項目簡介

在特定環(huán)境下,遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)加入力覺反饋能夠使操作者感受到真實的操縱感覺,實現(xiàn)力覺臨場感,實時把握被控對象運動狀態(tài),及時對控制指令做出相應(yīng)的調(diào)整,保證被控對象在遠(yuǎn)程操控下準(zhǔn)確可靠運行,很大程度上能夠降低人員操作失誤率,增加操作者操控的安全性,因此對基于力反饋的航空航天遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

通過仿真分析驗證控制方法的有效性,保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力反饋的準(zhǔn)確性,為操作者提供可靠的路感信息,同時對數(shù)據(jù)通信、位置跟蹤等模塊進(jìn)行功能測試,驗證各模塊程序設(shè)計的合理性,保證數(shù)據(jù)通信、位置跟蹤、數(shù)據(jù)顯示的準(zhǔn)確性,實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)軟硬件的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一,終實現(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確的力覺反饋,增強對遠(yuǎn)程機械臂控制的有效性,滿足基于力反饋的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的既定要求。

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1.1.1?多維度狀態(tài)輸入設(shè)備

1.遠(yuǎn)程操控：在現(xiàn)實環(huán)境中實時控制一個遠(yuǎn)端指令生成設(shè)備（機械手臂+手爪）對實物進(jìn)行操作，同時感受遠(yuǎn)端指令生成設(shè)備和環(huán)境的接觸力。

3.基于混合現(xiàn)實的培訓(xùn)：在現(xiàn)實環(huán)境中實時控制一個遠(yuǎn)端指令生成設(shè)備對虛擬物體進(jìn)行操作，同時感受遠(yuǎn)端指令生成設(shè)備和虛擬物體的接觸

圖1? 多維度狀態(tài)輸入設(shè)備

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• 針對遠(yuǎn)程操控應(yīng)用模式，多維力反饋設(shè)備與遠(yuǎn)端指令生成設(shè)備連接的系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

圖2 ?遠(yuǎn)程操控應(yīng)用模式系統(tǒng)架構(gòu)

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• 針對虛擬現(xiàn)實應(yīng)用模式，多維力反饋設(shè)備與遠(yuǎn)端指令生成設(shè)備連接的系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

圖3 ?虛擬現(xiàn)實模式應(yīng)用架構(gòu)




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• 混合現(xiàn)實模式介于遠(yuǎn)程控制和虛擬現(xiàn)實模式之間，硬件部分架構(gòu)類似于遠(yuǎn)程控制，多維狀態(tài)輸入設(shè)備通過控制主機與遠(yuǎn)端指令生成設(shè)備連接；同時，也生成被操作物體及環(huán)境的虛擬場景，通過三維全景仿真調(diào)度軟件協(xié)調(diào)、同步遠(yuǎn)端機械手臂與虛擬物體之間的位置及物理關(guān)系，并將混合現(xiàn)實的圖像生成在操作人員的頭盔中。




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顧名思義，遠(yuǎn)端目標(biāo)操作機械臂需要實現(xiàn)遠(yuǎn)端目標(biāo)操作的作用，自由度不小于7，同時負(fù)責(zé)對遠(yuǎn)端力覺信息的重現(xiàn)。同時整機的結(jié)構(gòu)能在不同操作間安裝和移動。




圖6? 機械臂運行狀態(tài)




• 遠(yuǎn)端目標(biāo)操作設(shè)備總體特點：

2.????協(xié)作性與安全性：?人機協(xié)作機器人，在通常使用模式下不需要增加安全圍欄。

4.????編程簡單：需要有直觀的3D視圖，編程容易。

6.????綜合使用成本低：耗電低，使用簡單，維護簡單。??

?圖7?遠(yuǎn)端目標(biāo)操作設(shè)備

1.1.3?三維全景仿真驗證調(diào)度軟件




圖8 ?三維全景仿真驗證系統(tǒng)調(diào)度軟件信息流




• 演示和仿真控制模塊

在實驗開始前，獲取遙操作手控器的狀態(tài)信息、顯示設(shè)備信息，對狀態(tài)進(jìn)行健康狀態(tài)判讀；實驗中對數(shù)據(jù)、視頻進(jìn)行顯示、記錄，緊急情況下具備干預(yù)能力；實驗完成后實現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻回放，能控制回放速度；實驗開始和結(jié)束時發(fā)送實驗啟動、結(jié)束指令。

為使實驗狀態(tài)數(shù)據(jù)直觀、便捷顯示，可采用多臺顯示器對軟件界面進(jìn)行顯示。

• 用于處理接入三維場景中的數(shù)據(jù)，包括操作對象狀態(tài)，提取像仿真所需數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的采樣頻率進(jìn)行匹配，形成固定標(biāo)準(zhǔn)格式，以適應(yīng)不同數(shù)據(jù)來源，方便圖像仿真。

• 進(jìn)行像仿真資源調(diào)配，并實現(xiàn)流暢、的像仿真。用于進(jìn)行計算資源配置，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計算單元和形計算單元間的協(xié)同調(diào)度。根據(jù)視角及位置，對視景進(jìn)行計算并顯示在相應(yīng)的輸出設(shè)備上。

• a）虛擬三維模型

仿真對象：能讀取商用軟件建立的操作對象三維模型，在上述三維模型中顯示。本軟件建立一套默認(rèn)三維模型。

b）敏感器三維重構(gòu)

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• 用于將按照一定格式生成的虛擬仿真數(shù)據(jù)，以及實際三維相機拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合匹配，形成虛實結(jié)合的場景，融合匹配操作默認(rèn)自動完成，可以手動配置進(jìn)行修正。能為遠(yuǎn)端視覺輸入設(shè)備定位系統(tǒng)提供虛擬的操作目標(biāo)，實現(xiàn)遠(yuǎn)端視覺輸入設(shè)備定位系統(tǒng)對虛擬目標(biāo)的操作。




• 設(shè)備調(diào)度模塊

輸入設(shè)備包括遙操作控制終端，具備適應(yīng)甲方提供的遙操作終端型號、個數(shù)的能力，能對遙操作終端進(jìn)行狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置。







可實現(xiàn)的實驗項目

根據(jù)用戶需求調(diào)研，結(jié)合項目背景分析，用戶主要實現(xiàn)實物仿真實驗、虛擬仿真實驗、混合仿真實驗三種應(yīng)用模式。




• 實物仿真實驗




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• 虛擬仿真實驗，通過三維可視化技術(shù)構(gòu)建虛擬的機械臂與實驗?zāi)繕?biāo)，并可將它們部署于依托真實的環(huán)境數(shù)據(jù)支撐的虛擬真是環(huán)境中，通過真實仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動其運行，實現(xiàn)更加符合真實作業(yè)環(huán)境的仿真實驗。




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• 混合仿真實驗使用當(dāng)前先進(jìn)混合現(xiàn)實技術(shù)，將真實的設(shè)備（機械臂）與虛擬的目標(biāo)設(shè)備融匯在一個空間中，并進(jìn)行接觸物理仿真計算，實現(xiàn)虛實融合的仿真實驗。




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業(yè)務(wù)價值

航天技術(shù)是一項綜合性很強的高技術(shù)集群,薈萃了科學(xué)技術(shù)的許多成果。航天技術(shù)的發(fā)展和每一次重大突破，都會引起經(jīng)濟的深刻變革和人類社會的巨大進(jìn)步。Hysim和遠(yuǎn)科技很榮幸為航空事業(yè)貢獻(xiàn)一份力量。

通過本系統(tǒng)多維度狀態(tài)輸入設(shè)備，實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實和混合現(xiàn)實的遠(yuǎn)程操控和培訓(xùn)。結(jié)合遠(yuǎn)端視覺輸入設(shè)備定位系統(tǒng)和三維全景仿真驗證系統(tǒng)調(diào)度軟件，既可以讓遠(yuǎn)端目標(biāo)操作機械臂，實現(xiàn)遠(yuǎn)端目標(biāo)操作的作用，又同時實現(xiàn)對遠(yuǎn)端力覺信息的重現(xiàn)，一起構(gòu)成了完整的三維全景仿真驗證系統(tǒng)。

基于在VR頭盔中雙目遠(yuǎn)程立體成像的真實空間反饋體驗，通過三維可視化技術(shù)構(gòu)建虛擬的機械臂與實驗?zāi)繕?biāo)，以及力反饋設(shè)備的力矩操作體驗，使遠(yuǎn)程操控機械臂如同使用自己的手臂去完成任務(wù)一樣清晰具象，操作過程更加可靠。通過三維全景仿真驗證系統(tǒng)，實驗者可以在立體環(huán)境中使用力反饋設(shè)備驅(qū)動雙臂機器人進(jìn)行實驗操作，并可以完成模擬實物仿真實驗、虛擬仿真實驗、混合仿真實驗多種實驗狀態(tài)，為后續(xù)實操提供實驗依據(jù)。

航空事業(yè)的發(fā)展是技術(shù)的飛躍進(jìn)步，社會生產(chǎn)突飛猛進(jìn)的結(jié)果。雖然還只是人類離開地球這個搖籃的幾步，但它的作用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，對政治、經(jīng)濟、軍事以至人類社會生活都產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響。