视觉辅助遥操作在卫星在轨自维护中的应用

　　一颗卫星的成本很高,动辄几百万甚至几亿元.例如,中国首颗探月卫星嫦娥一号整个项目耗资14亿元人民币,然而,卫星一旦出现故障,其带来的经济损失和各方面的影响将是不可估量的.目前,卫星的维护主要是通过宇航员太空舱外行走或远程操作机械臂完成,例如,哈勃空间望远镜在轨10 a间经历了4次这样的维护[1],但这两种方法都离不开宇航员的参与,从经济性和安全性两方面来考虑,两种处理方法都不甚理想.

　　考虑到空间环境的特殊性,为减小宇航员从事危险的卫星维护的代价和成本,遥操作空间机器人的方法正成为目前卫星维护研究的热点,许多机构已开展了相应的研究项目,如ETS-VII,ROTEX, SSRMS[2]等.但是,空间机器人遥操作最突出的问题是空间与地面存在通讯时延.时延对空间机器人遥操作最大的影响是使连续遥操作闭环反馈控制系统变得不稳定[3].

　　针对传统的直接遥操作方法的不足,本文依据所建立的卫星自维护系统地面遥操作试验平台,利用3D图形预测仿真、视觉伺服等技术辅助遥操作,使得遥机器人具有局部自主性,实现了附有视频反馈的遥操作以及自主视觉伺服操作结合的共享式遥操作,完成了卫星自维护系统的一个典型维护任务———打开出现故障的太阳能帆板.

　　1卫星自维护遥操作视觉辅助系统

　　与传统的利用服务飞船上的机械臂对卫星进行维护的方法不同,本文提出了利用视觉辅助方法进行卫星自维护,即在卫星本体上安装一个轻型机械臂,臂的末端安装操作器(HIT/DLR灵巧手).在臂的第3关节和第4关节上分别安装双目立体相机以及单目视觉伺服相机.当卫星的机械展开部件出现故障时,利用视觉信息控制操作器排除故障,从而完成卫星的自我维护.该系统主要包括2个部分:位于武汉的遥操作客户端和位于哈尔滨的遥机器人端.二者之间通过Internet进行通讯,其系统结构如图1所示.

　　为了克服时延对于遥操作的影响,本文基于共享自治控制理论,通过在人与机械间共享控制权完成卫星的维护任务.整个维护任务分为自由空间控制与自主视觉伺服控制2个阶段.

　　在自由空间控制阶段,操作者以6维空间鼠标和力反馈数据手套作为输入控制装置,通过图形预测方法以及实时反馈的遥操作现场信息,控制仿真计算机里的虚拟机器人和灵巧手,生成控制指令通过Internet发送给远程实际遥机器人和灵巧手,完成从自由空间到适合视觉伺服位置的任务.自主视觉伺服阶段,利用机器人手眼视觉形成局部闭环,结合前期合作目标识别和后期敏感性校验,利用冗余图像特征完成无时延的情况下自主视觉伺服任务.