來源：戰(zhàn)略前沿技術(shù)
一、遙操作在深空探測中的需求分析
對(duì)未知世界的探索，是人類永恒的追求；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(fā)現(xiàn)，人類千百年來的夢(mèng)想正隨著科技的進(jìn)步逐一實(shí)現(xiàn)。探索更深更遠(yuǎn)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(lián)/俄羅斯、歐空局、日本、中國、印度均已開展了深空探測活動(dòng)，其中月球探測約115次，火星探測44次。美國更是唯一實(shí)現(xiàn)載人登月并在深空探測領(lǐng)域處于絕對(duì)領(lǐng)先地位的國家。我國也已成功實(shí)施了3次月球探測，并計(jì)劃于2020發(fā)射首顆火星探測衛(wèi)星，為將來的火星實(shí)地探測鋪路引航。
然而，目前深空探測的效率深受計(jì)算機(jī)、人工智能和機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵支撐技術(shù)發(fā)展的制約，能在太空環(huán)境中完全自主工作的機(jī)器人短期內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)；而受太空生存環(huán)境的影響，完全依賴航天員現(xiàn)場執(zhí)行任務(wù)，不僅有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，成本也將十分昂貴。因此，深空探測遙操作技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。采用遙操作技術(shù)完成探測任務(wù)，將人的智能與機(jī)器的自主相結(jié)合，在保證人類安全的前提下，充分利用機(jī)器人的精度和強(qiáng)度，不僅可以避免航天員在惡劣太空環(huán)境中作業(yè)時(shí)可能受到的傷害，還可以降低成本，提高空間探索活動(dòng)的效率。
二、遙操作在深空探測中的應(yīng)用現(xiàn)狀
遙操作技術(shù)是一種達(dá)到人與被控對(duì)象之間遠(yuǎn)程交互的技術(shù)手段。遙操作的控制端在本地，其執(zhí)行端在本地?zé)o法直接感知的遠(yuǎn)程空間某處。控制端和執(zhí)行端的分離使得在深空探測任務(wù)中，人身處地球，便可實(shí)現(xiàn)太空探測設(shè)備的操控，在解決了人的太空生存難題的同時(shí)，也帶來了控制延遲、環(huán)境感知等各種問題。
目前遙操作技術(shù)在空間活動(dòng)中具有代表性的典型應(yīng)用有：德國ROTEX空間機(jī)器人、美國“火星探測漫游者”的巡視器和中國“玉兔號(hào)”月面巡視器。
（一）德國 ROTEX 空間機(jī)器人
1993 年，德國在哥倫比亞航天飛機(jī)的密封實(shí)驗(yàn)艙中進(jìn)行了空間機(jī)器人實(shí)驗(yàn)(SpaceRobot Technology Experiment, ROTEX)。ROTEX是一個(gè)6個(gè)自由度機(jī)器人，其末端裝有剛性六維腕力傳感器、柔性光學(xué)腕力傳感器、4×8觸覺傳感器陣列、9個(gè)激光測距傳感器和一對(duì)立體微型攝像機(jī)。
ROTEX既可以由航天員借助攝像機(jī)進(jìn)行在軌遙操作，也可以由地面操作人員進(jìn)行地面遙操作。它通過一顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星和一顆通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通信回路，延遲大約為6s。借助于遠(yuǎn)端機(jī)器人操作環(huán)境預(yù)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?qū)OTEX進(jìn)行了遙操作，成功地進(jìn)行了柵格機(jī)構(gòu)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(xiàng)遙操作實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了大時(shí)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(jī)器人在軌操作，為大時(shí)延下的空間遙操作研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
（二）美國“火星探測漫游者”的巡視器
美國于2003年在“火星探測漫游者”探測器（MER）計(jì)劃中，先后發(fā)射了“勇氣號(hào)”（Spirit）和“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）火星巡視器，其主要采用長距離自主導(dǎo)航加遙操作的工作模式，以每個(gè)火星日為周期開展探測工作。
地面遙操作專家組基于火星巡視器前一天傳回的圖像和數(shù)據(jù)等信息，展開任務(wù)分析、制定科學(xué)戰(zhàn)略、上傳運(yùn)動(dòng)和儀器設(shè)備動(dòng)作命令，用于當(dāng)天火星日的任務(wù)；任務(wù)結(jié)束后，巡視器將獲得的圖像和數(shù)據(jù)傳回地面。在任務(wù)執(zhí)行中，主要采用人機(jī)結(jié)合的遙操作共享控制方式，人與機(jī)器的控制權(quán)重分配取決于具體的任務(wù)和地表地形。該方式實(shí)現(xiàn)了火星和地球之間超遠(yuǎn)距離、超大時(shí)延的遙操作，在深空探測遙操作領(lǐng)域具有里程碑意義。
（三）中國“玉兔號(hào)”月面巡視器
2013年12月，中國研制的“玉兔號(hào)”月面巡視器成功登陸月球，并采用地面遙操作與器上自主相結(jié)合的方式，開展了月面探測活動(dòng)。
“玉兔號(hào)”巡視器攜帶有360°全景相機(jī)、紅外成像光譜儀等多種探測儀器。其將獲取的任務(wù)環(huán)境信息傳回地球，地面控制中心利用環(huán)境數(shù)據(jù)和“玉兔號(hào)”狀態(tài)信息恢復(fù)出巡視器周圍的地形環(huán)境狀況并構(gòu)建遙現(xiàn)場，輔助地面控制人員對(duì)“玉兔號(hào)”的操作進(jìn)行決策，形成相應(yīng)的規(guī)劃方案，并在地面仿真驗(yàn)證系統(tǒng)中對(duì)規(guī)劃進(jìn)行演示和驗(yàn)證，再將通過驗(yàn)證的控制指令上傳至“玉兔號(hào)”。“玉兔號(hào)”根據(jù)控制指令，自主完成近距離障礙識(shí)別和局部路徑規(guī)劃，并利用攜帶的儀器進(jìn)行科學(xué)探測。“玉兔號(hào)”探測任務(wù)的成功實(shí)施，展現(xiàn)了我國遙操作技術(shù)在月面探測中應(yīng)用的有效性和成功性，對(duì)我國深空著陸探測的發(fā)展起到了積極的先導(dǎo)作用。
三、深空探測遙操作的特點(diǎn)及難點(diǎn)分析
深空探測中，遙操作控制端和執(zhí)行端在空間上的隔離導(dǎo)致遙操作控制回路中不可避免地存在時(shí)延，航天器的智能程度也決定著人與機(jī)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(wù)主要面臨的問題有：大時(shí)延、人機(jī)配合和航天器安全。
（一）時(shí)延補(bǔ)償問題
時(shí)延的主要來源是遙操作控制回路中的信號(hào)傳輸時(shí)延、接收站或者中繼衛(wèi)星等設(shè)備間的數(shù)據(jù)處理時(shí)延及計(jì)算時(shí)延等，如地球軌道遙操作的回路時(shí)延大約為0.5~6s，月球遙操作中的回路時(shí)延一般在10s以上，而火星探測器的回路時(shí)延至少達(dá)到30min。由于時(shí)延的存在，操作者無法及時(shí)感知航天器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所發(fā)出的控制指令也無法由航天器實(shí)時(shí)執(zhí)行，由此將嚴(yán)重影響遙操作控制回路的穩(wěn)定性和操作性能。
在克服時(shí)延的方法中，“運(yùn)動(dòng)-等待”方法和雙邊控制方法隨著時(shí)延的增加，其控制性能急劇下降。預(yù)測顯示方法在大時(shí)延條件下雖然可以協(xié)助操作員消除時(shí)延滯后，然而其補(bǔ)償效果取決于被控對(duì)象模型和時(shí)延模型的精度。在缺乏對(duì)深空探測環(huán)境的先驗(yàn)了解下，建立較為精確的現(xiàn)場模型較為困難；同時(shí)受各種環(huán)境因素以及通信鏈路中的各種不確定性因素影響，時(shí)延隨機(jī)變化較大，難以精確建模，也將嚴(yán)重影響狀態(tài)預(yù)測的精度。
（二）人機(jī)聯(lián)合問題
深空探測遙操作的控制主體是人，執(zhí)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(yīng)采用的控制算法，也決定了遙操作所能達(dá)到的控制性能。
在深空探測任務(wù)中，操作者缺乏對(duì)操作環(huán)境的先驗(yàn)了解，利用傳感器獲得的狀態(tài)信息也較為有限，依靠真實(shí)測量信息進(jìn)行控制會(huì)受到時(shí)延滯后的影響，依靠預(yù)測仿真信息進(jìn)行控制也無法避免預(yù)測偏差對(duì)操作者判斷和決策的誤導(dǎo)。因此，研究人與機(jī)器的共享控制策略，充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性和機(jī)器的穩(wěn)定性、精確性，合理分配二者在任務(wù)執(zhí)行時(shí)的控制權(quán)重，使之優(yōu)劣互補(bǔ)，以達(dá)到最優(yōu)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，控制回路中存在大時(shí)延和測量信息偏差等因素，加之人的不穩(wěn)定性和機(jī)器智能的有限性，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(wù)的執(zhí)行。
若采用監(jiān)督控制的方法，即由人每次發(fā)送簡單的控制指令，等待航天器執(zhí)行完成并反饋信息后再進(jìn)行下步操作，則過于保守，嚴(yán)重影響任務(wù)執(zhí)行的連續(xù)性和操作性能；即使采用預(yù)測仿真方法，也無法完全復(fù)現(xiàn)真實(shí)任務(wù)場景，各種不確定的安全隱患也難以排除。因此如何對(duì)遙操作的安全性進(jìn)行評(píng)估，并據(jù)此研究出安全的控制方法，是深空探測遙操作需要重點(diǎn)研究的問題。
四、深空探測遙操作技術(shù)展望
基于以上問題分析，筆者認(rèn)為未來深空探測遙操作技術(shù)的研究應(yīng)重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：
一是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在控制端構(gòu)建遠(yuǎn)程場景的虛擬環(huán)境，包括幾何模型的場景構(gòu)建、動(dòng)力學(xué)模型的建立和參數(shù)識(shí)別等問題，利用遠(yuǎn)端測量信息對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，不斷完善本地的預(yù)測仿真環(huán)境，以此作為克服大時(shí)延，實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制的重要手段。
二是引入最優(yōu)控制理論和人因工程理論，綜合考慮操作者的工作負(fù)荷、任務(wù)時(shí)間和執(zhí)行精度等因素，合理設(shè)計(jì)人和機(jī)器共享控制的權(quán)重，研究多目標(biāo)優(yōu)化的遙操作人機(jī)聯(lián)合共享控制算法。
三是考慮模型、測量及控制等環(huán)節(jié)的各項(xiàng)偏差，推導(dǎo)遙操作的偏差傳播模型，在此基礎(chǔ)上建立安全性實(shí)時(shí)評(píng)估模型，對(duì)任務(wù)執(zhí)行的安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，設(shè)定相關(guān)安全閾值，必要時(shí)由安全系統(tǒng)強(qiáng)制介入，規(guī)避危險(xiǎn)或中止任務(wù)。
可以預(yù)見，在人工智能高度發(fā)達(dá)之前相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，遙操作技術(shù)將作為主要幫手，協(xié)助人類走向更美更遠(yuǎn)的星空。
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3MTkwMzM0Nw==&mid=2247495066&idx=8&sn=a7a1eceb3a06dc573333eec192062627&chksm=eb381286dc4f9b90ce448cd243a2d45dface0ae62fccb29ebd52345497b32ecbde99b6531bda&mpshare=1&scene=1&srcid=0819UrTKWAhu5ZCmVK88sGIw&sharer_sharetime=1651458640689&sharer_shareid=7eeaa9932c226afa00912610c98a232f#rd