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遥操作的感知处理对象为场景的光学图像,此外,遥操作操控车体移动过程中,车体作用对象是其接触的表面物质,其力学特性是影响控制参数计算的主要因素,而环境的化学成分、温度等属性对操控的影响可以不予考虑[6],因此验证系统的模拟地形建设主要从地形的光学反射和力学性能两方面进行设计。
经对比分析,地形模拟环境建设选用了人工砂材料,人工砂是石头粉碎形成的,来源可人为选择配备,成分以中粗砂为主,多呈三角体或方矩体,表面粗糙,棱角尖锐,承力性能稳定,颗粒级配稳定、可调,同时砂粒清洁,无泥质和其它有害杂质,容易管理维护。
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天体表面土壤成像特性由土壤的光谱特征确定,受到土壤的化学、几何光学散射以及外部环境等因素的影响[7]。为了准确模拟天体表面成像特性,需要从环境的光学反射特性、物理材质等方面进行设计。
对于探测波段在0.38~0.78 μm的可见光成像,土壤颗粒大小对土壤反射率有着显著影响,黏土聚集体形成了更大、更粗糙的表面,因而看起来比砂质土壤要黑。为了使色调更加明亮,选择了颗粒度较大的砂质土壤,首选细度模数为3.7~3.1的粗砂,细度模数3.0~2.3的中砂作为备选,为了兼顾月面和火星表面的模拟,选用了偏黄色调的人工砂。
由于土壤湿度增加导致反射率下降,土壤结壳也会使可见光吸收增强,不利于成像,因此对人工砂材料还需要经过干燥和松化处理。
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为支持模拟星球车运动特性测试及模拟,需要模拟地形的力学特性,借鉴沙壤与火星表面岩石基底硬度和摩擦性质相类似的特点,设计上采用了人工砂基铺设的方法,在地形基底上通过铺设沙坑,或布置岩石等附着物,高保真模拟火星地形工况。
描述土壤力学性能的主要有沉陷指数、内聚变形模量、摩擦变形模量、内摩擦角、内聚力系数等参数。土壤的承压性和抗剪力作用于车体,产生运动。土壤的抗剪性由内摩擦角和土壤的内聚力系数决定,内摩擦角的大小决定了土壤颗粒间的摩擦力,内聚力的大小体现了颗粒间黏结力的强弱,在不同的土壤深度,这些参数并不一致。分析可知,土壤内聚力与土壤内摩擦角的大小对切应力的值影响非常大,是星球车驱动效率主要影响因素。较大的内摩擦角有利于驱动效率提高,而较大的内聚力则可降低星球车的驱动效率和驱动能力。这两个参数主要影响轮地交互作用,因此选择合适的内聚力系数和内摩擦角是土壤选择的关键[6]。
在系统建设中,选择的沙土壤特性编号为HIT-LSS2,参照月壤/火壤的粒度分布情况,以沙土为原料,并且辅以剔除杂质、通风干燥、过筛、烘烤等技术手段制作而成,其部分物理力学参数如表1所示。
表 1模拟土壤的物理力学参数
Table 1.Mechanic propertis of the simulated soil
Ρ/
(kg·m−3)kc/
[kPa·m−(n−1)]kφ/
(kPa·m−n)n c/
(kPa)φ/
(°)K 1 600 −20.7 1 594.8 0.79 0.46 38.1 0.013 3 注:ρ为土壤密度;kc为土壤内聚力模量;kφ为土壤内摩擦模量;n为土壤的沉陷指数;c为土壤的内聚力;φ 为土壤的内摩擦角;K为土壤的剪切位移模量。 通过该地形模拟模块的设计,成功实现了对火星地貌各种形式的模拟。对星球车行驶表面的摩擦工况的模拟逼近真实地形,可模拟多种工况,承载强度满足模拟星球车运动承载。
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模拟星球车在设计上参考“玉兔号”月球车和“祝融号”火星车,在运动驱动、环境感知等方面可模拟真实星球车的控制与感知模式。六轮结构星球车在结构组成、驱动能力方面具有小型化与综合能力强的优势[8-9],因此,模拟星球车采用悬架式六轮构型,摇臂间相互连接方式、摇臂与车厢连接方式与“玉兔号”月球车相似。
模拟星球车结构上由车厢、桅杆机构、摇臂及轮系机构组成,系统结构如图2所示,功能上可划分为移动部件、电气与控制部件和载荷装置3个部分。
移动部件完成星球车移动、转向及桅杆运动等功能,采用电机–减速器传动完成车轮驱动并采用非正交转向。电气与控制部件主要用于探测车运动控制,接收遥操作系统发送的指令和注入数据。载荷装置包括避障相机和导航相机各一对,避障相机在车体前部固定安装,导航相机安装于桅杆之上,桅杆具有3个自由度,通过电机驱动控制可以实现对环境的大范围灵活感知。
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车体移动分系统选择摇臂–转向架式悬架作为星球车移动基础构型,如图3所示。
1)驱动力矩设计原则
车轮驱动力矩的设计满足下述越障能力:
(1)驱动组件能够持续地输出力矩,使得整车爬上30°斜坡;
(2)驱动组件能够在短时间输出峰值力矩,使得整车能够越过小于200 mm的垂直障碍;
(3)车轮直径选择为300 mm,车轮宽度选择为150 mm,轮齿高度为10 mm。
2)整车平地行驶及爬坡能力设计
车轮驱动功率及扭矩与工作环境、车轮直径D、车轮宽度B、车轮数量N、整车质量m、最大移动速度vmax
、运动加速度a、传动效率η和爬坡坡度θ等参数有关。设计要求满足爬行30°斜坡的驱动力矩。 对于星球车移动过程中因和地面相互作用而形成的阻力,采用经验公式计算,经验公式参照CMU总结的动力及功率分析方法。当取原理样机整车质量m= 100 kg,车轮宽度B= 0.2 m,运动加速度a= 0 m/s2,传动效率η= 67.5%时,根据车轮转矩和功率的计算可知,驱动组件的连续输出扭矩应大于43.45 Nm。
3)整车平地越障的驱动力矩设计
水平路面爬越垂直障碍,星球车受力分析如图4所示。移动系统上各力关系满足下述公式。
$$ \left\{ \begin{gathered} G = \sum\limits_{i = 1}^2 {{\boldsymbol F_{\text {t}i}}} + \sum\limits_{i = 3}^6 {{\boldsymbol N_i}} \hfill \\ \sum\limits_{i = 1}^2 {{\boldsymbol N_i} = \sum\limits_{i = 3}^6 {{\boldsymbol F_{\text {t}i}}} } \hfill \\ \end{gathered} \right. $$ (1) $$ {M_\text {q}} = {\boldsymbol F_{\text {t}1}} \times R $$ (2) 其中:
$ G $ 为车体重量;${\boldsymbol F_{\text {t}i}}$ 为车轮牵引力;${\boldsymbol N_i}$ 为车轮法向受力;R为车轮半径。平地爬越竖直障碍工况中,越障轮驱动力矩计算得
$$ M = 1\;100/6 \times 1.0 \times 0.15{\text{ = }}27.5{\text{ Nm}} $$ (3) 爬30°坡工况中,爬坡处车轮驱动力矩可由下式估算
$$ M = 1\;100/6 \times 2 \times 0.6 \times 0.15{\text{ = }}33.0{\text{ Nm}} $$ (4) 由上述分析可知,驱动组件的峰输出扭矩应大于33.0 Nm。
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桅杆顶部安装云台和双目导航相机,两者总重约为4.0 kg。相机轴线和车厢顶板间距离为0.5 m。相机桅杆竖起时驱动机构输出力矩可按照竖起时最大力矩计算,安全裕度取2,则桅杆竖起关节的驱动力矩应不小于式(5)的结果。
$$ M_{x}=4.0\times0.5\times2=2.0\times2=4\;\mathrm{Nm} $$ (5) 因此可选择57步进电机驱动,该电机额定负载为1.2 Nm,可达6 400细分。采用行星减速器增矩方法,减速器为57步进电机匹配的二级行星减速器,传动比为1∶10,则一级减速机连续输出力矩=1.2 ×10×0.75=10.8 Nm,该值大于竖起桅杆时的力矩需求4.0 Nm。相机桅杆及相机装配效果如图5所示。
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模拟星球车的硬件控制架构如图6所示,包括上位机和下位机两部分。上位机负责模拟车的主控,下位机负责控制模拟车的各类动作执行,包括相机成像控制、车辆驱动控制、桅杆运动控制等。
针对星球车控制系统运算实时性要求较高的特点,采用了分层拓扑结构形式,顶层为操纵控制系统,以外部遥操作作业的方式对上位机发送遥控指令,上位机负责接收指令,并将控制信号传送给下位工控机。下位机对避障相机和导航相机的信号进行实时采集,控制6个运动车轮以及4个转向车轮,并控制云台俯仰角度和偏航角度以及桅杆抬升角度。
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载荷装置完成星球车对探测环境的信息感知,载荷由避障相机和导航相机两类相机构成。避障相机固定在星球车体上,对车体前方大视角固定视场进行感知,设计视场角在(110~170)°之间。导航相机视场角为60°,采用Ethernet 软触发方式进行同步控制,可通过桅杆配合,实现大范围场景的高分辨率成像感知。
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遥操作作业模拟训练中,探测场景地形的高程数据以及模拟星球车的位姿通常是已知先验信息,作为遥操作软件感知能力验证考核的参考。因此,验证系统必须具备模拟地形的准确测量和星球车位姿测量能力。本文提出了基于三维激光扫描仪的地形测量与位姿计算方法。
扫描仪距离测量采用激光发射器向物体发射近红外激光束,通过测量激光在仪器和目标物体表面的往返时间,计算仪器和点间的距离,最终生成地形数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),同时根据激光扫描仪的高分辨率相机获得点云的纹理信息[10]。最后,使用相机和扫描仪间的位置关系可以计算生成三维仿真模型。
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激光扫描仪测量直接得到的数据是基于测量仪本体坐标系OM-XYZ,而星球车控制及感知工作在世界坐标系Ow-XYZ下进行,因此扫描数据的处理需要进行坐标转换。本文提出了一种基于合作标志点的点云数据转换方法。
在室内模拟地形的四周安装自制的测量靶标D1,D2,···,D16,如图7所示,使用激光扫描仪建立地形三维模型时,同时测量D1,D2,···,D16在扫描仪坐标系下的坐标,并测量它们在世界坐标系下的坐标。公共点D1,D2,···,D16在世界坐标系和扫描仪测量坐标系下的坐标均已知,通过公共点转换方法可计算获得两坐标间的转换参数,并将扫描点云转换到世界坐标系下。
针对本文中的模拟地形,使用法如S70扫描仪进行了三维模型测量重建,重建结果如图8所示。
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针对星球车定姿定位问题,本文提出了一种基于激光扫描的星球车位姿计算方法。
在星球车体上布设扫描靶标合作装置,事先对靶标进行位置测量以建立合作数据。在定位时,使用扫描仪获取靶标点云数据,经过分割、滤波、拟合等处理,获取靶标中心位置,根据标志在坐标系之间的转换参数计算,得到车体的位置姿态参数。
基于扫描进行车体定位的关键,是基于公共合作标志点的转化建立
$O_{车}{\text -}x_{车} y_{车} z_{车}$ 与$O_{2}{\text -}x_{2} y_{2} z_{2}$ 坐标系之间的转换关系。1)合作标志点设计
合作标志采用球形靶标中心,将4个公共点C1、C2、C3和C4分布在车身4个角落上,球形的直径为10 cm,如图9所示。
2)本体坐标系下合作标志点测量
在模拟星球车上安装了控制点后,可以通过机械设计保证控制点在车本体坐标系下的坐标精度优于0.3 mm。利用车载立方镜辅助,借助外测经纬仪可以精确得到标志点在本体坐标系的位置参数。
3)求解扫描仪坐标系和本体坐标系间转换参数
当模拟星球车到达探测位置稳定后,用扫描仪对控制点C1、C2、C3和C4进行扫描测量,可采集控制点在
$O_{\text g-}x_{\text g} y_{\text g} z_{\text g}$ 坐标系下的坐标(xg控i,yg控i,zg控i),i=1、2、3、4。由(x车控i,y车控i,z车控i)和(xg控i,yg控i,zg控i)坐标可计算得到O车-x车y车z车与Og-xgygzg两坐标系间转换参数($X_0^{\text g车},Y_0^{\text g车},Z_0^{\text g车}, R_x^{\text g车} ,R_y^{\text g车},$ $R_z^{g车}$ ),即有$$ \left(\begin{array}{l}{x}_{\text g}\hfill \\ {y}_{\text g}\hfill \\ {z}_{\text g}\hfill \end{array}\right)={M}_{\text g车}\left(\begin{array}{l}{x}_{车}\hfill \\ {y}_{车}\hfill \\ {y}_{车}\hfill \end{array}\right)-\left(\begin{array}{l}{x}_{0}^{\text g车}\hfill \\ {y}_{0}^{\text g车}\hfill \\ {z}_{0}^{\text g车}\hfill \end{array}\right) $$ (6) $X_0^{\text g车},Y_0^{\text g车},Z_0^{\text g车},R_x^{\text g车},R_y^{\text g车},R_z^{\text g车}$ 即为星球车车体坐标系在扫描坐标系下的位置和姿态。
Design and Construction of a Simulating and Testing System for the Remote Operation of Planetary Surface Exploration
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摘要:针对天体表面探测遥操作模拟验证需求和特点,设计实现了综合天体表面地形模拟、模拟星球车、地形扫描测量与遥操作处理评估等功能的天体表面探测遥操作模拟验证系统。以人工砂搭建可变形表面模拟环境,研制了具有感知、移动及规划结果响应功能的模拟星球车,提出了基于激光扫描的地形测量与星球车位姿测量方法,建立了基于模拟场景和星球车的天体表面探测遥操作模拟验证系统,对火星表面探测的感知、规划等关键作业过程进行了模拟验证,为天体表面探测遥操作实际实施提供了有力支撑。Abstract:According to the requirements and characteristics of simulation and verification for celestial surface remote operating, a simulating and testing system is build for remote operation of planetary rover. The system is composed of the 3D terrain environment, a simulating planetary rover, a terrain scanning system and a remote operating testing software. The simulated deformable 3D terrain is made of large man-made sand. A simulated planetary vehicle is installed with sensing cameras, movable mechanisms]. A method of terrain survey, rover position and gesture measurement based on laser scanning is proposed. A simulation and verification system for celestial surface exploration teleoperation based on simulation scene and planetary rover is established. The system is used in the simulation and verification of the key operational processes of Mars surface exploration, such as perception and planning, and provides strong support for the practical implementation of celestial surface remote operation.Highlights
● A total remote operation simulating and testing system is designed and established. ● A controllable testing rover is designed and completed which carries the image sensing device and movable mechanisms. ● A simulated 3D terrain is established using the man-made sand, which serves as the platform of the rover. ● A position and gesture estimating method is proposed by fitting and calculating the scanned 3D points cloud of the rover and targets. -
表 1模拟土壤的物理力学参数
Table 1Mechanic propertis of the simulated soil
Ρ/
(kg·m−3)kc/
[kPa·m−(n−1)]kφ/
(kPa·m−n)n c/
(kPa)φ/
(°)K 1 600 −20.7 1 594.8 0.79 0.46 38.1 0.013 3 注:ρ为土壤密度;kc为土壤内聚力模量;kφ为土壤内摩擦模量;n为土壤的沉陷指数;c为土壤的内聚力;φ 为土壤的内摩擦角;K为土壤的剪切位移模量。 -
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