基于增强现实与无源性的空间机器人遥操作控制研究

摘要

近几十年来,利用空间机器人进行在轨维护任务越来越受到各国的重视。该方式大大地减轻了航天员的工作负担,减小了部分出舱工作的危险;也降低了空间活动的成本,提高了工作效率。但是由于智能技术、计算机技术等水平不足,空间机器人还很难进行自主操作,因此各国普遍采用的是遥操作的方式完成在轨维护任务。对此本文搭建了空间机器人在轨维护地面遥操作平台,并对增强现实技术和基于时域无源性的双边遥操作控制算法进行了研究。
　　本文搭建在轨维护地面遥操作平台,供操作者在地面控制空间机器人。建立了机器人的几何模型和运动学模型。建立的预测仿真场景,实现主端模型对于从端机器人的预测显示,克服时延对于视觉临场感的影响。还实现了力反馈手柄与地面遥操作平台的连接,操作者可以通过力反馈手柄控制从端机器臂的末端位姿,感受力觉临场感。
　　针对地面-空间大时延导致的力反馈遥操作系统稳定性问题,建立力反馈系统中各环节的数学模型,采用基于时域无源性的控制方法,指出系统不稳定的原因在于通讯时延环节在某一时刻处于向外释放能量的状态,通过设计无源性观测器和无源性控制器,将释放的能量消耗,又不像其它无源性方法消耗更多的能量,避免因能量消耗过多导致系统性能下降。并用Simulink进行了仿真,仿真结果表明该方法在满足跟踪性能的情况下,可以有效地克服5s的时延对于双边力反馈系统稳定性的影响。
　　针对空间机器人抓捕目标的任务中,操作者难以单纯依靠视频图像实现对目标跟踪的问题,利用增强现实技术,实现了机械臂末端相机的视频图像与靶标的虚拟模型间的叠加,通过视频图像获取靶标标志点坐标,分析图像图形偏差与机械臂实际位姿偏差两者间的关系,总结出了一套根据图像差异判断的手控规律,提供给操作者,直观地帮助其控制机械臂到达目标位姿。并通过一个实例,验证了该方法的可行性。
　　通过拉弹簧实验验证时域无源性算法,在时延为5s的情况下,可以保证力反馈系统的稳定性,而且系统的跟踪性能未受太大影响。通过更换在轨可更换单元实验,对上述地面遥操作平台进行测试,证明该平台可以实现对机器人在关节空间和笛卡尔空间进行控制,可以操作空间机器人完成一些在轨维护任务。

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第1章 绪 论

1.1课题背景和研究目的

1.2 在轨维护机器人系统综述

1.3遥操作机器人系统克服时延关键技术综述

1.4 课题来源及主要研究内容

第2章 基于虚拟现实的空间机器人遥操作系统

2.1引言

2.2机器人的几何建模与运动建模

2.3地面遥操作平台搭建

2.4本章小结

第3章 基于时域无源性控制算法的双边遥操作

3.1引言

3.2力反馈系统模型分析

3.3时域无源性控制算法

3.4主端单PO/PC算法

3.5主从两端双PO/P C算法

3.6本章小结

第4章 基于增强现实的目标跟踪辅助功能

4.1引言

4.2特征点中心提取与摄像机的标定

4.3增强现实技术的实现

4.4图像描述与分析

4.5实例分析

4.6本章小结

第5章 在轨维护遥操作平台的实验验证

5.1引言

5.2时域无源性算法的实验验证

5.3 ORU更换实验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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