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(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094)

1 引言

遙操作巡視探測(cè)是月球探測(cè)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(dòng)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(dòng)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(cè)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(cè)，1973 年發(fā)射的Luna21中的月球車2 號(hào)工作了約4 個(gè)月，行走里程達(dá)37 km[3]。 中國的玉兔1 號(hào)于2013 年底抵達(dá)月球正面虹灣地區(qū)，玉兔2 號(hào)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(cè)，已經(jīng)成為在月面工作時(shí)間最長(zhǎng)的月球車。

蘇聯(lián)的月球車系列主要采用移動(dòng)—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(cè)的安全性。 與蘇聯(lián)的Luna 系列月球車類似，中國的玉兔號(hào)月球車也主要采用移動(dòng)—等待的地月遙操作探測(cè)方式，所不同的是，玉兔號(hào)還具備局部的自主避障探測(cè)能力。 但這種走走停停的探測(cè)方式導(dǎo)致探測(cè)效率較低，對(duì)于未來載人月球探測(cè)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(dòng)機(jī)器人的未來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[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(chǎng)的任務(wù)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)月面物理場(chǎng)景和操控人員面前虛擬場(chǎng)景的準(zhǔn)平行，操控人員就可在高沉浸感的虛擬場(chǎng)景下實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)器人，以達(dá)到對(duì)月面移動(dòng)機(jī)器人連續(xù)遙操作控制的目的，從而提高移動(dòng)機(jī)器人的探測(cè)效率和安全性。

本文提出一種基于運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)修正和混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)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(dòng)狀態(tài)通過預(yù)測(cè)得到，并利用混合現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬場(chǎng)景更新和顯示，實(shí)現(xiàn)月面物理場(chǎng)景和操控人員面前虛擬場(chǎng)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(cè)，提高月面探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)月面環(huán)境巡視和采樣等探測(cè)活動(dòng)。 該階段遙操作的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)期遙操作探測(cè)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(shì):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(cè)的時(shí)間更長(zhǎng)。 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(duì)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(jí)階段。 待在月面上建立起長(zhǎng)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(shì):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(duì)更豐富，生存條件更好，可長(zhǎng)期執(zhí)行遙操作探測(cè)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(cè)。 該階段下，地面操控人員或月軌空間站的航天員對(duì)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(huì)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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)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(cè)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人上的導(dǎo)航敏感器直接測(cè)量得到，適用于對(duì)時(shí)延要求比較高的遙操作路徑規(guī)劃制導(dǎo)和預(yù)測(cè)任務(wù)。

2) 長(zhǎng)周期時(shí)延數(shù)據(jù)。 主要指月面移動(dòng)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(dòng)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(chǎng)的大范圍地形數(shù)據(jù)。 該類數(shù)據(jù)雖然下傳周期較長(zhǎng)，但測(cè)量精度比較高，可對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行精確定位定姿，對(duì)利用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行的移動(dòng)機(jī)器人位姿預(yù)測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)效率。 載人月球探測(cè)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(chǎng)景，包括虛擬移動(dòng)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(chǎng)景操控虛擬移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，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(dòng)機(jī)器人，在指令執(zhí)行之前提前預(yù)測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；利用延時(shí)下傳的性能測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)等測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行短周期預(yù)測(cè)修正；待月面圖像延時(shí)下傳后，由預(yù)測(cè)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(zhǎng)周期預(yù)測(cè)修正，以達(dá)到預(yù)測(cè)軌跡逼近移動(dòng)機(jī)器人真實(shí)運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)器人的位姿預(yù)測(cè)結(jié)果和延時(shí)下傳的月面圖像數(shù)據(jù)對(duì)任務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新與增強(qiáng)顯示，為操控人員提供高臨場(chǎng)感且與月面操作現(xiàn)場(chǎng)延時(shí)同步變化的虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)場(chǎng)景。

由此循環(huán)進(jìn)行指令上傳、位姿預(yù)測(cè)、定位定姿、預(yù)測(cè)修正和場(chǎng)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(cè)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(chǎng)和地月通訊鏈路。

圖2 載人月球探測(cè)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(chǎng)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(duì)月面移動(dòng)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(cè)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(cè)修正子系統(tǒng)

遙操作預(yù)測(cè)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(dòng)機(jī)器人定位定姿模塊和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)與修正模塊等組成。 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)優(yōu)劣取決于定位定姿和預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)。 通過建立月面移動(dòng)機(jī)器人的預(yù)測(cè)模型(含有月面地形起伏的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型)，對(duì)地月時(shí)延下的機(jī)器人位置姿態(tài)進(jìn)行外推預(yù)測(cè)。

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(duì)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(cè)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(cè)修正。 利用延時(shí)下傳的慣性測(cè)量單元(IMU)等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)短周期預(yù)測(cè)修正，并結(jié)合SLAM 技術(shù)獲取的位姿信息實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期預(yù)測(cè)修正，確保機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)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(chǎng)景，由三維場(chǎng)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(duì)包括大范圍月面地形和移動(dòng)機(jī)器人在內(nèi)的月面任務(wù)操作現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行精確三維重建，實(shí)現(xiàn)月面真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)字化。

2)場(chǎng)景更新。 一方面，根據(jù)預(yù)測(cè)修正的虛擬機(jī)器人位姿更新虛擬月面任務(wù)操作場(chǎng)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(duì)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(duì)虛擬月面場(chǎng)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(duì)三維重建和更新的場(chǎng)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(chǎng)景中，為地面操控人員提供準(zhǔn)確且高臨場(chǎng)感的混合現(xiàn)實(shí)可視場(chǎng)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(tái)(如操控手柄等)和虛擬現(xiàn)實(shí)月面任務(wù)場(chǎng)景，構(gòu)建起地面操控人員與真實(shí)任務(wù)操作現(xiàn)場(chǎng)之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)操控人員對(duì)月面移動(dòng)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(chǎng)

月面任務(wù)操作現(xiàn)場(chǎng)是遙操作任務(wù)的真實(shí)操作現(xiàn)場(chǎng)，負(fù)責(zé)獲取并延時(shí)下傳各類敏感器測(cè)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(dòng)機(jī)器人的巡視探測(cè)和采樣任務(wù)。 月面任務(wù)操作現(xiàn)場(chǎng)主要包括移動(dòng)機(jī)器人和月面環(huán)境(月面地形、光照環(huán)境等)。 其中，移動(dòng)機(jī)器人包括移動(dòng)平臺(tái)及各類敏感器設(shè)備(雙目相機(jī)、激光雷達(dá)、慣性測(cè)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(chǎng)移動(dòng)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(duì)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(cè)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(chǎng)，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(chǎng)。 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(cè)下傳的測(cè)量數(shù)據(jù)可分為短周期和長(zhǎng)周期:短周期數(shù)據(jù)為運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)周期遙測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)機(jī)器人位于月面任務(wù)操作現(xiàn)場(chǎng)。 利用移動(dòng)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(duì)待探測(cè)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(duì)月面任務(wù)操作現(xiàn)場(chǎng)(包括月面地形和移動(dòng)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(chǎng)景，包括月面地形和移動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)景中按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，操作指令立即上傳至任務(wù)操作現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)移動(dòng)機(jī)器人。

3)一步預(yù)測(cè)。 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(cè)與修正子系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(車體位置、速度、姿態(tài)等)進(jìn)行一步預(yù)測(cè)。

4)一步場(chǎng)景更新。 混合現(xiàn)實(shí)仿真子系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測(cè)的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更新虛擬場(chǎng)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(cè)修正。 在每個(gè)遙操作周期，連續(xù)下傳移動(dòng)機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)至地面控制中心，預(yù)測(cè)修正子系統(tǒng)利用下傳的位姿信息對(duì)之前的預(yù)測(cè)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(cè)修正，直到第一個(gè)長(zhǎng)周期時(shí)延的圖像數(shù)據(jù)下傳到地面。

7)長(zhǎng)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(cè)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(duì)圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻移動(dòng)機(jī)器人的位置姿態(tài)進(jìn)行精確解算，為長(zhǎng)周期預(yù)測(cè)修正提供基準(zhǔn)。

8)長(zhǎng)周期預(yù)測(cè)修正。 預(yù)測(cè)修正子系統(tǒng)以長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)延時(shí)周期內(nèi)的移動(dòng)機(jī)器人位姿預(yù)測(cè)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(dòng)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)、場(chǎng)景更新、數(shù)據(jù)下傳、預(yù)測(cè)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(dòng)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(cè)和虛實(shí)結(jié)合遙操作，實(shí)現(xiàn)月面巡視探測(cè)準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙操作移動(dòng)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(chǎng)如圖4所示。

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

遙操作控制誤差測(cè)試是綜合性測(cè)試，在混合現(xiàn)實(shí)虛擬仿真環(huán)境下使用方向盤對(duì)月面移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行遙操作，結(jié)合預(yù)測(cè)信息等增強(qiáng)信息的提示作用，控制月面移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)。 該指標(biāo)用于評(píng)估混合現(xiàn)實(shí)遙操作移動(dòng)控制的綜合性能(包括重建、定位、預(yù)測(cè)、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(cè)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(cè)得遙操作控制誤差約為7.86 cm。 測(cè)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(cè)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(dòng)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(dòng)預(yù)測(cè)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(duì)月面任務(wù)操作現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)景動(dòng)態(tài)匹配；通過對(duì)月面移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行融合定位和時(shí)延運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景下機(jī)器人遙操作移動(dòng)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(cè)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(cè)月面活動(dòng)相關(guān)的探測(cè)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。