基于克服时延的空间遥操作控制方法综述

基于克服时延的空间遥操作控制方法综述XS09012069胡天健摘要：空间遥操作的核心问题是克服通信时延，目前关于空间遥操作控制的相关研究均是围绕这一问题展开的。本文首先简要介绍了空间遥操作的发展历程及其基本结构；而后针对克服通信时延问题，回顾并总结了现有的空间遥操作控制方法；最后提出了基于克服遥操作通信时延控制方法的可能的发展方向。关键词：空间遥操作时延虚拟现实鲁棒性1.空间遥操作概述机器人遥操作是一种实现人与机器人远程交互的技术手段，其目的在于将操作者对环境的操作延伸到其不易或不宜到达的地方，从而大大拓宽人手操作的范围。随着航天事业的兴起和相关理论技术的发展，机器人遥操作技术与空间技术相结合，已广泛应用于空间站的建立、维修，星球表面的探测，卫星的回收、释放等任务中，形成了控制领域一类新兴的研究热点——空间遥操作技术。空间遥操作技术在空间探索、在轨服务乃至空间军事对抗领域具有极其重要的价值。早在20世纪80年代，美、日和西欧各国就开始进行相关理论研究和工程实践。1993年，美国NASA研制出具有初步临场感效果的遥操作机器人FTS系统和DTF-1系统，并将其搭载在航天飞机上进行空间作业任务实验；同年，欧空局研制出的空间机器人ROTEX首次在航天飞机上进行了空间实验；1996年，美国发射了火星探路者号，其中装有火星漫游机器人Sojourner，虽然其漫游范围仅有几十米，但已是空间遥操作应用的标志性一步；1997年11月，日本发射了ETS-VII型装载有空间机器人的卫星，并进行了初步的遥操作实验；1999年，日本同德国DLR合作在ETS-VII上完成了空间遥操作实验；2007年，美国发射了其“轨道快车”（OrbitExpress）计划，成功演示了空间自由飞行机器人自主分离、接近、对接、捕获、更换部件等自主在轨服务操作。我国于1993年开始进行空间遥操作的相关研究工作，并于1996年由国家高技术研究发展计划（国家863计划）将其列为关键技术加以研究。图1.1(a)空间遥操作系统示意；(b)空间遥操作系统结构图1.1(a)、(b)分别给出了空间遥操作系统的示意图及其基本组成结构，它由操作者、主端机器人子系统、通信环节、从端机器人子系统和环境组成。操作者指令通过主端机器人子系统、通信环节和从端机器人子系统作用于环境，对环境的感知信息则经过上述环节返回到主端操作者，使操作者产生身临其境的感觉，从而有效地完成遥操作任务。在空间遥操作过程中，由于本地与远地间的信号传输及通信带宽限制等原因，操作者进行操作与机器人作出相应响应之间，以及机器人的当前状态与操作者所知的机器人状态之间不可避免地存在着延时。从以往的工程经验来看，本地与远地间的距离越大，信号处理方式越复杂，则延时越大，通常4~7s。这类延时将直接影响到遥操作系统的稳定性和对目标指令的跟踪性能，并且由于延时造成操作者“移动-等待”的工作模式，在加速操作者疲劳的同时使得操作者无法真实感知从端机器人的动作和所处环境，极易发生误操作。因此，克服空间遥操作中的时延，在保证遥操作系统稳定性和跟踪性能的同时提高系统的可操作性成为空间遥操作最核心的控制问题。2.几类克服时延影响的方法早在20世纪80年代，NASA就将发展克服通信时延问题的控制方法作为空间遥操作的核心技术之一加以研究。经过二十多年来的研究与发展，目前世界上在空间遥操作领域克服通信时延的方法概括起来主要可分为基于电路网络理论的无源控制、基于现代控制理论的控制、基于虚拟现实技术的控制和基于事件的规划和控制这四大类。2.1基于电路网络理论的无源控制无源控制是一类基于无源理论的解决稳定性问题的时延控制方法。它将具有力反馈的遥操作系统等效为一个二端口网络，分析信号传输模块的无源性，从而找到使系统稳定的控制律。由无源性定理知，只要系统满足一定的无源性条件和系统初始状态及连续条件，则总存在反馈控制律使系统在平衡点处渐进稳定。八十年代末，Anderosn等利用二端口网络模型提出了基于无源性的控制算法，并用散射理论得到了使系统在任意时延下稳定的控制律。之后Nimeeyer和Slotine引入波变思想，把传统的功率变量速度和力转化为波变量，在遥操作系统等效后的二端口网络中双向传输，并通过无源性理论得到了同样的结论。图2.1是波变量传输控制方法的传输结构。图2.1波变量传输控制方法的传输结构其中v和f表示速度和力，V、U表示波变量，b为波变量参数。波变量与速度、力之间的转换关系：11,2211,22lllrrrlllrrrUfbvUfbvbbVfbvVfbvbb波变量V和U代替速度和力在传输信道中传输，并产生延迟。由小增益定理可以证明波变量传输能够使系统的传输环节在任何时延下具有无源性，从而保证遥操作系统时延下的稳定性。日本的Yokokohji等研究者亦利用基于散射理论和波变量理论的二端口网络的无源性对系统进行分析和设计，并注重对系统控制策略和系统性能进行深入地理论和实验研究工作，以求解决通信时延问题。Tachi对临场感的完美形式作了总结说明，并构造了实验系统对其进行了验证。实际上，许多的理论分析和实验结果，基于电路网络理论的无源通信法则所实现的控制算法对解决短时延问题具有较好的效果，而在长时延的情况下，要实现在保证系统稳定时又同时具有良好的可操作性则显得无能为力。2.2基于现代控制理论的控制加拿大多伦多大学的Strassberg和Goldenberg等人则利用现代控制理论中的Lyapunov稳定性判据分析遥操作系统的稳定性条件。Lawrence针对稳定性和系统操作特性在时延下的不协调，提出了“无源距离(passivitydistance)”和“透明距离(transparencydistance)”的概念，用以指导遥操作系统的设计。Leung和Francis等人利用基于“无源距离”和“透明距离”的综合评价法(μ-synthesis)设计遥操作系统的结构，并利用H∞最优控制理论指导时延下遥操作系统中控制器的设计。基于现代控制理论的系统设计方法以解决通信时延是具有潜在生命力的方法，但由于目前现代控制理论的不完善和其系统实现上的困难等原因，它对解决机器人遥操作系统的通信时延问题目前仅停留在理论和方法的探讨上，在实用性上还存在许多技术上的难点。2.3基于虚拟现实技术的控制由于上述基于电路网络理论和现代控制理论方法存在诸多局限，因此许多研究者将注意力转向了虚拟现实技术，提出将虚拟现实技术用于机器人遥操作系统克服通信时延以确保系统的稳定性并具有良好的操作性能。预测图形仿真法相对来讲是一种运用虚拟现实技术来解决时延问题的比较传统的方法。它是利用基于虚拟现实的预测图形仿真技术来消除时延影响的，即建立一个虚拟的仿真环境，该虚拟仿真环境可以无时延地将操作结果反馈给操作者，而远端的机器人则在一定的时延后重复仿真结果，这样就可使操作者面对虚拟仿真模型进行连续地无时延实时操作，从而有效地克服时延的影响。其中，最具有代表性是，1993年，德国针对空间机器人研究建立了实验装置ROTEX，该装置具有远地环境的三维图形计算机预测能力和立体显示，通过对远地环境在本地虚拟模型的预测，较为有效地解决了地面和空间机器人之间的大传输时延问题。在这里值得提出的是，美国NASA的Kim和Bejczy在空间机器人及其环境的3D虚拟建模、标定及预测显示方面自从上世纪80年代就开始研究，并做了大量的工作。预测图形仿真法对克服时延起到了较为有效的作用，然而该方法却存在原理性缺陷，因为系统不可避免地会存在几何建模误差与运动累积误差，会导致仿真环境中的虚拟机器人与实际机器人的运动存在偏差，而这些误差的存在不但降低了预测的效果和精度，还可能导致在实际操作中出现误操作。例如抓取物体时，往往出现仿真模型已经抓住了物体，而真实模型却未能抓到物体的情况。此外，对于远端的操作环境不可能完全已知，即使环境已知，在操作过程中也可能因为某些外界因素的作用使得实际模型的状态发生变化，而这些变化却不能及时地在仿真中得到反映。因此，如果完全依靠预测仿真系统必将大大降低系统的操作性能以及处理意外事件的能力。由于以上这些不确定因素的存在，希望纯粹通过仿真模型来反映实际模型的运动情况是不可靠的，必须利用现场真实的传感器信息去修正仿真模型，增强图形仿真的效果。而增强现实技术所具有的“虚”、“实”合的特点恰恰可以满足遥操作系统的这一需求，弥补预测图形仿真系统的不足。鉴于增强的视觉预测显示的有效性和实用价值，同时为了使操作者能够感知到虚拟手与虚拟环境接触的力信息而使其任务能够高效、准确地完成，人们开始关注力觉预测显示对系统的增强效果，即在原有的视觉预测显示的基础上如何实现虚拟力反馈和力预测显示及视觉和力觉的信息融合，并构造其机器人遥操作系统。在以上所提出的诸多方法中，都需要建立机器人及其环境的精确的几何模型和动力学模型，才能确保系统的稳定性和良好的操作性能。模型修正法是一类具有鲁棒性的建模控制方法，它需要建立机器人及其环境的精确的几何模型和动力学模型，才能确保系统的稳定性和良好的操作性能。对于几何建模问题，可以通过特殊的标定技术(包括多传感器信息融合技术)，利用从真实环境中不断获取的几何信息，反复地修正虚拟环境模型，使之再现真实环境的几何特征。但事实上，这种技术本身存在很多的难点，并涉及到大量的复杂计算。因此，此方法不但费时、费力，而且其校正精度往往并不能得到十分满意的结果。而对于动力学建模问题，就现有的技术水平，要获得精确的动力学参数的辨识精度是一件相当困难的事。因此，1996年，Tsumaki等人设计了对几何建模误差具有鲁棒性的空间机器人虚拟遥操作系统。1997年，在此基础上，他们又构思了对几何建模误差和动力学建模误差均具有鲁棒性的控制结构和控制算法的初步框架。但这种方法的操作性能却有待进一步研究，而系统在具有非结构化、动态和不确定性特征的未知环境下却不适用。2003年，Tomotaka等人又提出采用无需建立虚拟环境模型的运动和力信息的预测显示法实现时延下机器人的稳定遥操作。这种方法可适用于多种环境特征，但仅在小时延下作了讨论，而且用这种方法，良好的操作性能却难以保证。2.4基于事件的规划和控制从解决遥操作机器人在动态的非结构化环境下的大的时延问题出发，1999年席宁研究员将他和谈自忠教授于1993年前后提出的用于多机器人协作的基于事件的规划与控制方法用于机器人遥操作，取得了卓有成效的成果。其理论的基本点在于引入一个不同于时间的新的运动参变量，该变量随控制过程的进行而更新，实时的传感信息是这种更新的依据。系统的理想输出是此参量的函数，在系统运行过程中，通过规划器实时修正系统的目标输出值，使得系统运动规划过程成为实时过程，具有自适应的特性，并有利于得到优良的控制效果。基于事件的方法由于采用了非时间基的时钟来推动整个系统的运动，从而巧妙地绕开了信息传输的不确定时延并保证了系统的稳定性。但是，在遥操作中，这种控制与规划思想的表现是“走走停停”，机器人在没有获得操作者的下一个指令之前，一直处于静止状态。它实际上假定机器人的静止代表着其运行的环境也不发生改变。然而，随着应用的不断拓广，要求机器人在动态变化的和非结构化的环境下完成特定任务越来越多。这种条件下，这种基于事件遥操作显然不能满足需要。因此，2003年，他和王越超研究员等人又进行改进，提出利用谓词不变性的状态反馈并利用混杂Petri网来提高机器人的自主性和操作性能。即操作者根据状态反馈在某规则范围内选定控制量，使得在满足任务要求的同时让机器人一直处于“安全状态”。这里的规则范围就是用最大不变谓词表示系统要完成的任务，而“安全状态”是指当机器人完成某次操作者的指令后，如果下一个指令还没有到来，机器人就会自己继续执行一个不违反系统任务的动作，直到下一个指令到来。然而，这种方法的局限性在于当环境发生剧烈变化时，需要机器人重新对环境进行评估，原有的知识利用率很低。尽管如此，基于事件的规划和控制思想有希望从根本上解决空间遥操作的时延问题，具有广阔的研究前景。