高安全性环月轨道遥操作交会人机联合共享控制

The rendezvous on lunar orbit are needed in the third phase of ChangE lunar exploration missions, in which the collecting samples should be carried back by the landing module. In order to enhance the success rate and the security of the missions, the operator in the ground could control the exploration spacecrafts for RVD on lunar orbit by teleoperation technologies. With the background of the rendezvous on lunar orbit, this project studies the control method of teleoperation rendezvous with complex dynamic environment and large time delay. The generating mechanism of delay is analyzed, with the high pricision dynamic model, the state predictive method is studied; the pilot handling theoretical model is established, then, in consider of special factors as time delay, the safety evaluation of teleoperation rendezvous with human in the loop is studied. After that, the weight assignment of human and machine in the control progress is studied, and the shared control method is proposed based on the Artificial Potential Function. A semi-physical simulation system of the teleoperation RVD on lunar orbit is developed and the ground operation experiments are executed for the parameter identification of the established models and the validation of the proposed algorithms. This project will form the theoretical and methodological systems about the safe control of teleoperation rendezvous in lunar orbit. The research achievements have theoretical and practical significances for the projects of lunar exploration, manned lunar, and deep space exploration in the future.

我国嫦娥三期探测任务要进行月球采样返回，需在环月轨道进行航天器的交会。为了提高无人探测器环月轨道交会的成功率和安全性，地面操作人员可利用遥操作技术实施环月轨道交会任务。本项目以环月轨道交会为背景，研究复杂力学环境及变化大时延下具有高安全性的遥操作交会控制方法。引入Smith预估原理，分析地月遥操作回路中的时延产生机理，结合精确动力学模型，推导高精度状态预测算法；揭示人控能力随时延变化的理论模型，考虑时延等特殊因素，研究人在回路的遥操作交会安全性评估方法；基于安全性评估和人工势场理论，研究人机在环月轨道遥操作交会中的权重分配，提出共享控制方法；研制环月轨道遥操作交会半实物仿真系统，并开展地面操作实验，对所建模型中的关键参数进行辨识，对所提方法进行验证。项目研究将形成环月轨道遥操作交会安全控制的理论与方法体系，研究成果对我国探月工程、载人登月及深空探测等空间活动具有重要理论意义和实践价值。

我国嫦娥三期探测任务要进行月球采样返回，需在环月轨道进行航天器的交会，遥操作技术可提高无人探测器环月轨道交会的成功率和安全性。本项目研究复杂力学环境及变化大时延下具有高安全性的遥操作交会控制方法。主要研究成果如下： .提出了基于Smith预估的遥操作交会状态预测算法。1）建立了遥操作交会控制回路中的时延计算模型，分析了时延对控制系统稳定性的影响；2）基于时延缓冲算法和相对动力学模型，推导了基于Smith预估的状态预测算法；3）基于遥操作交会仿真系统，开展了无预测显示辅助和有预测显示辅助的遥操作交会仿真实验。.提出了遥操作交会轨迹的安全性动态评估方法。1）对遥操作交会中相对运动规律和人的信息处理特性进行分析，设计了人的操作策略；2）分析了遥操作交会的安全性影响因素，建立了安全走廊并设计了安全准则。推导了状态预测偏差的实时计算公式，并建立了安全性的实时评估模型；3）开展了随机初始条件下的遥操作交会仿真实验，对安全性动态评估方法进行验证。.研究了遥操作交会人机联合共享控制算法。1）基于人工势场理论，建立了遥操作交会的共享控制模型；2）分析了追踪航天器在安全走廊内受到人工势场力作用时，提出了基于九点控制原理的可变权重计算方法，解决人工势场力的过度作用问题；3）基于遥操作交会仿真系统，对人机联合的共享控制算法进行验证。.设计了操纵品质评价方案并进行实验。1）说明了操纵品质评价对系统研制的工程意义，设计了遥操作交会对接系统操纵品质评价方案；2）按照一定的人员选取原则，选定了12名试验人员作为遥操作交会对接系统操纵品质评价的主体；选取了各种评价指标，对指标内容和使用方法进行了说明；3）根据是否采用预显示方法和人机联合共享控制方法制定了四种控制模式，开展了四种模式下的操纵品质评价试验。.本项目研究构建了环月轨道遥操作交会安全控制的理论与方法体系，对我国探月工程、载人登月及深空探测等空间活动具有重要理论意义和实践价值。