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在轨服务与维护系统

沈阳自动化所空间视觉技术在天宫二号成功应用

文章来源:沈阳自动化研究所    发布时间:2016-11-21

  11月18日,随着神舟十一号飞船返回仓成功着陆,天宫二号与神舟十一号载人飞行任务取得圆满成功。中国科学院沈阳自动化研究所空间视觉技术在天宫二号成功应用。

  天宫二号是我国首个真正意义上的空间实验室,主要承担航天员中期驻留、推进剂在轨补加和在轨维修技术试验三大任务。其中在轨维修技术试验为机械臂人机协同试验,属世界首次。 

  天宫二号机械臂人机协同在轨维修试验于10月22日至11月13日期间成功完成。11月9日下午,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平向天宫二号宇航员进行了问候,并观看了在轨维修人—机协同演示试验。沈阳自动化所主持研制的手眼视觉子系统和参与研制的全局相机子系统稳定工作,精确引导机械手圆满完成了抓取漂浮物体、拆卸隔热材料和旋拧电连接器、电动工具旋拧螺丝等各项空间试验任务。通过与航天员景海鹏、陈冬和航天五院、哈工大、北理工等单位的紧密协作,沈阳自动化所科研人员攻克了多项关键技术,提出的空间视觉伺服方案解决了机械臂抓取电动工具位置不固定造成的定位与控制难题,保证了各项试验任务的顺利完成。 

  沈阳自动化所光电信息技术研究室机器视觉部(403部)具体承担了该项视觉测量任务。本次试验的成功是沈阳自动化所在空间视觉领域取得的又一项重要成果,再次体现了研究所在该领域的科研能力与水平。(光电信息技术研究室)


实验室空间机械手成功完成天宫二号人机协同在轨维修科学试

发布人:纪军红  发布时间:2016-11-21

11月9日下午,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平来到中国载人航天工程指挥中心,观看了天宫二号航天员与空间机械手的人机协同在轨维修科学试验。在电视画面中,手控机械臂至预定位置、机械手和机械臂动作、机械臂复位和数据手套状态恢复,航天员精准完成一连串试验动作。

人机协同在轨维修技术试验为国际首次,由哈工大与中国航天科技集团公司第五研究院、北京理工大学共同完成。该项试验主要面向航天设备在轨组装及拆卸任务,探索人机协同完成在轨维修典型作业,为空间机器人在轨服务积累经验。

天宫二号空间机械手由我校研制,包含多感知柔性机械臂、五指仿人灵巧手、控制器及其软件、手眼相机、人机交互设备及其软件等。研制团队在三年研制周期内,完成了产品研制、地面操作试验、空间环境适应性试验等工作。2016年9月15日,空间机械手随天宫二号发射入轨。2016年10月19日,天宫二号与神舟十一号对接后,航天员与机械手协同完成了拿电动工具拧螺钉、拆除隔热材料、在轨遥操作等科学试验。人机协同在轨维修试验是天宫二号三大关键试验任务之一,航天员地面培训共计10人天、在轨操作共计80人时。截止2016年11月13日,圆满完成全部试验任务。

从“十五”开始,实验室刘宏教授、刘伊威副教授等面向机械手在空间维修维护中的潜在应用,开展了灵巧手、机械臂、柔顺控制、人机协同及遥操作等前沿方向的创新性研究,实现了人机协同操作中的安全性、灵巧性、交互性等关键技术的突破。其中,运动规划与仿真、碰撞检测、机械手柔顺控制等保证了操作过程的人机安全,仿人灵巧手能够实现对多种操作目标的灵巧抓握及操作,航天员基于交互设备实现了对机械手的遥操作控制并能感知操作过程的接触力。团队多年的基础理论研究、关键技术突破和系统集成攻关,为本次科学试验的成功奠定了坚实基础。

据悉,我国空间站将于2020年前后建成,在十年运营周期内面临设备维修维护、科学试验载荷照料等繁重舱外操作任务。人机协同在轨维修技术在其中有巨大的应用潜能和空间,将为实现我国空间站的高效、安全运营提供重要保障。


景海鹏、陈冬正在开展机械臂人机协同在轨维修技术试验。手控机械臂至预定位置、机械手和机械臂动作、机械臂复位和数据手套状态恢复。

http://tv.cctv.com/2016/11/09/VIDEpINDjezap1EOtvj0J6BH161109.shtml

http://tv.cctv.com/2016/11/09/VIDE6fMczcYqqvHNixHlfvZH161109.shtml


“空间翻滚目标捕获过程中的航天器控制理论与方法”重大项目指南

日期 2016-07-08   国家自然科学基金委员会

  空间目标的在轨捕获是完成空间飞行器在轨服务与维护的前提,如对卫星进行在轨装配、故障维修、燃料加注、模块更换、技术升级以及辅助机构展开等,都需要首先完成卫星的空间在轨捕获。空间飞行器在轨服务与维护是航天领域未来重要发展方向,目前国际国内都安排了大量的研究计划。航天器控制是空间目标捕获的基础,也是实现在轨服务的关键。由于空间翻滚目标(这里主要包括空间垃圾、失效航天器、失控航天器等)属于非合作目标,它在信息层面上不沟通、机动行为上不配合,其捕获更具挑战性。本重大项目主要围绕空间翻滚目标捕获过程中航天器控制方法展开研究,为实现航天器在轨服务与维护奠定理论基础。

  一、科学目标

  面向我国航天未来发展的重大需求,围绕空间翻滚目标捕获过程中航天器控制理论与方法的基础问题开展研究,力争实现以下三方面理论突破:与非合作目标交会的航天器多约束智能自主规划与控制理论与方法;空间翻滚目标的位姿估计与跟踪控制理论与方法;变构型航天器联合体的姿轨控制理论与方法。同时实现以下三方面技术突破:航天器相对失效目标的高精度姿态跟踪、超近距离强迫伴飞的控制技术;机械臂抓捕翻滚目标后联合体的快速姿态稳定控制技术;机械臂抓捕翻滚目标后联合体的轨道机动控制技术。

  主要理论成果在国际著名等刊物上发表并产生重要影响,技术成果申请系列发明专利。构建空间翻滚目标捕获过程中的航天器控制方法的半实物仿真实验系统,完成地面仿真实验,力争开展相关理论、方法和技术成果的空间演示验证。培养一批我国航天领域高水平的理论和工程技术人才,为我国航天事业做出贡献。

  二、研究内容

  围绕空间翻滚目标的捕获任务,针对目标交会、位姿跟踪和组合体控制三个具体过程,开展航天器的控制理论和方法研究,主要内容包括如下:

  (一)空间翻滚目标捕获过程中的位姿、形态测量、估计与模型。

  建立空间翻滚目标的交会与跟踪模型,探索目标、服务星的(相对)位姿、形态等运动信息的测量手段和估计方法,研究不确定环境下目标交会与跟踪模型的参数辨识方法;研究非合作目标航天器捕获后联合体的惯性与质心参数的估计方法,实现空间翻滚目标捕获过程中的位姿、形态、轨道等运动信息的快速准确获取,为实现目标捕获过程中的航天器控制奠定基础。

  (二)空间非合作目标交会的多约束智能自主规划与控制。

  围绕实现服务星与目标的准确快速交会,研究低燃料消耗、高位置精度和安全接近等多约束条件下服务星的轨迹自主规划方法和智能自主控制方法;探索椭圆轨道非合作目标交会的多约束综合优化控制方法,研究基于视线坐标系的目标跟踪与交会控制方法,为实现服务星对目标的超近距离绕飞、悬停与跟踪打下基础。

  (三)空间翻滚目标的超近距离航天器位姿跟踪控制。

  围绕实现卫星与目标之间的超近距离姿态跟踪、轨道跟踪、绕飞和悬停,探索具有对空间翻滚目标的高精度姿态跟踪与强迫绕飞控制策略,研究翻滚目标任意方位的最小能量高精度悬停与姿态保持控制方法;研究翻滚目标航天器任意位置的高精度跟踪等控制方法,实现服务星与目标的精准同步飞行,为实现对翻滚目标的捕获提供可靠保障。

  (四)空间翻滚目标的捕获策略及组合体的快速稳定控制。

  研究有效的翻滚目标捕获策略和方案,探索捕获后组合体的快速消旋与稳定控制方法;研究变结构航天器组合体的轨道机动控制、姿态机动控制和姿态与轨道联合控制等方法,实现对空间翻滚目标的快速和准确捕获,为实现目标的在轨服务与维护提供保障。

  (五)航天器控制方法的地面及空间实验验证。

  为了验证理论和方法的有效性和可靠性,构建空间翻滚目标捕获的地面半实物仿真实验系统,并完成仿真实验验证和评估。设计空间演示验证方案,结合相关的空间演示验证计划,力争完成对航天器控制新理论与新方法的飞行验证。


第十三届空间人工智能、机器人和自动化国际研讨会在京召开

2016-06-20

  6月20日,中国国家航天局在京组织召开第十三届空间人工智能、机器人和自动化国际研讨会。来自美国、德国、日本、加拿大等10余个国家的航空航天机构官员、学者,围绕空间人工智能发展现状、未来思路等进行了深入交流研讨。国防科工局总工程师、国家航天局秘书长田玉龙出席会议并致辞。

   田玉龙表示,中国国家航天局根据我国航天发展需要,制订了未来的空间机器人发展路线图。空间机器人在航天在轨服务、空间探索、深空探测等领域具有广泛应用前景。空间机器人技术的发展将进一步推动中国航天可持续发展,促进技术领域创新、法律政策完善和国际合作的开展,满足经济建设、科技发展等方面需求。未来,我国将在空间在轨服务机器人、月球与深空探测机器人等领域开展一系列共性和专业关键技术攻关,使我国空间机器人技术与应用达到国际先进水平。

   与会代表分别就行星探测机器人、协调操作机器人、空间导航、空间机械手设计、在轨服务技术、行星表面地形评估、行星表面路径规划、空间作业调度、探测机器人机构设计等议题,进行了交流发言。

   近年来,在空间站建设、在轨维护、空间碎片清除、月球/火星/小行星探测、空间太阳能电站等需求牵引下,我国空间机器人及空间人工智能发展迅速,在空间在轨服务、空间装配与制造、月球与深空探测等领域取得了一系列成果。嫦娥三号成功实现了“玉兔”号月球车对月面的探测任务,火星表面巡视探测器机器人的研制已积极开展,一系列航天器在轨加注关键技术获得了突破。

   空间人工智能、机器人和自动化国际研讨会是国际上空间人工智能领域的著名会议。本次会议由哈尔滨工业大学承办,中国航天科技集团公司中国空间技术研究院协办。


 中国航天科技集团公司五院502所GNC全物理仿真实验室,从外面看上去有些不起眼,但却吸引着许多行业内人士慕名前来。它除了自己的实验功用外,还有一个特别的名号:地球上一个最平的地方。

       该实验室2015年投入使用,里面最惹眼的是一个超大面积、超平的花岗岩支撑平台,这是迄今为止我国同领域建设规模最大、水平度最高的地面实验平台,总面积大概有3个篮球场那么大。

究竟有多平?

      如果以地球的重力方向为标准的垂直,这个平台上任意位置和垂直方向的角度都在3角秒(即1/1200度)以内,每块石头之间的拼缝高低差不超过一张打印纸的1/8那么厚。

     因为足够平,墙上图案在平面上的反光成像几乎不变形

      实验室的科研人员张勇智介绍,国外同类超平平台多采用玻璃和铸铁,但它们有一个共同的缺点,就是精度不够高,铸铁平台维护也太麻烦。因此,502所选择了一种叫“济南青”的花岗岩,这是世界上最硬、最稳定的花岗岩之一。

        石块之间拼缝的处理也非常讲究,整个平台有数百道拼缝,要确保每个拼缝高低差不超过一张打印纸厚度的1/8,听上去简直不可思议,但他们还是做到了。为什么会有这么苛刻的“超平”要求呢?

         张勇智解释,实验过程中,六自由度气浮台会被一个气膜托起来浮在平台上运动,如果平台不足够平整,这个气膜很容易被扰动,甚至破裂,而如果石块之间拼缝高低差超过一定的技术指标,气浮台的“气足”就会被卡住而滑不过去。

究竟有何用?

       我国探月三期将进行月球轨道交会对接,其中“制导、导航与控制(GNC)”技术是关键。

       月球轨道交会对接和样品转移全物理仿真实验

      GNC全物理仿真实验室就可以完成月球轨道交会对接和样品转移全物理仿真实验,可以真实模拟超近距离交会对接的运动动力学特性,对各阶段进行测试验证,模拟紧急撤离等状况。

       基于智能监测和调平的该大型超平支撑平台,使中国航天彻底告别了精密平台必须手工调试的种种不便,使我国气浮支撑平台物理仿真一举跃进世界领先水平。

       502所研发中心物理仿真组组长朱志斌介绍,该实验室还将为我国航天领域后续的重大工程提供积极的实验技术支持。


包为民:空间飞行器在轨项目将带动中国航天“更经济”

2016年03月07日 22:19:17 来源:新华社

  新华社北京3月7日电(记者熊争艳 刘斐)全国政协委员、航天科技集团科技委主任、中科院院士包为民7日表示,“十三五”规划纲要草案提出的重大航天项目,是中国从航天大国向航天强国转变所必须掌握的核心科技,其中空间飞行器在轨服务与服务系统将带动中国航天“更经济”。

  “十三五”规划纲要草案提出“科技创新2030-重大项目”,其中一项是“深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统”。

  为何要搞在轨服务与维护系统?包为民说,目前中国所有的卫星、空间基础设施都是一次性使用,不能维护,不能在轨进行升级换代,这使航天项目费用高昂。空间飞行器在轨服务与维护系统的成功,将带动中国航天器的重复使用,降低航天成本。

  包为民说,中国应大力发展航天事业,迎接太空经济时代的到来。

  “太空经济不是发几颗卫星就完了,要通过卫星上天、地面应用带动产业发展。”包为民建议,中国应加强太空经济的顶层设计,一些重大项目要整合,一些重大项目要深化论证、尽快启动,才能有机会赶上或超越处于领先地位的国家。


在2015年世界机器人大会上,航天五院502所还展出了空间自主加注系统,就像“太空自主加油站”,通过对卫星的多次补给,能够实现提升卫星机动能力和续航能力,增加有效载荷搭载重量的目的。


太空机器人加油过程:“左手”抓取、连接 “右手”加油

           

  据中国航天科技集团五院502所研发人员介绍,“太空医生”的两个机械臂相当于人的两只手,通过“左手”完成对卫星的抓取和连接,再通过“右手”顶上的加油枪完成对卫星的加油工作。说来轻松,可在太空失重环境下,整个过程就变得复杂了许多。

  太空加油难度超过航天器对接 机器人每次运动轨迹都不一样

  据研发人员介绍,在空中加油和在地面给汽车加油不一样,首先要对得准。这种对接方式是一种合作姿态的对接。像目标飞行器,比如天宫,是有姿态控制的,但如果是对一颗失效的、没有燃料的卫星,它是不能提供合作的姿态,所以这种对接要比天宫和神舟的对接更难。

  据了解,完成每一次任务,每一次操作,机器人的动作轨迹都是不一样的。包括它自己识别对象,识别加注接口,然后自主地控制接壁,规划接臂的轨迹,使得接臂自主到达目标稳定,再切换能力控制,形成稳定可靠的连接,为最后的加油做好准备。

       妙手回春:能让卫星“起死回生” 多功能好比瑞士军刀

  虽然过程艰难,但这样的燃料补加对很多航天器有着重要意义。许多卫星本身情况良好,仅仅因为燃料耗尽就不得不废弃。如果有了这样的空中加油机器人,就能让燃料耗尽的卫星“起死回生”,而事实上,给卫星加油还只是这位太空航天员众多的技能之一。

  除此以外,它还能够自主更换工具,就像瑞士军刀一样。比如拧螺丝时,就能换成螺丝刀;剪切时,就换成剪刀,可以实现多功能的效用。


航天五院502所自主研发我国首个全自由度空间机器人系统

日期:2015/05/07

       日前,中国航天科技集团公司五院502所自主研发了我国首个全自由度空间操作全物理仿真试验系统,并利用该系统顺利完成了我国首例在轨加注等空间操作全过程仿真试验,为我国空间飞行器在轨服务与维护领域的发展奠定了基础。

       随着航天领域的快速发展,近年来,全球每年都会有百余颗卫星上天“服役”,同时,在轨失效卫星的数量也在不断刷新着太空垃圾的“计数器”。如何实现失效卫星在轨故障修复、相关模块替换以及卫星燃料的补充,让航天“老兵”再焕青春,成为各航天大国的重点研究方向。

      空间操作控制是空间技术进入新时代的标志。近日,502所自主研制的首个全自由度空间机器人地面试验系统迎来了“首秀”。

       锁定目标、靠近、捕捉、注液……轻巧而连贯的动作,空间机器人与目标“卫星”之间“如梦似幻”的“太空之舞”,令在现场观看试验的国家科技部专家和领导大开眼界。而该项目试验的成功成为502所向空间操作及智能机器人领域发出的“最强音”。

       502所研制的轨维修维护自主控制系统突破了动目标视觉检测与跟踪测量、动目标空间三维运动轨迹辨识与预估、多自由度机械臂视觉伺服与平滑规划、空间机械臂柔顺捕获技术、空间机械臂与平台协调控制技术,实现了对空间目标的跟踪接近、位置保持、柔顺抓捕,以及抓捕后在轨加注等功能的地面仿真验证,为未来在轨维护维修机器人系统及其相关技术的可行性提供了重要试验参考,并为五院在轨维修维护专项论证的顺利开展奠定了良好基础。

       早在2013年,502所瞄准未来空间在轨维修维护的需求,看准空间智能机器人的发展良机,主动出击,自筹资金,召集研发中心、SADA中心、成像事业部和推进系统部等四个部门的技术精英,组建起了空间操作控制联合攻关团队,先期开展了空间操作自主控制关键技术攻关、样机研制和地面物理试验等研究工作。

       此后,该所又建成了国内首个基于6自由度气浮台和3自由度气浮台的空间操作全物理试验系统,完成了包括近距离逼近、安全停靠,双臂自主抓捕和模拟在轨加注的临近操作全过程地面物理试验,仅用一年时间就成功迈出了空间智能操作控制的第一步。

       目前,在轨服务与维护重大科技专项已经列入国家日程,该项目的研究成果和相关技术储备,使得该所在抓捕操作、非合作目标临近GNC、天基碎片清除等领域走在了同行业的前面,为后续专项任务申报和攻关奠定了良好基础。(时小丹 薛英民)


      我国空间机器人技术研究约始于上世纪90年代,多年来,中国科学院、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、北京理工大学、北京航空航天大学、航天五院等单位针对空间机器人开展了大量研究,并取得了丰硕成果。面向我国空间站建造与运营、月球探测、活性探测等工程任务要求,我国自行研制了多套空间机器人系统,部分产品已实现了空间应用。

        从功能角度看,机械臂经历了从监测搬运到自主抓取,再到精细操作的发展历程;在构型上,空间机器人也从单个机械臂走向多个机械臂、人形机械臂;从机械臂本身来说,机械臂的关节从6个关节发展到7个关节,以后会成为多关节连续体;而机械臂的末端作用器,从夹持工具变成了可更换工具,再发展到多指“灵巧手”;从操作看,以前是宇航员在天上“遥操作”,演变成地面“主从遥操作”,再到地面临场遥感操作;操作的目标则从固定物体转变成非合作目标。

      “涉及航天的事情,总是比较敏感。”某航天装备从业人士指出。哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室主任刘宏也在2015国家机器人论坛上表示,外国紧盯“中国卫星太空异常”,中国卫星上“长出”机械伸缩臂,还会被质疑威胁他国卫星安全。


我国在空间机器人机械臂研发上也在不断前进。

      2013年7月,空间机械手安装在试验七号卫星的外侧,由长征四号丙运载火箭发射入轨,主要实现了小卫星的分离、捕获、靠近,以及模拟部件装配和遥操作。

      据了解,在国内多所科研院校的合作下,我国已经完成了空间机器人原理样机的工作,在机械臂关键技术上实现了突破。我国还掌握了空间机械手的设计、制造、控制、测试与试验技术,成为世界上第二个完成合作目标的自主跟踪捕获的国家,实现了空间机械手主从遥操作、航天器在轨检测,以及轨道更换单元的在轨模拟装配等空间维护。

   “明年要做的实验是天宫二号舱内机械手系统及与宇航员协同作业。”

      虽然前景喜人,但中国空间技术研究院总体部空间智能机器人系统技术应用重点实验室主任王耀兵也指出,空间机器人的技术发展尚存挑战。比如,空间机器人对空间环境适应性要求高,如苛刻的温度条件、微重力或弱重力环境、超真空、超辐照、原子氧、复杂光照等;多任务适应能力要求高,如捕获、搬运、固定、更换、加注、重构、移动等不同任务要求各异,需集多功能于一体;操作工况更加复杂,发射段、在轨段、着陆段、月面工作段工况各异,系统设计约束大幅增加;地面验证难度大,多自由度加大了空间机器人在轨环境模拟难度。

       随着在轨操作任务日益多样化,空间机器人功能日趋复杂,机器人操作工具将逐步实现系列化、标准化,操作要求从低精度、粗放式向精细化、柔顺化发展,空间机器人探测将向多机器人协同探测方向发展。

    “空间机器人工程应用需求将面向在轨应用系统设计技术,面向多任务和多功能系统设计,考虑航天器上有限资源的系统优化,提升机器人在空间特殊环境中长寿命和高可靠性能。此外,还会注重轻量化、高精度机电产品技术,机电部件的轻量化设计,对高比刚度、高比强度材料的设计及应用等。”

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