專利名稱：面向月球車遠(yuǎn)程遙操作的仿真控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種航天技術(shù)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)，具體是一種面向月球車遠(yuǎn)程 遙操作的仿真控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國為了實(shí)現(xiàn)月球車登月探測這一目標(biāo)，非常有必要開發(fā)出一套仿真控制系 統(tǒng)，不但可以進(jìn)行在線仿真，而且也可以對遠(yuǎn)程的月球車進(jìn)行遙操作，同時還可 接受人工輸入以避免重大事故的出現(xiàn)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號CN101083020，
公開日為 2007.12.05，專利名稱為星球著陸探測器地面模擬試驗(yàn)場的建立方法，公開了 一種星球著陸探測器地面模擬試驗(yàn)場的建立方法，包括試驗(yàn)場的選址、設(shè)計(jì)及遙 操作信息的建立，模擬月面試驗(yàn)的綜合環(huán)境條件建立深空探測試驗(yàn)場，為月面巡 視探測器遙操作試驗(yàn)提供地平線環(huán)境，并為探測器自主導(dǎo)航提供了照明以及探測 目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了星球著陸探測器遠(yuǎn)距離遙操作的試驗(yàn)，考驗(yàn)了巡視探測器的防沙塵 能力和高低溫干燥環(huán)境下的適應(yīng)能力，成功地解決了星球著陸巡視探測器在地面 模擬試驗(yàn)結(jié)果可靠性差的問題。但是，該發(fā)明只是從建立地面模擬試驗(yàn)場開始而 進(jìn)行的一些測試和試驗(yàn)，沒有從控制層面來具體說明對遠(yuǎn)程的月球車所要進(jìn)行的 遙操作的控制過程實(shí)現(xiàn)，在線實(shí)時仿真顯示問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種面向月球車遠(yuǎn)程遙操作的仿 真控制系統(tǒng)，對月球車能夠得到有效、安全的控制，模擬月球車所要進(jìn)行的遙操 作控制的過程并在線實(shí)時仿真顯示。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括離線分析模塊、地圖創(chuàng)建 模塊、虛擬傳感模塊、圖形化編程模塊、三維仿真模塊、遙操作模塊和人工輸入
模塊，其中離線分析模塊與圖形化編程模塊分別與三維仿真模塊相連接以輸出
月表數(shù)字幾何模型和路徑規(guī)劃程序，地圖創(chuàng)建模塊與月球車系統(tǒng)相連接收圖像序 列和傾斜角信號并輸出實(shí)際地圖模型至虛擬傳感模塊，虛擬傳感模塊輸出全局地圖至圖形化編程模塊，遙操作模塊接收三維仿真模塊輸出的仿真結(jié)果、圖形化編 程模塊輸出的仿真程序以及人工輸入模塊輸出的運(yùn)動控制指令，并將軌跡控制輸 出至月球車系統(tǒng)。
所述的離線分析模塊，根據(jù)月表典型特征和月球車動力參數(shù)計(jì)算生成月表數(shù) 字幾何模型；
所述的月表典型特征包括月巖、月坑、月溪、月脈和坡地的面積和深度。
所述的月表數(shù)字幾何模型包括月面模型、仿真用數(shù)字模型、地形快速原型 模型、動力學(xué)仿真路譜文件、軟土路面輪-地接觸模型、月球車運(yùn)動學(xué)模型、動 力學(xué)仿真碰撞模型、車輛速度，加速度反饋模型。
所述的月球車運(yùn)動學(xué)模型是指基于電機(jī)的模型和車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型—— 六輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向的月球車運(yùn)動學(xué)模型。
所述的地圖創(chuàng)建模塊通過無線信號傳回的月球車載系統(tǒng)上采集到的圖像序 列和傾斜角信息并分析計(jì)算得到的實(shí)際地圖模型。
地圖創(chuàng)建模塊通過比較月球車在不同時刻所采集到的視覺信息，通過概率方 法找到其中的最大相似處，從而確定月球車在捕獲兩幅圖像位置之間的位移，由 此獲得月球車相對于初始位置的一系列定位結(jié)果。通過比較月球車在不同時刻所 采集到的傾斜計(jì)信息，可以確定月球車相對于初始位置時的一系列姿態(tài)信息。同 時在不同的位置，利用異構(gòu)傳感器系統(tǒng)獲得的信息可以對月球車周圍的環(huán)境進(jìn)行 重建，獲得局部的三維環(huán)境。隨著月球車的運(yùn)動，其探測的環(huán)境會隨之?dāng)U張，利 用各個位置的定位信息可以將不同時刻不同位置建立的三維環(huán)境相互拼接，形成 更為完整的環(huán)境表達(dá)，即全局地圖。
所述的虛擬傳感模塊對地圖創(chuàng)建模塊所創(chuàng)建的地圖進(jìn)行分析、處理和識別。 該模塊包括虛擬視覺單元和虛擬傾斜計(jì)單元，其中虛擬視覺單元與三維仿真 模塊連接以傳輸虛擬視覺信息，虛擬傾斜計(jì)單元與三維仿真模塊相連接以傳輸月 球車的當(dāng)前位姿信息。
虛擬傳感模塊利用虛擬傳感器技術(shù)在三維虛擬環(huán)境中為虛擬月球車裝備適 用的虛擬傳感器構(gòu)成傳感器系統(tǒng)，對月球車的導(dǎo)航相關(guān)功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過 比較虛擬月球車在不同位置及不同姿態(tài)下獲得的圖像，利用視覺算法確定月球車 在捕獲兩幅圖像位置之間的位移，由此獲得月球車相對于初始位置的一系列定位 結(jié)果。同時在不同的位置，利用異構(gòu)傳感器系統(tǒng)獲得的信息可以對虛擬環(huán)境進(jìn)行重建，為三維仿真模塊獲得局部的三維環(huán)境。隨著虛擬月球車的運(yùn)動，其探測的 環(huán)境會隨之?dāng)U張，利用各個位置的定位信息可以將不同時刻不同位置建立的三維 環(huán)境相互拼接，形成更為完整的環(huán)境表達(dá)，即全局地圖。
所述的圖形化編程模塊根據(jù)全局地圖進(jìn)行圖形化編程處理，將每種圖形原語 以特定的圖形符號來表示，通過組織行為原語最終得到仿真程序和路徑規(guī)劃。
所述的三維仿真模塊根據(jù)月表數(shù)字幾何模型和圖形化編程模塊所生成的路 徑規(guī)劃程序進(jìn)行虛擬的三維圖形仿真，并仿真結(jié)果輸出至遙操作模塊。
所述的遙操作模塊根據(jù)仿真結(jié)果、仿真程序以及運(yùn)動控制指令通過無線電對 月球車進(jìn)行遠(yuǎn)程遙操作。
本發(fā)明離線分析模塊輸出月表數(shù)字幾何模型，地圖創(chuàng)建模塊接收圖像序列和 傾斜角信號并輸出實(shí)際地圖模型至虛擬傳感模塊，虛擬傳感模塊輸出全局地圖至 圖形化編程模塊，遙操作模塊接收三維仿真模塊輸出的仿真結(jié)果、圖形化編程模 塊輸出的仿真程序和路徑規(guī)劃以及人工輸入模塊輸出的運(yùn)動控制指令，當(dāng)三維仿 真模塊在三維仿真過程中未發(fā)生出錯情況則開始解析來自圖形化編程模塊產(chǎn)生 的路徑規(guī)劃程序，生成相應(yīng)的軌跡控制指令；生成的軌跡控制指令經(jīng)無線通訊傳 輸?shù)竭h(yuǎn)程的月球車上，從而對其進(jìn)行運(yùn)動控制；與此同時，通過分析月球車機(jī)載 系統(tǒng)上反饋的視覺和傾斜信息，邊進(jìn)行虛擬的三維仿真邊對遠(yuǎn)程的月球車進(jìn)行實(shí) 時的控制。當(dāng)三維仿真模塊在三維仿真過程中發(fā)生路徑失效或出現(xiàn)側(cè)翻情況時遙 操作模塊則接受人工輸入模塊輸出的運(yùn)動控制指令對月球車系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而 可以有效地防止事故發(fā)生。
本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)虛擬的三維仿真的基礎(chǔ)上，能夠通過無線通訊對遠(yuǎn)程的月球車 進(jìn)行遙操作，同時可接受人工輸入來對月球車當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)作改正以防止事故發(fā) 生。


圖l為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明中各模塊的邏輯關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下 進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。如圖1和圖2所示，本實(shí)施例包括離線分析模塊、地圖創(chuàng)建模塊、虛擬傳
感模塊、圖形化編程模塊、三維仿真模塊、遙操作模塊和人工輸入模塊，其中
離線分析模塊與圖形化編程模塊分別與三維仿真模塊相連接以輸出月表數(shù)字幾
何模型和路徑規(guī)劃程序，地圖創(chuàng)建模塊與月球車系統(tǒng)相連接收圖像序列和傾斜角
信號并輸出實(shí)際地圖模型至虛擬傳感模塊，虛擬傳感模塊輸出全局地圖至圖形化
編程模塊，遙操作模塊接收三維仿真模塊輸出的仿真結(jié)果、圖形化編程模塊輸出 的仿真程序以及人工輸入模塊輸出的運(yùn)動控制指令，并將軌跡控制輸出至月球車系統(tǒng)。
本實(shí)施例中所述的離線分析模塊，是指在進(jìn)行三維仿真之前所進(jìn)行的有關(guān)月 球車的一系列運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析和有關(guān)環(huán)境的數(shù)字模型的建立。根據(jù)月巖、月 坑、月溪、月脈和坡地的面積和深度，計(jì)算生成月表數(shù)字幾何模型，進(jìn)而建立與 仿真月面環(huán)境實(shí)驗(yàn)室形貌一致的數(shù)字月表模型，并且進(jìn)行可視化。參數(shù)化生成各
種特征組合的月面模型、仿真用數(shù)字模型、動力學(xué)仿真路譜文件以及動力學(xué)仿真 碰撞模型。建立基于電機(jī)模型和車體機(jī)械結(jié)構(gòu)的六輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向的月球車運(yùn) 動學(xué)模型；建立基于貝克(Bekker)理論的軟土路面輪-地接觸模型，實(shí)時修正 剛性接觸模型；同時建立車輛速度，加速度反饋模型。
本實(shí)施例中所述的地圖創(chuàng)建模塊通過無線信號傳回的月球車載系統(tǒng)上采集 到的圖像序列和傾斜角信息并分析計(jì)算得到的實(shí)際地圖模型。通過比較月球車在 不同時刻所采集到的視覺信息，通過概率方法找到其中的最大相似處，從而確定 月球車在捕獲兩幅圖像位置之間的位移，由此獲得月球車相對于初始位置的一系
列定位結(jié)果。通過比較月球車在不同時刻所采集到的傾斜計(jì)信息，可以確定月球 車相對于初始位置時的一系列姿態(tài)信息。同時利用異構(gòu)傳感器系統(tǒng)獲得的信息可 以對月球車周圍的環(huán)境進(jìn)行地形重建，獲得局部三維環(huán)境。隨著月球車的運(yùn)動，
利用各個位置的定位信息可以將不同時刻不同位置建立的三維環(huán)境相互拼接，形 成全局地圖，進(jìn)而對月球車進(jìn)行全局定位。
本實(shí)施例中的所述的虛擬傳感模塊包括虛擬視覺單元和虛擬傾斜計(jì)單元， 其中虛擬視覺單元與三維仿真模塊連接以傳輸虛擬視覺信息，虛擬傾斜計(jì)單元 與三維仿真模塊相連接以傳輸月球車的當(dāng)前位姿信息。虛擬傳感模塊利用虛擬傳
感器技術(shù)在三維虛擬環(huán)境中為虛擬月球車裝備適用的虛擬傳感器構(gòu)成傳感器系 統(tǒng)，對月球車的導(dǎo)航相關(guān)功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過比較虛擬月球車在不同位置及不同姿態(tài)下獲得的圖像，利用視覺算法確定月球車在捕獲兩幅圖像位置之間的位 移，由此獲得月球車相對于初始位置的一系列定位結(jié)果。同時在不同的位置，利 用異構(gòu)傳感器系統(tǒng)獲得的信息可以對虛擬環(huán)境進(jìn)行重建，為三維仿真模塊獲得局 部的三維環(huán)境。隨著虛擬月球車的運(yùn)動，其探測的環(huán)境會隨之?dāng)U張，利用各個位 置的定位信息可以將不同時刻不同位置建立的三維環(huán)境相互拼接，形成更為完整 的環(huán)境表達(dá)，即全局地圖。
本實(shí)施例中的所述的圖形化編程模塊根據(jù)全局地圖進(jìn)行圖形化編程處理，將 每種圖形原語以特定的圖形符號來表示，通過組織行為原語最終得到仿真程序和 路徑規(guī)劃并分別輸出至遙操作模塊和三維仿真模塊。
本實(shí)施例中所述的三維仿真模塊根據(jù)月表數(shù)字幾何模型和圖形化編程模塊 所生成的路徑規(guī)劃程序進(jìn)行虛擬的三維圖形仿真，并仿真結(jié)果輸出至遙操作模 塊。該模塊利用虛擬現(xiàn)實(shí)語言VRML (Virtual Reality Modeling Language)建立 機(jī)器人仿真模型，并導(dǎo)入到由JAVA3D構(gòu)建的三維虛擬場景中進(jìn)行實(shí)時仿真，同 時利用離線分析模塊中得到的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真模型對虛擬環(huán)境中的月球車進(jìn) 行運(yùn)動控制和碰撞檢測。另外，通過采用Java語言編程，能夠跨平臺使用，增 加了該仿真控制系統(tǒng)的通用性。
本實(shí)施例中所述的遙操作模塊根據(jù)仿真結(jié)果、仿真程序以及運(yùn)動控制指令通 過無線電對月球車進(jìn)行遠(yuǎn)程遙操作。
當(dāng)三維仿真模塊在三維仿真過程中未發(fā)生出錯情況則開始解析來自圖形化 編程模塊產(chǎn)生的路徑規(guī)劃程序，生成相應(yīng)的軌跡控制指令；生成的軌跡控制指令 經(jīng)無線通訊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的月球車上，從而對其進(jìn)行運(yùn)動控制；與此同時，通過分 析月球車機(jī)載系統(tǒng)上反饋的視覺和傾斜信息，邊進(jìn)行虛擬的三維仿真邊對遠(yuǎn)程的
月球車進(jìn)行實(shí)時的控制。
當(dāng)三維仿真模塊在三維仿真過程中發(fā)生路徑失效或出現(xiàn)側(cè)翻情況時遙操作 模塊則接受人工輸入模塊輸出的運(yùn)動控制指令對月球車系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而可以 有效地防止事故發(fā)生。
本實(shí)施例中的人工輸入模塊，是在發(fā)現(xiàn)實(shí)際月球車運(yùn)動過程中出現(xiàn)不可預(yù)計(jì) 的錯誤和故障情況后，通過人工輸入控制指令來對遠(yuǎn)程的月球車進(jìn)行軌跡控制。 該模塊所產(chǎn)生的控制指令經(jīng)遙操作模塊下發(fā)到遠(yuǎn)程的月球車系統(tǒng)上。
權(quán)利要求
1、一種面向月球車遠(yuǎn)程遙操作的仿真控制系統(tǒng)，其特征在于，包括離線分析模塊、地圖創(chuàng)建模塊、虛擬傳感模塊、圖形化編程模塊、三維仿真模塊、遙操作模塊和人工輸入模塊，其中離線分析模塊與圖形化編程模塊分別與三維仿真模塊相連接以輸出月表數(shù)字幾何模型和路徑規(guī)劃程序，地圖創(chuàng)建模塊與月球車系統(tǒng)相連接收圖像序列和傾斜角信號并輸出實(shí)際地圖模型至虛擬傳感模塊，虛擬傳感模塊輸出全局地圖至圖形化編程模塊，遙操作模塊接收三維仿真模塊輸出的仿真結(jié)果、圖形化編程模塊輸出的仿真程序以及人工輸入模塊輸出的運(yùn)動控制指令，并將軌跡控制輸出至月球車系統(tǒng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向月球車遠(yuǎn)程遙操作的仿真控制系統(tǒng)，其特征 是，所述的離線分析模塊，根據(jù)月表典型特征和月球車動力參數(shù)計(jì)算生成月表數(shù) 字幾何模型月表典型特征包括月巖、月坑、月溪、月脈和坡地的面積和深度； 月表數(shù)字幾何模型包括月面模型、仿真用數(shù)字模型、地形快速原型模型、動力 學(xué)仿真路譜文件、軟土路面輪-地接觸模型、月球車運(yùn)動學(xué)模型、動力學(xué)仿真碰 撞模型、車輛速度，加速度反饋模型。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向月球車遠(yuǎn)程遙操作的仿真控制系統(tǒng)，其特征 是，所述的地圖創(chuàng)建模塊通過無線信號傳回的月球車載系統(tǒng)上采集到的圖像序列 和傾斜角信息并分析計(jì)算得到的實(shí)際地圖模型。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向月球車遠(yuǎn)程遙操作的仿真控制系統(tǒng)，其特征 是，所述的虛擬傳感模塊對地圖創(chuàng)建模塊所創(chuàng)建的地圖進(jìn)行分析、處理和識別， 該模塊包括虛擬視覺單元和虛擬傾斜計(jì)單元，其中虛擬視覺單元與三維仿真 模塊連接以傳輸虛擬視覺信息，虛擬傾斜計(jì)單元與三維仿真模塊相連接以傳輸月 球車的當(dāng)前位姿信息。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向月球車遠(yuǎn)程遙操作的仿真控制系統(tǒng)，其特征 是，所述的圖形化編程模塊根據(jù)全局地圖進(jìn)行圖形化編程處理，將每種圖形原語 以特定的圖形符號來表示，通過組織行為原語最終得到仿真程序和路徑規(guī)劃。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向月球車遠(yuǎn)程遙操作的仿真控制系統(tǒng)，其特征 是，所述的三維仿真模塊根據(jù)月表數(shù)字幾何模型和圖形化編程模塊所生成的路徑規(guī)劃程序進(jìn)行虛擬的三維圖形仿真，并仿真結(jié)果輸出至遙操作模塊。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向月球車遠(yuǎn)程遙操作的仿真控制系統(tǒng)，其特征 是，所述的遙操作模塊根據(jù)仿真結(jié)果、仿真程序以及運(yùn)動控制指令通過無線電對 月球車進(jìn)行遠(yuǎn)程遙操作。
全文摘要
一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域的面向月球車遠(yuǎn)程遙操作的仿真控制系統(tǒng)，包括離線分析模塊、地圖創(chuàng)建模塊、虛擬傳感模塊、圖形化編程模塊、三維仿真模塊、遙操作模塊和人工輸入模塊，其中離線分析模塊與圖形化編程模塊分別與三維仿真模塊相連接以輸出月表數(shù)字幾何模型和路徑規(guī)劃程序，地圖創(chuàng)建模塊與月球車系統(tǒng)相連接收圖像序列和傾斜角信號并輸出實(shí)際地圖模型至虛擬傳感模塊，虛擬傳感模塊輸出全局地圖至圖形化編程模塊，遙操作模塊接收三維仿真模塊輸出的仿真結(jié)果、圖形化編程模塊輸出的仿真程序以及人工輸入模塊輸出的運(yùn)動控制指令，并將軌跡控制輸出至月球車系統(tǒng)。本發(fā)明對月球車能夠得到有效、安全的控制，模擬月球車所要進(jìn)行的遙操作控制的過程并在線實(shí)時仿真顯示。
文檔編號G05B17/00GK101630146SQ20091005561
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日
發(fā)明者曹其新, 陳培華 申請人:上海交通大學(xué)