基于力反饋手柄的移動載人月球車操作控制系統

彭維鋒 周燁康 譚麗芬 唐子涵 李會軍 徐寶國

1 東南大學 儀器科學與工程學院,南京，210096 2 中國航天員科研訓練中心 人因工程國防科技重點實驗室,北京，100094

0 引言

載人登月是目前人類深空探測中的重要活動,也是展示國家綜合實力和科學技術水平的重要平臺．Apollo計劃是人類至今第一次實現載人登月任務,并完成月球采樣381.7 kg[1]．我國自20世紀60年代中期就開始著手月球科學領域的研究．2020年,嫦娥五號任務首次實現了我國地外天體采樣返回,其成功實施標志著我國探月工程“繞、落、回”三步走規劃如期完成,奠定了21世紀前20年我國在無人月球探測領域的領先地位[2]．隨著我國探月工程的進一步發展和推進,實現載人登月,將會成為我國深空探測領域的重點任務[3]．

作為載人登月的重要載體,移動載人月球車相關技術的研究極為重要[4]．而在月球車的操作控制中,操作手柄是航天員駕駛月球車的重要交互設備之一,控制著月球車的前進、后退、轉向、剎車等[5-6]．月面作業時,月球車駕駛環境的復雜性會給航天員帶來一定的挑戰,加之航天服體積和質量都較大,航天員的駕駛能力會因此而有所降低,而現有研究以及Apollo計劃中的傳統交互手柄并不能起到輔助駕駛的作用,如果航天員發生誤判斷或誤操作,將會帶來不可估量的嚴重后果[6]．因此,本文基于安全、高效的駕駛需求提出基于力反饋的操作手柄,其不僅滿足操控月球車移動的基本功能,還具有一定的輔助駕駛功能,能夠在復雜的月面環境中幫助航天員提高駕駛效率,保證航天員的駕駛安全性[5,7]．目前,世界上多個國家對力反饋交互技術都有深入的研究,很多國家的研究機構和公司都紛紛加入了研究行列．國外對力反饋技術的研究起步較早,美國麻省理工學院人工智能實驗室和Sensable Devices公司聯合開發研制的PHANTOM系列具有舒適靈巧的操作性能以及逼真的力反饋效果,是目前開發成功的力反饋裝置之一;法國Haption公司研制出的Haption系列具有六自由度的位置檢測和力反饋功能,但其體積和所需要的操作力較大,具有較大的活動冗余度;日本Niigata大學研制的六自由度力反饋交互設備,采用改進的Delta結構實現3個平動自由度,能夠在大范圍的圓柱工作空間內操作．國內對于力反饋技術的研究起步比較晩,與國外的力反饋技術還存在一定的差異[8]．

本文將結合力反饋技術,提出基于力反饋手柄的移動載人月球車操作控制系統,為月面作業探測提供一種更加高效、安全的輔助駕駛模式．首先,本文提出了一種二自由度力反饋手柄,結合空間探測場

景完成了基于操作工作空間和操作舒適度的結構設計;其次,利用unity3D軟件建立了虛擬月球地形以及移動載人月球車模型,搭建了移動載人月球車的仿真駕駛環境,并在STM32單片機硬件系統的支持下,完成了位置檢測輸入和力反饋輸出;最后,在硬件系統和軟件系統的支持下,對本系統進行了實驗驗證．

1 基于力反饋手柄的移動載人月球車操作控制系統

本系統主要包含力反饋手柄、STM32單片機硬件系統以及基于unity3D的月面環境軟件系統．在unity3D 虛擬探測場景中,移動載人月球車可以在月面環境中進行漫游,完成作業探測．通過操作力反饋手柄可以控制月球車的前進、后退、轉向、剎車等,同時根據月面地形信息以及月球車的運動信息，力反饋手柄會產生相應大小的反饋力,以輔助航天員的駕駛,避免駛入環形坑等危險區域．其基本結構如圖1所示．

本系統采用一種無累計誤差、無傳動鏈的并聯式力反饋手柄,其結構簡單,實現了水平、垂直兩個轉動自由度,操作手柄末端運動具有較大的工作空間,同時在兩個方向上包含位置檢測輸入和力反饋執行輸出．硬件系統以STM32F427單片機為控制核心,軟件系統在 Microsoft Visual Studio 2017平臺開發,利用unity3D 物理引擎完成月面探測場景的搭建．

2 力反饋手柄結構設計

空間探測場景中,手柄的使用較為頻繁,操作設計不合理的手柄,會導致航天員手部力量消耗較多,造成手部疲勞或疼痛,將會影響航天員駕駛月球車執行任務的質量和效率．為提高操作的精細度,使航天員在操作過程中更加舒適自然,本文將從操作工作空間和操作舒適度出發,完成二自由度力反饋手柄的結構設計[9]．

二自由度力反饋手柄包括二自由度旋轉機構、手桿、帶光編碼器的直流無刷電機、底座等[10],其結構示意如圖2所示．

圖2 二自由度力反饋手柄結構示意Fig.2 Structure of the 2-DOF force feedback handle

二自由度旋轉機構在兩個相互垂直的旋轉軸方向上安置了兩段圓弧,跟隨手桿運動實現在各自方向上獨立轉動,水平方向決定了駕駛方向,控制著車輪的左右轉動,垂直方向決定了駕駛速度,控制著車輪前后轉動的角速度．航天員操縱手桿由旋轉機構實現兩個方向上的物理轉動,轉動角度由減速比為19∶1的直流電機所裝配的光編碼器測量得到,并設計了與電機驅動軸相匹配的軸銷,由電機驅動軸直接驅動手柄旋轉機構,減少了傳動鏈,傳動精度、力控制精度較高．所測得的高精度角度數據直接輸入移動載人月球車的控制系統,實現月球車的方向控制和速度控制．

本系統所設計的二自由度旋轉機構采用并聯對稱結構,具有很好的各向同性,獨立運動無累計誤差,控制精度較高．旋轉機構的兩個重要參數是可旋轉最大角度α和圓弧半徑R,在空間探測中將影響到手柄的操作工作空間S和操作舒適度C[9,11]．

在底座中心建立笛卡爾直角坐標系O-XYZ,如圖3所示．根據人機工效學,經過場景模擬設計,航天員手持中心到底座中心為D=265 mm．

圖3 旋轉機構示意Fig.3 Schematic diagram of the rotating part

操作工作空間描述了手柄可操縱的范圍,即手持中心可移動的面積,決定著航天員操縱載人月球車運動的精細度．操作工作空間的數學模型:

(1)

式中,θ為手柄繞旋轉中心相對于初始位置的旋轉角度．

在本文中,經過多次試驗和驗證,提出適用于本手柄的操作舒適度,其數學模型由兩部分組成,決定著航天員手持手柄的舒適感和疲憊度．如圖4所示,一部分是圓弧半徑R,是固定的高度,另一部分是手持中心到圓弧中心的高度,利用對數函數動態分配各部分的影響因子[12-13],由兩部分組合描述了操作舒適度．操作舒適度的數學模型:

圖4 操作舒適度數學模型示意Fig.4 Mathematical model of operation comfort

(2)

用對數函數對操作工作空間和操作舒適度進行歸一化處理,得到等量級的標準值,并進行加權組合,由操作工作空間和操作舒適度組合描述了旋轉機構結構參數評價模型:

F(α,R)=w1S+w2C,

(3)

式中,w1,w2分別是操作工作空間和操作舒適度的權值．

綜合手柄的應用場景,可以選擇不同的權值,調整操作工作空間和操作舒適度的重要程度,可得到不同的最優手柄結構參數,如表1所示．

表1 不同權值對應的最優結構參數

在月球載人月球車操作場景中,選擇w1=0.4,w2=0.6的權重配比,利用Matlab軟件進行模型分析,得到最優結構參數,α=40°和R=44 mm,如圖5所示．其操作工作空間如圖6所示．

圖5 w1=0.4,w2=0.6下的最優結構參數分析Fig.5 Analysis chart of optimal structural parameters

圖6 w1=0.4,w2=0.6下的操作工作空間示意Fig.6 Schematic diagram of workspace under w1=0.4,w2=0.6

3 系統設計

在系統設計中,上位機使用unity3D物理引擎構建了移動載人月球車模型以及相應的虛擬月面環境,根據月球車在月面環境中的物理運動信息向下位機發送相應的控制命令,下位機向上位機提供由光電編碼器采集的手柄位置信息,同時接收上位機的控制命令以驅動電機產生力反饋作用,輔助航天員的安全高效駕駛．系統工作原理如圖7所示[14]．

圖7 系統工作原理Fig.7 Working principle of the system

3.1 硬件系統設計

本文中的硬件系統設計包含下位機的位置測控單元、力反饋驅動單元以及通信模塊．下位機系統以單片機為控制核心,完成光電編碼器的手柄位置信息采集并進行軟件算法處理得到手柄各方向的位置值以控制載人月球車,并在上位機的控制下驅動力反饋單元產生合適的力或力矩．

力反饋驅動單元以DJI無刷直流電機為主要執行器．由于力反饋執行器的驅動力矩與電機驅動電流為正相關,電機驅動電流與PWM波的占空比成正相關,下位機在接收到力反饋指令后,根據反饋力矩的大小線性變換成驅動電流,搭配使用DJI C620電調,利用電調自動完成PWM的轉換過程.電調占用下位機資源較少,且控制更為精準、便捷．

本文中所使用的DJI直流電機裝有絕對式位置編碼器,可以測量得到電機主動軸的絕對位置,轉子機械位置值范圍0～8 191,對應轉子機械角度0～360°,但編碼器測量到的值是電機主動軸的絕對位置,其傳動到手柄還應乘以相應的減速比.為了得到手柄的位置還需進行相應的軟件處理.首先計算出兩次測量之間的變化值.在位置處理算法中,對比上一次位置值與本次測量值,根據正轉和反轉各計算一次結果,其中絕對值小的就是兩次測量的變化值．手柄位置值=轉子位置變化值/(減速比×(360/8 191))．位置檢測算法流程如圖8所示．

圖8 位置檢測算法流程Fig.8 Flow chart of position detection algorithm

STM單片機與上位機通過全雙工通用同步/異步串行收發模塊(USART,Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)實現信息交換．單片機接收來自上位機的指令信號和力反饋信息,并向上位機反饋手柄轉動位置信息．開啟通信端口后,上位機和單片機實時發送信息,上位機利用線程模式接收單片機的位置反饋信息,從而控制載人月球車的行進速度和方向,單片機采用中斷方式接收指令信號和力反饋信息,根據上位機發送的指令發送力反饋驅動信息,電調基于CAN總線方式與單片機實現全雙工通信,驅動電機產生相應的力反饋,并通過光電編碼器接口電路實時獲取機械轉子位置數據．

3.2 軟件系統設計

本文中的軟件系統主要為上位機中的unity3D場景．為完成操作控制系統的仿真測試,出于成本、實效性的考慮,本文在unity3D軟件中建立了面向移動載人月球車的月面地形、移動載人月球車以及相應的虛擬傳感器等模型．

根據月面典型地貌特征的剖面特征數據,建立相應地貌特征模型,地貌特征主要為撞擊山、巖石等．同時根據探月工程數據發布與信息服務系統所發布的月面地形數據,可以計算得到單位面積內月面典型地貌特征的規格和數量并建立月面撞擊坑統計模型、月面石塊統計模型[15],在地圖上隨機生成月面撞擊坑、月面石塊等地貌特征,同時添加適當的紋理映射來增強月球表面模型的真實感,即可生成月球三維地形．

移動載人月球車模型由3D MAX建模構建其各個單元模塊,將模型導入unity3D進行綁定并利用unity3D 強大的物理引擎建立起相應的物理模型,實現移動載人月球車與月面環境的碰撞和交互[16]．月球車模型和月球表面模型分別如圖9、圖10所示．

圖9 移動載人月球車模型Fig.9 Mobile manned lunar rover model

圖10 月球表面模型Fig.10 Lunar surface model

手柄的力反饋信息來源于駕駛的月面地形以及月球車運動信息.為了獲取力反饋信息,本系統建立了虛擬傳感器模型,包含激光雷達、速度傳感器等[17],其中最為重要的是激光雷達射線檢測,用于采集周邊環境的地形數據,開發效果如圖11所示．

圖11 虛擬傳感器開發效果Fig.11 Layout of the developed virtual sensing system

在虛擬月面環境中,月球車在行進的過程中能夠通過激光雷達觀察到四周的地形環境,獲取地形數據并鏈接上一幀掃描得到的數據建立起完整的地形網絡數據,軟件系統將地形網絡數據進行可視化處理,在不同的地形區域標記不同的顏色塊顯示駕駛推薦程度,尤其是月面上環形山判斷,其出現頻率高,且不容發現,而較深的環形山容易發生月球車被困而無法駛出的情況．由于本文篇幅的限制,以環形山判斷規則為例做簡單的說明:俯仰角在±15°以內的地面,標記為綠色;仰角15°～45°,標記為黃色;仰角超過45°,標記為紅色;俯角15°～45°,標記為藍色;俯角超過45°,標記為紫色．其中,綠色表示能夠通行,而其余顏色均不是推薦選擇．黃色表示需要一定的預加速才能通過;藍色表示需要踩住剎車;紅色和紫色則表示危險坡度,一般情況下禁止通行．

虛擬傳感器獲取了月面地形數據以及月球車本身的運動數據,進行系列決策判斷,決策區域顏色塊的顏色以及數量決定行駛方向以及行駛速度的推薦值,以發送力反饋信息輔助航天員的駕駛行為．根據駕駛方向推薦值向STM32單片機發送相應的力反饋信息,將會在手柄水平方向相應的力反饋,輔助航天員感知到此方向駕駛的難易程度,而駕駛速度推薦值在手柄垂直方向產生的力反饋,將會幫助航天員在相關駕駛區域上提前加速或減速才能安全有效通過．除此,在相關的場景探測中,力反饋手柄也會產生相應的震動效果,提示航天員感知駕駛信息[17-18]．

作為駕駛移動載人月球車過程中重要的人機交互通道之一,力反饋手柄對于航天員的駕駛行為起著很重要的作用．在月球探測行進過程之中,由于月面環境的未知性、復雜性,且航天員在不同于地球環境中本身的判斷能力以及駕駛能力會有所下降,在月球車對月面環境進行一定的掃描判斷之后,力反饋手柄將會有效輔助航天員駕駛著月球車朝著正確的方向以合適的速度行駛,遇到較陡的山坡、復雜且深的環形山、顛簸嚴重的路段等危險區域會在力反饋手柄的力反饋作用下主動避免．即使在有意探測復雜、未知的危險月面地形時,在力反饋手柄的輔助駕駛下,月球車將會更加平穩、安全的通過.如遇到較陡的環形山,力反饋手柄將會引導航天員朝著環形山缺口處沖出,在沒有達到相應的計算速度時,力反饋手柄將會產生相反的作用力于人手,提示無法沖上,在加速至相應的速度后力反饋手柄的作用消失,航天員可從環形山的探測中安全駛離．

4 實驗驗證

在硬件和軟件系統的支持下,本文對基于力反饋手柄的移動載人月球車操作控制系統進行如下實驗:為了避免無關因素的干擾,本實驗隨機性地邀請了6名無經驗志愿者作為力反饋手柄實驗對象,在虛擬月面環境中標注了起點和終點,志愿者將會在有力反饋輔助駕駛和無力反饋直接駕駛操作兩種實驗條件下駕駛月球車,完成從起點到終點的駕駛．實驗之前,向志愿者說明了力反饋手柄的操作方法以及力反饋的輔助作用,即手柄某方向上的力反饋大小表示相應方向上的不推薦程度,在力反饋輔助駕駛條件下,志愿者應該盡可能地遵循手柄相應方向上的力反饋輔助駕駛．在沒有力反饋作用時,駕駛行為完全由志愿者自身所決定．本實驗平臺如圖12所示．

圖12 實驗平臺Fig.12 Experimental platform

在unity3D軟件系統的支持下,通過USB接口連接力反饋操作手柄,實驗者可直接操縱手柄控制移動載人月球車的移動,完成起點到終點的駕駛．在駕駛經驗不足時,為保證實驗安全,實驗結果僅由unity3D 軟件輸出實驗數據,對于無力反饋和有力反饋兩次實驗,對比了兩次實驗過程中月球車俯仰角隨著到終點直線距離的變化,俯仰角的變化體現了駕駛過程中的平穩程度．1號、6號志愿者兩次駕駛對比結果如圖13所示．

圖13 志愿者兩次駕駛對比結果Fig.13 Driving comparison between two volunteers,(a) volunteer No.1,and (b) volunteer No.6

在志愿者相對熟練地掌握月球車駕駛方法后,進一步實驗,除上節所描述的軟件系統和硬件系統之外,搭載一個六自由度平臺,其使用體感模擬算法模擬了載人月球車在月面環境中的運動,包括俯仰角、橫滾角、偏航角以及沿空間3個方向上的加速度[19],能夠讓實驗者感受到在不同駕駛方向和駕駛速度下的車輛平穩程度,讓志愿者更為直觀、真實地體驗到載人月球車的駕駛,從而感受到力反饋手柄輔助駕駛的必要性．分別在無力反饋直接操作和力反饋輔助的情況下,再次從起點出發,到達終點后,志愿者為2次駕駛體驗評分,各對比組評分如圖14所示．

圖14 志愿者駕駛體驗評分Fig.14 Volunteers’ scores for driving experience

最后,讓志愿者不受起點和終點的限制,自由駕駛月球車進行月面探測,分別統計在無力反饋直接操作和力反饋輔助情況下每1 000 m被困環形山、車輪卡死、側翻等意外情況的平均次數,結果如表2所示．

表2 有無力反饋發生危險次數對比

實驗結果表明:6位志愿者在無力反饋情況下直接操作月球車容易發生被困環形山、車輪卡死、側翻等危險駕駛行為,志愿者面對未知駕駛環境以及操作不熟練等原因車輛顛簸嚴重,導致駕駛體驗不適以及容易發生意外;而在有力反饋輔助志愿者操作月球車的情況下,車輛行駛過程中更為平穩,駕駛更為舒適,在進行未知區域探索時,在力反饋的輔助下月球車不容易發生意外,月面探測更為安全．

5 結論

本文依據移動載人月球車操作為需求,綜合考慮航天員在復雜的月面環境中操作舒適度和操作工作空間,完成了基于力反饋手柄的移動載人月球車操作控制系統的研制,并對系統進行了實驗驗證．本文所設計的力反饋手柄結構簡單,各自由度獨立工作且無誤差積累．作為人機交互的一個重要通道,二自由度力反饋手柄不僅是移動載人月球車操作控制系統的輸入通道,控制載人月球車的運動方向和速度,而且是系統的輸出通道,可以帶給航天員真實的力觸覺感受,輔助載人月球車的駕駛,幫助航天員進行正確、有效的駕駛操作,從而保證駕駛的安全性和高效性．實驗結果表明,所設計的力反饋手柄對于操作者駕駛移動載人月球車具有很好的輔助作用．

本文所研制的基于力反饋手柄的移動載人月球車操作控制系統,可以應用在我國的月面探測任務之中．同時,本文中所設計的力反饋手柄具有可擴展性,更改其力反饋解算策略,或增加其手柄機構的自由度,可在模擬訓練、深空遙操作、醫療康復等諸多領域實踐應用,具有廣闊的前景．