（控制科學(xué)與工程專業(yè)論文）大時延遙操作技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究.pdf

里墮型蘭墊查奎堂竺墅塵墮堂垡笙奎一一 摘要 大時延遙操作技術(shù)是空間機(jī)器人領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。大時延遙操作的一個核心 問題是如何在大時延和有限帶寬的條件下，保證遙操作的平穩(wěn)性，同時提高遙操作的 透明性。為了解決這一問題，本文的基本思想是利用機(jī)器人的局部自主能力，把時間 延遲排除在底層控制回路之外，保證遙操作的平穩(wěn)性；同時，利用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的人 機(jī)接口技術(shù)提高遙操作的透明性。碰撞檢測技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)， 對于復(fù)雜虛擬環(huán)境，碰撞檢測往往成為系統(tǒng)的計(jì)算瓶頸。本文針對遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用， 對多體快速碰撞檢測技術(shù)進(jìn)行了研究。本文的主要研究內(nèi)容分為三個部分：大時延遙 操作系統(tǒng)框架研究、遙編程技術(shù)研究，以及快速碰撞檢測技術(shù)研究。 為了建立靈活的人機(jī)協(xié)調(diào)機(jī)制，本文基于監(jiān)控思想，提出了一個基于p e t r i 網(wǎng)的 大時延遙操作系統(tǒng)框架。該框架涵蓋了任務(wù)建模、任務(wù)協(xié)調(diào)，以及任務(wù)監(jiān)控等幾個方 面；本文研究了基于p e t r i 網(wǎng)的的任務(wù)建模方法。針對自由運(yùn)動，提出了一個基于路 徑關(guān)鍵點(diǎn)提取的動作級任務(wù)建模方法：針對復(fù)雜任務(wù)，提出了一個根據(jù)子任務(wù)的p e t r i 網(wǎng)系統(tǒng)模型，通過變遷細(xì)化方法建立任務(wù)的分層p e t r i 網(wǎng)模型的方法：本文提出了一 個基于p e t r i 網(wǎng)的任務(wù)協(xié)調(diào)方法，該方法根據(jù)任務(wù)空間的謂詞變遷網(wǎng)描述，通過狀態(tài) 識別和動作識別，實(shí)現(xiàn)了從操作員的連續(xù)動作到任務(wù)的動作序列的轉(zhuǎn)化。 本文對遙編程所涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括：虛擬預(yù)測仿真、程序自動生成，以 及誤差校正，進(jìn)行了研究。本文實(shí)現(xiàn)了一個遙編程系統(tǒng)，并基于遙編程建立了一個大 時延遙操作試驗(yàn)系統(tǒng)。進(jìn)行了典型的大時延遙操作仿真試驗(yàn)，成功完成了高精度遙操 作任務(wù)。 本文研究了基于空間分割的快速碰撞檢測方法，其中包括：基于均勻空間分割的 快速碰撞檢測和基于非均勻空間分割的快速碰撞檢測。提出了一種基于均勻空間分割 的快速碰撞檢測算法u s s c d ，與經(jīng)典的i c o l l i d e 算法進(jìn)行了對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果 表明，在物體均勻分布的情況下，隨物體數(shù)量的增多，u s s c d 表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢； 提出了一類非均勻空間分割方法，在該方法中，空間分割由基于密度的非均勻空間分 割和對每個子空間進(jìn)行均勻分割兩個步驟實(shí)現(xiàn)；提出了一種基于投影的非均勻空間分 割方法。在該方法中，通過物體的軸向投影直方圖表征空間分相密度，通過區(qū)域生長 實(shí)現(xiàn)空間分割；提出了一種基于聚類的自適應(yīng)空間分割方法。該方法由兩個部分構(gòu)成， 首先通過一個基于局部密度的聚類算法對物體進(jìn)行聚類；然后，根據(jù)聚類結(jié)果，通 過簡化分割方法實(shí)現(xiàn)空間分割。l 蘆。一 一 粵墮壁蘭絲查盔堂嬰塞塵墼翌堡笙墨 一一 _ _ - _ _ - _ _ m - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一。 a b s t r a c t t e l e o p e r a t i o nt h r o u g hl a r g et i m ed e l a y ( t 3 d ) i s o n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nt h ef i e l d o fs d a c er o b o t o n eo ft h ec o r ep r o b l e m si nt 3 d i sh o wt om a i n t a i nt h es t a b i l i t ya n dt o p r o m o t e t h et r a n s p a r e n c yo ft h et e l e o p c r a t i o ns y s t e m ，o nt h ec o n d i t i o no fl a r g et i m ed e l a y a n dl i m i t e db a n d w i d t hi nt h ec o m m u n i c a t i o nl i n kb e t w e e nt h eo p e r a t o rc o n t r o ls t a t i o no n t h ee a r t ha n dt h er o b o tw o r k s t a t i o ni ns p a c e 。t h i sp a p e rp r e s e n t st w ob a s i cp o i n t st oc o p e w i t ht h i sp r o b l e m ，f i r s t ，t h ei m p a c to f l a r g et i m ed e l a y i nt h es e r v o c o n t r o ll o o pi sa v o i d e d t h r o u g h t h el o c a la u t o m a t i o no ft h et e l e r o b o t ，t h e r e f o r e ，t h es t a b i l i t yi sm a i n t a i n e d s e c o n d ， t h et r a n s p a r e n c yi sp r o m o t e db yd e v e l o p i n gt h ea d v a n c e dh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c eb a s e d o nv i r t u a lr e a l i t y ( v r ) c o l l i s i o nd e t e c t i o ni so n eo f t h ek e yt e c h n i q u e si nt h ea p p l i c a t i o n o fv r w h i c hu s u a l l yp r e s e n t sa st h eb o t t l e n e c ko ft h ec o m p u t i n gp e r f o r m a n c ei nc o m p l e x v i r t u a le n v i r o n m e n t w i t ht h eb a c k g r o u n do ft e l e s c i e n c ee x p e r i m e n ta p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e r c o n c e n 拄a t e so nt h er e s e a r c ho fa c c e l e r a t e da l g o r i t h mf o rn b o d yc o l l i s i o nd e t e c t i o n 。t h e m a i nc o n t e n t si n t h i s p a p e r i n c l u d et h r e e a s p e c t s ：f r a m e w o r k f o rt d s y s t e m ， t e l e p r o g r a m m i n g ，a n d a c c e l e r a t e dc o l l i s i o nd e t e c t i o nm e t h o d s t od e v e l o paf l e x i b l ec o o r d i n a t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h eh u m a no p e r a t o ra n dt h e m a c h i n e ，ap e t r in e t sb a s e du n i f i e ds y s t e mf r a m e w o r k f o rt 3 di sp r o p o s e d ，w h i c h ，f o l l o w s t h ec o n c e p to f s u p e r v i s o r yc o n t r o l ，a n dc o v e r st h em a i na s p e c t so f t h es y s t e m ，s u c ha st a s k m o d e l i n g ，t a s kc o o r d i n a t i o n ，a n d t a s ks u p e r v i s i o n u n d e rt h i sf r a m e w o r k ，t h et a s km o d e l i n g m e t h o d sb a s e do np e t r in e t sa 撐s t u d i e d a na c t i o n - l e v e lt a s km o d e l i n gm e t h o df o rf r e e m o v ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nam e t h o do fk e yp o i me x t r a c t i o nf r o mt h et r a j e c t o r y ah i e r a r c h i c a lt a s km o d e l i n gm e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c hc o n s t r u c t st h eh i e r a r c h i c a lm o d e l t h r o u g ht h et r a n s i t i o n - r e f i n e m e n ta c c o r d i n gt ot h ep e t r in e t ss y s t e mm o d e l o ft h es u b t a s k s at a s kc o o r d i n a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c h ，a c c o r d i n gt ot h ep r e d i c a t e s t r a n s i t i o nn e t s r e p r e s e n t a t i o no ft h e t a s k s p a c e ，t h r o u g hs t a t er e c o g n i z a t i o na n da c t i o nr e c o g n i z a t i o n ， t r a n s a c t st h ec o n t i n u o u sa c t i o n so f t h e o p e r a t o rt oas e r i e so f i n s t r u c t i o n sf o rt h et e l e r o b o t t nt h i sp a p e r , s e v e r a l k e yt e c h n i q u e s r e l a t i v et ot e t e p r o g r a m m i n ga r es t u d i e d ，i n c l u d i n g p r e d e c t i v ed i s p l a yt h r o u g hv i 蛀u a 薹e n v i r o n m e n t ，a u t o m a t i cp r o g r a mg e n e r a t i o n 。a n de r r o r c o r r t e c t i o no ft h ev i r t u a le n v i r o n m e n t 。at e l e p r o g r a n m a i n gb a s e de x p e r i m e n t a lt 3 d s y s t e m i sd e v e l o p e d 。1 r i 坨t y p i c a lp e g - i n - h o l ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e d , a n dt di ss i m u l a t e db y a r t i f i c i a ld e l a ys e t u p t h es y s t e mi ss u c c e e d e di nt h ep a r t - m a t i n gt a s k ，w h i c hp r o v e st h e v a l i d i t yo f t h et e l e p r o g r a m m i n gs y s t e mf o rh i g h - p r e c i s i o nt a s k i nt h i s p a p e l as e to fa c c e l e r a t e dc o l l i s i o nd e t e c t i o n m g o f i t h m sb a s e do ns p a c e s u b d i v i s i o nb 1 ed e v e l o p e d o n ea c c e l e r a t e dn - b o d yc o l l i s i o nd e t e c t i o n a l g o r i t h mb a s e do n u n i f o r ms p a c i a ls u b d i v i s i o n ，c a l l e du s s c d ，i s p r o p o s e d t h ep e r f o r m a n c eo f u s s c di s c o m p a r e dw i t ht h ew e l lk n o w n a l g o r i t h m ，i c o l l i d e ，t h r o u g h as e r i e so f e x p e r i m e n t s 。t k r e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nt h eo b j e c t sa r ee v e n l yd i s t r i b u t e d ，a n dt h en u m b e ro f o b j e c t si s - n 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 1 a r g e ，t h ep e r f o r m a n c eo fu s s c d i sb e a e rt h a nt h a to fi c o l l i d e i nt h i sp a p e r , a c l a s so f n o n u n i f o r ms p a c i a ls u b d i v i s i o nm e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c h i sc o m p o s e do ft w os t e p s ：f i r s t ， t h es p a c ei s c o a r s e l ys u b d i v i d e dn o n u n i f o r m l y , b a s e do nt h ed i s t r i b u t i o nd e n s i t yo f t h e o b j e c t s ，t h e n ，e v e r ys u b s p a c e i su n i f o r m l ys u b d i v i d e d ap r o j e c d o nb a s e dn o n - t m i f o r m s p a t i a ls u b d i v i s i o nm e t h o di sp r o p o s e d ，i nw h i c h t h ed i s t r i b u t i o nd e n s i t yi sm e a s u r e db y t h e h i s t g r a m o ft h e o b j e c t sp r o j e c t i o n o nt h r e ec o o r d i n a t i o na x i s ，a n dt h es p a c ei s s u b d i v i d e dt h r o u g ha r e g i o n - g r o w n a l g o r i t h m a na d a p t i v es p a c es u b d i v i s i o nm e t h o d b a s e do nc l u s t e r i n gi sp r o p o s e d ，w h i c hc o m p l e t e ss p a c es u b d i v i s i o nt h r o u g ht w os t e p s ：f i r s t t h eo b j e c t sa r ec l a s s i f i e dt h r o u g han e wl o c a l d e n s i t yb a s e dc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，t h e nt h e s p a c ei ss u b d i v i d e da c c o r d i n g t ot h ec l u s t e r i n g k e y w o r d $ ：t e l e o p e r a t i o n ，t e l e r o b o t i c s ，t e l e p r o g r a m m i n g ，v i r t u a lr e a l i t y , c o l l i s i o n d e t e c t i o n ，s p a c i a ls u b d i v i s i o n ，p e 塒n e t s 蓍防毒善學(xué)技術(shù)夫?qū)W酶究生院學(xué)經(jīng)論文 第一章緒論 1 。1研究背景 在人類走向太空的過程孛，空閏梳器人扮演著越來越重簧酌筠色。垂2 0 毽紀(jì) 年代以來，從單純的星球襲面探測任務(wù)開始，發(fā)展到今天，窆閩枧器人的應(yīng)用已綴擴(kuò) 展到包括在軌裝配與維修、艙內(nèi)科學(xué)負(fù)載服務(wù)、熙球表面探測等眾多領(lǐng)域。隨著應(yīng)用 領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，空閾橇裙入驕承擔(dān)酌任務(wù)靜復(fù)雜性魂不斷蹭藤，觚結(jié)構(gòu)訖環(huán)境中的 重復(fù)性操作到非結(jié)孛句化環(huán)境下的非重復(fù)性操作，從，j 、蒗圍的短時豹星球表垂漫游，到 大范圍的長時間的慰球表筒勘測。為了適_ | 盥環(huán)境和操作任務(wù)的復(fù)雜性，需要空問機(jī)器 入其有較強(qiáng)的自主麓力。從長遠(yuǎn)看，空間梳器入必然贛其雷商度的感稚、判斷、決策 和熄劃熊力的方向發(fā)展。麓度囊主的宅闋執(zhí)器人，能代驁人從事務(wù)種空間作敗，j 璐無 需人的介入。然而，限于目前智能技術(shù)水平，全自主空間機(jī)器人在短期內(nèi)難以走向?qū)?用。在這種情況下，一個現(xiàn)實(shí)選擇就是走入杌結(jié)合的道路，發(fā)袋遙搽作空闖梳器人 ( t e l e r o b o t i e s ，以下麓垂瑩遙機(jī)囂人) 。對予遙祝器人，機(jī)器人系統(tǒng)具有髑部奠主能力， 一定程度上能夠進(jìn)行感知、反應(yīng)和規(guī)劃，但整個系統(tǒng)的智能是通過操作員和機(jī)器人的 相互配合實(shí)現(xiàn)的。一般，穰據(jù)自主能力，避機(jī)器入介予完全靠預(yù)編程和手動控制的自 動化裝爨，褻全塞圭楓爨入之越，被稱為第二代窆魁極爨入【l 】。 本文對于大時延遙操作技術(shù)的研究主要以遙機(jī)器人為背景。從狹義上講，大時延 遙操作怒指操作員對操作器進(jìn)行連續(xù)的、贏接的控制，在操作員和操作器之間形成閉 合懿控麓露鼴，在熊控制疆路孛存在較大慰瓣延遲( 一般為移級) ；f - 義上游，大時 延遙操作泛指在操作員和操作器間存在較大通信延遲的人機(jī)交互系統(tǒng)。操作員既可以 對操作器進(jìn)行連續(xù)控制，也可以向操作器發(fā)送符號命令并對執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)視。在遙 輥器入系統(tǒng)中，空闥橇器人玉縫囂操俸員接麓，在操佟員控翻菇稻楓囂人工俸菇的逶 信線路中往往存在數(shù)秒的數(shù)據(jù)傳輸延遲( 空l s j 站和地球間長達(dá)5 秒，月球和地球蒯在 6 秒以上，是為大時延) 。在空間應(yīng)用中，由于操作環(huán)境的危險能、宇航員的高昂代 價等因素，大辯延遙操佟成為遙梳器入| 奄釋主要形式。 大時延遙操l 乍巍臨的主要困難在于：在操作員和操作器閩存在大對延，聰且通信 帶寬有限( 很難滿足實(shí)時視頻信息的傳輸) 。這使得傳統(tǒng)的主從避控系統(tǒng)在保持控制 系統(tǒng)靜穩(wěn)定性稻買裔必要昭動態(tài)往琵之閹，穰難權(quán)衡；同時，帶寬限制使得操作員難 以獲季暈充分的操作現(xiàn)場的反饋饋息。綴此，研究孫償大對延秘有漿榮寬瓣影暇、提裹 遙機(jī)器人系統(tǒng)性能的大時延遙操作技術(shù)，對于空間機(jī)器人的發(fā)展具有十分重要的意 第l 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 義。 我四在航天技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，從長遠(yuǎn)的角度必然要發(fā)展載人航天技術(shù)，建立大型 空問站。但在目前的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下，可能的途徑是建立小型的空間實(shí)驗(yàn)室，在短 期有人照料，長期無人職守的狀態(tài)下， 科學(xué)實(shí)驗(yàn)，完成各項(xiàng)維護(hù)、操作任務(wù)。 領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)【2 。 由地面操作人員控制空陽j 的機(jī)器人，進(jìn)行空間 所以，大時延遙操作技術(shù)，是我國空問機(jī)器人 虛擬現(xiàn)實(shí)( v i r t u a lr e a l i t y ，簡稱v r ) 技術(shù)是近年來國際上興起的一種先進(jìn)人機(jī) 接口技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，v r 技術(shù)已顯示出廣泛的應(yīng)用前景。在遙機(jī) 器人領(lǐng)域，利用v r 技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)界面已引起了廣泛重視。美國航空航天局 ( n a s a ) 從8 0 年代初就開始支持v r 技術(shù)的開發(fā)，并于1 9 9 3 年1 0 月出版了“n a s a 虛擬環(huán)境研究、應(yīng)用和技術(shù)”的白皮書，介紹了n a s a 有關(guān)v r 技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程、主 要研究成果和1 9 9 4 1 9 9 8 年的發(fā)展規(guī)劃，其中的主要研究項(xiàng)目包括：航天應(yīng)用中的虛 擬環(huán)境空間操作的可視化和用于遙操作遙科學(xué)機(jī)器人的虛擬環(huán)境控制和訓(xùn)練系統(tǒng)。 在大時延遙操作中，一個關(guān)鍵的問題是如何在大時延和有限帶寬條件下，使操作 員獲得及時的、連續(xù)的視覺和運(yùn)動覺反饋信息，實(shí)現(xiàn)遙現(xiàn)( t e l e p r e s e n c e ) 。這對于增 加遙操作的透明性( t r a n s p a r a n c y ) ，充分發(fā)揮操作員的感知、判斷能力，從而提高系 統(tǒng)的整體性能具有重要的作用。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為補(bǔ)償大時延和有限帶寬的影響 提供了一種有效手段，主要作用體現(xiàn)在以下兩個方面： 1 ) 實(shí)現(xiàn)預(yù)測顯示( p r e d i c t i v ed i s p l a y ) 根據(jù)物體和機(jī)器人的幾何模型和物理模型，構(gòu)造虛擬環(huán)境和虛擬機(jī)器人。一方面， 虛擬機(jī)器人能夠即時響應(yīng)操作員的動作，進(jìn)行連續(xù)運(yùn)動，從而提供即時的視覺反饋； 另一方面，通過仿真運(yùn)行，虛擬機(jī)器人能夠按照規(guī)劃的程序預(yù)測顯示機(jī)器人的運(yùn)動軌 跡，使操作員可以對指令序列進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，增加操作指令的合理性，從而提高系 統(tǒng)的安全性和可靠性。 2 ) 實(shí)現(xiàn)遙現(xiàn) 在結(jié)構(gòu)化操作環(huán)境中，物體的幾何模型是已知的，根據(jù)機(jī)器人和物體的位姿信息， 通過圖形重構(gòu)的辦法，可以合成虛擬的操作環(huán)境，將操作環(huán)境的真實(shí)狀念顯示出來。 在虛擬環(huán)境中，不僅實(shí)現(xiàn)了立體顯示，而且操作員可以改變視點(diǎn)進(jìn)行漫游，從而通過 位姿信息而非視頻圖像實(shí)現(xiàn)了操作現(xiàn)場的遙現(xiàn)。這將大大降低對通信帶寬的要求，從 而有望在有限帶寬條件下實(shí)現(xiàn)對操作環(huán)境的連續(xù)觀察。 我國在空間機(jī)器人技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面的研究起步較晚。目前，大時延遙操 作及虎擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有許多關(guān)鍵問題亟待解決。在1 9 9 9 年全國第一屆空間機(jī)器人及遙 科學(xué)技術(shù)研討會中，明確提出把應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)的大時延遙操作技術(shù)作為我國空間機(jī)器 人研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) 2 】 3 】。本文研究的目的是對大時延遙操作及其相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí) 技術(shù)進(jìn)行探索，為我國空間機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)。 第2 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)倪論文 1 2 大時延遙操作國內(nèi)外現(xiàn)狀 國際上，包括美國、加拿大、歐共體各國、同本和俄羅斯等國在內(nèi)的許多國家和 機(jī)構(gòu)都對空問遙機(jī)器人展開了研究。其中比較有代表性的是美國航空航天局( n a s a ) 、 f 1 本空陽j 發(fā)展局( n a s d a ) ，以及歐空局( e s a ) ，他們都制定了空間遙機(jī)器人的研 制和試驗(yàn)計(jì)劃。 n a s a 自1 9 9 3 年來就制定了空間遙機(jī)器人的大規(guī)模研制計(jì)劃。在n a s a 的計(jì)劃 中，將空間遙機(jī)器人分為三個主要的應(yīng)用領(lǐng)域：在軌裝配與維修、科學(xué)負(fù)載服務(wù)，以 及星球表面探測。目前主要集中于在軌裝配維修機(jī)器人和星球表面探測機(jī)器人兩個方 面，而用于科學(xué)負(fù)載服務(wù)的艙內(nèi)機(jī)器人研制計(jì)劃基本于1 9 9 4 年中止。在n a s a 的計(jì) 劃中明確提出應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)接口技術(shù)和大時延遙操作技術(shù)作為遙機(jī)器人的關(guān) 鍵技術(shù)。1 9 9 6 年，美國發(fā)射了火星探路者( m a r sp a t h f i n d e r ) ，其中載有火星漫游機(jī) 器人索杰納( s o j o u r n e r ) 。索杰納主要用于技術(shù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證導(dǎo)航和運(yùn)動性能，其漫游 范圍只有幾十米?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)研制了一個星球探測機(jī)器人試驗(yàn)系統(tǒng)n o m a d 。該系 統(tǒng)已在a t a c a m a 沙漠地帶進(jìn)行了野外試驗(yàn)，漫游距離達(dá)到了2 0 0 k i n ，表明其驅(qū)動、定 位、導(dǎo)航、視覺、遙操作等技術(shù)已取得關(guān)鍵性突破。從1 9 9 2 年開始，美國馬早蘭大 學(xué)與n a s a 的噴氣推進(jìn)動力實(shí)驗(yàn)室( j p l ) 合作研究了漫游者空間機(jī)器人r a n g e r 。 r a n g e r 是一個雙手自由飛行遙機(jī)器人飛行試驗(yàn)系統(tǒng)，主要用于n a s a 計(jì)劃中各項(xiàng)技 術(shù)的在軌驗(yàn)證、核實(shí)。 歐空局( e s a ) 于1 9 9 3 年4 月試驗(yàn)了艙內(nèi)機(jī)器人r o t e x ，成功地進(jìn)行了多項(xiàng)操 作實(shí)驗(yàn)，包括：借助預(yù)測顯示系統(tǒng)的地空遙操作，基于傳感器的離線編程監(jiān)控式 操作。r o t e x 是第一個艙內(nèi)遙機(jī)器人試驗(yàn)系統(tǒng)。 n a s d a 于1 9 9 7 年1 1 月發(fā)射了e t s v i i 衛(wèi)星，到1 9 9 9 年為止，成功地進(jìn)行了各 項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)，其主要目的之一就是試驗(yàn)地空遙操作機(jī)器人技術(shù)，解決大時延 問題。e t s v i i 是第一個遙控式自由飛行空間機(jī)器人。在e t s v i i 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中采用 多項(xiàng)技術(shù)來克服大時延問題，其中主要有兩種操作模式：基于3 d 預(yù)測仿真顯示的遙 操縱模式( t e l e m a n i p u l a t i o n ) 和遙編程模式( t e l e p r o g r a m m i n g ) 。此外，借助e t s v i i 衛(wèi)星，德國實(shí)驗(yàn)了其應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)的大時延遙操作系統(tǒng)g e t e x 。 1 3 主要研究內(nèi)容 大時延遙操作的一個核心問題是如何保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時提高操作的透明 性。這里所謂透明性是對操作員能否有效控制操作器進(jìn)行靈巧操作以及操作員能否獲 得即時的充分的反饋信息的一個綜合度量。為了解決這一問題，本文的基本思想是利 第3 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 用機(jī)器人的局部自主能力，把時間延遲排除在底層控制回路之外，保證操作的穩(wěn)定性： 同時，利用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)接口技術(shù)提高操作的透明性。 本文的主要研究內(nèi)容分為三個部分：大時延遙操作系統(tǒng)框架研究、遙編程技術(shù)研 究，以及碰撞檢測技術(shù)研究。 1 3 1 系統(tǒng)框架研究 大時延遙操作系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是一個人機(jī)合作的智能系統(tǒng)。決定系統(tǒng)性能的核心問 題是如何協(xié)調(diào)人和機(jī)器間的功能。人機(jī)協(xié)調(diào)的基本原則是優(yōu)勢互補(bǔ)。一般地說，人的 長處在于具有較強(qiáng)的感知、決策和規(guī)劃能力，而機(jī)器的長處在于可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的、高 精度的操作。對于一個智能系統(tǒng)，其感知、決策、規(guī)劃，以及執(zhí)行等功能分布在不同 的智能層次上( 如決策層、執(zhí)行層) 。因此，人機(jī)協(xié)調(diào)問題表現(xiàn)為如何將不同層次的 不同功能在操作員和機(jī)器之間進(jìn)行分配。具體的分配方案取決于任務(wù)的復(fù)雜性、環(huán)境 的復(fù)雜性、操作員的技能以及機(jī)器人的自主能力等方面的因素。比如，對于熟練的專 業(yè)操作員、簡單的任務(wù)，可以采用直接的主從控制方式，此時，操作員承擔(dān)了大部分 功能，而機(jī)器人只負(fù)責(zé)底層的執(zhí)行；對于復(fù)雜的操作任務(wù)，采取監(jiān)控方式( s u p e r v i s o r y c o n t r 0 1 ) ，依靠機(jī)器人的局部自主能力，則是自然的選擇。在實(shí)際操作過程中，由于 不同階段的操作復(fù)雜性和精度要求的變化，這種功能分配也應(yīng)隨之發(fā)生變化。不同的 分配方案，對應(yīng)為操作員在系統(tǒng)中的不同介入方式，靈活的人機(jī)協(xié)調(diào)機(jī)制應(yīng)該滿足操 作員在不同層次的介入的需求。綜上所述，大時延遙操作的一個核心問題是確立合理 的、靈活的人機(jī)協(xié)調(diào)機(jī)制。本文對大時延遙操作的研究以監(jiān)控方式為主，系統(tǒng)框架按 照監(jiān)控的原則建立。為此，需要系統(tǒng)框架滿足如下幾方面的要求： 1 人機(jī)交互的方式遵從監(jiān)控模式。在監(jiān)控方式下，操作員的主要功能可以概括 為：任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)監(jiān)控兩個方面。系統(tǒng)框架應(yīng)該體現(xiàn)這兩個方面的功能要 求： 2 操作員能在多個層次介入系統(tǒng)的控制。操作員能分別在任務(wù)級和動作級進(jìn)行 規(guī)劃和監(jiān)控； 3 支持對系統(tǒng)性能的定量分析?；谙到y(tǒng)模型，可以對系統(tǒng)的控制性能( 包括 能控性、穩(wěn)定性等) 進(jìn)行分析，同時在大時延條件下，對系統(tǒng)的效率進(jìn)行分 析。 本文在大時延遙操作系統(tǒng)框架方面的研究，是為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)所進(jìn)行的積極探 索。本文從基于p e t r i 網(wǎng)的系統(tǒng)框架概念出發(fā)，研究了基于p e t r i 網(wǎng)的任務(wù)建模方法， 其中包括基本任務(wù)建模方法和面向分層任務(wù)描述的復(fù)雜建模方法；面向任務(wù)規(guī)劃，本 文研究了基于p e t r i 網(wǎng)的任務(wù)協(xié)調(diào)方法。 第4 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 1 3 2 遙編程研究 在監(jiān)控方式中，機(jī)器人的控制是通過抽象的符號命令實(shí)現(xiàn)的，操作員根據(jù)機(jī)器人 對命令的執(zhí)行情況，規(guī)劃后續(xù)的操作。操作員規(guī)劃的合理性取決于其對操作狀念的判 斷。f 確的判斷一方面來自于對操作現(xiàn)場的觀察，一方面來自于基于先驗(yàn)知識的預(yù)測。 在大時延遙操作中，對每一個命令，操作員至少要等待一個通訊周期才能獲得相應(yīng)的 執(zhí)行結(jié)果，因此，僅僅根據(jù)來自操作現(xiàn)場的反饋信息，操作員難以進(jìn)行連續(xù)的規(guī)劃， 只能采取“一步一?！? s t e p b y s t e p ) 的方式。然而，在具體的動作過程中，人們習(xí) 慣于連續(xù)地操作。并且，人的操作意圖往往是通過直接地連續(xù)動作的方式來表達(dá)的， 而不是抽象的符號命令。這種對于連續(xù)操作的需求與間斷控制方式間的矛盾，成為大 時延遙操作人機(jī)接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個關(guān)鍵問題。解決這一問題的一個思路就是充分 利用對于機(jī)器人和操作環(huán)境的先驗(yàn)知識，通過仿真對操作任務(wù)進(jìn)行預(yù)測，同時，將操 作員的動作轉(zhuǎn)化為符號命令。類似于人機(jī)交互界面中經(jīng)典的“所見即所得”的思想， 遙編程概念利用虛擬現(xiàn)實(shí)預(yù)測仿真和自動程序生成，為解決上述矛盾提供了一種途 徑，對克服大時延的影響具有重要的意義。 本文對遙編程所涉及的一些關(guān)鍵問題，包括：虛擬預(yù)測仿真、程序自動生成，以 及誤差校正，進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，基于遙編程概念實(shí)現(xiàn)了一個大時延遙操作試 驗(yàn)系統(tǒng)，并通過典型的遙操作試驗(yàn)，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。 1 3 3 碰撞檢測研究 在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行仿真的過程中，一個不可回避的問題就是碰撞檢測。對于遙 操作而言，要仿真機(jī)器人同操作環(huán)境發(fā)生接觸的動態(tài)過程，首要的問題就是進(jìn)行準(zhǔn)確 的碰撞檢測。對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身而言，碰撞檢測是影響計(jì)算效率的一個瓶頸，要實(shí) 現(xiàn)實(shí)時的仿真和顯示，必然要快速的碰撞檢測。盡管在碰撞檢測方面，已經(jīng)有一些研 究成果，但是快速而準(zhǔn)確的碰撞檢測仍是一個亟待解決的問題。 除了在大時延遙操作中的應(yīng)用外，虛擬現(xiàn)實(shí)的另一個應(yīng)用是空間遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)仿 真。在給定模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行直觀表達(dá)，將在 很大程度上彌補(bǔ)由于在地面難以模擬空間微重力環(huán)境的不足。然而，在基于虛擬現(xiàn)實(shí) 的遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真中，面臨的一個難題是，表達(dá)的對象數(shù)量眾多( 如微粒沉淀仿真) ， 而且在動念仿真過程中，對象問往往發(fā)生碰撞，在這種情況下，常規(guī)碰撞檢測方法無 法滿足計(jì)算實(shí)時性的要求。 上述大時延遙操作中接觸過程動態(tài)仿真的需要和遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真中的問題，促使 本文對碰撞檢測技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。其中，著重于對多體快速碰撞檢測技術(shù)的研 究。本文主要研究了基于空間分割的快速碰撞檢測方法，其中包括：基于均勻空l b j 分 第5 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)f 節(jié)論文 割的快速碰撞檢測和基于非均勻空i 、白j 分割的快速碰撞檢測。 1 4主要貢獻(xiàn) 本文的主要貢獻(xiàn)包括如下幾個方面： 1 提出了基于p e t r i 網(wǎng)的大時延遙操作系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)框架適用于監(jiān)控式系統(tǒng)， 在邏輯層次上，應(yīng)用p e t r i 網(wǎng)模型，涵蓋了任務(wù)描述、任務(wù)協(xié)調(diào)，以及任務(wù)監(jiān) 控等幾個方面； 2 提出了一套基于p e t r i 網(wǎng)的任務(wù)建模方法。針對自由運(yùn)動，提出了一個基于路 徑關(guān)鍵點(diǎn)提取的動作級任務(wù)建模方法：針對復(fù)雜任務(wù)，提出了一個根據(jù)子任 務(wù)的p e t r i 網(wǎng)系統(tǒng)模型，通過變遷細(xì)化方法建立任務(wù)的分層p e t r i 網(wǎng)描述的方法： 3 提出了個基于p e t r i 網(wǎng)的任務(wù)協(xié)調(diào)方法。該方法根據(jù)任務(wù)空問的謂詞變遷網(wǎng) 描述，通過狀態(tài)識別和動作識別，實(shí)現(xiàn)了從操作員的連續(xù)動作到任務(wù)的動作 序列的轉(zhuǎn)化； 4 在國內(nèi)首次研制并實(shí)現(xiàn)了一個遙編程系統(tǒng)，并基于遙編程建立了大時延遙操 作試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，成功完成了高精度遙操作仿真任務(wù)； 5 提出了一種均勻空間分割計(jì)算模型，并根據(jù)該模型提出了一種基于均勻空問 分割的快速多體碰撞檢測算法，u s s c d 6 提出了一類非均勻空問分割方法，在該方法中，空間分割由基于密度的非均 勻空間分割和對每個子空間進(jìn)行均勻分割兩個步驟實(shí)現(xiàn)： 7 提出了一種基于投影的非均勻空間分割方法。在該方法中，通過物體的軸向 投影直方圖表征空間分布密度，通過區(qū)域生長實(shí)現(xiàn)空間分割； 8 提出了一種基于聚類的自適應(yīng)空問分割方法。該方法由兩個部分構(gòu)成，首先， 通過一個基于局部密度的聚類算法對物體進(jìn)行聚類；然后，根據(jù)聚類結(jié)果， 通過簡化分割方法實(shí)現(xiàn)空間分割。 1 5 論文組織結(jié)構(gòu) 本文的第二章，是對大時延遙操作技術(shù)和碰撞檢測技術(shù)的綜述：在第三章，介紹 了基于p e t r i 網(wǎng)的大時延遙操作系統(tǒng)框架。在這一部分，首先介紹了p e t r i 網(wǎng)的基本概 念，然后給出了系統(tǒng)框架的描述，在接下來的三個小節(jié)中，分別討論了基于p e t r i 網(wǎng) 的基本任務(wù)建模方法、復(fù)雜任務(wù)建模方法，以及任務(wù)協(xié)調(diào)方法；在本文的第四章，討 論了遙編程技術(shù)，描述了基于遙編程的大時延遙操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，介紹了試驗(yàn)及其結(jié)果； 在第五章，討論了快速碰撞檢測技術(shù)，先后介紹了基于均勻空間分割的快速碰撞檢測 和非均勻空間分割方法。 第6 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 第二章大時延遙操作技術(shù)與碰撞檢測技術(shù)綜述 大時延遙操作有兩個基本的思路：雙向遙操作和監(jiān)控。雙向遙操作是在傳統(tǒng)的主 從遙控方式的基礎(chǔ)上，通過阻抗控制、預(yù)測顯示、時延力反饋等手段對大時延進(jìn)行補(bǔ) 償，操作員以連續(xù)的方式直接控制遠(yuǎn)地的操作器；在監(jiān)控方式中，操作員主要以間斷 的符號命令的方式控制遙機(jī)器人，遙機(jī)器人具有局部自主能力。在這兩種基本控制方 案的基礎(chǔ)上，共享控制通過將直接控制方式和監(jiān)控方式結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器人的 有機(jī)結(jié)合。本章首先對遙操作的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，其中包括比較典型的m o t e s 、 r o t e x 、n a s r e m 、4 - d r c s 、s m2 、s m a r t 、o b t l c 等系統(tǒng)和參考模型，同時也 介紹了其它一些體系結(jié)構(gòu)的研究：然后，分別從雙向遙操作和監(jiān)控兩個方面對大時延 遙操作技術(shù)進(jìn)行了介紹，在雙向遙操作方面，介紹了預(yù)測顯示技術(shù)以及基于虛擬環(huán)境 的人機(jī)接口技術(shù)。在監(jiān)控方面，本文依據(jù)s h e r i d a n 提出的監(jiān)控理論【7 】簡要介紹了監(jiān)控 的基本概念，監(jiān)控系統(tǒng)框架，以及監(jiān)控中的關(guān)鍵問題注意力分配問題。遙編程技 術(shù)在監(jiān)控框架下，通過先進(jìn)的人機(jī)接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了操作員的連續(xù)控制。本文對遙編 程的基本思想及其涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。最后，本文介紹了在虛擬現(xiàn)實(shí)和機(jī)器 人控制中非常重要的碰撞檢測技術(shù)。 2 1 遙操作體系結(jié)構(gòu) n a s a 的j p l ( j e t p r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 實(shí)驗(yàn)室對大時延遙操作進(jìn)行了大量的研 究。研制了基于命令序列結(jié)構(gòu)的模塊化遙機(jī)器人任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)m o t e s ( m o d u l a r t e l e r o b o tt a s ke x e c u t i o ns y s t e m ) 8 。該系統(tǒng)支持監(jiān)控、遙操作，以及共享控制多種 控制模式。在m o t e s 中，任務(wù)執(zhí)行是通過對多個先進(jìn)先出的任務(wù)隊(duì)列的調(diào)度實(shí)現(xiàn)的， 其中包括任務(wù)命令隊(duì)列和反射命令隊(duì)列。m o t e s 面臨的問題是由于任務(wù)隊(duì)列是線性 的，因而具有一定的局限性，同時由于反射命令的調(diào)度是獨(dú)立于任務(wù)命令的，二者沒 有融合在一起，不便于操作員對其進(jìn)行干預(yù)。 在r o t e x 遙機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)提供了包括預(yù)測顯示、任務(wù)規(guī)劃和共享控制在 內(nèi)的多種功能。其控制結(jié)構(gòu)采用分層遞階結(jié)構(gòu)，分為：決策層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層三個 層次【9 】。一個比較典型的系統(tǒng)模型是為n a s a 的空間機(jī)器人項(xiàng)目f t s ( f l i g h t t e l e r o b o t i c ss e r v i c e r ) 設(shè)計(jì)的n a s r e m ( n a s n b ss t a n d a r dr e f e r e n c em o d e lf o r t e l e r o b o tc o n t r o ls y s t e m a r c h i t e c t u r e ) 參考模型 1 0 。在n a s r e m 中，整個智能系統(tǒng) 的功能分布在不同的層次上，在每個層次，不同的模塊形成局部的閉合控制回路。參 第7 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院學(xué)位論文 考模型對每個模塊的功能進(jìn)行了規(guī)范，一般包括三個功能：傳感器處理( s e n s o r p r o c e s s i n 2 ，s p ) 、世界建模( w o r l dm o d e l i n g ，w m ) ，以及行為生成( b e h a v i o r g e n e r a t i o n ， b g ) 或稱為任務(wù)分解( t a s kd e c o m p o s i t i o n ，t d ) 。在n a s r e m 概念基礎(chǔ)上，在美國 國防部d e m o1 1 1 3 2 程中，開發(fā)了智能系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)參考模型4 - d r c s 1 1 ，該模型集 成了美國n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d s a n dt e c h i n o l o g y ) 的實(shí)時控制系統(tǒng)r c s 和 德國的動態(tài)視覺系統(tǒng)v a m o r s4 - d 。該模型采用分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由不同的智能節(jié)點(diǎn) 構(gòu)成，每個節(jié)點(diǎn)包括四個方面的功能，在n a s r e m 中的s p 、w m 、b g 的基礎(chǔ)上， 增加了價值判斷( v a l u ej u d g e m e n t ，v j ) 功能，此外，節(jié)點(diǎn)一般擁有各自的知識庫 ( k n o w l e d g ed a t a b a s e ，k d ) 。在實(shí)現(xiàn)中，不同節(jié)點(diǎn)分布于不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn) 之間通過通訊系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。不同節(jié)點(diǎn)是通過分層結(jié)構(gòu)來組織的。在4 - d r c s 中， 強(qiáng)調(diào)了操作員的介入功能，每個節(jié)點(diǎn)的輸入輸出都與操作員界面相連，從而使得操作 員可以介入系統(tǒng)不同的功能。 從1 9 8 9 年開始，卡耐基一梅隆大學(xué)參與研制了面向自由號空間站( s s f ) 的自行 運(yùn)動空例操作器s m2 ( s e l f m o b i l es p a c em a n i p u l a t o r ) 1 2 】。s m2 采用了一種模塊化 實(shí)時共享控制體系結(jié)構(gòu)。機(jī)器人系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)自主定位功能和來自遙操作的輸入，從 而實(shí)現(xiàn)在s s f 上可靠地行走。任務(wù)是幽許多可重用的子任務(wù)模塊構(gòu)成的，不同的高層 任務(wù)如：遙操作任務(wù)、半自主任務(wù)，以及全自主任務(wù)，往往共享相同的子任務(wù)模塊。 通過狀念機(jī)，可以方便地對高層任務(wù)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對子任務(wù)模塊的共享。 美國s a n d i a 國家實(shí)驗(yàn)室的智能系統(tǒng)與機(jī)器人研究中心_ 丌：發(fā)了一個模塊化的遙機(jī) 器人軟件結(jié)構(gòu)s m a r t ( s a n d i a sm o d u l a ra r c h i t e c t u r ef o rr o b o t i c sa n dt e l e o p e r a t i o n ) 1 3 ，1 4 】。s m a r t 實(shí)際上是一套遙機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)工具，它可以提供包括：雙向遙操 作、自主控制，以及共享控制在內(nèi)的多種控制功能。s m a r t 由三部分組成：編輯器、 任務(wù)監(jiān)控器，以及實(shí)時控制引擎。在s m a r t 中，一個面向特定任務(wù)的遙機(jī)器人系統(tǒng) 由一系列的行為模塊構(gòu)成，每個行為模塊是由若干基本組件( 諸如：外部設(shè)備、機(jī)器 人機(jī)構(gòu)、傳感器等) 構(gòu)成，通過無源網(wǎng)絡(luò)模型描述。s m a r t 支持多種形式的人機(jī)共 享。一種方式是把遙操作的輸入疊加到軌跡規(guī)劃器生成的基本軌跡上；另一方式是在 虛擬環(huán)境中通過示教的方式，把人的規(guī)劃能力傳給機(jī)器人；第三種方式是人和機(jī)器人 分時共享一個任務(wù)，將一個任務(wù)分解為若干子任務(wù)，人和機(jī)器人分別負(fù)責(zé)不同的子任 務(wù)。s m a r t 已經(jīng)被應(yīng)用于突發(fā)事件響應(yīng)運(yùn)動操作器系統(tǒng)( a c c i d e n tr e p o n s em o b i l e m a n i p u l a t o rs y s t e m ) 【1 4 】。 s t a n f o r d 大學(xué)的航空機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室