一种基于智能移动机器人的多微纳探测器组网联合演示验证系统

摘要

一种基于智能移动机器人的多微纳探测器组网联合演示验证系统，包括地面协同控制工作站、协同控制模型库、星上无线通信设备模拟器、智能移动机器人、GPS接收机和视觉导航设备、显示终端；地面协同控制工作站控制整个系统的协同工作、队形变换和保持；协同控制模型库为地面协同控制工作站提供控制算法和控制模型；星上无线通信设备模拟器为星间与工作站之间提供通信链路；智能移动机器人作为GPS接收机和星上无线通信设备模拟器的载体，由控制工作站控制其移动，模拟星间的相对位置变化；GPS接收机和视觉导航设备实现星间的相对导航；显示终端实时显示组网联合验证结果；本发明能够有效降低多微纳探测器组网探测系统的试验成本，缩短研发周期，具有重要的工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种组网联合演示验证系统，适用于多探测器组网编队探测新概念技术的理论方法和工程应用技术的研究，以及微纳探测器组网联合演示验证。

背景技术

进入21世纪，关于微纳卫星及其应用研究已进入了一个新的阶段。作为微纳卫星应用的一个重要方面，微纳卫星的编队飞行技术也被普遍认为是未来微纳卫星应用模式的必然趋势。相对于传统的单颗卫星而言，多颗微纳卫星组成的分布式传感器系统能够有更好的灵活性和冗余度，可以降低任务失败的风险；与传统的单颗大卫星比较，小卫星编队飞行能够在近地轨道为科学实验提供单颗大卫星很难实现的分布式空间平台。同时，随着微纳卫星技术的进一步发展及单颗卫星标准化平台的建立，完成编队飞行系统的组合时间必然缩短。微纳卫星编队飞行不但可极大地提升执行太空任务的能力，同时也将开辟许多新的空间应用领域。如何面对天基诸多小卫星编队的在轨飞行控制和大量的星地测控与通信是地面测控中心所面临的新问题。虽然目前已经有大量的空间任务在使用或正在考虑使用微纳卫星编队飞行技术，但仅就目前而言，更多的卫星编队飞行研究的着力点依然在于系统的验证与探索上。

由于微纳卫星编队飞行系统的可靠性高并可采用冗余设计，国际上出现了许多采用微纳卫星编队飞行来实施深空探测的任务。美国航宇局、欧空局、加拿大航天局和日本宇宙航空研究开发机构等纷纷提出了相应的深空探测计划。目前，多微纳探测器间组网通信及协同控制技术仍然是实现深空多微纳探测器组网编队的关键核心技术之一，是深空探测科学实验的技术瓶颈。微纳探测器的通信系统不仅要满足低功耗、小体积、低质量的要求，还必须满足同一科学任务对编队组网不同构型要求的通信网络拓扑结构间的组网通信，以最终实现多微纳探测器间的协同控制。因此，为确保科学探测任务的完成，为研究多探测器编队组网新概念技术提供基础条件保障，以及进行多微纳探测器编队组网通信、协同控制技术演示验证，构建编队组网地面演示验证系统是解决以上问题最为有效的途径。但是，目前微纳卫星编队组网演示验证和试验探索中仍有很多缺陷与不足：(1)传统验证手段大都采用计算机仿真验证，虽然能够进行基本功能验证，但对真实系统部件的误差性能无法有效验证；(2)飞行组网验证成本高昂、周期长、效率低；(3)卫星编队组网带来大量实时数据和控制指令的传播与处理，传统的控制方式和数据处理很难很好地满足多星编队组网的需要；(4)星间过多地进行控制调整通信及姿态与位置的调整，增加了星务管理分系统的数据处理压力等。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服以上不足，提供一种验证协同控制技术和卫星组网编队技术的基于智能移动机器人的多微纳探测器组网联合演示验证系统。

本发明的技术解决方案是：一种基于智能移动机器人的多微纳探测器组网联合演示验证系统，包括显示终端(1)、协同控制模型库(2)、地面协同控制工作站(3)、星上无线通信设备模拟器(4)、智能移动机器人(5)、GPS接收机(6)和视觉导航设备(7)；星上无线通信设备模拟器(4)、智能移动机器人(5)、GPS接收机(6)和视觉导航设备(7)各为n个，星上无线通信设备模拟器(4)、GPS接收机(6)和视觉导航设备(7)分别装载在n个智能移动机器人(5)上，其中：

协同控制模型库(2)装有构建智能机器人位置信息和轨控信息的控制算法和控制模型，包括实现智能机器人队形保持、变换和重构功能的复合分层抗干扰控制算法，多目标优化算法，复合分层抗干扰控制模型，多目标优化模型；协同控制模型库(2)根据地面协同控制工作站(3)的决策结果和控制策略提供给相应的控制算法和控制模型；

地面协同控制工作站(3)控制整个系统的协同工作、智能机器人队形变换和保持；地面协同控制工作站(3)根据当前环境信息对整个编队任务过程进行设计决策，根据决策结果采取相应的控制策略和协同控制模型库(2)中相应的控制算法；另外，智能移动机器人(5)将各自状态信息回传给地面协同控制工作站(3)，使地面协同控制工作站(3)根据当前环境的动态变化以及智能移动机器人(5)的状态信息对任务进行重新设计和规划，对各个智能移动机器人进行重新调度，控制整个系统的通信，并根据协同任务需要，控制智能移动机器人保持和改变队形；

星上无线通信设备模拟器(4)通过设备模拟太空中卫星间信息传递过程，基于n个智能移动机器人(5)验证星间数据发送和接收能力，为智能移动机器人(5)与地面协同控制工作站(3)之间提供通信链路；

智能移动机器人(5)作为GPS接收机(6)和星上无线通信设备模拟器(4)的载体，通过星上无线通信设备模拟器(4)接收地面协同控制工作站(3)发出的控制指令来控制自身移动，以及智能移动机器人(5)间的绝对位置和相对位置变化；

GPS接收机(6)用来实时测量智能移动机器人(5)的位置信息以及两个不同智能移动机器人(5)之间的相对位置信息，测量结果经星上无线通信设备模拟器(4)返回给地面协同控制工作站(3)；

视觉导航设备(7)通过对地面和相邻智能移动机器人(5)的实时图像采集和处理来辅助GPS接收机(6)实时测量智能移动机器人(5)的位置信息和两个智能移动机器人(5)之间的相对位置信息；

显示终端(1)为三维视景演示系统，通过RS232串口与地面协同控制工作站(3)连接，实时显示协同工作、组网队形变换和保持的结果信息。

本发明的原理是：n个智能移动机器人分别装载着星上无线通信设备模拟器、GPS和视觉导航设备。星上无线通信设备模拟器通过模拟太空中卫星间信息传递过程，验证星间数据发送和接收能力及接收地面系统控制工作站指令的能力；GPS接收机和视觉导航设备实时测量移动机器人的位置信息以及两个不同移动机器人间的相对位置信息；智能移动机器人将获取的位置信息和相互之间信息传递过程与地面协同控制工作站进行实时通信，通过星上无线通信设备模拟器接收地面系统控制工作站指令，完成移动、翻越垂直障碍、爬坡等，演示验证协同模型和编队队形保持、变换和重构功能。地面协同控制工作站利用协同控制模型库提供的控制算法和控制模型，控制整个系统的通信，并根据协同任务需要控制智能机器人保持和改变队形；显示终端为三维视景演示系统，全任务实时显示组网联合验证结果。各部分主要通过无线通信设备模拟器相连，通过测控通信及数传模拟、组网与协同控制模拟实现多微纳探测器分布式组网探测空间环境的科学探测任务的演示验证。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明具有完善的编队系统，通过无线通信模拟器接收地面系统控制工作站指令，避免了星间过多地进行控制调整通信及姿态与位置的调整，对于减轻星务管理分系统的数据处理压力、减少燃料消耗等具有重要作用，同时解决了目前多微纳探测器编队的在轨飞行控制和大量星地测控与通信所面临的新问题。

(2)本发明的基于智能移动机器人的多微纳探测器组网联合演示验证系统，通过地面协同控制工作站的控制决策和各种控制算法，可有效完成协同模型的验证，降低多微纳探测器分布式组网探测空间环境的科学探测任务系统的试验成本，缩短其研制周期，这对研究多探测器编队组网新概念技术以及系统特性和工程应用等提供基础条件保障，具有重要理论和实践意义，而且还克服了传统微纳探测器的通信系统低功耗、小体积、低质量的要求，克服了其成本高、研发周期长及实时性较差的缺点。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图；

图2为本发明的地面协同控制模式示意图；

图3为本发明地面协同控制工作站的工作原理图及控制实现流程图；

图4为本发明的星上无线通信设备模拟器工作流程图；

图5为本发明的智能移动机器人系统结构图。

具体实施方式

本发明的特点在于：①建立通过测控通信及数传模拟、组网与协同控制模拟实现多微纳探测器分布式组网的科学探测任务的演示验证；②为实现实时显示，利用三维视景演示和验证航天器全任务过程的姿态测量与控制及组网联合验证结果；③星上无线通信设备模拟器通过设备模拟太空中卫星间信息传递过程，基于多个智能移动机器人验证星间数据发送和接收能力；④地面协同控制工作站构建包含智能机器人位置信息和卫星轨控信息的协同控制模型，根据协同任务需要，控制智能机器人保持和改变队形；⑤智能移动机器人作为GPS接收机和星上无线通信设备模拟器的载体，通过星上无线通信设备模拟器接收地面系统控制工作站指令。

如图1所示，本发明由显示终端1、协同控制模型库2、地面协同控制工作站3、星上无线通信设备模拟器4、智能移动机器人5、GPS接收机6和视觉导航设备7组成，显示终端1为三维视景演示系统，通过RS232串口，全任务实时显示组网联合验证结果；地面协同控制工作站3根据当前环境信息对整个编队任务过程进行设计决策，根据决策结果采取相应的控制策略和协同控制模型库2中相应的控制算法；

协同控制模型库2装有构建智能机器人位置信息和轨控信息的控制算法和控制模型软件，包括实现编队队形保持、变换和重构功能的复合分层抗干扰控制算法、多目标优化算法，复合分层抗干扰控制模型，多目标优化模型等，根据地面协同控制工作站3的决策结果和控制策略提供相应的控制算法和控制模型；

复合分层抗干扰控制算法采用一种复合分层抗干扰控制器，首先，设计降阶干扰观测器估计并抵消多源干扰控制系统中的外部模型描述干扰；其次，设计具有H_∞和保成本性能指标的控制器，其中H_∞性能指标抑制系统的能量有界干扰，保成本性能指标抑制系统的随机干扰，并能优化方差的上界；利用分离设计方法构造复合分层抗干扰控制器；最后，基于凸优化算法求解复合分层抗干扰控制器增益阵；多目标优化算法采用一种新型的子群体间合作方式，建立多机器人路径规划问题的多目标优化模型，给出了一种多机器人间避碰的协调策略，并针对路径规划问题的特点，在所提算法中引入了基于问题先验知识的启发式群体初始化方法和删除、修复及平滑算子，使得算法能有效地对问题的多个性能指标同时进行优化；

另外，移动机器人将各自状态信息回传给地面协同控制工作站3，使其根据当前环境的动态变化以及机器人的状态信息对任务进行重新设计和规划，对各个机器人进行重新调度，控制整个系统的通信，并根据协同任务需要，控制智能机器人保持和改变队形；

星上无线通信设备模拟器4由天线、射频单元、基带处理单元、综合处理器等组成，采用中频数字化的实现方式，将射频通道的输入进行中频数字化；分别装载在n个独立的智能机器人上，通过设备模拟太空中卫星间信息传递过程，基于智能移动机器人验证星间数据发送和接收能力及接收地面系统控制工作站指令的能力；

智能移动机器人5主要由行走系统、传感系统、操作系统、外部接口等组成，作为GPS接收机和星上无线通信设备模拟器的载体，具有移动、翻越垂直障碍、爬坡等功能；机器人装有ARCOS服务器系统，通过串行口将机器人控制器与地面系统控制工作站连接，在地面系统控制工作站上运行上层的智能控制软件，如蔽障、定位、导航等；不同的机器人服务器系统可以运行同一上层智能软件，也可以在一台机器人服务器上共同分担多个上层控制任务，可完成分布式的通讯和先进的机器人控制任务；绝大多数时间里，机器人运行在服务器模式下，利用地面系统控制工作站上熟悉的环境，通过使用高层软件迅速调用机器人的各种功能；GPS接收机6主要用来实时测量移动机器人的位置信息以及两个不同移动机器人间的相对位置信息，其定位精度和测量精度均可达到很高的级别；视觉导航设备7通过摄像机实时获取机器人及环境的状态信息，由通讯电缆将信息传送至视频采集卡，辅助GPS接收机实时测量机器人位置和两机器人之间的相对位置信息。

如图2所示，本发明的地面协同控制模式示意图，主控计算机根据机器人运行环境对整个编队任务过程进行设计，同时进行移动机器人的路径规划，通过检测移动机器人当前状态，进行反馈控制输出控制指令，通过无线通讯网络分别将控制指令发给各台机器人，使得每台机器人沿着各自轨迹运动，引导其由初始状态达到某种编队队形并保持该队形，同时在环境发生变化时相应地改变队形以适应当前环境；移动机器人将各自状态信息回传给主计算机，控制指令通过主控计算机收集所有机器人的数据后，对整个系统进行全局的协调优化；地面控制中心对整个编队进行规划和调度，同时地面控制中心也与各个卫星建立通讯链路，由于该模式下，机器人的控制指令直接来自于主控计算机，而主控计算机能够根据全局信息进行反馈控制，因此可以快速地实现各机器人的沿轨运动控制。

如图3所示，为本发明的地面协同控制工作站的工作原理图及控制实现流程图，整个控制系统由多机器人系统工作空间，实时转换接口，以及决策模块组成；多机器人系统工作空间主要完成对多机器人系统的控制，采用视觉反馈的视觉伺服控制方法或其他控制方法来实现对机器人的单体控制；决策模块的功能主要有三个方面：一是监控多机器人系统在运动过程中可能出现的一些故障情况；二是根据实时接口对环境的辨识来决定当前应该采取的控制策略，包括编队控制策略、避障控制策略和跟踪控制策略；编队控制策略的目的是引导多机器人由初始状态达到某种编队队形，形成队形后能够保持该队形，同时在环境发生变化时相应地改变队形以适应当前环境；跟踪控制策略的目的是使得机器人能够准确跟踪规划的路径；避障控制策略的目的是使得多机器人在行进过程中能够避开障碍物；这些行为控制策略构成一个机器人可执行的行为集合，而集合中的行为根据具体任务的需求可以进行调整；三是根据对机器人运行环境的感知与事件辨识进行智能规划与决策，包括任务规划和行为决策；实时接口主要的功能是对系统状态、各智能移动机器人状态以及工作环境进行有效的感知与辨识，从而给决策模块的决策提供依据，通常通过机器人所携带的各种不同传感器获得环境信息，通过传感器融合的方式将获得信息进行处理，这样可以大大提高多机器人系统对环境的感知能力；此外，实时接口还能根据上层决策模块的结果来切换合适的控制律，驱动底层的反馈控制来实现当前的运动和行为，并且若出现系统故障则进行系统的重构。

如图4所示，本发明的星上无线通信设备模拟器工作流程图，由天线、射频单元、基带处理单元、综合处理器等组成；为了降低收发信号的质量体积，采用中频数字化的实现方式；由天线接收到的信号经过发射器射频单元进行中频信号处理后，将模拟中频输出通过综合处理器中的混频模块和模数转换模块进行频谱下变频移到基带处理单元，之后对基带信号进行采样，在数字域对信号进行信道畸变处理，之后再经过综合处理器中的数模转换模块和混频模块进行频谱上变频处理，得到模拟中频输出后再经过接收器射频单元得到模拟信号。

如图5所示，本发明的智能移动机器人系统结构图，由行走系统51、传感系统52、操作系统53以及外部接口54组成，操作系统53采用LPC2132，它作为整个系统的主控板，装有ARCOS服务器系统，通过串行口将机器人控制器与地面系统控制工作站连接，在地面系统控制工作站上运行上层的智能控制软件，如避障、定位、导航等，并对个子系统进行协调管理；传感系统52由GPS、无线模块和视觉导航设备组成，GPS接收机和视觉导航设备实时测量移动机器人的位置信息以及两个不同移动机器人间的相对位置信息，由通讯电缆将信息传送至视频采集卡，对机器人的运行状态进行测量来模拟星上测控器件对卫星状态的监测，在机器人运作期间将感测到的各种信号传送给操作系统53来驱动行走系统51，行走系统51的执行机构主要由两台电机构成，以驱动移动机器人在地面上进行移动，通过控制规律实现队形的构成、保持和重构，在操作系统53的控制下完成各个动作；在初始时刻各智能移动机器人处于任意位置，在主控计算机的控制下，分别根据控制指令发出的预定轨迹进行运动，从而形成一定的队形并保持该队形；外部接口54通过无线通讯模块与其他机器人节点和地面协同工作站进行通讯。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。