一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统的制作方法

1.本发明属于空间双臂在轨操作技术领域，涉及一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统。


背景技术：

2.空间机械臂在空间站上承担着舱段转位对接、悬停飞行器捕获与辅助对接、支持航天员出舱活动、舱外货物搬运及状态检查、暴露平台实验载荷照料以及光学平台照料等任务。空间站配置两套机械臂，核心舱配置一套大机械臂(简称大臂，臂展10米)，实验舱配置一套小机械臂(简称小臂，臂展5米)，大臂进行大负载大范围空间操作，小臂进行高精度精细操作。两套机械臂在空间站不同舱段的不同位置上可以移动，能够完成灵活的转移，扩大机械臂的操作可达空间。
3.目前面向空间机械臂在轨操作的系统截面单一、逻辑落后，并没有对于动态信息、自主任务进行整合，人机交互性差，操作模式单一，上述缺陷亟需进行提升，以满足进一步复杂性操作的需求。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，通过动态信息流管理、自主任务管理及多数据源融合人机交互设计，实现空间双机械臂多点接入的管理，为航天员提供在舱内完成空间机械臂的多模式操作。
5.本发明解决技术的方案是：
6.一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，包括多模式操作控制模块、动态信息管理模块和实时仿真与显示模块；模式操作控制模块包括工作模式选择模块、地面操作管理模块、自主任务管理模块、人机交互操作模块；动态信息管理模块又包括机械臂动态总线信息管理模块、机械臂信息处理模块；实时仿真与显示模块又包括机械臂仿真训练模块、机械臂运动参数及图像显示模块；
7.工作模式选择模块：接收地面操作中心传来的机械臂操控数据；选择机械臂的操作模式，操作模式包括地面操作模式、自主操作模式、在轨操作模式和在轨仿真训练操作模式；当选择地面操作模式时，从机械臂操控数据中提取地面操控数据，并将地面操控数据发送至地面操作管理模块；当选择自主操作模式时，从机械臂操控数据中提取自主操控数据，并将自主操控数据发送至自主任务管理模块；当选择在轨操作模式时，发出工作指令至人机交互操作模块；
8.人机交互操作模块：接收工作模式选择模块传来的工作指令，开机；输入机械臂运动控制指令，并将机械臂运动控制指令发送至机械臂动态总线信息管理模块；接收机械臂信息处理模块传来的六维力数据，根据六维力数据进行操作模块的阻尼反馈设置；
9.地面操作管理单元：接收工作模式选择模块传来的地面操控数据，从地面操控数
据中提取指定的机械臂信息、机械臂工作模式信息、遥操作信息和机械臂运动操作信息，生成机械臂运动控制指令，并将机械臂运动控制指令发送至机械臂动态总线信息管理模块；
10.自主任务管理模块：接收工作模式选择模块传来的自主操控数据；根据自主操控数据或在轨操控数据，调用预存的典型自主任务，生成机械臂运动控制指令，并将机械臂运动控制指令发送至机械臂动态总线信息管理模块；自主任务的每一步操作过程传输至面板操作模块，供航天员在轨监视自主任务执行过程；
11.机械臂动态总线信息管理模块：接收人机交互操作模块传来的机械臂运动控制指令；或接收地面操作管理单元传来的机械臂运动控制指令；或接收自主任务管理模块传来的机械臂运动控制指令；通过总线将机械臂运动控制指令发送至对应的机械臂，操作其完成相应运动，生成机械臂真实视频图像数据；同时将机械臂运动控制指令发送至机械臂仿真训练模块；通过总线接收运动机械臂的遥测数据和位姿测量数据，并将遥测数据和位姿测量数据发送至机械臂信息处理模块；
12.机械臂信息处理模块：接收机械臂动态总线信息管理模块传来的遥测数据和位姿测量数据；将遥测数据发送至地面操作中心，供地面操作中心监测；同时将遥测数据发送至机械臂仿真训练模块，供机械臂三维仿真使用；将位姿测量数据发送至机械臂运动参数及图像显示模块；根据遥测数据和位姿测量数据解析出六维力数据，并将六维力数据发送至人机交互操作模块；
13.机械臂仿真训练模块：接收机械臂信息处理模块传来的遥测数据，将机械臂三维模型模拟至遥测数据的位置，显示机械臂的运动状态；接收机械臂动态总线信息管理模块传来的机械臂运动控制指令，按照机械臂运动控制指令驱动机械臂三维模型进行实时仿真，生成机械臂的仿真视频和图像数据，并将机械臂的仿真视频和图像数据发送至机械臂运动参数及图像显示模块进行显示；同时将机械臂的仿真视频和图像数据发送至地面操作中心；
14.机械臂运动参数及图像显示模块：接收机械臂仿真训练模块传来的机械臂三维模型的仿真视频和图像数据，进行仿真情况显示；接收机械臂信息处理模块传来的位姿测量数据；获取机械臂运动的真实视频图像数据；通过位姿测量数据和机械臂运动的真实视频图像数据，进行真实机械臂的运动情况显示。
15.在上述的一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，所述机械臂操控数据包括地面操控数据和自主操控数据。
16.在上述的一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，所述机械臂工作模式信息包括单臂独立工作、多臂组合工作、多臂协同工作；所述遥操作信息包括地面手柄遥操作、地面指令遥操作。
17.在上述的一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，所述典型自主任务包括机械臂预编程运动、机械臂视觉闭环运动、机械臂自主舱段转位、机械臂紧急返回；且典型自主任务通过上注，动态实时更新。
18.在上述的一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，所述人机交互操作模块包括面板操作模块、转动手柄操作模块、平动手柄操作模块；人机交互操作模块通过面板操作模块、转动手柄操作模块、平动手柄操作模块中的一种或多种，输入机械臂运动控制指令。
19.在上述的一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，所述面板操作模块接收航天员对机械臂的操作指令，航天员通过快捷硬按键、图形页面软按键，在舱内进行机械臂运动参数设置、机械臂运动操作、末端捕获释放、典型自主任务操作、机械臂单机管理、平动和转动手柄参数设置管理等全部机械臂操作，在轨生成机械臂控制指令，所有机械臂控制指令通过校验及二次确认后，才发送给机械臂动态总线信息管理模块，另一方面也将操作过程信息同步在面板操作模块中进行显示，为航天员提供提示信息，该过程信息也作为机械臂遥测数据，送至地面操作中心，地面操作中心可以镜像复现航天员在轨操作动作，进行监视和评估。
20.在上述的一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，所述机械臂运动参数包括负载、速度、加速度档位。
21.在上述的一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，所述转动手柄操作模块为航天员提供一种直接的操作方式，航天员通过观看机械臂视频图像，直接操作转动手柄调整机械臂末端俯仰、偏航、转动方向的姿态，调整单关节正向、反向转动姿态，调整相机云台俯仰、偏航姿态，转动手柄模块接收航天员对手柄的操作，根据所设置的速度、负载档位，产生控制机械臂末端、单关节、相机云台姿态控制数据，发送给机械臂动态总线信息管理模块。
22.在上述的一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，所述平动手柄操作模块为航天员提供一种直接的操作方式，航天员通过观看机械臂视频图像，直接操作平动手柄调整机械臂末端前后、左右、上下三个方向的位置，平动手柄模块接收航天员对手柄的操作，根据所设置的速度、负载档位，产生控制机械臂末端位置控制数据，发送给机械臂动态总线信息管理模块。
23.在上述的一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，所述转动手柄操作模块和平动手柄操作模块均接收机械臂信息处理模块解送来的六维力数据，将力反馈信息叠加到手柄阻尼力上，为航天员操作提供平滑的力反馈感觉。
24.本发明与现有技术相比的有益效果是：
25.(1)本发明中机械臂操作与显控系统由具备力反馈手柄、液晶显示面板等人机交互功能的在轨操作台、具有视觉图像及遥测信息的智能显示器、具有机械臂仿真验证功能的仿真笔记本以及可动态切换的机械臂总线系统等组成，具有多操作模式冗余备份功能，可以提供在轨训练，可以提供具有视觉反馈、力反馈、听觉反馈等人机交互操作；；
26.(2)本发明机械臂操作与显控系统为大臂、小臂共用，为航天员提供了统一的操作流程，简捷方便，并且具有执行复杂协同工作的自主操作功能，减少了人在回路中带来的操作不稳定性；
27.(3)本发明提供基于天地一体化的通信网络设计，当航天员在轨操作、在轨训练过程中，机械臂状态、航天员操作状态等信息均实时下传至地面，地面可还原在轨场景及机械臂视觉场景，进行有效监视和及时干预；
28.(4)本发明机械臂在轨可进行舱段间的“爬行”，并且双机械臂在轨工作模式多，协同工作及组合工作对操作时序要求严格，通过动态总线信息管理，可灵活适应变总线拓扑结构的机械臂，航天员可以无切换感的操作工作在不同舱段的大臂、小臂以及组合臂。
附图说明
29.图1为本发明舱内操作及显控系统示意图。
具体实施方式
30.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
31.本发明提供一种面向空间双臂在轨操作的航天员舱内操作及显控系统，为航天员操作多机械臂设计一种统一的舱内操作及显控系统，可提供视觉反馈及力反馈，增加临场感；可针对大臂、小臂等不同对象的独立工作、组合工作、协同工作、自主工作等多种模式进行操作；也可用于机械臂操作的在轨训练，并设计与之匹配的参数图形化显示页面。
32.航天员舱内操作及显控系统，如图1所示，具体包括多模式操作控制模块、动态信息管理模块和实时仿真与显示模块；模式操作控制模块包括工作模式选择模块、地面操作管理模块、自主任务管理模块、人机交互操作模块；动态信息管理模块又包括机械臂动态总线信息管理模块、机械臂信息处理模块；实时仿真与显示模块又包括机械臂仿真训练模块、机械臂运动参数及图像显示模块。
33.工作模式选择模块：接收地面操作中心传来的机械臂操控数据；机械臂操控数据包括地面操控数据和自主操控数据。选择机械臂的操作模式，操作模式包括地面操作模式、自主操作模式、在轨操作模式和在轨仿真训练操作模式。当选择地面操作模式时，从机械臂操控数据中提取地面操控数据，并将地面操控数据发送至地面操作管理模块；当选择自主操作模式时，从机械臂操控数据中提取自主操控数据，并将自主操控数据发送至自主任务管理模块；当选择在轨操作模式时，发出工作指令至人机交互操作模块。
34.人机交互操作模块：接收工作模式选择模块传来的工作指令，开机；输入机械臂运动控制指令，并将机械臂运动控制指令发送至机械臂动态总线信息管理模块；接收机械臂信息处理模块传来的六维力数据，根据六维力数据进行操作模块的阻尼反馈设置。
35.地面操作管理单元：接收工作模式选择模块传来的地面操控数据，从地面操控数据中提取指定的机械臂信息、机械臂工作模式信息、遥操作信息和机械臂运动操作信息，生成机械臂运动控制指令，并将机械臂运动控制指令发送至机械臂动态总线信息管理模块。机械臂工作模式信息包括单臂独立工作、多臂组合工作、多臂协同工作；所述遥操作信息包括地面手柄遥操作、地面指令遥操作。
36.自主任务管理模块：接收工作模式选择模块传来的自主操控数据；根据自主操控数据或在轨操控数据，调用预存的典型自主任务，生成机械臂运动控制指令，并将机械臂运动控制指令发送至机械臂动态总线信息管理模块；自主任务的每一步操作过程传输至面板操作模块，供航天员在轨监视自主任务执行过程。
37.典型自主任务包括机械臂预编程运动、机械臂视觉闭环运动、机械臂自主舱段转位、机械臂紧急返回；且典型自主任务通过上注，动态实时更新。
38.机械臂动态总线信息管理模块：接收人机交互操作模块传来的机械臂运动控制指令；或接收地面操作管理单元传来的机械臂运动控制指令；或接收自主任务管理模块传来的机械臂运动控制指令；通过总线将机械臂运动控制指令发送至对应的机械臂，操作其完成相应运动，生成机械臂真实视频图像数据；同时将机械臂运动控制指令发送至机械臂仿真训练模块；通过总线接收运动机械臂的遥测数据和位姿测量数据，并将遥测数据和位姿
测量数据发送至机械臂信息处理模块。
39.机械臂信息处理模块：接收机械臂动态总线信息管理模块传来的遥测数据和位姿测量数据；将遥测数据发送至地面操作中心，供地面操作中心监测；同时将遥测数据发送至机械臂仿真训练模块，供机械臂三维仿真使用；将位姿测量数据发送至机械臂运动参数及图像显示模块；根据遥测数据和位姿测量数据解析出六维力数据，并将六维力数据发送至人机交互操作模块。
40.机械臂仿真训练模块：接收机械臂信息处理模块传来的遥测数据，将机械臂三维模型模拟至遥测数据的位置，显示机械臂的运动状态；接收机械臂动态总线信息管理模块传来的机械臂运动控制指令，按照机械臂运动控制指令驱动机械臂三维模型进行实时仿真，生成机械臂的仿真视频和图像数据，并将机械臂的仿真视频和图像数据发送至机械臂运动参数及图像显示模块进行显示；同时将机械臂的仿真视频和图像数据发送至地面操作中心。
41.机械臂运动参数及图像显示模块：接收机械臂仿真训练模块传来的机械臂三维模型的仿真视频和图像数据，进行仿真情况显示；接收机械臂信息处理模块传来的位姿测量数据；获取机械臂运动的真实视频图像数据；通过位姿测量数据和机械臂运动的真实视频图像数据，进行真实机械臂的运动情况显示。
42.本发明中，人机交互操作模块包括面板操作模块、转动手柄操作模块、平动手柄操作模块；人机交互操作模块通过面板操作模块、转动手柄操作模块、平动手柄操作模块中的一种或多种，输入机械臂运动控制指令。
43.面板操作模块接收航天员对机械臂的操作指令，航天员通过快捷硬按键、图形页面软按键，在舱内进行机械臂运动参数设置、机械臂运动操作、末端捕获释放、典型自主任务操作、机械臂单机管理、平动和转动手柄参数设置管理等全部机械臂操作，在轨生成机械臂控制指令，所有机械臂控制指令通过校验及二次确认后，才发送给机械臂动态总线信息管理模块，另一方面也将操作过程信息同步在面板操作模块中进行显示，为航天员提供提示信息，该过程信息也作为机械臂遥测数据，送至地面操作中心，地面操作中心可以镜像复现航天员在轨操作动作，进行监视和评估。其中，机械臂运动参数包括负载、速度、加速度档位。
44.转动手柄操作模块为航天员提供一种直接的操作方式，航天员通过观看机械臂视频图像，直接操作转动手柄调整机械臂末端俯仰、偏航、转动方向的姿态，调整单关节正向、反向转动姿态，调整相机云台俯仰、偏航姿态，转动手柄模块接收航天员对手柄的操作，根据所设置的速度、负载档位，产生控制机械臂末端、单关节、相机云台姿态控制数据，发送给机械臂动态总线信息管理模块。
45.平动手柄操作模块为航天员提供一种直接的操作方式，航天员通过观看机械臂视频图像，直接操作平动手柄调整机械臂末端前后、左右、上下三个方向的位置，平动手柄模块接收航天员对手柄的操作，根据所设置的速度、负载档位，产生控制机械臂末端位置控制数据，发送给机械臂动态总线信息管理模块。
46.转动手柄操作模块和平动手柄操作模块均接收机械臂信息处理模块解送来的六维力数据，将力反馈信息叠加到手柄阻尼力上，为航天员操作提供平滑的力反馈感觉。
47.本发明适用四种操作模式：地面操作、在轨操作、自主操作以及在轨仿真训练操
作；包含四类信息流：操作控制数据流、视频及遥测数据流、仿真训练数据流、位姿数据流；
48.操作模式：
49.该操作与显控系统支持航天员与地面中心的天地协同操作，为此设置四种操作模式，航天员在轨可以灵活开展多机械臂的操作。四种操作模式包括地面操作、在轨操作、自主操作以及在轨仿真训练操作模式，四种操作模式可以协同开展。
50.地面操作模式：该操作模式下，机械臂操控指令由地面操作中心发出，航天员通过监视机械臂实时运动数据、故障监视数据和机械臂视频图像信息，可以协同调整并确定机械臂运动到位情况。在该模式下，航天员可以按下机械臂运动暂定键和机械臂运动停止键，也可以切换操作模式，在轨接管机械臂操作。除此之外，在该模式下，不响应航天员其他按键和手柄的动作输入。
51.在轨操作模式：该操作模式下，为航天员提供按键、触摸屏、手柄各种人机交互操作，通过监视机械臂实时运动数据、故障监视数据和机械臂视频图像信息，航天员可以选择任意机械臂，对机械臂末端运动、关节转动等进行操作，进行机械臂七个自由度的运动操作。特别的，航天员可以通过操作触摸屏上的末端点动方式，对机械臂末端三个方向的位置和三个角度的姿态开展微小调节，提高机械臂到位准确度；也可以通过力反馈手柄，提供航天员操作临场感体验，对机械臂进行大范围转移操作、进行位置和姿态的调整，增加操作安全性。在该模式下，航天员在轨操作指令可以实时下传至地面操作中心，地面操作中心可以实时镜像复现出航天员在轨操作的步骤，地面可随时接管机械臂的操作。
52.自主操作模式：在该操作模式下，航天员在操作面板上启动相应自主任务按键，该系统按照设定好的步骤和关键条件进行判断，启动相应机械臂自主完成相应任务，比如预编程运动、视觉闭环运动、机械臂自主舱段转位、机械臂紧急返回等任务；在自主任务过程中，实时接收姿轨控分系统发出的信息，发出航天器喷气禁止或允许指令，确保机械臂运动过程中航天器的位置与姿态保持正常状态。任务启动后，航天员可监视机械臂实时运动数据、故障监视数据和机械臂视频图像信息，监视任务完成，必要时可以进行干预。该模式减少了航天员在操作回路中，带来的人因不确定性，适用于已知固定任务的操作。在该模式下，机械臂遥测和视频图像可实时下传至地面操作中心，地面操作中心可以监控机械臂运动与预设运动的偏差，地面可随时接管机械臂的操作。
53.在轨仿真训练操作模式：在该操作模式下，机械臂操控指令发送至机械臂仿真训练计算机，仿真计算机将根据指令，选择驱动相应的机械臂三维仿真模型运动，生成虚拟场景实现航天员虚拟操作和训练，同时显示器实时显示仿真机械臂的相关遥测数据、故障监视数据和视频图像，供航天员判断模拟操作的操作状态。机械臂仿真计算机向操作手柄发送仿真六维力数据包，模拟虚拟训练下的手柄力反馈，为提供航天员操作临场感体验。在该模式下，航天员模拟训练的操作数据及机械臂仿真数据将下传至地面操作中心，地面实时了解航天员的操作训练情况；同时真实机械臂的遥测及图像数据仍然下传至地面操作中心，以便实时监视机械臂在轨状态。地面可以随时切换操作模式，接管机械臂的操作。当地面接管结束后，切换回在轨仿真训练操作模式后，航天员可以继续上次训练，也可以重新开始训练。
54.信息流：四类信息流：操作控制数据流、视频及遥测数据流、仿真训练数据流、位姿数据流。
55.操作控制数据流：操作控制流可通过航天员人机交互操作接口，在轨从面板、按键、手柄生成；也可由地面操作中心发送操控数据，经过测控通道，由数管系统转发至多模式操作控制模块；多模式操作控制模块解析出机械臂运动控制指令后，送动态信息管理模块处理，动态信息管理模块自动识别所操作的机械臂、以及该机械臂当前所在总线，并自动识别机械臂固定末端和自由末端，定向往对应总线上的指定机械臂发送操作控制指令，根据相应的机械臂组合、协同或独立工作的模式设置，让相应机械臂接收指令并响应产生真实动作。同时航天员在轨操作所有数据将实时通过遥测通道，发送给地面操作中心，以便地面操作中心实时查看航天员在轨操作机械臂的过程。
56.视频及遥测数据流：一方面机械臂上相机将视频流通过以太网传送给实时仿真与显示模块，为航天员提供直观的操作显示图像，该路视频流同时通过测控网下传至地面，地面操作中心同步显示图像；一方面动态信息管理模块对机械臂总线通信中断信号进行轮询判断，以判断大臂和小臂在动态总线上的在线状态，定时确定获取机械臂遥测数据的来源，之后将机械臂遥测数据一路送给多模式操作控制模块，经该模块送数管系统，通过测控网下传至地面操作中心进行显示，一路送机械臂仿真训练模块，驱动数字机械臂进行仿真显示，一路经过处理后提取关键机械臂运动位姿数据送机械臂运动参数及图像显示模块进行实时显示，为航天员提供实时监视页面。
57.仿真训练数据流：在轨仿真训练操作模式下，产生该数据流。在轨仿真训练操作模式下，航天员通过按键、触摸屏、手柄操作动作，生成机械臂仿真训练操作指令，该指令不发送给真实机械臂，而是通过以太网接口发送给测控网，转发至机械臂仿真训练模块，机械臂仿真训练模块将根据指令，驱动机械臂三维仿真模型运动，生成虚拟场景实现航天员虚拟操作。配合机械臂的运动场景，机械臂仿真训练模块同时生成机械臂仿真视频图像和机械臂仿真训练数据，一方面通过以太网发送给机械臂运动参数及图像显示模块，以供航天员进行在轨操作训练时状态监视；一方面，机械臂仿真训练数据、机械臂仿真视频图像数据，将通过测控网传送到地面操作中心，可以评估航天员在轨训练效果。
58.位姿数据流：自主操作模式下，机械臂相机的位姿数据通过动态信息管理模块进行解算，在进入视觉闭环模式时，机械臂信息处理模块将解算出来的实时位姿测量数据送相应机械臂，控制机械臂进一步进行视觉伺服运动，直至运动到达预定距离后，机械臂退出视觉伺服控制模式，动态信息管理模块不再解算机械臂相机的位姿数据，仅将其作为遥测数据通过测控网下传至地面控制中心。
59.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。