)據(jù)以及模擬星球車的位姿通常是已知先驗信息，作為遙操作軟件感知能力驗證考核的參考。因此，驗證系統(tǒng)必須具備模擬地形的準(zhǔn)確測量和星球車位姿測量能力。本文提出了基于三維激光掃描儀的地形測量與位姿計算方法。

掃描儀距離測量采用激光發(fā)射器向物體發(fā)射近紅外激光束，通過測量激光在儀器和目標(biāo)物體表面的往返時間，計算儀器和點(diǎn)間的距離，最終生成地形數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），同時根據(jù)激光掃描儀的高分辨率相機(jī)獲得點(diǎn)云的紋理信息[10]。最后，使用相機(jī)和掃描儀間的位置關(guān)系可以計算生成三維仿真模型。

4.1 地形掃描測量方法

激光掃描儀測量直接得到的數(shù)據(jù)是基于測量儀本體坐標(biāo)系OM-XYZ，而星球車控制及感知工作在世界坐標(biāo)系Ow-XYZ下進(jìn)行，因此掃描數(shù)據(jù)的處理需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本文提出了一種基于合作標(biāo)志點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法。

在室內(nèi)模擬地形的四周安裝自制的測量靶標(biāo)D1，D2，···，D16，如圖7所示，使用激光掃描儀建立地形三維模型時，同時測量D1，D2，···，D16在掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并測量它們在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。公共點(diǎn)D1，D2，···，D16在世界坐標(biāo)系和掃描儀測量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)均已知，通過公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換方法可計算獲得兩坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并將掃描點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下。

圖7 公共點(diǎn)分布示意圖Fig.7 Layout of the common targets distribution

針對本文中的模擬地形，使用法如S70掃描儀進(jìn)行了三維模型測量重建，重建結(jié)果如圖8所示。

圖8 模擬地形激光掃描結(jié)果Fig.8 Scanned data of the simulating terrain

4.2 激光掃描星球車定位方法

針對星球車定姿定位問題，本文提出了一種基于激光掃描的星球車位姿計算方法。

在星球車體上布設(shè)掃描靶標(biāo)合作裝置，事先對靶標(biāo)進(jìn)行位置測量以建立合作數(shù)據(jù)。在定位時，使用掃描儀獲取靶標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過分割、濾波、擬合等處理，獲取靶標(biāo)中心位置，根據(jù)標(biāo)志在坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)計算，得到車體的位置姿態(tài)參數(shù)。

基于掃描進(jìn)行車體定位的關(guān)鍵，是基于公共合作標(biāo)志點(diǎn)的轉(zhuǎn)化建立O車-x車y車z車與O2-x2y2z2坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1）合作標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計

合作標(biāo)志采用球形靶標(biāo)中心，將4個公共點(diǎn)C1、C2、C3和C4分布在車身4個角落上，球形的直徑為10 cm，如圖9所示。

圖9 位姿計算控制點(diǎn)分布示意圖Fig.9 The layout of targets for position estimation

2）本體坐標(biāo)系下合作標(biāo)志點(diǎn)測量

在模擬星球車上安裝了控制點(diǎn)后，可以通過機(jī)械設(shè)計保證控制點(diǎn)在車本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)精度優(yōu)于0.3 mm。利用車載立方鏡輔助，借助外測經(jīng)緯儀可以精確得到標(biāo)志點(diǎn)在本體坐標(biāo)系的位置參數(shù)。

3）求解掃描儀坐標(biāo)系和本體坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換參數(shù)

當(dāng)模擬星球車到達(dá)探測位置穩(wěn)定后，用掃描儀對控制點(diǎn)C1、C2、C3和C4進(jìn)行掃描測量，可采集控制點(diǎn)在Og?xgygzg坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（xg控i，yg控i，zg控i），i=1、2、3、4。由（x車控i，y車控i，z車控i）和（xg控i，yg控i，zg控i）坐標(biāo)可計算得到O車-x車y車z車與Og-xgygzg兩坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換參數(shù)，即有

5 遙操作作業(yè)驗證考核模塊設(shè)計

為了對“祝融號”火星車遙操作軟件的感知、規(guī)劃功能進(jìn)行驗證和人員操作考核，以前述3個模塊為支撐開發(fā)了遙操作作業(yè)驗證考核模塊，系統(tǒng)應(yīng)用前述模擬星球車及掃描測量數(shù)據(jù)。

5.1 驗證考核模塊構(gòu)成

驗證考核模塊軟件完成遙操作軟件業(yè)務(wù)中地形建立、視覺定位、路徑規(guī)劃3個功能的驗證與操作考核，軟件模塊主要包括數(shù)據(jù)輸入輸出、數(shù)據(jù)處理、日志輸出、數(shù)據(jù)顯示4個功能模塊。

5.2 驗證考核方法

驗證考核模塊軟件針對各業(yè)務(wù)內(nèi)容設(shè)計了相應(yīng)的驗證考核準(zhǔn)則。

1）地形建立業(yè)務(wù)驗證

地形建立屬于感知信息處理，考核依據(jù)為遙操作系統(tǒng)地形重建的精度，系統(tǒng)以掃描獲取的地形為基準(zhǔn)，通過對比遙操作軟件地形建立結(jié)果與基準(zhǔn)的差異，形成對地形建立業(yè)務(wù)的全面驗證和考核。

2）視覺定位業(yè)務(wù)驗證

視覺定位考核依據(jù)為星球車兩個站點(diǎn)間定位結(jié)果的精度，系統(tǒng)以基于車體特征點(diǎn)掃描處理的定位結(jié)果為基準(zhǔn)，通過對比遙操作軟件視覺定位與基準(zhǔn)的差異，統(tǒng)計各坐標(biāo)方向差別，形成對視覺定位業(yè)務(wù)的全面驗證和考核。

3）路徑規(guī)劃業(yè)務(wù)驗證

由于路徑結(jié)果的不唯一性，難以通過一個定量指標(biāo)對路徑規(guī)劃進(jìn)行考核。考慮路徑障礙屬性是影響星球車通過的主要因素，本文設(shè)計了基于路徑上的障礙分布對路徑主要特性考核的方法，以實現(xiàn)路徑規(guī)劃結(jié)果主要因素的驗證?？己酥蟹治雎窂降牡匦翁卣鳎袛嗍欠翊嬖谡系K，以路徑距離障礙的距離作為考核標(biāo)準(zhǔn)，距離越大則路徑越優(yōu)。

判斷障礙區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)包括以下兩個：

（1）地形坡度大于一定度數(shù)（可設(shè)置，默認(rèn)為20°）識別為障礙區(qū)域；

（2）地形梯度大于一定高度（可設(shè)置，默認(rèn)為150 mm）區(qū)域識別為障礙區(qū)域。

6 系統(tǒng)實現(xiàn)及應(yīng)用驗證

6.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于前述4個模塊，建設(shè)了天體表面探測遙操作模擬驗證系統(tǒng)。其中，模擬地形模塊主體為7 m×7 m矩形區(qū)域，其內(nèi)填充深度約0.5 m的人工砂，表面布設(shè)直徑10～30 cm的不規(guī)則石塊，并構(gòu)筑坡面、凹坑等地形特征，提供模擬星球車運(yùn)動環(huán)境與感知場景。模擬星球車外包絡(luò)為長150 cm、寬105 cm、高125 cm，搭載移動電源工作，通過上位機(jī)與下位機(jī)軟件配合完成運(yùn)動指令接收、電機(jī)驅(qū)動以及圖像采集傳輸。地形掃描測量模塊中激光掃描儀安裝在模擬地形側(cè)上方高約3 m處，在每次實驗前進(jìn)行一次地形掃描重建，在每次模擬星球車運(yùn)動到位后對星球車4個輔助特征進(jìn)行掃描測量，通過算法處理完成星球車位姿精確測量。驗證考核模塊借助OSG、GDAL、PCL等第三方庫，以QT為平臺開發(fā)，軟件模塊接入掃描儀結(jié)果數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，通過比對遙操作軟件處理結(jié)果實現(xiàn)遙操作效果驗證考核。圖10給出整個模擬驗證系統(tǒng)的工作場景。

圖10 模擬驗證系統(tǒng)工作場景圖Fig.10 The working scene of the simulating and testing system

6.2 應(yīng)用驗證

在“祝融號”火星車遙操作任務(wù)準(zhǔn)備過程中，系統(tǒng)模擬了火面平坦地面、坡面和障礙地形等典型巡視探測工況，各特征場景經(jīng)過模擬星球車的感知相機(jī)進(jìn)行成像，圖像和相機(jī)參數(shù)傳入遙操作軟件系統(tǒng)完成了地形建立、定位和路徑規(guī)劃，基于規(guī)劃結(jié)果驅(qū)動模擬星球車，星球車按照預(yù)定規(guī)劃結(jié)果運(yùn)動，達(dá)到了遙操作軟件驗證的目的。

應(yīng)用中，基于地形掃描測量模塊實現(xiàn)了高精度地形掃描與車體位姿計算，在地形掃描重建過程，通過多次分組掃描，共獲取地形約6.67×107個數(shù)據(jù)，點(diǎn)間隔為約3 mm，掃描儀的標(biāo)稱精度為±2 mm，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)一，進(jìn)行3次拼接，最終數(shù)據(jù)結(jié)果的掃描精度達(dá)到3 mm。通過與檢校經(jīng)緯儀外測數(shù)據(jù)比對，采用輔助特征方法估計的模擬星球車位置精度與地形掃描精度一致，姿態(tài)精度可達(dá)0.2°。

系統(tǒng)對遙操作軟件的感知處理精度進(jìn)行了考核，與基準(zhǔn)掃描測量結(jié)果相比，在模擬地形6 m范圍內(nèi)遙操作軟件感知處理精度優(yōu)于5%，與設(shè)計值一致，實現(xiàn)了對遙操作軟件的量化評估。

7 結(jié) 論

基于軟硬件4個模塊設(shè)計實現(xiàn)了天體表面探測遙操作驗證系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于中國首個火星車巡視遙操作軟件功能驗證和操作人員訓(xùn)練，對遙操作軟件系統(tǒng)功能、性能的滿足性，以及人員操作能力進(jìn)行了驗證，起到了重要輔助支持作用。為更加接近于真實工作場景，低重力補(bǔ)償、極限工況移動等工況模擬，以及根據(jù)火面遙操作任務(wù)工程實際對系統(tǒng)分析和改進(jìn)是后續(xù)的研究方向。