人机共融空间大时延高稳定精细遥操作关键技术研究

Considering large time delay of the space-ground loop, key technologies for fine teleoperations with human-machine fusion and high stability are researched in this project. The research contains three parts. (1) Perception characteristics for force sense and behavior mechanism of operators are researched and the effect of force feedback precision on operator perception is analyzed. The two-port network model with transfer function is built from the control system level. (2) The reconstruction technologies of multimode interaction information are researched. The time-delay extended Kalman filter is proposed to estimate states of slave manipulators and environment, based on multimode perception characteristics of operators, the reproduction of multimode information is optimized to present authentic telepresence of vision sense and force sense to operators. (3) In face of the working pattern variety of space robots , the fuzzy multi-model of the bilateral teleoperation system with large time delay is built and its stability is analyzed considering behavior characteristics of operators and the reconstruction subsystem and analyzing deformation dynamics of the flexible surface and rigid body kinematics for the slave environment; the fuzzy multi-model control system of this teleoperation system is designed and its stability is analyzed to implement fine teleoperations with large time delay and high stability. This research conforms to the main direction of Chinese vigorous developing aerospace technology. The research results will have the important theory and application values for the future on-orbital fine operation missions such as assembly, maintenance.

本课题开展天地回路大时延的人机共融与高稳定性精细遥操作关键技术研究，包括三部分研究内容。（1）研究操作者的力觉感知特性与行为机制，明确力反馈精度对操作者感知效果的影响，并从控制系统分析的角度建立操作者传递函数形式的双端口网络模型。（2）研究多模交互信息的增强重构技术，提出利用时延扩展卡尔曼滤波实现对从端作业状态的准确预测，并基于操作者的多模感知特性对多模信息的综合再现进行优化，为操作者提供逼真的视觉、力觉临场感。（3）面向空间机器人工作模式多样性，考虑操作者的行为特性以及增强现实子系统，并分析环境柔性表面形变动力学特性和刚体运动学特性，研究建立大时延双边遥操作系统模糊多模型、设计大时延双边遥操作系统的模糊多模型控制系统，并分析其稳定性，实现空间大时延高稳定精细遥操作。课题的研究符合我国航天技术未来的发展方向，研究成果对于未来开展在轨组装、维护等精细操作任务具有重要的理论和实际意义。

本课题开展了天地回路大时延的人机共融与高稳定性精细遥操作关键技术研究，包括三部分研究内容。1）完成了操作者的力觉感知特性与行为机制研究。明确了力反馈精度对操作者感知效果的影响，并从控制系统分析的角度建立了操作者传递函数形式的双端口网络理论模型。（2）完成了研究多模交互信息的增强重构技术，提出了利用时延扩展卡尔曼滤波实现对从端作业状态的准确预测，并基于操作者的多模感知特性对多模信息的综合再现进行优化，为操作者提供了逼真的视觉、力觉临场感。（3）完成了基于模糊多模型的遥操作控制技术研究，建立了大时延双边遥操作系统模糊多模型、设计了大时延双边遥操作系统的模糊多模型控制系统和多操作模态遥操作控制系统，并分析其稳定性，实现空间大时延高稳定精细遥操作。本项目的研究工作符合我国航天技术未来的发展方向，其研究成果为人机交互系统的优化设计和遥操作控制策略设计以及系统性能分析提供依据和指导、为操作者提供逼真的视觉和力觉临场感，以便帮助操作者做出合理的决策、能提高遥操作系统操作性能，对于未来开展在轨组装、维护等精细操作任务具有重要的理论和实际意义。