一种模拟月球车远程遥操作的系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟月球车远程遥操作的系统，所述系统包括遥操作显控界面和月面环境呈现模拟器，所述遥操作显控界面与所述月面环境呈现模拟器之间通过地月模拟通讯链路实现数据共享；所述遥操作显控界面包括参数设置模块、运动控制模块、状态显示模块、图像呈现模块和地图呈现模块；所述月面环境呈现模拟器用于模拟真实的月球车及月面环境，包括模拟月球车模型、传感器模型和月面地形地貌。本系统有助于在地面上开展载人月球车遥操作相关技术的测试验证，创新性高、操作简单、可视性强，便于为载人月球车原型系统的研制提供技术支撑。于为载人月球车原型系统的研制提供技术支撑。于为载人月球车原型系统的研制提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟月球车远程遥操作的系统


[0001]本专利技术涉及无人车遥操作
，特别涉及一种模拟月球车远程遥操作的系统。

技术介绍

[0002]在探月工程二期中，地面遥操作系统依赖遥编程模式对玉兔系列月球车发送运动指令，以进行辅助控制与监视。这种遥编程模式利用月球车下传的图像数据重建月面环境，之后进行行驶路径规划与安全性验证，确定运动安全后生成控制指令上注到月球车实施控制。在发送控制指令之前，需要在地面遥操作工作站开展较为充分的验证工作，这种控制模式较为成熟、安全性高，不足之处在于月球车移动效率较低。
[0003]作为探月工程“三步走”实施中的第二步，预计在2030年左右实现载人登月。在该计划中，与以往走走停停的月球车不同，载人月球车将实现在月面上由宇航员驾驶与地面遥操作系统控制相结合，以保证月球车长时间处在连续行驶状态。地面遥操作系统作为宇航员驾驶模式的辅助和补充手段，将在月面探索中发挥重要作用。随着载人月球车自主运动能力需求提升，传统的遥编程控制模式已难以满足要求，这对地面遥操作系统提出了新的技术验证测试及攻关需求。然而，在地面上模拟真实的月面环境较为困难，需要耗费大量的人力财力，且存在较大不确定性等问题。因此，需要设计一种模拟月球车远程遥操作的虚拟仿真系统，在这种虚拟操作环境中实现对地面遥操作相关技术的测试验证，为载人月球车原型系统的研制提供技术支撑。
[0004]申请号为202011515955.2的中国专利公开了一种空间探测移动载人虚拟仿真系统，该系统包括操作平台、六自由度运动平台、虚拟模型建立单元和人机交互单元，根据月球表面地形统计数据生成虚拟的月面典型地貌特征，以辅助航天员开展对月球探测车的操作训练。申请号为202110113615.5的中国专利公开了一种月面载人移动车系统的交互装置及交互控制方法，通过多通道信息融合装置实现自定义式的多通道输入的月面移动车交互控制，而利用多传感器融合感知系统为载人月球车驾驶员提供丰富的环境感知信息与车体状态信息，增强驾驶过程的交互性，这种方法未涉及月面虚拟场景构建。申请号为202111570206.4的中国专利公开了一种模拟月面驾驶的模拟驾驶系统及方法，操作人员使用手柄或键盘等装置控制月球车在月面上行驶作业，在月球车运动过程中利用虚拟的激光雷达传感器构建周围环境，同时向操作人员提供月面环境、车辆姿态和驾驶信息等视景反馈，以实现航天员在地面上进行月球车驾驶训练。然而，这种方法并不能模拟真实的月球车地面遥操作过程，比如未考虑存在的地月通讯链路延迟、通讯带宽限制和月球车定位不准确等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种模拟月球车远程遥操作的系统，以辅助地面开展载人月球车遥操作相关技术的测试验证，为载人月球车原型系统的研制提供技术支撑。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供如下方案：
[0007]一种模拟月球车远程遥操作的系统，所述系统包括遥操作显控界面和月面环境呈现模拟器，所述遥操作显控界面与所述月面环境呈现模拟器之间通过地月模拟通讯链路实现数据共享；
[0008]所述遥操作显控界面基于ROS和Qt混合编程，利用Qt实现图形化窗口，利用ROS中的信息共享通讯机制实现话题通信、服务通信和参数通信；所述遥操作显控界面包括参数设置模块、运动控制模块、状态显示模块、图像呈现模块和地图呈现模块；
[0009]所述月面环境呈现模拟器基于Unity3D设计开发，用于模拟真实的月球车及月面环境，包括模拟月球车模型、传感器模型和月面地形地貌。
[0010]优选地，所述遥操作显控界面和所述月面环境呈现模拟器基于ROS架构开发，两者可同时部署在一台电脑或分开部署在两台电脑上；
[0011]所述参数设置模块用于进行主节点地址、本机IP地址和本机主机名称的参数设置，同时，也用于保存用户定义的参数配置，在下次加载界面程序时沿用之前的设置而无需重新修改。
[0012]优选地，所述运动控制模块用于发送月球车的速度控制指令，即期望的角速度和线速度；所述运动控制模块通过两种方式发送速度控制指令，一种是通过转动圆盘实现，操控人员在移动小圆盘时将会与外面的大圆圈形成角度和圆心距两个数值，两者分别对应设置角速度和线速度数值；另一种是通过拖拉数值条实现，可分别独立设置角速度和线速度。
[0013]优选地，所述状态显示模块用于显示月球车在运动过程中的状态信息，包括线速度、角速度、电池电量、电池电压和故障信息；其中，线速度和角速度以直观可视化的仪表盘进行呈现，当所述遥操作显控界面接收到反馈的月球车运动速度消息后，通过仪表盘控件绘制槽函数刷新指针角度；电池电量以进度条显示，其范围为0％
‑
100％；电池电压以数字值显示；故障信息以文本的形式在界面窗口更新显示，刷新频率为1Hz。
[0014]优选地，所述图像呈现模块用于显示实际月球车下传的月面环境立体图像对数据，即月球车前方的左侧图像、右侧图像；所述图像呈现模块包括两个图像显示窗口，分别显示月球车返回的左侧图像、右侧图像，以使操控人员能够在月球车运动过程中直观地感受月面环境变化。
[0015]优选地，所述地图呈现模块用于显示月球车在运动过程中的激光雷达点云数据及根据传感器数据重建的月面地图模型，支持二维及三维地图模型接入。
[0016]优选地，所述月面环境呈现模拟器用于模拟月球车模型，具体包括：
[0017]根据实际月球车的尺寸及部件连接关系生成URDF文件；在Unity3D中以实际月球车的URDF文件生成月球车主体模型，删除部件间的结合体碰撞器及车轮模型自带的碰撞器属性；在月球车主体模型上加载刚体组件，按照真实月球车的质量更改质量参数；在月球车车轮及轮胎模型上设置碰撞器属性；根据月球车驱动电机性能设置电机转矩、转向角和制动转矩参数，当从遥操作显控界面获得期望的月球车角速度和线速度后，将其转化为月球车模型中的电机转矩、转向角和制动转矩参数，以模拟月球车前进、后退、制动、转向和打滑运动。
[0018]优选地，所述传感器模型包括摄像头模型和激光雷达模型；
[0019]所述月面环境呈现模拟器用于模拟摄像头模型，具体包括：在所述月面环境呈现
模拟器中的月球车模型上选择合适的位置作为摄像头放置点，以Unity3D中的摄像头组件捕捉环境画面作为图像感知结果；在摄像头组件物理模式下，设定摄像头焦距和感光元件大小两个参数，使与真实摄像头参数一致，所需捕捉的画面大小也可自行设定，包括长和宽；捕捉画面经过编码后以图像格式存储，并以ROS消息形式发布到图像数据话题上实现数据订阅共享；
[0020]所述月面环境呈现模拟器用于模拟激光雷达模型，具体包括：以Unity3D中一个圆柱实体向外发射十六条射线并360
°
旋转模拟十六线激光雷达，若射线碰到其它物体，则返回该物体相对于圆柱实体的三维位姿信息；圆柱实体发射的十六条射线得到的探测信息经过编码后构成激光雷达点云数据，并以ROS消息形式发布到激光雷达数据话题上实现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟月球车远程遥操作的系统，其特征在于，所述系统包括遥操作显控界面和月面环境呈现模拟器，所述遥操作显控界面与所述月面环境呈现模拟器之间通过地月模拟通讯链路实现数据共享；所述遥操作显控界面基于ROS和Qt混合编程，利用Qt实现图形化窗口，利用ROS中的信息共享通讯机制实现话题通信、服务通信和参数通信；所述遥操作显控界面包括参数设置模块、运动控制模块、状态显示模块、图像呈现模块和地图呈现模块；所述月面环境呈现模拟器基于Unity3D设计开发，用于模拟真实的月球车及月面环境，包括模拟月球车模型、传感器模型和月面地形地貌。2.根据权利要求1所述的模拟月球车远程遥操作的系统，其特征在于，所述遥操作显控界面和所述月面环境呈现模拟器基于ROS架构开发，两者可同时部署在一台电脑或分开部署在两台电脑上；所述参数设置模块用于进行主节点地址、本机IP地址和本机主机名称的参数设置，同时，也用于保存用户定义的参数配置，在下次加载界面程序时沿用之前的设置而无需重新修改。3.根据权利要求1所述的模拟月球车远程遥操作的系统，其特征在于，所述运动控制模块用于发送月球车的速度控制指令，即期望的角速度和线速度；所述运动控制模块通过两种方式发送速度控制指令，一种是通过转动圆盘实现，操控人员在移动小圆盘时将会与外面的大圆圈形成角度和圆心距两个数值，两者分别对应设置角速度和线速度数值；另一种是通过拖拉数值条实现，可分别独立设置角速度和线速度。4.根据权利要求1所述的模拟月球车远程遥操作的系统，其特征在于，所述状态显示模块用于显示月球车在运动过程中的状态信息，包括线速度、角速度、电池电量、电池电压和故障信息；其中，线速度和角速度以直观可视化的仪表盘进行呈现，当所述遥操作显控界面接收到反馈的月球车运动速度消息后，通过仪表盘控件绘制槽函数刷新指针角度；电池电量以进度条显示，其范围为0％
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100％；电池电压以数字值显示；故障信息以文本的形式在界面窗口更新显示，刷新频率为1Hz。5.根据权利要求1所述的模拟月球车远程遥操作的系统，其特征在于，所述图像呈现模块用于显示实际月球车下传的月面环境立体图像对数据，即月球车前方的左侧图像、右侧图像；所述图像呈现模块包括两个图像显示窗口，分别显示月球车返回的左侧图像、右侧图像，以使操控人员能够在月球车运动过程中直观地感受月面环境变化。6.根据权利要求1所述的模拟月球车远程遥操作的系统，其特征在于，所述地图呈现模块用于显示月球车在运动过程中的激光雷达点云数据及根据传感器数据重建的月面地图模型，支持二维及三维地图模型接入。7.根据权利要求1所述的模拟月球车远程遥操作的系统，其特征在于，所述月面环境呈现模拟器用于模拟月球车模型，具体包括：根据实际月球车的尺寸及部件连接关系生成URDF文件；在Unity3D中以实际月球车的URDF文件生成月球车主体模型，删除部件间的结合体碰撞器及车轮模型自带的碰撞器属性；在月球车主体模型上加载刚体组件，按照真实月球车的质量更改质量参数；在月球车车轮及轮胎模型上设置碰撞器属性；根据月球车驱动电机性能设置电机转矩、转向角和制动转矩参数，当从遥操作显控界面获...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩杰，黄思诚，刘传凯，张作宇，
申请(专利权)人：北京航天飞行控制中心，
类型：发明
国别省市：