遙操作在深空探測中的應用及展望

原標題：遙操作在深空探測中的應用及展望

遙操作在深空探測中的應用及展望

舒 寧

一、遙操作在深空探測中的需求分析

對未知世界的探索，是人類永恆的追求；茫茫寰宇地外星空的召喚，更是人類無法抵擋的誘惑。從嫦娥落廣寒到阿波羅登月，再到火星地下水的發現，人類千百年來的夢想正隨著科技的進步逐一實現。探索更深更遠更廣闊的太空，已成為人類文明步伐的重要方向。

迄今為止，美國、蘇聯/俄羅斯、歐空局、日本、中國、印度均已開展了深空探測活動，其中月球探測約115次，火星探測44次。美國更是唯一實現載人登月並在深空探測領域處於絕對領先地位的國家。我國也已成功實施了3次月球探測，並計劃於2020發射首顆火星探測衛星，為將來的火星實地探測鋪路引航。

然而，目前深空探測的效率深受計算機、人工智慧和機構等關鍵支撐技術發展的制約，能在太空環境中完全自主工作的機器人短期內還難以實現；而受太空生存環境的影響，完全依賴航天員現場執行任務，不僅有較大的安全風險，成本也將十分昂貴。因此，深空探測遙操作技術應運而生。採用遙操作技術完成探測任務，將人的智慧與機器的自主相結合，在保證人類安全的前提下，充分利用機器人的精度和強度，不僅可以避免航天員在惡劣太空環境中作業時可能受到的傷害，還可以降低成本，提高空間探索活動的效率。

二、遙操作在深空探測中的應用現狀

遙操作技術是一種達到人與被控物件之間遠端互動的技術手段。遙操作的控制端在本地，其執行端在本地無法直接感知的遠端空間某處。控制端和執行端的分離使得在深空探測任務中，人身處地球，便可實現太空探測裝置的操控，在解決了人的太空生存難題的同時，也帶來了控制延遲、環境感知等各種問題。

目前遙操作技術在空間活動中具有代表性的典型應用有：德國ROTEX空間機器人、美國「火星探測漫遊者」的巡視器和中國「玉兔號」月面巡視器。

（一）德國 ROTEX 空間機器人

1993 年，德國在哥倫比亞太空梭的密封實驗艙中進行了空間機器人實驗(SpaceRobot Technology Experiment, ROTEX)。ROTEX是一個6個自由度機器人，其末端裝有剛性六維腕力感測器、柔性光學腕力感測器、4×8觸覺感測器陣列、9個鐳射測距感測器和一對立體微型攝像機。

ROTEX既可以由航天員藉助攝像機進行在軌遙操作，也可以由地面操作人員進行地面遙操作。它通過一顆資料中繼衛星和一顆通訊衛星實現通訊迴路，延遲大約為6s。藉助於遠端機器人操作環境預測和立體顯示，地面控制中心的控制人員通過6自由度空間球對ROTEX進行了遙操作，成功地進行了柵格機構裝配、軌道替換單元(ORU)的插拔和自由漂浮物體的抓握等多項遙操作實驗，驗證了大時延條件下地面空間遙操作的可行性。這是人類首次遙操作空間機器人在軌操作，為大時延下的空間遙操作研究奠定了實驗基礎。

（二）美國「火星探測漫遊者」的巡視器

美國於2003年在「火星探測漫遊者」探測器（MER）計劃中，先後發射了「勇氣號」（Spirit）和「機遇號」（Opportunity）火星巡視器，其主要採用長距離自主導航加遙操作的工作模式，以每個火星日為週期開展探測工作。

地面遙操作專家組基於火星巡視器前一天傳回的影象和資料等資訊，展開任務分析、制定科學戰略、上傳運動和儀器裝置動作命令，用於當天火星日的任務；任務結束後，巡視器將獲得的影象和資料傳回地面。在任務執行中，主要採用人機結合的遙操作共享控制方式，人與機器的控制權重分配取決於具體的任務和地表地形。該方式實現了火星和地球之間超遠距離、超大時延的遙操作，在深空探測遙操作領域具有里程碑意義。

（三）中國「玉兔號」月面巡視器

2013年12月，中國研製的「玉兔號」月面巡視器成功登陸月球，並採用地面遙操作與器上自主相結合的方式，開展了月面探測活動。

「玉兔號」巡視器攜帶有360°全景相機、紅外成像光譜儀等多種探測儀器。其將獲取的任務環境資訊傳回地球，地面控制中心利用環境資料和「玉兔號」狀態資訊恢復出巡視器周圍的地形環境狀況並構建遙現場，輔助地面控制人員對「玉兔號」的操作進行決策，形成相應的規劃方案，並在地面模擬驗證系統中對規劃進行演示和驗證，再將通過驗證的控制指令上傳至「玉兔號」。「玉兔號」根據控制指令，自主完成近距離障礙識別和區域性路徑規劃，並利用攜帶的儀器進行科學探測。「玉兔號」探測任務的成功實施，展現了我國遙操作技術在月面探測中應用的有效性和成功性，對我國深空著陸探測的發展起到了積極的先導作用。

三、深空探測遙操作的特點及難點分析

深空探測中，遙操作控制端和執行端在空間上的隔離導致遙操作控制迴路中不可避免地存在時延，航天器的智慧程度也決定著人與機器在遙操作中的配合模式，深空探測中的各種不確定性因素亦將帶來不可忽視的安全問題。因此遙操作任務主要面臨的問題有：大時延、人機配合和航天器安全。

（一）時延補償問題

時延的主要來源是遙操作控制迴路中的訊號傳輸時延、接收站或者中繼衛星等裝置間的數據處理時延及計算時延等，如地球軌道遙操作的迴路時延大約為0.5~6s，月球遙操作中的迴路時延一般在10s以上，而火星探測器的迴路時延至少達到30min。由於時延的存在，操作者無法及時感知航天器的運動狀態，所發出的控制指令也無法由航天器實時執行，由此將嚴重影響遙操作控制迴路的穩定性和操作效能。

在克服時延的方法中，「運動-等待」方法和雙邊控制方法隨著時延的增加，其控制性能急劇下降。預測顯示方法在大時延條件下雖然可以協助操作員消除時延滯後，然而其補償效果取決於被控物件模型和時延模型的精度。在缺乏對深空探測環境的先驗瞭解下，建立較為精確的現場模型較為困難；同時受各種環境因素以及通訊鏈路中的各種不確定性因素影響，時延隨機變化較大，難以精確建模，也將嚴重影響狀態預測的精度。

（二）人機聯合問題

深空探測遙操作的控制主體是人，執行主體是航天器，人的參與程度和航天器的自主程度，不僅決定了遙操作應採用的控制演算法，也決定了遙操作所能達到的控制性能。

在深空探測任務中，操作者缺乏對操作環境的先驗瞭解，利用感測器獲得的狀態資訊也較為有限，依靠真實測量資訊進行控制會受到時延滯後的影響，依靠預測模擬資訊進行控制也無法避免預測偏差對操作者判斷和決策的誤導。因此，研究人與機器的共享控制策略，充分發揮人的主觀能動性和機器的穩定性、精確性，合理分配二者在任務執行時的控制權重，使之優劣互補，以達到最優的控制效果，是亟待解決的問題。

（三）安全控制問題

在深空探測遙操作中，控制迴路中存在大時延和測量資訊偏差等因素，加之人的不穩定性和機器智慧的有限性，其安全性問題較為突出，稍有不慎可能造成航天器的損毀，影響任務的執行。

若採用監督控制的方法，即由人每次傳送簡單的控制指令，等待航天器執行完成並反饋資訊後再進行下步操作，則過於保守，嚴重影響任務執行的連續性和操作效能；即使採用預測模擬方法，也無法完全復現真實任務場景，各種不確定的安全隱患也難以排除。因此如何對遙操作的安全性進行評估，並據此研究出安全的控制方法，是深空探測遙操作需要重點研究的問題。

四、深空探測遙操作技術展望

基於以上問題分析，筆者認為未來深空探測遙操作技術的研究應重點集中在以下幾個方面：

一是運用虛擬現實技術在控制端構建遠端場景的虛擬環境，包括幾何模型的場景構建、動力學模型的建立和引數識別等問題，利用遠端測量資訊對模型進行實時更新，不斷完善本地的預測模擬環境，以此作為克服大時延，實現連續控制的重要手段。

二是引入最優控制理論和人因工程理論，綜合考慮操作者的工作負荷、任務時間和執行精度等因素，合理設計人和機器共享控制的權重，研究多目標優化的遙操作人機聯合共享控制演算法。

三是考慮模型、測量及控制等環節的各項偏差，推導遙操作的偏差傳播模型，在此基礎上建立安全性實時評估模型，對任務執行的安全性進行實時預警，設定相關安全閾值，必要時由安全系統強制介入，規避危險或中止任務。

可以預見，在人工智慧高度發達之前相當長的一段時期內，遙操作技術將作為主要幫手，協助人類走向更美更遠的星空。返回搜狐，檢視更多

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