李衛(wèi)華，郭軍龍，丁亮，高海波

1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 汽車工程學(xué)院，威海 264201

2．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001

由于月球在太陽(yáng)系中的獨(dú)特位置及其自身的環(huán)境特點(diǎn)，使其成為人類邁出地球搖籃、進(jìn)入太空的第一站。通過(guò)月球探測(cè)，人類可以獲取大量的資源，還可將其作為進(jìn)入遙遠(yuǎn)空間的中轉(zhuǎn)站，帶來(lái)相關(guān)科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的創(chuàng)新［1］。因此，月球探測(cè)已成為各國(guó)重大航天工程的必然選擇。

自1959年以來(lái)，美國(guó)、蘇聯(lián)、中國(guó)等國(guó)家相繼開(kāi)展了一系列月球探測(cè)活動(dòng)［2-4］。美國(guó)“阿波羅”（Apollo）計(jì)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(lái)開(kāi)展月面探測(cè)任務(wù)。蘇聯(lián)月球車Lunokhod-1和Lunokhod-2也先后成功著陸，并對(duì)月球進(jìn)行了無(wú)人化探測(cè)。

中國(guó)的“嫦娥”探月工程于2004年正式啟動(dòng)，已經(jīng)成功實(shí)施了“繞”“落”“回”三步走［5-7］：2007年10月24日，“嫦娥一號(hào)”繞月探測(cè)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(hào)”月球探測(cè)器成功在月球虹灣區(qū)著陸，使中國(guó)成為世界第3個(gè)實(shí)現(xiàn)月球軟著陸的國(guó)家；2019年1月3日，“玉兔二號(hào)”月球車成功與“嫦娥四號(hào)”著陸器分離，首次實(shí)現(xiàn)月球背面著陸；2020年12月17日，“嫦娥五號(hào)”返回器安全著陸，成功完成中國(guó)首次地外天體采樣返回任務(wù)，使中國(guó)成為世界上第2個(gè)月球無(wú)人自主采樣返回的國(guó)家。截至2030年，中國(guó)還將實(shí)施“嫦娥六號(hào)”到“嫦娥八號(hào)”等月球探測(cè)任務(wù)，擬建成具備科學(xué)探測(cè)、科研試驗(yàn)和資源利用技術(shù)驗(yàn)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(wú)人月球車。美國(guó)“阿波羅”計(jì)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(dòng)范圍的運(yùn)載工具，因此在運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中較少需要地面人員的輔助，主要依賴宇航員的駕駛經(jīng)驗(yàn)；蘇聯(lián)月球車（Lunokhod-1和Lunokhod-2）與中國(guó)月球車（“玉兔號(hào)”和“玉兔二號(hào)”）均屬于無(wú)人駕駛的月球車，在運(yùn)動(dòng)控制過(guò)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(yuǎn)程輔助來(lái)完成探測(cè)任務(wù)。

本文章節(jié)詳細(xì)安排如下：首先對(duì)美國(guó)、蘇聯(lián)、中國(guó)等國(guó)家已發(fā)射的月球車及相關(guān)月球探測(cè)任務(wù)進(jìn)行梳理；第1節(jié)重點(diǎn)分析了蘇聯(lián)與中國(guó)的無(wú)人月球車地面遙操作技術(shù)及性能對(duì)比；第2節(jié)介紹了地面移動(dòng)機(jī)械臂連續(xù)遙操作技術(shù)的最新進(jìn)展，為后續(xù)月球車探測(cè)工程提供新的控制理論與技術(shù)；第3節(jié)結(jié)合月表環(huán)境特點(diǎn)，分析了月球車實(shí)現(xiàn)地面連續(xù)遙操作所面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)；第4節(jié)對(duì)未來(lái)月球車遙操作的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望；第5節(jié)給出了本文結(jié)論，以期為中國(guó)月球車探測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 月球車地面遙操作技術(shù)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(tái)無(wú)人月球車Lunokhod-1與Lunokhod-2分別行走了10.54 km、37 km，平均移動(dòng)速度分別為0.14 km/h、0.34 km/h。它們的運(yùn)動(dòng)控制均采用了完全由地面操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程輔助智能感知、規(guī)劃、控制的“移動(dòng)-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(guò)程中，其運(yùn)行場(chǎng)景的反饋信息主要來(lái)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(yuǎn)程控制系統(tǒng)由以下模塊組成：運(yùn)動(dòng)管理組、安全指令生成組、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)組，每一組由幾個(gè)人共同組成功能塊。如果車輪發(fā)生滑動(dòng)，操作員則可以基于月球車行駛速度和車輪轉(zhuǎn)速解譯遙測(cè)信息所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，并評(píng)估這種情況的危險(xiǎn)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(gòu)建出一個(gè)沿運(yùn)動(dòng)路線的等高線圖。所有信息都是通過(guò)遙測(cè)通道傳輸?shù)降孛娌倏刂行?，用于診斷月球車運(yùn)行狀況、底盤子系統(tǒng)操作和運(yùn)動(dòng)控制。由于Lunokhod完全依賴地面人員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，車上并未裝載計(jì)算機(jī)等智能設(shè)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(shí)別、確定障礙距離、分析道路可通行性以及運(yùn)動(dòng)指令規(guī)劃等一系列工作。月球車則需要基于自身正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)將操作員發(fā)送的速度與方向指令轉(zhuǎn)化成各驅(qū)動(dòng)輪的速度及轉(zhuǎn)向輪的方向轉(zhuǎn)角，同時(shí)收集月球車運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dòng)任務(wù)提供參考。由于Lunokhod-2采用了電磁摩擦制動(dòng)器，其運(yùn)動(dòng)速度與行進(jìn)轉(zhuǎn)向性能相比Lunokhod-1得到了大幅提升。通過(guò)地面操作，Lunokhod-1累計(jì)工作時(shí)間302天，其最大單次連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為50 s；而Lunokhod-2累計(jì)工作時(shí)間125天，其最大單次連續(xù)運(yùn)行時(shí)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(dòng)性能主要取決于地面操作人員的遠(yuǎn)程駕駛經(jīng)驗(yàn)，因此，需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間訓(xùn)練操作員。受下傳圖像畫面質(zhì)量較低的影響，操作人員只能對(duì)月球車進(jìn)行目視量測(cè)和分析，進(jìn)而使得月球車遙操作效率很低；此外，操作員需要同時(shí)處理的數(shù)據(jù)量偏大，極易產(chǎn)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(duì)月球車車載自主能力的要求，進(jìn)而減少了車載計(jì)算與感知元件的負(fù)擔(dān)，在當(dāng)時(shí)的科技水平下已是最佳的選擇。

1.2 中國(guó)月球車的遙操作模式

中國(guó)已經(jīng)在“嫦娥”探月工程任務(wù)中完成了月球車遙操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用［10-11］?！坝裢锰?hào)”和“玉兔二號(hào)”月球車，均是由北京航天飛行控制中心作為月面巡視探測(cè)的地面遙操作中心，負(fù)責(zé)任務(wù)數(shù)據(jù)通訊、探測(cè)任務(wù)規(guī)劃、巡視器導(dǎo)航、指令生成等工作。中國(guó)月球車地面遙操作同樣也采取了“移動(dòng)-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(jié)合起來(lái)，詳細(xì)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(guò)月地通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(fù)出巡視器周圍的地形環(huán)境狀況并構(gòu)建遙現(xiàn)場(chǎng)（Lunar Terrain Reconstruction），進(jìn)而輔助地面操作人員對(duì)月球車進(jìn)行視覺(jué)定位與導(dǎo)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(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)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(duì)月球車及機(jī)械臂規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行虛擬演示和驗(yàn)證，再將通過(guò)驗(yàn)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)并采集月表信息（Lunar Image Acquisition）；在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，還能夠結(jié)合器上自主技術(shù)完成近距離障礙識(shí)別和局部避障（Moving Obstacle Avoidance），并利用攜帶的儀器開(kāi)展科學(xué)探測(cè)活動(dòng)。

圖2 “玉兔號(hào)”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(hào)”遙操作任務(wù)中，地面遙操作中心將視覺(jué)定位、三維地形重建、路徑規(guī)劃3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)緊密配合，控制月球車完成了落月點(diǎn)的精確定位和圍繞著陸器的遠(yuǎn)距離避障行進(jìn)，指引“玉兔號(hào)”成功地實(shí)現(xiàn)了從著陸器北側(cè)點(diǎn)X到南側(cè)點(diǎn)E的繞行，準(zhǔn)確抵達(dá)目標(biāo)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(shù)在“玉兔號(hào)”上的廣泛應(yīng)用有效提高了操作員的任務(wù)作業(yè)效率與精度，減少了操作負(fù)擔(dān)；而基于車載傳感設(shè)備與計(jì)算設(shè)備實(shí)現(xiàn)的器上自主功能又進(jìn)一步保障了月球車的行駛安全。

中國(guó)“玉兔號(hào)”累計(jì)行駛里程超過(guò)100 m；而玉兔二號(hào)至今仍在正常工作，成為月表工作時(shí)間最長(zhǎng)的月球車，累計(jì)行駛里程也已超過(guò)700 m。然而，由于月面環(huán)境較為復(fù)雜，中國(guó)月球車遙操作采用的“移動(dòng)-等待”方式效率不高，完成一個(gè)站點(diǎn)7~8 m距離的行進(jìn)通常需要5~8 h，尚未達(dá)到地面的連續(xù)直接控制，嚴(yán)重影響任務(wù)實(shí)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(hào)”月球車已經(jīng)具備了基于車載相機(jī)等傳感器實(shí)現(xiàn)局部自主避障控制的功能，能夠更好地完成行駛?cè)蝿?wù)，彌補(bǔ)了由于操作員感知信息缺失所產(chǎn)生的不當(dāng)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(nèi)，通過(guò)具有視覺(jué)沉浸感、力覺(jué)反饋等設(shè)備來(lái)控制空間機(jī)器人執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的在軌遙操作技術(shù)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(jī)器人上得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)于解決現(xiàn)有月球車地面遙操作模式效率低的問(wèn)題具有重要的工程價(jià)值。

美國(guó)宇航中心在此領(lǐng)域已經(jīng)做了大量技術(shù)預(yù)研， 并開(kāi)展了Surface Telerobotics工程專項(xiàng)，以模擬月球軌道載人航天器內(nèi)的航天員遙操作月球車在月面部署射電望遠(yuǎn)鏡的作業(yè)場(chǎng)景，如圖3所示［14］。德國(guó)宇航局和俄羅斯宇航局聯(lián)合開(kāi)展KONTUR工程專項(xiàng)，由空間站內(nèi)的航天員通過(guò)操縱器遙操作地面機(jī)器人執(zhí)行作業(yè)任務(wù)［15］。

基于K10漫游車的在軌遙操作測(cè)試表明［14］：基于人機(jī)交互生成命令序列是星表機(jī)器人以操作員為中心進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的一種有效策略；行星探測(cè)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(wù)；駕駛員通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人態(tài)勢(shì)感知；在遠(yuǎn)程操作過(guò)程中，月球車?yán)寐适冀K超過(guò)50%的時(shí)間，提升了操作效率。此外，通過(guò)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(shí)現(xiàn)多任務(wù)的同時(shí)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(shù)使得操作者能夠及時(shí)獲取從端的環(huán)境反饋信息及力覺(jué)反饋信息，具有更好的臨場(chǎng)沉浸感，借助于成熟的地面機(jī)器人遙操作技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更為高效的連續(xù)遙操作模式，并完成更為復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)。

1.4 月球車遙操作模式性能對(duì)比

3種月球車的遙操作模式性能對(duì)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(dòng)-等待”遙操作模式。但是受移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)限制，“玉兔”系列的行駛里程均遠(yuǎn)小于Lunokhod系列，但是隨著計(jì)算機(jī)水平與傳感器水平的提升，可以看出“玉兔號(hào)”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(jié)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(duì)比Table 1 Comparison of property of 3 teleoperation modes

對(duì)于地面遙操作模式，通信時(shí)延受月球-地球距離影響，相比于在軌遙操作（單向時(shí)延<1 s）要偏大一些；而在軌遙操作由于通信時(shí)延較短，可以連續(xù)遙操作月球車，極大地提高了任務(wù)效率。這主要是由于前2種模式中，地面操作人員需要對(duì)月表環(huán)境的回傳信息進(jìn)行場(chǎng)景重構(gòu)與障礙物識(shí)別，而后經(jīng)過(guò)大量的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、優(yōu)化、迭代而得到的控制指令。但是“玉兔號(hào)”所采用的地面遙操作與器上自主相結(jié)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(yù)見(jiàn)：在未來(lái)的月球探測(cè)工程中，采用在軌遙操作模式，以力反饋交互設(shè)備為主，視覺(jué)、觸覺(jué)等臨場(chǎng)信息反饋與重構(gòu)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(huì)發(fā)揮重要的作用。接下來(lái)，本文將進(jìn)一步分析月球車連續(xù)遙操作可以從地面機(jī)器人遙操作現(xiàn)狀中借鑒的主要技術(shù)及其面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)。

2 地面輪式移動(dòng)機(jī)械臂連續(xù)遙操作技術(shù)

為了完成科學(xué)探測(cè)任務(wù)，月球車通常會(huì)搭載一個(gè)多自由度機(jī)械臂，構(gòu)成一個(gè)輪式移動(dòng)機(jī)械臂。輪式移動(dòng)機(jī)械臂可以利用移動(dòng)底盤實(shí)現(xiàn)大范圍運(yùn)動(dòng)，利用機(jī)械臂來(lái)執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，在工業(yè)、探測(cè)、救災(zāi)等應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，并且大量學(xué)者也對(duì)其遙操作技術(shù)開(kāi)展了深入地研究。因此，與現(xiàn)有的月球車“移動(dòng)-等待”遙操作模式相比，地面移動(dòng)機(jī)械臂的連續(xù)遙操作模式可為后續(xù)的月球探測(cè)工程提供大量技術(shù)參考。

一個(gè)具有時(shí)延的機(jī)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jī) 器 人（Master Controller Unit，MCU）、從 端 機(jī) 器 人（Slave Controller Unit，SCU）。圖4中：qm和qs為主、從端機(jī)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(shí)延。

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

對(duì)于一個(gè)機(jī)器人雙邊遙操作系統(tǒng)，當(dāng)其混合矩陣滿足

時(shí)，具有最佳的系統(tǒng)透明性。

圖4 機(jī)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(dòng)機(jī)器人遙操作技術(shù)

與非移動(dòng)機(jī)器人（比如：機(jī)械臂）遙操作相比，輪式移動(dòng)機(jī)器人的遙操作技術(shù)具有以下2個(gè)特殊的運(yùn)動(dòng)學(xué)難點(diǎn)［17］，如圖5所示。

1）從端輪式移動(dòng)機(jī)器人作為移動(dòng)載體，通常需要在不受限制的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)（如圖5（b）所示，理論上移動(dòng)機(jī)器人可以在xy整個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)范圍約束，關(guān)節(jié)角度qmi（i=1，2，3）僅在某一區(qū)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)），使得主從端的機(jī)器人工作空間難以建立合理的遙操作運(yùn)動(dòng)映射。

2）在硬質(zhì)地面上，由于輪地接觸存在側(cè)向約束力，輪式移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到非完整約束（全向運(yùn)動(dòng)輪除外），因此其實(shí)際可控運(yùn)動(dòng)僅有前進(jìn)（vs）和轉(zhuǎn)向速度（ωs），側(cè)向速度則恒為0。

這2類難點(diǎn)也是當(dāng)前輪式移動(dòng)機(jī)器人遙操作研究主要關(guān)注的技術(shù)挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者面向硬質(zhì)地面的應(yīng)用場(chǎng)景也已經(jīng)提出了大量的解決方案。

為了解決主從端機(jī)器人工作空間不匹配的難點(diǎn)，輪式移動(dòng)機(jī)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(shè)定為從端機(jī)器人的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向速度指令，即主從端機(jī)器人采用位置-速度運(yùn)動(dòng)映射［18-20］，比如：主端第1關(guān)節(jié)位置映射月球車前進(jìn)線速度，即（qm1，vs）；主端第2關(guān)節(jié)位置映射月球車轉(zhuǎn)向角速度，即（qm2，ωs）。

圖5 輪式移動(dòng)機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)絕對(duì)無(wú)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(yùn)動(dòng)變量來(lái) 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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)跟蹤，在往返時(shí)延均為0.7 s的通信條件下驗(yàn)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(jī)器人需要滿足車輪純滾動(dòng)約束的理想假設(shè)（即環(huán)境端口滿足無(wú)源性條件）。然而，在松軟地形下，由于車輪滑轉(zhuǎn)的存在，環(huán)境端難以滿足端口的無(wú)源性假設(shè)，Li等［17］進(jìn)一步提出了采用無(wú)源性補(bǔ)償控制器與PEB（Position Error-Based）遙操作框架相結(jié)合的方式來(lái)提升運(yùn)動(dòng)跟蹤性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明即使在車輪高度滑轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)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(hào)可以反映人類大腦中樞神經(jīng)對(duì)手臂肌肉的調(diào)節(jié)作用，因此，肌電信號(hào)也可以被視為操作員對(duì)從端機(jī)器人控制意圖的一種表達(dá)方式，在機(jī)器人遙操作系統(tǒng)中得到了越來(lái)越多的關(guān)注。Luo等［20］提出了一種基于肌電信號(hào)和力反饋手柄的混合共享遙操作方法，并采用人工勢(shì)場(chǎng)法實(shí)現(xiàn)了自主避障功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明肌電信號(hào)與力反饋相結(jié)合的方式在多障礙物場(chǎng)景下可以有效提升任務(wù)效率（由60.847 0 s減少至51.756 0 s，路徑長(zhǎng)度由182.373 6 cm減少至154.877 5 cm），保障機(jī)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(shè)備提供了可行性替代方案。

在輪式移動(dòng)機(jī)器人遙操作過(guò)程中，常見(jiàn)的力反饋形式依據(jù)不同任務(wù)可以總結(jié)為以下3類［21］：① 采用從端機(jī)器人速度信號(hào)設(shè)計(jì)力反饋算法；② 采用從端機(jī)器人的速度指令跟蹤誤差信號(hào)設(shè)計(jì)力反饋算法；③ 采用從端機(jī)器人與環(huán)境的作用力信號(hào)設(shè)計(jì)力反饋算法。

在上述提出的遙操作方案中，盡管可以實(shí)現(xiàn)在硬質(zhì)地面（車輪滿足純滾動(dòng)約束的理想假設(shè)）上良好的運(yùn)動(dòng)跟蹤性能，但是，在機(jī)器人執(zhí)行精準(zhǔn)的定點(diǎn)作業(yè)任務(wù)時(shí)，位置-速度映射卻會(huì)降低作業(yè)效率，使得輪式移動(dòng)機(jī)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(lái)滿足高精度的作業(yè)需求。非完整約束則是在實(shí)現(xiàn)位置-位置映射過(guò)程中的主要難點(diǎn)，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(jié)合的控制方式。

Malysz和Sirouspour［22］提 出 了 基 于 任 務(wù) 空間權(quán)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(guò)任務(wù)空間矩陣結(jié)合在一起克服非完整約束帶來(lái)的指令跟蹤偏差問(wèn)題，通過(guò)Sigmoid函數(shù)完成自主控制開(kāi)（權(quán)重系數(shù)為0.25）與關(guān)（權(quán)重系數(shù)為0）的切換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)機(jī) 器 人 的 位 置 指 令 跟 蹤 控 制；Yuan和Li［23］采 用腦機(jī)接口技術(shù)，提出了一種基于四極勢(shì)函數(shù)的遙操作方法解決非完整約束難點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果表明：操作者的任務(wù)平均成功率達(dá)到90%以上；華南理工大學(xué)趙素娜［24］將腦電信號(hào)與非完整約束結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了腦電分類結(jié)果控制的極坐標(biāo)PPC曲線和Bezier曲線軌跡實(shí)時(shí)規(guī)劃，并設(shè)計(jì)了基于誤差模型的跟蹤控制器，5名測(cè)試者均能夠通過(guò)腦電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。在上述針對(duì)非完整約束的輪式移動(dòng)機(jī)器人遙操作過(guò)程中，由于主、從端機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的非對(duì)稱性，從端機(jī)器人在遙操作指令的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(lái)的指令跟蹤難點(diǎn)。

在輪式移動(dòng)機(jī)器人遙操作過(guò)程中，由于信息滯后，從端機(jī)器人極易與周圍環(huán)境產(chǎn)生非預(yù)期的接觸，進(jìn)而降低系統(tǒng)性能。針對(duì)松軟地形上輪地接觸產(chǎn)生的滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，基于時(shí)域無(wú)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(jìn)方法來(lái)消耗輪式移動(dòng)機(jī)器人雙邊遙操作系統(tǒng)中由車輪滑轉(zhuǎn)帶來(lái)的環(huán)境端有源性能量，設(shè)計(jì)了環(huán)境端無(wú)源性觀測(cè)器（POe），基于觀測(cè)得到的端口有源性能量，實(shí)時(shí)調(diào)整阻尼補(bǔ)償器系數(shù)（αe），以維持環(huán)境端的絕對(duì)無(wú)源性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，如圖7所示。

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

此時(shí)，在復(fù)雜環(huán)境下，由于信息滯后，操作者在主端很難對(duì)從端機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)避，需要其具備自主檢測(cè)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(shì)場(chǎng)法在機(jī)器人自主避障領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，通過(guò)在場(chǎng)景中構(gòu)建虛擬的目標(biāo)點(diǎn)引力場(chǎng)與障礙物斥力場(chǎng)，快速完成機(jī)器人避障任務(wù)［26-27］。而基于這種虛擬作用力又可以設(shè)計(jì)主端機(jī)器人的力反饋算法，因此在機(jī)器人遙操作過(guò)程中，這種從端機(jī)器人的局部自主避障算法得到了廣泛應(yīng)用。在遙操作過(guò)程中，通過(guò)感知從端機(jī)器人與障礙物的相對(duì)方位，構(gòu)建一種虛擬引力和斥力，當(dāng)從端機(jī)器人向障礙物靠近時(shí)，操作者可以通過(guò)力反饋算法感知到障礙物的存在，同時(shí)通過(guò)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(gè)虛擬的人工勢(shì)能場(chǎng)，來(lái)產(chǎn)生一定的斥力，使得機(jī)器人在進(jìn)行遙操作時(shí)能夠具備自主避障的功能［28-29］。

此外，針對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)以及無(wú)人車-無(wú)人機(jī)的編隊(duì)遙操作也是一個(gè)研究熱點(diǎn)［30-31］。這屬于多從機(jī)器人的遙操作問(wèn)題，為了維持編隊(duì)任務(wù)，操作者一般只對(duì)Leader機(jī)器人進(jìn)行直接控制，其他Follower機(jī)器人則通過(guò)自主控制算法進(jìn)行跟隨并保持隊(duì)形，通常基于隊(duì)形保持誤差信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)力反饋算法。張穎等［31］設(shè)計(jì)了一種一對(duì)多的遙操作系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)，并基于主從端之間速度偏差與障礙物排斥力設(shè)計(jì)了2種不同的反饋力，對(duì)于從端多機(jī)器人的編隊(duì)問(wèn)題則采用了虛擬力的形式來(lái)維持隊(duì)形。這些研究不僅豐富了在多機(jī)器人場(chǎng)景下的遙操作理論，對(duì)于未來(lái)的多月球車編隊(duì)操作任務(wù)也具有較好的參考意義。

綜上所述，多數(shù)輪式移動(dòng)機(jī)器人遙操作技術(shù)研究仍是基于硬質(zhì)地面上車輪純滾動(dòng)與非完整約束［32］的理想假設(shè)展開(kāi)的，且多數(shù)是基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的遙操作［16］。然而，對(duì)于行駛在松軟月壤上的月球車，車輪理想的純滾動(dòng)及非完整約束假設(shè)將難以維持，產(chǎn)生縱/側(cè)滑現(xiàn)象［33］，使得其動(dòng)力學(xué)建模十分復(fù)雜［34］，尤其是月球車與機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)高度耦合在一起作業(yè)時(shí)，對(duì)月球車的動(dòng)力學(xué)遙操作帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

2.2 輪式移動(dòng)機(jī)械臂遙操作技術(shù)

輪式移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)搭載機(jī)械臂可以相互協(xié)作完成許多科研、探測(cè)、作業(yè)等任務(wù)，在星球探測(cè)領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，如圖8所示［35］。輪式移動(dòng)機(jī)械臂是一個(gè)典型的高度非線性、強(qiáng)耦合的多自由度運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)及輪地突變接觸等外界干擾。這些因素都為移動(dòng)機(jī)械臂遙操作帶來(lái)了極大地挑戰(zhàn)。

圖8 德國(guó)宇航中心星球探測(cè)用移動(dòng)機(jī)械臂［35］Fig. 8 DLR mobile manipulator for planetary rover［35］

在移動(dòng)機(jī)械臂的遙操作過(guò)程中，操作員既需要考慮移動(dòng)底盤的移動(dòng)任務(wù)，又需要考慮機(jī)械臂的多場(chǎng)景作業(yè)，因此，需要同時(shí)處理的信息量較大。當(dāng)前，其遙操作策略可大致分為以下2類：

1）采用單操作者進(jìn)行遙操作，比如：采用位置-位置和位置-速度混合的方法對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行遙操作［36］。如圖9所示，在該模式下，操作者僅需要一個(gè)力反饋手柄就可以對(duì)2個(gè)從端機(jī)器人進(jìn)行控制，成功完成了揀選與放置作業(yè)。主從端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)映射則考慮了機(jī)械臂與移動(dòng)底盤的不同任務(wù)特性，分別設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)遙操作算法，并在操作不同對(duì)象時(shí)，在二者之間進(jìn)行切換：機(jī)械臂通常用于執(zhí)行作業(yè)，且運(yùn)動(dòng)空間有限，采用常規(guī)的位置-位置映射，以實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制；移動(dòng)底盤需要進(jìn)行大范圍移動(dòng)，則采用位置-速度映射，以實(shí)現(xiàn)快速的運(yùn)動(dòng)。此外，還有學(xué)者提出了采用遠(yuǎn)目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)約束的遙操作方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)映射［37］，采用操作者肢體動(dòng)作映射移動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行遙操作［38］。采用單操作者進(jìn)行遙操作，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是單操作者需要兼顧移動(dòng)機(jī)械臂多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，極易產(chǎn)生疲勞，將移動(dòng)底盤與機(jī)械臂操作對(duì)象混淆，進(jìn)而造成錯(cuò)誤決策。

圖9 移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)械臂遙操作任務(wù)復(fù)雜，采用多操作者協(xié)同遙操作技術(shù)是一個(gè)更為有效的解決方案。通常情況下，雙操作者各操作一個(gè)力反饋手柄，對(duì)移動(dòng)底盤和機(jī)械臂分別進(jìn)行控制，并相互協(xié)作，共同完成作業(yè)任務(wù)。Malysz和Sirouspour［39］針對(duì)雙臂移動(dòng)機(jī)器人提出了一種非對(duì)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(dòng)底盤操作者會(huì)較少關(guān)注車載相機(jī)視圖或者其他輔助視圖，只有當(dāng)全局俯視圖難以反映障礙物信息時(shí)才會(huì)使用輔助視圖；而機(jī)械臂操作者則會(huì)偶爾觀看全局俯視圖以確定機(jī)械臂的位置，這是由于車載相機(jī)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(yīng)模糊控制的遙操作方法，來(lái)控制多個(gè)移動(dòng)機(jī)械臂協(xié)同完成作業(yè)任務(wù)。與單操作者切換控制移動(dòng)機(jī)械臂不同對(duì)象相比，雙操作者可以在每個(gè)操作者回路里構(gòu)建唯一的遙操作框架，且不需要轉(zhuǎn)換其任務(wù)屬性，進(jìn)而大大提高任務(wù)執(zhí)行效率，但是雙操作者協(xié)同控制及力覺(jué)協(xié)同則是其需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

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

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

綜上所述，輪式移動(dòng)機(jī)械臂“地面”遙操作技術(shù)存在2個(gè)顯著的特點(diǎn)：

1）時(shí)延較小。通常在1 s之內(nèi)，信息滯后對(duì)于操作者操作性能影響較小，一般采用控制理論設(shè)計(jì)補(bǔ)償控制器對(duì)時(shí)延帶來(lái)的不穩(wěn)定進(jìn)行補(bǔ)償即可，較少考慮信號(hào)滯后對(duì)操作者帶來(lái)的干擾。

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

3 “月面”遙操作主要技術(shù)挑戰(zhàn)

與地面移動(dòng)機(jī)械臂的遙操作相比，月球車遙操作主要具備以下2個(gè)特有的難點(diǎn)：更大的通信時(shí)延與更復(fù)雜的月表環(huán)境。因此，這也對(duì)機(jī)器人遙操作理論在多邊遙操作、預(yù)測(cè)顯示遙操作等技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

1）受月地之間遠(yuǎn)距離影響，通信通道存在以下2個(gè)難點(diǎn)：通信中的時(shí)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(cè)信號(hào)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(shí)延（Time-Varying Time-Delay），而這種大時(shí)延的存在不僅會(huì)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(dòng)過(guò)程中，在車輪的縱向及側(cè)向均會(huì)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(zhì)地面的輪式移動(dòng)機(jī)器人研究過(guò)程中極少出現(xiàn)，因此，往往不被學(xué)者們所關(guān)注。大量關(guān)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(huì)對(duì)輪地之間的相互作用機(jī)理帶來(lái)擾動(dòng)，進(jìn)而對(duì)月球車的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)不穩(wěn)定的外部影響。如果在月球車遙操作過(guò)程中忽視它們，會(huì)直接威脅到月球車的行駛安全性。

3.1 通信時(shí)延

為了對(duì)月球車進(jìn)行有效的遠(yuǎn)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(shí)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(huì)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(duì)月球車的操作性能。因此，大通信時(shí)延是月球車遙操作的首要難題。

3.1.1 時(shí)延補(bǔ)償策略

時(shí)延問(wèn)題一直以來(lái)都是機(jī)器人遙操作研究重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。隨著空間探測(cè)和海洋探測(cè)的深入展開(kāi)，機(jī)器人遙操作系統(tǒng)中的時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)也得到了快速發(fā)展。當(dāng)前，克服遙操作時(shí)延的方法主要有以下2類。

1） 基于電路網(wǎng)絡(luò)的無(wú)源性理論克服系統(tǒng)通信 時(shí) 延。1989年，Anderson和Spong將 遙 操 作 控制系統(tǒng)與電路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行類比，提出了基于電路端口網(wǎng)絡(luò)理論來(lái)分析遙操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法［46］?；谙到y(tǒng)無(wú)源性理論，設(shè)計(jì)遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定的控制參數(shù)，并克服通信時(shí)延所帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定因素。該領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的2個(gè)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(wǎng)絡(luò)所提出的一套能保證系統(tǒng)在任何時(shí)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(wèn)題［47］。

然而，遙操作系統(tǒng)的通信時(shí)延往往并不是固定不變的，當(dāng)通信時(shí)延為變時(shí)延時(shí)，通信模塊不再滿足系統(tǒng)無(wú)源性。而后，學(xué)者們根據(jù)不同的遙操作任務(wù)，對(duì)它們進(jìn)行了一系列改進(jìn)［48-49］。

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

2） 基于預(yù)測(cè)顯示技術(shù)克服系統(tǒng)通信時(shí)延。許多理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果［50］表明，基于無(wú)源性控制的時(shí)延補(bǔ)償方法對(duì)解決小時(shí)延（<1 s）問(wèn)題具有較好的效果，而對(duì)于大時(shí)延（>1 s）的情況，由于信息滯后過(guò)大，操作者很難對(duì)從端運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做出實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地判斷。因此，學(xué)者們采用預(yù)測(cè)顯示技術(shù)來(lái)克服遙操作大時(shí)延，并補(bǔ)償遲滯的反饋信息，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性及操作性能。

預(yù)測(cè)顯示技術(shù)（Predictive Display）［51-53］是針對(duì)空間機(jī)器人大時(shí)延遙操作的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。它通過(guò)建立一個(gè)虛擬的仿真環(huán)境，實(shí)時(shí)地將操作者發(fā)出的指令響應(yīng)反饋給操作者，在一定的時(shí)延之后，從端機(jī)器人將會(huì)復(fù)現(xiàn)預(yù)測(cè)仿真的結(jié)果，使得操作者能夠直接對(duì)虛擬機(jī)器人進(jìn)行連續(xù)無(wú)時(shí)延的遙操作，以達(dá)到對(duì)從端機(jī)器人控制的目的，由此來(lái)克服通信時(shí)延對(duì)遙操作系統(tǒng)的影響。例如，1993年，德國(guó)宇航中心（DLR）研制的六自由度空間機(jī)器人ROTEX采用預(yù)測(cè)顯示技術(shù)來(lái)補(bǔ)償時(shí)延影響，并進(jìn)行了首次太空大時(shí)延遙操作實(shí)驗(yàn)［54］。

在機(jī)器人遙操作系統(tǒng)中，預(yù)測(cè)顯示系統(tǒng)需要對(duì)從端機(jī)器人及其工作環(huán)境建立精確的物理模型和動(dòng)力學(xué)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(yù)測(cè)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)從端控制對(duì)象理想的建模，不可避免地會(huì)帶來(lái)一些建模誤差與運(yùn)動(dòng)誤差，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致虛擬機(jī)器人與實(shí)際機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)存在偏差，干擾操作者的操作指令，甚至導(dǎo)致操作者出現(xiàn)誤操作現(xiàn)象。

針對(duì)虛擬機(jī)器人與實(shí)際機(jī)器人之間存在的動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)偏差，通常采用參數(shù)在線辨識(shí)/修正方法來(lái)提高模型的預(yù)測(cè)精度［55］。

1）針對(duì)未知環(huán)境下機(jī)器人摩擦、碰撞的線性模型，遞歸最小二乘法是一種運(yùn)算簡(jiǎn)單、收斂速度快的參數(shù)在線辨識(shí)方法。Haddadi和Hashtrudi-Zaad［56］基于遞歸最小二乘法對(duì)Hunt-Crossley模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。東南大學(xué)倪得晶［57］根據(jù)碰撞產(chǎn)生的真實(shí)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(jué)差與遞歸最小二乘法的分狀態(tài)動(dòng)力學(xué)模型偏差修正算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明接觸力的估計(jì)偏差在初始接觸及平穩(wěn)接觸階段均在10%以下。對(duì)于快速動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，基于梯度下降的參數(shù)在線辨識(shí)法可以加快收斂速度［58］。自適應(yīng)辨識(shí)也是一種常用的參數(shù)在線估計(jì)方法，通常作為自適應(yīng)控制算法的一部分來(lái)提高系統(tǒng)性能［59］。Seraji和Colbaugh［60］采用自適應(yīng)控制來(lái)提升阻抗控制力跟蹤的魯棒性和估計(jì)未知環(huán)境阻尼和剛度參數(shù)。

2）針對(duì)從端環(huán)境的非線性模型，參數(shù)在線辨識(shí)的收斂速度通常較慢，限制了其在遙操作系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。Diolaiti等［61］提出了雙階段參數(shù)估計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了Hunt-Crossley非線性模型的 參 數(shù) 在 線 估 計(jì)。Haddadi和Hashtrudi-Zaad［56］通過(guò)將Hunt-Crossley模型線性化，進(jìn)而可以采用一些線性辨識(shí)方法對(duì)其進(jìn)行辨識(shí)。Gao等［62］通過(guò)將非線性模型線性化與非線性補(bǔ)償相結(jié)合，提出了一種快速收斂的輪地接觸力學(xué)模型的參數(shù)在線辨識(shí)方法。在一些復(fù)雜環(huán)境或未知場(chǎng)景下，機(jī)器人與環(huán)境的交互作用難以采用提前給定的模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述。因此，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)擬合從端機(jī)器人與環(huán)境的動(dòng)力學(xué)模型也逐漸得到了廣泛應(yīng)用［63］。

3.1.2 月球車動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)技術(shù)

中國(guó)“玉兔號(hào)”月球車裝載了雙目視覺(jué)導(dǎo)航相機(jī)、立體視覺(jué)系統(tǒng)、加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器，利用月球車前后站點(diǎn)圖像中提取的觀測(cè)點(diǎn)，基于光束法平差模型的定位方法成功地實(shí)現(xiàn)了月球車著月點(diǎn)及各個(gè)月面導(dǎo)航點(diǎn)位置的精確解算，設(shè)計(jì)了低重疊區(qū)的快速匹配與全局性高精度三維地形重構(gòu)系統(tǒng)，這些信息也是地面控制中心進(jìn)行“移動(dòng)-等待”遙操作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與驗(yàn)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(shí)現(xiàn)高精度的月球車動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)，補(bǔ)償主端臨場(chǎng)感所需要的滯后信息，仍然是月球車動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)需要進(jìn)一步克服的技術(shù)難點(diǎn)。

與硬質(zhì)地形相比，在月表松軟地形下，車輪極易產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)沉陷現(xiàn)象，操作者為了能夠?qū)υ虑蜍囋谛旭傔^(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性等進(jìn)行完整地評(píng)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(dòng)力學(xué)特性及運(yùn)行環(huán)境參數(shù)，以提升操作者的臨場(chǎng)沉浸感。

1）輪地接觸力及力矩特性：法向力、牽引力、側(cè)向約束力、驅(qū)動(dòng)阻力矩等。

2）輪地接觸運(yùn)動(dòng)學(xué)特性：車輪沉陷量、縱向打滑參數(shù)、側(cè)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(yīng)等。

因此，對(duì)于月球車遙操作系統(tǒng)，由于缺少?gòu)亩谁h(huán)境的全局圖像反饋或者通信時(shí)延較大時(shí)，在主端地面控制中心對(duì)從端月球車及環(huán)境的動(dòng)力學(xué)交互特性進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度預(yù)測(cè)有著重大的意義。

與空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)及硬地上輪式機(jī)器人動(dòng)力學(xué)相比，高保真度一直是月球車動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)之一。這主要是由于受月表松軟月壤的影響，輪地之間易產(chǎn)生縱向/側(cè)向滑動(dòng)，進(jìn)而破壞了輪地接觸的純滾動(dòng)約束與側(cè)向的非完整約束，且輪地交互作用機(jī)理復(fù)雜，難以建立精準(zhǔn)的月球車動(dòng)力學(xué)模型以及輪地接觸力學(xué)模型。此外，沙土的流動(dòng)性與堆積特性等也會(huì)影響車輪受力狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)其動(dòng)態(tài)特性預(yù)測(cè)也帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。因此，在中國(guó)的“玉兔號(hào)”月球車遙操作系統(tǒng)中，動(dòng)力學(xué)仿真也只用于地面控制中心的離線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及指令驗(yàn)證工作。

面向樣機(jī)研制、性能測(cè)試及遠(yuǎn)程任務(wù)規(guī)劃等需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于車輪與整車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗(yàn)法針對(duì)輪地接觸力學(xué)展開(kāi)了深入研究，并且開(kāi)發(fā)出了多款月球車、火星車預(yù)測(cè)仿真系統(tǒng)。

Bekker 基于傳統(tǒng)車輛-地面力學(xué)模型，將沉陷模量描述為平板尺寸參數(shù)，采用內(nèi)聚力模量和內(nèi)摩擦力模量代替沉陷模量，提出了Bekker 正應(yīng)力 分 布 模 型［64］；Janosi和Hanamoto提 出 了 描 述剪切應(yīng)力與剪切變形量、正應(yīng)力關(guān)系的剪切應(yīng)力模型［65］。這2個(gè)模型構(gòu)成了地面力學(xué)理論的基礎(chǔ)，學(xué)者們相繼提出了多種輪地相互作用力學(xué)模型。Senatore和Iagnemma基于輪地相互作用的應(yīng)力分布、運(yùn)動(dòng)變量的測(cè)試結(jié)果［66］，對(duì)傳統(tǒng)的輪地作用積分模型進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)誤差在11%以內(nèi)。此外，顆粒阻力理論也可以可靠地預(yù)測(cè)剛性車輪-顆粒介質(zhì)相互作用，其精度在某些情況下甚至超過(guò)了地面力學(xué)方法［67］。為了進(jìn)一步提高模型求解速度，丁亮［68］基于應(yīng)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(shí)方法，對(duì)車輪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)后，模型預(yù)測(cè)精度可達(dá)5%以內(nèi)。該模型在精度和解算速度上更能滿足實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)需求。

美國(guó)NASA/JPL實(shí)驗(yàn)室為了測(cè)試星球車的移動(dòng)和控制性能開(kāi)發(fā)了一款動(dòng)力學(xué)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(cè)向力）采用了基于Coulumb摩擦模型與三自由度彈簧阻尼模型進(jìn)行求解［69］，并對(duì)星球車的移動(dòng)性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，滑轉(zhuǎn)率預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差約在10%以內(nèi)。但是該彈簧阻尼模型相對(duì)簡(jiǎn)單，難以反映復(fù)雜的輪地作用關(guān)系。Patel等［70］基于Bekker模型，開(kāi)發(fā)了RMPET（Rover Mobility Performance Evaluation Tool）仿 真 軟件，該軟件可以計(jì)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(píng)價(jià)星球車的移動(dòng)性能，優(yōu)化構(gòu)型設(shè)計(jì)。

吉林大學(xué)陳百超［71］基于ADAMS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成了月球車輪地作用力的解算，并對(duì)月球車移動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于研制的國(guó)內(nèi)首個(gè)月球車車輪-土壤多功能測(cè)試裝置，李衛(wèi)華等在星球車輪地作用力學(xué)開(kāi)展了深入研究，揭示了交互作用力學(xué)規(guī)律，建立了滑轉(zhuǎn)/滑移驅(qū)動(dòng)等輪地接觸力學(xué)模型并完成全參數(shù)辨識(shí)，開(kāi)發(fā)了星球車實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)——ROSTDyn（見(jiàn)圖12）［72］，進(jìn)而完成了中國(guó)月球車和火星車的輪地接觸力學(xué)與移動(dòng)性能測(cè)試，其在穩(wěn)態(tài)下動(dòng)力學(xué)參數(shù)最大誤差低于12%。

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

綜上所述，國(guó)內(nèi)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(jīng)開(kāi)發(fā)出了多個(gè)星球車仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在松軟地形上的星球車動(dòng)力特性分析。但是，大多數(shù)模型均是基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的，通常是在車輪穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)而實(shí)現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)。Iagnemma等［73］通過(guò)將輪地接觸的經(jīng)典地面力學(xué)方程線性化，并采用線性最小二乘法在線辨識(shí)了土壤的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。Hutangkabodee 等［74］采用Newton Raphso方法對(duì)輪地接觸參數(shù)的內(nèi)摩擦角、剪切變形模量、承壓模量進(jìn)行了辨識(shí)，該方法的計(jì)算速度較快、計(jì)算精度也較好。Ding等［75］通過(guò)線性化正應(yīng)力和剪應(yīng)力來(lái)簡(jiǎn)化模型，而后得到了模型的封閉解析解，進(jìn)而結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)全部參數(shù)進(jìn)行了離線辨識(shí)，得到了較高精度的模型參數(shù)。在文獻(xiàn)［75］的基礎(chǔ)上，Li等［76］針對(duì)車輪滑轉(zhuǎn)率預(yù)測(cè)，對(duì)全部輪地接觸參數(shù)進(jìn)行了敏感度分析，針對(duì)內(nèi)摩擦角與剪切變形模量提出了用于非線性補(bǔ)償?shù)挠行禂?shù)，該方法能夠快速消除滑轉(zhuǎn)率的預(yù)測(cè)誤差，達(dá)到收斂點(diǎn)只需要2~3個(gè)周期。

月球車遙操作實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)的控制過(guò)程，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中地形參數(shù)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等變化均會(huì)降低其預(yù)測(cè)精度。因此，基于參數(shù)在線辨識(shí)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生技術(shù)為解決此問(wèn)題提供了有效的解決方案。

3.1.3 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生（Digital Twin）是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)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(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力［77］。美國(guó)宇航中心已經(jīng)成功將這種技術(shù)應(yīng)用到了深空探測(cè)任務(wù)中的高端裝備和復(fù)雜設(shè)備的研制與測(cè)控環(huán)節(jié)［78］。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，宇航員將能夠?qū)崟r(shí)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(wù)。

數(shù)字孿生技術(shù)在中國(guó)探月工程和載人航天工程中已經(jīng)取得了較為廣泛的應(yīng)用［79-82］。北京航天飛行控制中心聯(lián)合國(guó)內(nèi)其他科研院所開(kāi)發(fā)的數(shù)字孿生航天任務(wù)三維實(shí)時(shí)可視化飛行控制與工程任務(wù)指揮平臺(tái)、地外遙操作平臺(tái)等，成功地將數(shù)字孿生技術(shù)和三維實(shí)時(shí)可視化虛擬仿真應(yīng)用到“嫦娥”探月工程和空間機(jī)械臂等航天器的在軌測(cè)控、對(duì)接、遙操作等任務(wù)。圖13為“嫦娥四號(hào)”月球車基于視覺(jué)的月球車定位技術(shù)與三維場(chǎng)景重構(gòu)技術(shù)建立的數(shù)字化仿真場(chǎng)景，并對(duì)月球車的行駛路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與模擬［80］。

圖13 月球車曲線行走與原地轉(zhuǎn)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(gòu)（環(huán)境重構(gòu)技術(shù)）與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型構(gòu)建的側(cè)重于虛實(shí)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的數(shù)字映射技術(shù)。然而，當(dāng)將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于月球車遙操作過(guò)程時(shí)，由于月球車在松軟地形下的運(yùn)動(dòng)機(jī)理極其復(fù)雜，現(xiàn)有的輪地接觸模型也多基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yù)測(cè)進(jìn)行遙操作任務(wù)的高精度需求。

因此，近些年，學(xué)者們開(kāi)始嘗試?yán)矛F(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的傳感器信息去改善預(yù)測(cè)仿真模型，建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(bǔ)遙操作系統(tǒng)中預(yù)測(cè)仿真系統(tǒng)自身所帶來(lái)的預(yù)測(cè)誤差。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)李衛(wèi)華等為了補(bǔ)償機(jī)器人遙操作過(guò)程中的時(shí)滯信息影響，提升操作者的臨場(chǎng)感，提出了基于預(yù)測(cè)顯示的三邊共享遙操作架構(gòu)［16，83］，如 圖14所 示。為 了 進(jìn) 一 步 提 高 輪 式 移動(dòng)機(jī)器人數(shù)字仿真平臺(tái)在遙操作過(guò)程中的滑轉(zhuǎn)率預(yù)測(cè)精度，以減少?gòu)亩藱C(jī)器人與預(yù)測(cè)端機(jī)器人的模型差異對(duì)該三邊遙操作系統(tǒng)的影響，提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型參數(shù)在線修正方法來(lái)彌補(bǔ)預(yù)測(cè)平臺(tái)與從端機(jī)器人之間的滑轉(zhuǎn)率預(yù)測(cè)誤差。

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

結(jié)合3.1.2節(jié)與3.1.3節(jié)可以看出，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)星球移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)行了大量基于輪地接觸力學(xué)模型的數(shù)字仿真與基于真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)字孿生技術(shù)研究，但是對(duì)于物理實(shí)體與場(chǎng)景之間的交互力學(xué)模型進(jìn)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(fù)雜環(huán)境，進(jìn)行月表場(chǎng)景與月球車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)交互，基于場(chǎng)景重構(gòu)技術(shù)與輪地接觸力學(xué)模型構(gòu)建有別于傳統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)的月球車高保真度孿生仿真系統(tǒng)，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)月球車連續(xù)遙操作的主要技術(shù)難點(diǎn)。

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(shí)，在車輪的縱向及側(cè)向均會(huì)存在明顯的打滑現(xiàn)象和車輪沉陷現(xiàn)象。而車輪縱向/側(cè)向滑動(dòng)會(huì)影響從端月球車對(duì)主端操作者指令的跟蹤性能，較大的沉陷量會(huì)威脅月球車的行駛安全性，對(duì)月球車遙操作帶來(lái)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(cè)向滑動(dòng)通常用以下2種方式進(jìn)行描述。

1） 當(dāng)月球車在松軟月壤上行駛時(shí)，由于輪地接觸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力有限，使得輪地接觸面產(chǎn)生剪切變形，進(jìn)而輪地接觸面會(huì)出現(xiàn)縱向滑動(dòng)現(xiàn)象，定義車輪的縱向滑動(dòng)程度為［17］

式中：si為車輪i的滑轉(zhuǎn)參數(shù)；ωi為車輪i的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；vi為車輪i的前進(jìn)線速度。

2） 在松軟的月球表面，當(dāng)輪-地相互作用產(chǎn)生的側(cè)向約束力小于月球車的側(cè)向載荷時(shí)，車輪的非完整約束將會(huì)被破壞，從而出現(xiàn)側(cè)向滑動(dòng)，比如：月球車在松軟斜坡上橫向移動(dòng)，如圖15（a）所示。當(dāng)重力側(cè)向分量（mg·sinα）較大時(shí)，由于軟土的力學(xué)特性，側(cè)向約束力很難平衡這種側(cè)向荷載，因此產(chǎn)生明顯的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，如圖15（b）所示。通常采用側(cè)偏角表示側(cè)向滑動(dòng)程度［43］，側(cè)偏角會(huì)影響側(cè)向約束力，進(jìn)而對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型帶來(lái)干擾。

式中：β為月球車的側(cè)偏角；vx為月球車的縱向線速度；vy為月球車的側(cè)向線速度。

圖15 月球車側(cè)向運(yùn)動(dòng)示意圖Fig. 15 Lateral motion scheme of lunar rover

在車輪縱向/側(cè)向滑動(dòng)影響下，月球車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以描述為

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

對(duì)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(dāng)對(duì)月球車進(jìn)行遙操作時(shí)，輪地接觸表面會(huì)以下3種縱向滑動(dòng)情況［84］：

1） 對(duì)于堅(jiān)硬地形，輪地接觸通常為純滾動(dòng)（無(wú)滑動(dòng)）（si=0）。此時(shí)，由輪地交互作用構(gòu)成的環(huán)境端為一嚴(yán)格無(wú)源系統(tǒng)，可以對(duì)從端月球車進(jìn)行基于速度指令的遙操作，同時(shí)，車輪具有良好的指令跟蹤性能。

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

3） 當(dāng)車輪在松軟地形上縱向滑移si<0時(shí)，月球車不僅會(huì)產(chǎn)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(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

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

面向月球探測(cè)需求，哈爾濱工業(yè)大學(xué)李衛(wèi)華等率先開(kāi)展了松軟地形下的輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 學(xué) 遙 操 作 研 究［17，72，85-86］?？?慮 車 輪 滑 轉(zhuǎn)，建 立了融合車輪縱向滑動(dòng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，首次揭示了車輪滑轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致環(huán)境端的系統(tǒng)有源性，并提出了基于無(wú)源性的補(bǔ)償控制方法；將預(yù)測(cè)平臺(tái)引入雙邊遙操作系統(tǒng)，提出了一種對(duì)稱的三邊共享遙操作系統(tǒng)。針對(duì)“玉兔號(hào)”月球車移動(dòng)系統(tǒng)，由于自由度較多（包括6個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和4個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)），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(dú)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)設(shè)計(jì)了局部補(bǔ)償控制器，以跟蹤車體的期望速度，消除車輪縱向打滑對(duì)指令跟蹤的影響，見(jiàn)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(chǎn)生縱/側(cè)滑現(xiàn)象，進(jìn)而破壞傳統(tǒng)輪式移動(dòng)機(jī)器人在硬質(zhì)地形上的純滾動(dòng)假設(shè)與非完整約束。月球車與機(jī)械臂之間受牽連運(yùn)動(dòng)影響，他們?cè)谶\(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)層面上高度耦合在一起。機(jī)械臂與作業(yè)對(duì)象的接觸作用會(huì)給月球車施加一個(gè)反作用力，受車輪縱/側(cè)滑影響，極易對(duì)月球車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，這是月球車連續(xù)遙操作過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)難點(diǎn)。

3.3 月球車遙操作理論難點(diǎn)

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

1） 針對(duì)地面輪式移動(dòng)機(jī)器人的大多數(shù)遙操作技術(shù)研究仍是面向硬質(zhì)地形，基于車輪純滾動(dòng)與非完整約束的理想假設(shè)而展開(kāi)的，且多數(shù)是在輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的層面進(jìn)行控制［17］。然而，對(duì)于行駛在松軟月壤上的月球車，這些理想假設(shè)將難以維持，尤其是月球車和機(jī)械臂的高度耦合對(duì)遙操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)，尚沒(méi)有系統(tǒng)、成熟地機(jī)器人遙操作理論體系。因此，在車輪縱/側(cè)滑、且車-臂動(dòng)力學(xué)高度耦合的工況下，針對(duì)月球車（移動(dòng)機(jī)械臂）的遙操作技術(shù)急需相關(guān)的理論與技術(shù)突破。

2） 通常情況下，基于高精度的虛擬建模技術(shù)，預(yù)測(cè)顯示單元是串聯(lián)在一個(gè)雙邊遙操作系統(tǒng)中，對(duì)大通信時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N主要手段。然而，對(duì)于月球車的動(dòng)力學(xué)模型，由于難以建立精準(zhǔn)的輪地接觸作用力學(xué)模型，預(yù)測(cè)端和從端會(huì)產(chǎn)生較大的場(chǎng)景誤差［83］。此外，在這種模式下，由于預(yù)測(cè)端還缺少了與從端的交互，不可避免地會(huì)產(chǎn)生指令跟蹤誤差。因此，基于真實(shí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)顯示遙操作技術(shù)仍然需要深入地研究。

3） 為了更好地控制月球車和機(jī)械臂，操作者需要采用不同的運(yùn)動(dòng)映射比例尺。操作者在進(jìn)行遙操作時(shí)，力覺(jué)臨場(chǎng)感是主要的即時(shí)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(jī)交互機(jī)制需要進(jìn)一步解析；而從端月球車與機(jī)械臂又高度耦合在一起，需要考慮操作者尺度效應(yīng)，合理設(shè)計(jì)力反饋信息，解析多操作者的力覺(jué)協(xié)同機(jī)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(jī)交互與力覺(jué)協(xié)同機(jī)制也是機(jī)器人遙操作理論的一個(gè)新挑戰(zhàn)。

4） 通過(guò)分解移動(dòng)機(jī)械臂的遙操作任務(wù)，采用多操作者分別控制月球車與機(jī)械臂，構(gòu)成一個(gè)多主多從的多邊遙操作系統(tǒng)。然而，大多數(shù)輪式移動(dòng)機(jī)器人或機(jī)械臂的遙操作研究仍是基于雙邊遙操作理論展開(kāi)的，還沒(méi)有形成面向多邊遙操作系統(tǒng)的成熟理論體系［41］；而且，對(duì)于月球探測(cè)移動(dòng)機(jī)械臂，輪地復(fù)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(jī)械臂具有較強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)耦合，多操作者之間需要合理的力協(xié)同機(jī)制。因此，面向月球探測(cè)環(huán)境及技術(shù)特點(diǎn)，需要建立移動(dòng)機(jī)械臂的多邊遙操作技術(shù)。

4 未來(lái)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(hào)”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(cè)過(guò)程。隨著機(jī)器人技術(shù)及遙操作技術(shù)的不斷革新，與以下4項(xiàng)技術(shù)充分融合將會(huì)極大促進(jìn)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(shù)將逐步取代“移動(dòng)-等待”模式。由于月面較為復(fù)雜，中國(guó)月球車遙操作仍然采用了安全性更高的“移動(dòng)-等待”方式，尚未達(dá)到地面的連續(xù)直接控制，嚴(yán)重影響任務(wù)實(shí)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(shí)延，突破月球車連續(xù)遙操作等技術(shù)難點(diǎn)，提升遠(yuǎn)程操作效率，對(duì)后續(xù)月球巡視探測(cè)任務(wù)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(dǎo)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(chǎng)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(lái)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(fù)雜作業(yè)。因此，由多操作者與從端月球車（包括底層移動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械臂作業(yè)系統(tǒng)）構(gòu)成的多邊遙操作系統(tǒng)仍需要開(kāi)展深入地研究。

3） 基于數(shù)字孿生的月球車預(yù)測(cè)顯示技術(shù)為連續(xù)遙操作提供了可行性支撐。月球車動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)仿真受到月表環(huán)境復(fù)雜性和多樣性的影響，難以通過(guò)單一的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及機(jī)-環(huán)交互模型實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人狀態(tài)演變的準(zhǔn)確描述?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生機(jī)制，構(gòu)建基于硬件在環(huán)的星球移動(dòng)機(jī)器人數(shù)字孿生平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)星球移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)/測(cè)試/操控全生命周期的移動(dòng)性能評(píng)價(jià)、控制算法驗(yàn)證以及交互作業(yè)任務(wù)，可以為月表環(huán)境下的月球車高精度動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)提供新方法。

4） 人機(jī)共融技術(shù)是未來(lái)月球探測(cè)工程的重要支撐［87］。當(dāng)月球車在月表執(zhí)行任務(wù)時(shí)，受較大的通信時(shí)延限制，操作者難以及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。因此，為提升遙操作性能，更好地完成科研探測(cè)任務(wù)和保證移動(dòng)機(jī)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(wú)法及時(shí)響應(yīng)環(huán)境變化時(shí)，利用局部自主來(lái)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。將二者深度融合，一方面可以保證從端機(jī)器人的安全，另一方面，通過(guò)從端力反饋也可以指導(dǎo)操作者快速、安全地完成任務(wù)。

5 結(jié) 論

考慮月表復(fù)雜環(huán)境及作業(yè)任務(wù)需求，在地-月通信變時(shí)延條件下，多操作者協(xié)同連續(xù)遙操作月球車在月表復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行探測(cè)活動(dòng)，是一項(xiàng)高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，且具有環(huán)境約束條件復(fù)雜、系統(tǒng)非線性高、耦合性強(qiáng)、可靠性高等突出特點(diǎn)。如何確保月球車在遙操作過(guò)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(jī)制，是安全、高效地遠(yuǎn)程控制移動(dòng)機(jī)械臂完成探測(cè)任務(wù)的核心難點(diǎn)。因此，將現(xiàn)有的地面機(jī)器人連續(xù)遙操作技術(shù)與預(yù)測(cè)顯示、數(shù)字孿生、人機(jī)共融等技術(shù)深度結(jié)合，對(duì)中國(guó)后續(xù)的月球探測(cè)工程具有重要的推進(jìn)意義。