空間機(jī)器人遙操作中基于視覺(jué)的局部自主控制研究.pdf

1、利用空間機(jī)器人實(shí)現(xiàn)航天器的在軌服務(wù)代表了空間服務(wù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，但是，受到當(dāng)前傳感信息理解、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制以及人工智能等技術(shù)的制約，完全自主工作的智能空間機(jī)器人在短時(shí)間內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)。因此，目前在軌的空間機(jī)器人主要采用地面遙操作控制。但是，傳統(tǒng)的遙操作控制方法受系統(tǒng)時(shí)延影響較大，且對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)能力也較差，這直接影響了空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的性能。因此，研究視覺(jué)技術(shù)與遙操作結(jié)合的控制方法對(duì)于克服遙操作通訊時(shí)延、提高空間機(jī)器人的自主作業(yè)能力、

2、擴(kuò)展空間機(jī)器人的應(yīng)用范圍具有十分重要的意義。為此，在國(guó)防科工委“衛(wèi)星在軌自維護(hù)及遙操作關(guān)鍵技術(shù)的研究”項(xiàng)目的支持下，論文對(duì)空間機(jī)器人遙操作中基于視覺(jué)的局部自主進(jìn)行了研究。
　　圍繞空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)中的時(shí)延問(wèn)題，論文的研究?jī)?nèi)容主要從兩個(gè)方面展開(kāi)：一方面，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和實(shí)時(shí)視覺(jué)反饋信息輔助操作者進(jìn)行遙操作，提高了傳統(tǒng)主從式遙操作的操作性能；另一方面，為徹底消除時(shí)延對(duì)遙操作系統(tǒng)的影響，對(duì)基于視覺(jué)的空間機(jī)器人局部自主操作當(dāng)中的目標(biāo)

3、識(shí)別以及視覺(jué)伺服進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。
　　論文建立了衛(wèi)星自維護(hù)遙操作系統(tǒng)的模型，實(shí)現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維圖形預(yù)測(cè)仿真，有效地克服了時(shí)延對(duì)遙操作系統(tǒng)的影響。針對(duì)視頻傳輸過(guò)程中波動(dòng)帶寬與視頻流碼率的不匹配問(wèn)題，提出分層碼率控制的帶寬自適應(yīng)策略，實(shí)現(xiàn)了遙機(jī)器人遠(yuǎn)端場(chǎng)景的視頻反饋，提高了遙操作系統(tǒng)的視覺(jué)臨場(chǎng)感。
　　為實(shí)現(xiàn)空間機(jī)器人的局部自主操作，分別從結(jié)構(gòu)化環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境兩個(gè)方向考慮，重點(diǎn)研究了用于實(shí)現(xiàn)自主操作的目標(biāo)識(shí)別以及

4、視覺(jué)伺服方法。針對(duì)結(jié)構(gòu)化環(huán)境，設(shè)計(jì)了結(jié)合矢量圖壓縮與形狀擬合的目標(biāo)識(shí)別方案，通過(guò)對(duì)目標(biāo)角點(diǎn)特征的亞像素優(yōu)化提取，實(shí)現(xiàn)了模型化目標(biāo)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的識(shí)別。根據(jù)模型化目標(biāo)的視覺(jué)信息，探討了目標(biāo)位姿的非線性優(yōu)化計(jì)算方法，并根據(jù)目標(biāo)位姿計(jì)算的結(jié)果，提出了利用在線估計(jì)目標(biāo)的深度和旋轉(zhuǎn)姿態(tài)來(lái)選擇PBVS和IBVS控制器的復(fù)合視覺(jué)伺服方法，保證了空間機(jī)器人自主操作的伺服精度和伺服范圍。通過(guò)引入冗余自由度機(jī)器人的冗余空間自運(yùn)動(dòng)特性，有效地克服了典型IBVS方

5、法的攝像機(jī)退化問(wèn)題。
　　對(duì)于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，為提高目標(biāo)識(shí)別對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，提出一種分布式多視覺(jué)特征融合的目標(biāo)識(shí)別策略。該方法通過(guò)對(duì)每個(gè)特征子集的模糊化加權(quán)融合處理，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境中的魯棒提取和跟蹤。針對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的作業(yè)問(wèn)題，提出利用操作場(chǎng)景的視覺(jué)動(dòng)態(tài)檢測(cè)建立任務(wù)層觀測(cè)器，并結(jié)合操作者的抓取經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和機(jī)器人的局部自主進(jìn)行遙操作控制的方法，提高了遙操作系統(tǒng)的操作性能以及處理意外事件的能力。