張紅軍 周東 李珂 張沛 韋涌泉 于萌萌

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

開展月球探測(cè)是航天活動(dòng)發(fā)展的必然選擇,我國開展月球探測(cè)對(duì)于提高綜合國力,振奮民族自尊心和增強(qiáng)民族凝聚力具有重要意義[1-2]。月壤樣品的采集返回是各航天大國研究月球的主要手段,我國嫦娥五號(hào)探測(cè)器是探月工程“三步走”戰(zhàn)略的最后一步,其總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)中國首次月面自主采樣與返回[3]。國內(nèi)高校、科研機(jī)構(gòu)針對(duì)該任務(wù)需求,在采樣裝置設(shè)計(jì)等方面開展了大量的研究工作,取得了一定的研究成果[3-4]。月球采樣方式可以分為兩大類:表面月壤采樣和深層月壤采樣。表面采樣一般使用挖、鏟、夾、耙、吸等方式,而深層月壤采樣一般使用鉆探方式進(jìn)行[5]。

2020年11月,嫦娥五號(hào)探測(cè)器攜帶采集的月壤樣品成功返回,標(biāo)志著我國探月工程“三步走”計(jì)劃圓滿完成。嫦娥五號(hào)探測(cè)器同時(shí)裝備了表面采樣和深層采樣設(shè)備,其中月表采樣器采用淺層鏟挖的采樣方式,由于地月距離遠(yuǎn)導(dǎo)致地月交互效率低,因此在月表采樣過程中需要具有很高的自主性,即地球站上注少量的簡(jiǎn)單指令就能觸發(fā)采樣器完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)序列來進(jìn)行采樣。

以抽象的數(shù)學(xué)方式描述知識(shí)的結(jié)構(gòu)及其之間的關(guān)系,具有很強(qiáng)的表達(dá)能力,可為軟件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)提供形式化的語義描述[6]。雖然采樣器具有多種運(yùn)動(dòng)模式、速度、目標(biāo)位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等,但其表述有固定的模式,其核心內(nèi)容可以抽象為一系列狀態(tài)、事件、狀態(tài)遷移、動(dòng)作等元素的集合,非常適合用有限狀態(tài)機(jī)相關(guān)理論進(jìn)行處理,將采樣器的運(yùn)動(dòng)控制用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型表達(dá)[7]。

本文針對(duì)該采樣器,建立挖掘鏟和伸縮鏟的運(yùn)動(dòng)模型,設(shè)計(jì)了一種基于模型的智能自主運(yùn)動(dòng)控制方法,實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)采樣器多種運(yùn)動(dòng)模式的控制,簡(jiǎn)化地球站的操作過程,提升采樣器自主運(yùn)動(dòng)的能力。

1 采樣器智能自主運(yùn)動(dòng)控制方法

1.1 采樣器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

月球探測(cè)一般可分為載人探測(cè)和無人探測(cè),無人探測(cè)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小,能夠在非常惡劣的深空環(huán)境中開展長(zhǎng)期探測(cè),無人探測(cè)任務(wù)中常用到機(jī)械臂[8]。月球表面采樣任務(wù)就是一種無人探測(cè)任務(wù),我國月球表面采樣工作由月表采樣機(jī)械臂系統(tǒng)完成,機(jī)械臂共4個(gè)關(guān)節(jié),即肩偏航關(guān)節(jié)(關(guān)節(jié)一)、肩俯仰關(guān)節(jié)(關(guān)節(jié)二)、肘關(guān)節(jié)(關(guān)節(jié)三)、腕關(guān)節(jié)(關(guān)節(jié)四),其中腕關(guān)節(jié)(機(jī)械臂末端)處安裝采樣器。運(yùn)動(dòng)控制單元中裝載機(jī)械臂智能運(yùn)動(dòng)控制軟件,控制4個(gè)關(guān)節(jié)和末端采樣器運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)控制軟件接收到地球站上注的月表采樣點(diǎn)目標(biāo)位置后,自主規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑,控制機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)到采樣點(diǎn)上方,隨后控制采樣器運(yùn)動(dòng)進(jìn)行月表鏟挖采樣。機(jī)械臂系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 機(jī)械臂系統(tǒng)組成Fig.1 System configuration of sampling manipulator

表層的月壤采樣面對(duì)的是比較松散的風(fēng)化層土壤,對(duì)于表層松散月壤,可以采用鏟挖的方式獲取。為了提高采樣器的機(jī)動(dòng)性,將鏟挖分為鏟取與挖取兩個(gè)動(dòng)作[9]。采樣器示意如圖2所示,采樣器由挖掘鏟和伸縮鏟兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件組成,挖掘鏟運(yùn)動(dòng)為繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng),伸縮鏟運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng),兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件在采樣器內(nèi)部分別由一個(gè)無刷直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng),兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的輸出力矩與電機(jī)的輸入電流成正比[10]。運(yùn)動(dòng)控制軟件根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的期望運(yùn)動(dòng)模式,生成相應(yīng)電機(jī)的期望速度、期望位置等,輸出給運(yùn)動(dòng)控制FPGA;運(yùn)動(dòng)控制FPGA 根據(jù)接收到的控制參數(shù)生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制電機(jī)運(yùn)動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。

圖2 采樣器示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampler

采樣器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組成及控制流示意如圖3所示。

圖3 采樣器系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of sampler system composition

根據(jù)月表采樣需求,挖掘鏟和伸縮鏟分別設(shè)計(jì)了兩種運(yùn)動(dòng)模式:挖掘鏟打開和挖掘鏟關(guān)閉,伸縮鏟伸出和伸縮鏟收回。此外還設(shè)計(jì)了一種復(fù)合模式:復(fù)位,用于恢復(fù)挖掘鏟和伸縮鏟的初始狀態(tài)。采樣器系統(tǒng)針對(duì)每種運(yùn)動(dòng)模式,分別設(shè)計(jì)一條指令,地球站通過上注指令來觸發(fā)采樣器運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制軟件接收地球站上注的指令,按照指令指定的模式給運(yùn)動(dòng)控制FPGA 輸出電機(jī)標(biāo)識(shí)、期望速度、期望位置等信息,運(yùn)動(dòng)控制FPGA 根據(jù)這些信息生成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào),最終驅(qū)動(dòng)挖掘鏟和伸縮鏟按照既定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

1.2 挖掘鏟和伸縮鏟的運(yùn)動(dòng)模型

挖掘鏟和伸縮鏟的運(yùn)動(dòng)模型分為邏輯模型和參數(shù)模型,邏輯模型通過抽象部件的運(yùn)動(dòng)流程而形成,是軟件控制部件自主運(yùn)動(dòng)的過程特性;參數(shù)模型通過抽象部件運(yùn)動(dòng)的各控制參數(shù)而形成,是軟件控制部件運(yùn)動(dòng)過程中的量化特性。

1)邏輯模型

部件的一次單行程運(yùn)動(dòng)抽象為一個(gè)動(dòng)作,動(dòng)作與電機(jī)一一對(duì)應(yīng),具有確定的運(yùn)動(dòng)速度、目標(biāo)位置以及運(yùn)動(dòng)到位的判定方法。部件的一個(gè)運(yùn)動(dòng)流程包含一個(gè)或多個(gè)動(dòng)作,用來完成采樣器的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng),例如,采樣器復(fù)位、挖掘鏟打開、挖掘鏟關(guān)閉、伸縮鏟伸出和伸縮鏟收回等。流程和動(dòng)作的關(guān)系示意如圖4所示。

圖4 流程和動(dòng)作的關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of the relationship between process and action

將部件的一個(gè)動(dòng)作過程分為5個(gè)階段:初始階段、就緒階段、啟動(dòng)階段、結(jié)束判定階段和狀態(tài)恢復(fù)階段。運(yùn)動(dòng)控制軟件接收到地球站上注的指令后在5個(gè)階段之間遷移,完成部件的一個(gè)動(dòng)作過程控制。建立部件動(dòng)作過程中各階段轉(zhuǎn)移的狀態(tài)機(jī)模型,如圖5所示。

圖5 邏輯模型的動(dòng)作階段轉(zhuǎn)移圖Fig.5 Action phase transition diagram of the logical model

運(yùn)動(dòng)控制軟件接收地球站上注的指令,按照?qǐng)D5所示狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系控制采樣器運(yùn)動(dòng),從參數(shù)模型中提取運(yùn)動(dòng)控制參數(shù),控制挖掘鏟和伸縮鏟部件運(yùn)動(dòng),以部件動(dòng)作為原子運(yùn)動(dòng)單元,開展靈活組裝,即可實(shí)現(xiàn)采樣器復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的智能自主控制,采樣器運(yùn)動(dòng)控制流程如圖6所示。

圖6 采樣器運(yùn)動(dòng)控制流程Fig.6 Sampler motion control flow

2)參數(shù)模型

參數(shù)模型的意義是對(duì)于采樣器包含多個(gè)動(dòng)作的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)流程而言,只需要配置各個(gè)參數(shù),并按照流程需求進(jìn)行動(dòng)作排序,邏輯模型按照運(yùn)動(dòng)控制流程執(zhí)行過程中在各狀態(tài)調(diào)度相應(yīng)參數(shù)則可以自主完成采樣器的運(yùn)動(dòng)控制。

對(duì)采樣器運(yùn)動(dòng)流程中的控制參數(shù)進(jìn)行抽象、分類與合并,形成運(yùn)動(dòng)流程的參數(shù)模型。參數(shù)模型中的參數(shù)包括動(dòng)作個(gè)數(shù)、當(dāng)前動(dòng)作標(biāo)識(shí)與執(zhí)行順序、下一個(gè)動(dòng)作標(biāo)識(shí)、動(dòng)作結(jié)束時(shí)位置保持標(biāo)識(shí)、部件運(yùn)動(dòng)到位的判定方式、部件運(yùn)動(dòng)到位的期望位置、期望的運(yùn)動(dòng)速度等,如圖7所示。

圖7 部件運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)模型示意圖Fig.7 Diagram of component motion control parameter model

2 采樣器運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 運(yùn)動(dòng)零位與方向定義

挖掘鏟的零位為閉合狀態(tài),閉合為正向運(yùn)動(dòng),伸縮鏟的零位為收回狀態(tài),伸出為正向運(yùn)動(dòng)。挖掘鏟和伸縮鏟的運(yùn)動(dòng)零位和方向示意如圖8所示。

圖8 采樣器的零位和運(yùn)動(dòng)方向Fig.8 Initial position and movement direction of sampler

以采樣器復(fù)位流程為例,共包括4 個(gè)動(dòng)作,見表1。

表1 采樣器復(fù)位流程動(dòng)作解析Table 1 Sampler reset process action parsing

2.2 驗(yàn)證情況

經(jīng)過多次測(cè)試驗(yàn)證,地球站只需要發(fā)送一條復(fù)位指令,采樣器均能自主完成復(fù)位運(yùn)動(dòng),復(fù)位過程中挖掘鏟和伸縮鏟的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),4個(gè)動(dòng)作之間的銜接流暢無突變,運(yùn)動(dòng)結(jié)束后的狀態(tài)滿足指標(biāo)要求,其中兩次的運(yùn)動(dòng)過程曲線如圖9～10所示,運(yùn)動(dòng)結(jié)束后的實(shí)際位置見表2,第一次挖掘鏟由閉合狀態(tài)開始復(fù)位,第二次挖掘鏟由打開狀態(tài)開始復(fù)位,兩次復(fù)位伸縮鏟均由完全伸出狀態(tài)開始復(fù)位,第一次復(fù)位用時(shí)101 s,第二次復(fù)位用時(shí)115 s。

表2 復(fù)位后兩部件的位置(地球?qū)嶒?yàn)室)Table 2 Position of the two components after reset(in earth labs)

圖9 第一次復(fù)位過程(地球?qū)嶒?yàn)室)Fig.9 First reset process(in earth labs)

圖10 第二次復(fù)位過程(地球?qū)嶒?yàn)室)Fig.10 Second reset process(in earth labs)

針對(duì)采樣器其他運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制流程,實(shí)現(xiàn)了地球站僅發(fā)送1條指令即可最多完成10個(gè)動(dòng)作的自主運(yùn)動(dòng)控制,有效提升地球站遙操作指令的效能達(dá)4～10倍。

2.3 在軌工作情況

由于采樣器在地面完成復(fù)位流程后隨整器發(fā)射,因此,采樣器在軌工作時(shí),伸縮鏟不是由完全伸出狀態(tài)開始復(fù)位,而是由復(fù)位后的狀態(tài)開始復(fù)位,即從約5100 步開始復(fù)位。2020 年12 月2 日上午,采樣器在月面工作,復(fù)位過程運(yùn)動(dòng)曲線如圖11所示。

圖11 復(fù)位過程(月面)Fig.11 Reset process(on lunar surface)

從圖11中可以看出,與地面最終復(fù)位狀態(tài)不同,伸縮鏟從－13 步開始復(fù)位,這是因?yàn)椴蓸悠髟诘孛孀詈笠淮螐?fù)位后設(shè)備斷電,軟件記錄的最終步數(shù)清零。此外,由于發(fā)射過程中的巨大振動(dòng)導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)輕微運(yùn)動(dòng),當(dāng)采樣器在月面重新加電后,伸縮鏟的步數(shù)變?yōu)椋?3 步,即伸縮鏟的零位丟失,因此復(fù)位時(shí)伸縮鏟從－13 步開始運(yùn)動(dòng),當(dāng)伸縮鏟收回到零位時(shí),軟件完成一次零位標(biāo)定,隨后伸縮鏟伸出到復(fù)位目標(biāo)位置,復(fù)位結(jié)束后兩個(gè)部件的實(shí)際位置見表3。

表3 復(fù)位后兩部件的位置(月面)Table 3 Position of the two components after reset(on lunar surface)

假設(shè)伸縮鏟的零位沒有丟失,對(duì)伸縮鏟的初始位置進(jìn)行平移,那么復(fù)位過程的運(yùn)動(dòng)曲線如圖12所示。

圖12 復(fù)位過程(月面)(伸縮鏟初始位置平移)Fig.12 Reset process(on lunar surface)(translation of initial position)

可以看出圖12的運(yùn)動(dòng)曲線與圖9的運(yùn)動(dòng)曲線一致,僅伸縮鏟不是從完全伸出狀態(tài)開始收回,其余運(yùn)動(dòng)過程一致,故伸縮鏟收回到零位的時(shí)間少于地面驗(yàn)證時(shí)的時(shí)間,整個(gè)復(fù)位過程用時(shí)52 s。

隨后采樣器進(jìn)行采樣,共完成3個(gè)動(dòng)作:①伸縮鏟收回,為挖掘鏟鏟挖做好準(zhǔn)備;②挖掘鏟鏟挖,具體動(dòng)作對(duì)應(yīng)挖掘鏟閉合,也就是將月壤挖入采樣器容腔內(nèi);③伸縮鏟伸出,與挖掘鏟形成封閉容腔。一次月壤鏟挖過程兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)曲線如圖13所示。

圖13 鏟挖過程(月面)Fig.13 Digging process(on lunar surface)

3 結(jié)束語

本文提出的采樣器智能自主運(yùn)動(dòng)控制方法,實(shí)現(xiàn)了采樣器多種運(yùn)動(dòng)模式的自主控制,軟件可控制采樣器通過一系列運(yùn)動(dòng)而完成月表采樣任務(wù);該方法簡(jiǎn)化了地球站的遙操作過程,地球站通過上注少量指令即可觸發(fā)采樣器完成多項(xiàng)操作,提升了遙操作指令的效能以及采樣器自主運(yùn)動(dòng)能力。經(jīng)過采樣器的試驗(yàn)驗(yàn)證以及月面實(shí)際采樣,該方法能夠平穩(wěn)的控制采樣器完成采樣任務(wù),采樣器運(yùn)動(dòng)連續(xù)可靠。對(duì)采樣器在軌采樣過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采樣器完全按照設(shè)計(jì)狀態(tài)完成采樣工作,采樣過程與地面試驗(yàn)結(jié)果一致,表明該方法可行、有效,滿足采樣器在月表的采樣任務(wù)需求。對(duì)于后續(xù)同類型任務(wù),可完善軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)采樣器在斷電再加電后運(yùn)行狀態(tài)的保持,設(shè)計(jì)采樣器和機(jī)械臂聯(lián)動(dòng)控制方法,進(jìn)一步提升軟件的智能化水平。