空間站機械臂任務(wù)規(guī)劃方法

吳 凡，趙 瑞，何錫明，姜 萍，榮志飛，王琪智，裴健超

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

0 引言

空間站機械臂［1-3］是中國空間站工程［4-5］的核心關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)任務(wù)類型多樣［6］，如艙間爬行、支持航天員出艙［7］、載荷艙外安裝［8-9］、艙外狀態(tài)檢查等?？臻g站作為在軌時間很長的航天器，機械臂在其中擔(dān)任了重要的角色。機械臂操作的控制模式不同于傳統(tǒng)繞飛航天器，對其的主要影響，不僅是天體間的相對運動，除光照、通信條件制約之外，還有和空間站各部位、各組件及航天員間空間環(huán)境的干涉、平臺操作的影響等，都會進行實時交互且是相互作用的，空間站機械臂任務(wù)的靈活性不言而喻。

由于應(yīng)用環(huán)境的特殊性，空間站機械臂的智能水平和自主行為受限，主要通過地面遙操作的配合實施對其的控制。在軌過程中需要進行頻繁的任務(wù)規(guī)劃，獲得地面控制航天器動作序列，完成地面對機械臂行為、動作的控制，使航天器圓滿地完成既定的任務(wù)目標(biāo)。

智能規(guī)劃技術(shù)是指通過對周圍環(huán)境的認(rèn)識與分析，面向既定的任務(wù)目標(biāo)，基于行為動作及其資源限制和相關(guān)約束，對控制目標(biāo)的狀態(tài)及后續(xù)行為進行推理，綜合制定出實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的動作序列。

智能規(guī)劃起源于狀態(tài)空間搜索、控制理論等研究，以及機器人技術(shù)、調(diào)度和其他領(lǐng)域的實際需要，是人工智能領(lǐng)域中一個重要的研究方向。長期以來，研究者們致力于智能規(guī)劃技術(shù)的研究，建立了多種智能規(guī)劃方法，取得顯著的成果，并在實際應(yīng)用中解決了很多類型、很多領(lǐng)域的問題。

在20 世紀(jì)90 年代之前規(guī)劃（Planning）一直采用邏輯演繹的方法予以求解，基于知識表示與推理（Knowledge Representation and Reasoning），側(cè)重于經(jīng)典邏輯下的各種推理技術(shù)的利用。1971 年，斯坦福研究所開發(fā)了一種自動規(guī)劃器STRIPS，在一個模型空間中找到一個算子序列，將給定的初始問題轉(zhuǎn)化為滿足目標(biāo)條件的問題［10］。1975 年，EARL［11-12］提出了NOAH（Nets of Action Hierarchies）系統(tǒng)，第一次實現(xiàn)分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃（Hierarchical Task Network，HTN）。2003年DANA等［13］提出了SHOP2規(guī)劃系統(tǒng)，在該年度國際規(guī)劃競賽中發(fā)揮了出色的表現(xiàn)，是一個典型的HTN 規(guī)劃系統(tǒng)。2004 年NASA 使用了MAPGEN 規(guī)劃器［14］為火星探測器的日常運行進行了規(guī)劃。2007年MEXAR2規(guī)劃器［15］為歐洲航天局（ESA）的火星快車任務(wù)執(zhí)行了日常規(guī)劃和科學(xué)規(guī)劃。

航天器遙操作任務(wù)規(guī)劃技術(shù)［16-17］是智能規(guī)劃技術(shù)的一類典型應(yīng)用。在之前我國成功實施了嫦娥五號任務(wù)、天問一號任務(wù)，在地月空間、行星際空間的遙操作任務(wù)中，規(guī)劃技術(shù)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，也奠定了堅實的基礎(chǔ)［18-21］。航天器遙操作任務(wù)規(guī)劃基于任務(wù)特點和目標(biāo)，在復(fù)雜多約束的不同任務(wù)類型中完成各種事件的調(diào)度和集成，實現(xiàn)航天器行為的規(guī)劃。

1 任務(wù)規(guī)劃模式設(shè)計

1.1 機械臂任務(wù)需求分析

空間站機械臂的工作類型多樣，一次完整的機械臂工作主要包括的行為有重啟、預(yù)熱、相機設(shè)置、運動、狀態(tài)設(shè)置，以及相應(yīng)的組合體姿態(tài)和狀態(tài)的設(shè)置和恢復(fù)等。

機械臂運動包括大臂運動模式［1］、小臂運動模式［22］、組合臂運動模式［23］等。其中運動均是由多步運動構(gòu)成的，經(jīng)過多個中間點到達(dá)運動目標(biāo)點，此外，還包含機械臂末端的捕獲運動和釋放運動，如圖1 所示。機械臂大臂、小臂分別具有一定數(shù)量的不同的基座，各有7 個關(guān)節(jié)角，2 個末端，每個末端均可實施捕獲、釋放運動［24-25］，基于此狀態(tài)，大臂、小臂、組合臂僅爬行路徑就有幾十條，其他類型工作中機械臂路徑更加繁多，并且其中的大部分控制動作是不一樣的。

圖1 機械臂運動模式Fig.1 Manipulator motion modes

1.2 任務(wù)規(guī)劃模式分析

空間站機械臂任務(wù)規(guī)劃是以機械臂運動及其操作過程為引導(dǎo)，同時考慮非機械臂運動事件、非機械臂事件和機械臂事件間的邏輯耦合關(guān)系以及時序發(fā)生關(guān)系的規(guī)劃。規(guī)劃模式如圖2 所示，其中月事件反應(yīng)的是機械臂規(guī)劃的需求，飛控事件是描述每個行為的模塊。

圖2 任務(wù)規(guī)劃模式Fig.2 Task planning mode

針對任務(wù)目標(biāo)和規(guī)劃約束的分析，在獲取月事件需求后，基于機械臂工作過程，以機械臂運動步驟、航天員活動流程等為基準(zhǔn)，輔以平臺各狀態(tài)設(shè)置過程、機械臂各狀態(tài)設(shè)置情況，將機械臂工作月事件進行分解及策略展開。同時，針對機械臂運動步驟，結(jié)合分解的月事件提取機械臂運動各階段對應(yīng)的位置姿態(tài)信息，分析形成機械臂運動需求。

基于上述需求層分析，整理形成月事件分解結(jié)果，建立分層規(guī)劃對象模型，再結(jié)合機械臂運動學(xué)規(guī)劃結(jié)果、規(guī)劃初始狀態(tài)、特殊約束需求，規(guī)劃器完成滿足測控資源整理模型下的任務(wù)規(guī)劃，完成在考慮各行為發(fā)生條件、執(zhí)行邏輯和時序安排下，滿足各類約束的地面控制動作序列，通過規(guī)劃驗證后輸出控制動作序列，讓航天器在滿足測控資源的條件下合理有效地完成各項工作。

1.3 任務(wù)規(guī)劃約束分析

基于機械臂工作的動態(tài)過程，機械臂規(guī)劃面臨很多方面的約束，主要考慮以下幾個方面。

1）基本約束：月事件所包含的首個飛控事件約定了本次規(guī)劃的起始時間，即動作的起始時間，后續(xù)飛控事件采用邏輯順序約束，在首個飛控事件之后依次安排；部分飛控事件由特征條件約束；部分飛控事件需滿足周期性要求，按照一定的時間間隔發(fā)生；部分飛控事件有陽照、陰影限制約束。

2）聯(lián)合約束：部分飛控事件由多個或多類約束條件共同進行約束。

3）次生約束：已規(guī)劃的結(jié)果可能會對部分飛控事件產(chǎn)生影響，從而形成新的約束，如機械臂運動過程中可能會在特定時刻對地面和器上的通信產(chǎn)生遮擋，遮擋的時段內(nèi)不可安排飛控事件，又如機械臂運動過程中可能會與航天器產(chǎn)生干涉，為保證安全可能在運動前安排相應(yīng)空間站平臺設(shè)備調(diào)整飛控事件。

2 規(guī)劃模型的建立

基于地面工程師對空間站機械臂構(gòu)型、供配電系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計，對主要工作模式和任務(wù)需求進行分析，按照規(guī)劃任務(wù)的目標(biāo)，構(gòu)建分層規(guī)劃對象模型和狀態(tài)空間模型，在分層規(guī)劃對象中建立狀態(tài)推理模型，對部分飛控事件或控制動作進行多約束設(shè)計，結(jié)合測控資源整理模型實現(xiàn)規(guī)劃的迭代計算，如圖3 所示。

圖3 模型的總體架構(gòu)Fig.3 Overall network architecture of the mode

2.1 測控資源整理模型

空間站機械臂任務(wù)規(guī)劃過程存在通信窗口約束，單次任務(wù)規(guī)劃對象無法在一個時間窗口內(nèi)完成，在事件規(guī)劃的同時，測控資源的整理是不可或缺的。

空間站機械臂任務(wù)規(guī)劃的可用區(qū)間必須能夠包含當(dāng)次規(guī)劃任務(wù)需求的總時長，并且可用區(qū)間的起始時間要早于任務(wù)需求中事件的最早開始時間。

通過定義全局時間點，構(gòu)建資源的基礎(chǔ)區(qū)間，基礎(chǔ)區(qū)間進行邏輯耦合形成應(yīng)用區(qū)間。將適配的基礎(chǔ)區(qū)間或應(yīng)用區(qū)間作為機械臂的可用區(qū)間，即資源項，還可以對陽照區(qū)間和陰影區(qū)間進行標(biāo)識。

在規(guī)劃器按照分層規(guī)劃對象模型展開規(guī)劃時，根據(jù)飛控事件的資源需求安排在符合約束條件的可用區(qū)間內(nèi)。

2.2 基于任務(wù)目標(biāo)建立分層規(guī)劃對象模型

機械臂工作受溫度、能源、資源等多種條件制約，并與空間站平臺其他分系統(tǒng)的工作相互耦合，其行為本身具有多種復(fù)雜的模式和極強的動態(tài)特性，在不同應(yīng)用場景下還具有不同的流程分支，導(dǎo)致任務(wù)規(guī)劃過程具有較強的不確定性。

如果基于各動作直接進行任務(wù)規(guī)劃，不僅規(guī)劃計算耗時很長，而且還會增加管理和維護的成本。為提高規(guī)劃效率，將機械臂相關(guān)的任務(wù)需求進行分解和細(xì)化分析，基于經(jīng)驗和分析結(jié)果將月事件分解展開為相應(yīng)的飛控事件模塊，每一個飛控事件模塊對應(yīng)著一組或者多組動作控制序列。

基于上述優(yōu)化思想，將機械臂規(guī)劃模型構(gòu)建為包含月事件層、飛控事件層和控制動作序列層的分層對象模型，模型每一層的模塊在任務(wù)過程中可以持續(xù)補充以及復(fù)用，模型通過層級調(diào)用產(chǎn)生本次任務(wù)中的全部地面控制動作序列，取代人為通過單控制動作排列的方式產(chǎn)生全部動作控制計劃，滿足不同階段的規(guī)劃目標(biāo)，提升了長期任務(wù)過程中的地面工作效率和靈活性，由于經(jīng)過任務(wù)驗證的模塊持續(xù)復(fù)用，模型的準(zhǔn)確性也大大提升，如圖4 所示。

圖4 分層規(guī)劃對象模型Fig.4 Layered programming object model

月事件層由可以完成當(dāng)前任務(wù)需求Ψ的部分飛控事件Ωi構(gòu)成，并在該層通過邏輯順序約束表達(dá)式描述飛控事件間的關(guān)系，飛控事件的關(guān)系由地面工程師給出建議，明確在一次規(guī)劃任務(wù)中飛控事件的集合。

飛控事件描述了機械臂工作月事件實施的具體步驟，在機械臂規(guī)劃中，飛控事件作為規(guī)劃過程中的最小邏輯單元，每個飛控事件描述機械臂或組合體平臺的一個最小動作或最小狀態(tài)，設(shè)計時遵循邏輯閉環(huán)原則，以實現(xiàn)飛控事件在規(guī)劃時的邏輯正確。

機械臂在不同的工作場景下具有多樣的分支和狀態(tài)，如在不同基座上實施相同行為時所采用的控制動作不同，又如針對所有分支或狀態(tài)進行窮舉設(shè)計，會導(dǎo)致飛控事件數(shù)量過多，使得模型的維護成本激增，所以設(shè)計飛控事件時需滿足可復(fù)用性要求，每個飛控事件均需包含可能出現(xiàn)的不同分支和不同狀態(tài)Mv，實現(xiàn)飛控事件的歸一化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，針對相應(yīng)飛控事件的不同分支及不同狀態(tài)，標(biāo)識不同的能耗Ev，設(shè)計具有互斥性質(zhì)的調(diào)度參數(shù)Pv及參數(shù)賦值，提供人工管理和選擇該飛控事件的分支及狀態(tài)的接口。

每個模式Mv由控制動作序列層構(gòu)成，每個控制動作序列包括多個動作和對應(yīng)動作的持續(xù)時長，并且可以嵌套其他的動作序列。

式中：Iu為控制動作的代號；Au為控制動作Iu的名稱；ku為控制動作Iu的持續(xù)時長；pu為針對各控制動作設(shè)置的調(diào)度參數(shù)，一個控制動作可能會配置多個調(diào)度參數(shù)，如定義是主份還是備份控制、動作是否重復(fù)多次等。

在月事件層的飛控事件中將對應(yīng)的調(diào)度參數(shù)Pv和pu進行集中描述，如圖5 所示，定義是否安排某飛控事件、飛控事件包含的各種狀態(tài)以及各狀態(tài)對應(yīng)的不同動作分支；將優(yōu)先權(quán)重最大的常用調(diào)度參數(shù)設(shè)置為缺省狀態(tài)。

圖5 模型中參數(shù)的定義及設(shè)置Fig.5 Definition and setting of parameters in the model

2.3 狀態(tài)空間構(gòu)建和狀態(tài)推理模型設(shè)計

任務(wù)規(guī)劃過程伴隨著規(guī)劃模型從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的傳遞和推導(dǎo)，狀態(tài)是決定飛控事件或控制動作選擇的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的人工規(guī)劃模式中，地面工程師需要人為推導(dǎo)狀態(tài)選擇調(diào)度參數(shù)，若規(guī)劃輸入的需求或狀態(tài)發(fā)生改變時，則需重新進行狀態(tài)推導(dǎo)，甚至對規(guī)劃模型進行反復(fù)修正和調(diào)整。在空間站機械臂規(guī)劃中，由于機械臂工作相關(guān)的狀態(tài)繁多，涉及的飛控事件或控制動作序列數(shù)量及相應(yīng)的參數(shù)也非常多，會導(dǎo)致規(guī)劃模型的設(shè)計、管理、維護及使用的效率低下、成本高昂、錯誤率高。

根據(jù)任務(wù)過程，將機械臂狀態(tài)分為靜態(tài)狀態(tài)和動態(tài)狀態(tài)，靜態(tài)狀態(tài)主要包含主備分支、部分序列中的特殊設(shè)置分支，需基于分支選擇展開規(guī)劃，動態(tài)狀態(tài)主要由規(guī)劃當(dāng)前狀態(tài)進行約束，且同一飛控事件安排在不同階段時的約束狀態(tài)也不一樣。

為提升分層規(guī)劃對象模型的靈活性、通用性，替代人工完成全過程的狀態(tài)推導(dǎo)，將機械臂動態(tài)狀態(tài)Sj及取值范圍的合集建立狀態(tài)空間Σ，作為數(shù)據(jù)庫存儲、調(diào)用及對查，并在規(guī)劃前對初始狀態(tài)空間進行賦值。

在模型控制動作序列層中，對可導(dǎo)致機械臂狀態(tài)變化的控制動作后增加設(shè)置狀態(tài)空間描述的虛擬字段V_set，規(guī)劃器識別并處理該類字段，在規(guī)劃過程中伴隨進行狀態(tài)空間推理，推導(dǎo)狀態(tài)空間中當(dāng)前的各類狀態(tài)的賦值，并將改變后的狀態(tài)引入后續(xù)飛控事件及控制動作的規(guī)劃中。

同時，按照機械臂工作邏輯及平臺各分系統(tǒng)控制邏輯，在模型的飛控事件或控制動作序列層增加狀態(tài)調(diào)度參數(shù)，當(dāng)滿足某一狀態(tài)或同時滿足多個設(shè)定狀態(tài)時，調(diào)度該事件或者該控制動作發(fā)生。并且狀態(tài)調(diào)度參數(shù)同調(diào)度參數(shù)Pv和pu在月事件的飛控事件中描述。規(guī)劃器將狀態(tài)規(guī)劃和時序邏輯規(guī)劃相結(jié)合，根據(jù)推理，狀態(tài)空間中的當(dāng)前狀態(tài)值，由狀態(tài)調(diào)度參數(shù)選擇正確的飛控事件或控制動作發(fā)生。對狀態(tài)推理過程進行了簡單的示例，其狀態(tài)模型如圖6 所示。

圖6 狀態(tài)模型Fig.6 State model

2.4 多約束設(shè)計

針對任務(wù)過程中部分飛控事件或控制動作發(fā)生的聯(lián)合約束的需求，模型中增加多狀態(tài)聯(lián)合約束表達(dá)式的描述，規(guī)劃器對該類表達(dá)式進行識別處理，按照正確的狀態(tài)進行規(guī)劃。

典型的聯(lián)合約束對于某控制動作，如多狀態(tài)約束，在幾個狀態(tài)同時等于指定狀態(tài)值、同時不等于指定狀態(tài)值、部分等于部分不等于指定狀態(tài)值的情況下控制動作的發(fā)生。對于某飛控事件的約束可能包含機械臂當(dāng)前位置狀態(tài)、器上能源狀態(tài)、到達(dá)某時間周期，以及部分狀態(tài)等于或不等于指定狀態(tài)值。

2.5 運動事件設(shè)計

機械臂運動規(guī)劃的具體控制參數(shù)通過仿真驗證后，將各步驟運動參數(shù)傳遞至規(guī)劃器。運動參數(shù)包括每一步運動的執(zhí)行機構(gòu)、運動控制動作代號、運動時長，以及狀態(tài)空間中的、運動綁定的狀態(tài)和狀態(tài)值。

在分層規(guī)劃對象模型中，將機械臂運動設(shè)計為一個飛控事件，規(guī)劃器識別收到的運動參數(shù)中的字段，按步驟讀取參數(shù)中每一步運動過程，基于執(zhí)行機構(gòu)字段的機械臂大臂或小臂調(diào)取大臂或小臂控制動作序列，在該控制動作序列中采用虛擬字段V_DMOVE 或V_XMOVE 來描述路徑。在規(guī)劃器規(guī)劃展開動作時，虛擬字段替換為參數(shù)中運動控制動作代號，將動作的持續(xù)時長替換為參數(shù)中的運動時長，同時將該步驟中涉及的狀態(tài)字段更新存儲在狀態(tài)空間中，且該狀態(tài)值參與后續(xù)的規(guī)劃，如圖7所示。

圖7 運動控制參數(shù)調(diào)度Fig.7 Scheduling diagram of the motion control parameters

2.6 規(guī)劃驗證模型建立

在完成動作序列展開后，規(guī)劃器需要對生成的地面控制動作序列結(jié)果進行驗證，對結(jié)果的正確性進行校核。

主要考慮以下4 個方面：

1）動作發(fā)生的時間間隔是否滿足最小發(fā)生間隔。某兩個動作間的間隔時長是否大于某值或者小于某值。

2）某些動作間是否有先后順序或時間間隔的要求，可能存在于一個動作序列或不同的飛控事件中，動作的發(fā)生時序，某動作發(fā)生后多長時間內(nèi)，另一個動作發(fā)生。

3）部分飛控事件需要周期性發(fā)生、部分飛控事件的陰影光照約束，以及運動過程是否和航天器產(chǎn)生干涉。

4）對航天器的能源消耗、熱控裕度進行驗證。

將上述內(nèi)容通過驗證虛擬標(biāo)識和驗證邏輯表達(dá)式進行描述，規(guī)劃器識別虛擬標(biāo)識和邏輯表達(dá)式，在執(zhí)行規(guī)劃驗證計算時，對驗證結(jié)果進行顯示，對問題進行錯誤提示。

3 規(guī)劃求解

使用規(guī)劃語言將模型中各字段進行識別和描述，針對建立的問題模型，再基于初始狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)，通過地面工程師手動操作和規(guī)劃器的計算對問題進行迭代求解，計算生成能夠完成任務(wù)目標(biāo)的地面控制動作序列。規(guī)劃求解過程分解如圖8 所示。

圖8 規(guī)劃求解流程Fig.8 Flow chart of planning and solving

1）地面工程師根據(jù)領(lǐng)域知識、任務(wù)的需求和目標(biāo)，針對機械臂運動步驟和各階段位姿信息，整理形成機械臂運動需求，完成運動學(xué)規(guī)劃?；跈C械臂工作全過程建立分層規(guī)劃對象模型，若當(dāng)前規(guī)劃非首次任務(wù)可以直接復(fù)用該模型，如有新增的事件及動作可以在模型中進行調(diào)整和補充。

2）地面工程師根據(jù)任務(wù)需求，建立測控資源整理模型。

3）規(guī)劃器創(chuàng)建規(guī)劃任務(wù)，選定分層規(guī)劃對象模型和執(zhí)行腳本包。執(zhí)行腳本包描述了規(guī)劃流程及各規(guī)劃階段項。

4）規(guī)劃器處理機械臂規(guī)劃需求，將分層規(guī)劃對象模型建立任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行包。

5）規(guī)劃器獲取全局初始狀態(tài)，完成分層規(guī)劃模型的格式檢查，讀取運動控制參數(shù)。

6）規(guī)劃器根據(jù)輸入的測控資源和測控資源整理模型規(guī)劃機械臂工作的可用區(qū)間。

7）在規(guī)劃器初始條件設(shè)置界面對首個飛控事件指定北京時，指定規(guī)劃開始時刻為首個飛控事件實施的北京時。

8）規(guī)劃器根據(jù)各飛控事件所涉及的調(diào)度參數(shù)信息進行列表化顯示，提供人工干預(yù)的接口。規(guī)劃時默認(rèn)按照缺省參數(shù)進行規(guī)劃，如果調(diào)度參數(shù)需要改變，地面工程師利用人工干預(yù)接口對相應(yīng)調(diào)度參數(shù)進行調(diào)整，按照參數(shù)取值和分支選擇對各事件進行規(guī)劃。

9）規(guī)劃器根據(jù)月事件層中飛控事件間邏輯順序約束表達(dá)式及資源占用方式，規(guī)劃器識別已規(guī)劃飛控事件的資源占用狀態(tài)和邏輯順序，按順序?qū)︼w控事件實施規(guī)劃。

10）規(guī)劃器根據(jù)狀態(tài)空間初始賦值和設(shè)計的狀態(tài)推理模型，根據(jù)狀態(tài)空間中當(dāng)前狀態(tài)值，由狀態(tài)調(diào)度參數(shù)自適應(yīng)的選擇分支，規(guī)劃器識別并處理狀態(tài)設(shè)置字段，設(shè)置狀態(tài)空間中的狀態(tài)賦值，并將改變后的狀態(tài)引入后續(xù)飛控事件及控制動作的規(guī)劃中。

11）規(guī)劃器在規(guī)劃過程中對同一時間發(fā)生的地面控制動作進行錯誤提示，地面工程師按照錯誤類型對設(shè)計的分層規(guī)劃模型進行調(diào)整，實施重規(guī)劃，完成沖突消解。

12）規(guī)劃完成后規(guī)劃器執(zhí)行規(guī)劃驗證，基于規(guī)劃驗證模型，規(guī)劃器對控制動作的存在性、工作流程、能源消耗、熱控裕度的擴展性，以及部分實施邏輯進行驗證，并將驗證結(jié)果返回輸出，地面工程師對驗證結(jié)果和地面控制動作序列結(jié)果進行校核。若驗證結(jié)果未通過，地面工程師對相應(yīng)問題進行模型調(diào)整實施重規(guī)劃，直至通過驗證。

13）若測控資源發(fā)生調(diào)整，或有次生約束的產(chǎn)生，規(guī)劃器同樣需要完成重規(guī)劃。若出現(xiàn)應(yīng)急情況，規(guī)劃器根據(jù)人工指定的應(yīng)急狀態(tài)規(guī)劃相應(yīng)的應(yīng)急分支。

14）規(guī)劃器完成符合要求的規(guī)劃后，將通過驗證的地面控制動作序列結(jié)果和機械臂控制參數(shù)進行發(fā)布與傳遞。

4 空間站機械臂任務(wù)規(guī)劃實例評估

4.1 實例概述

這里對機械臂在軌某一次任務(wù)片段的測試驗證結(jié)果進行展示，機械臂初始位置構(gòu)型為組合臂狀態(tài)，初始狀態(tài)為大臂關(guān)節(jié)角度W0={J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7}，小臂關(guān)節(jié)角度w0={j1，j2，j3，j4，j5，j6，j7}，空間站機械臂從組合臂狀態(tài)拆解為單臂狀態(tài)，大小臂運動至存儲常態(tài)構(gòu)型We=，實現(xiàn)由初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，執(zhí)行時間控制在半個工作日內(nèi)，涉及控制動作百余個，其中機械臂運動控制動作11 個，涉及機械臂大臂運動和小臂運動，具體控制動作內(nèi)容用代號表示，涉及狀態(tài)空間絕大部分狀態(tài)及部分狀態(tài)取值。

分層規(guī)劃對象模型的月事件層涉及具有邏輯順序約束的飛控事件18 件，主要類型有運動準(zhǔn)備、加電設(shè)置、斷電設(shè)置、運動、抓捕、釋放等，包含對電路的設(shè)置、電機的設(shè)置、相機的設(shè)置、運動的控制等。其中在飛控事件層部分用到的事件對應(yīng)狀態(tài)有10 余種，在動作序列層涉及調(diào)度參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，以及狀態(tài)空間狀態(tài)值的設(shè)置改變，參數(shù)間存在多約束邏輯關(guān)系表達(dá)，如圖9 所示。

圖9 實例分層規(guī)劃對象模型Fig.9 Instance layered planning object model

模型中包含了大量的調(diào)度參數(shù)和狀態(tài)分支，在人工干預(yù)和狀態(tài)推理下規(guī)劃器進行規(guī)劃，圖中示例了部分飛控事件、動作的調(diào)度參數(shù)分支和狀態(tài)分支，如其中的平臺設(shè)置飛控事件基于調(diào)度參數(shù)Pv分為了兩種模式；分支1 控制動作序列中的參數(shù)pu決定了控制動作1 或2 的安排；第1 步機械臂運動飛控事件基于運動執(zhí)行機構(gòu)選擇大臂運動；斷電飛控事件基于狀態(tài)為基座2 對應(yīng)的控制動作序列中的狀態(tài)設(shè)置目標(biāo)的生效，影響了上電切換的狀態(tài)分支。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)當(dāng)前機械臂起始位置姿態(tài)和目標(biāo)點位置姿態(tài)，規(guī)劃機械臂大臂和小臂運動路徑總計11 條，其中一條路徑如圖10 所示。

圖10 機械臂運動路徑規(guī)劃結(jié)果Fig.10 Results of the manipulator motion path planning

規(guī)劃器規(guī)劃過程約定首個飛控事件起始時間2023-09-08 T08：30：00。規(guī)劃得到地面控制動作序列簡要描述見表1，首控制動作時間正確，各飛控事件間的邏輯順序正確，飛控事件8 和飛控事件14 陰影區(qū)資源約束正確。各控制動作均在可用區(qū)間內(nèi)，基于調(diào)度參數(shù)的飛控事件和控制動作選擇有效?；跔顟B(tài)推理的飛控事件和控制動作分支選擇正確，引起狀態(tài)變化的控制動作后狀態(tài)設(shè)置正確，并參與后續(xù)規(guī)劃。多約束動作和飛控事件滿足邏輯表達(dá)式約定，如飛控事件9，當(dāng)前可用區(qū)間內(nèi)存在機械臂運動、下一飛控事件時長大于本可用區(qū)間剩余時長、機械臂位于安全位置、本可用區(qū)間和下一可用區(qū)間間隔時間超過20 min。運動控制動作調(diào)取有效。地面控制動作序列滿足資源、能源消耗及熱控裕度的限制。規(guī)劃驗證結(jié)果為通過驗證所限定的條件，可以合理高效地完成本次任務(wù)需求。

5 結(jié)束語

首先，根據(jù)測控資源整理模型，規(guī)劃了行為、動作安排的可用區(qū)間。完成了任務(wù)向子任務(wù)的分解，將規(guī)劃任務(wù)目標(biāo)和需求分解為月事件層、飛控事件層、動作序列及動作層，構(gòu)建了分層規(guī)劃對象模型作為數(shù)據(jù)庫存儲復(fù)用，若存在新增飛控事件，則針對當(dāng)次需求對相應(yīng)飛控事件及動作序列進行設(shè)計和增補。同時，設(shè)定了狀態(tài)空間，描述時變的器上狀態(tài)變量和狀態(tài)值，構(gòu)建了狀態(tài)空間推理模型，通過狀態(tài)參數(shù)的自動傳遞和其他可人工干預(yù)的調(diào)度參數(shù)，規(guī)劃器識別處理參數(shù)完成了不同的飛控事件、動作序列及動作的調(diào)度組合，在模型避免多次更動的情況下，具備了適用于多場景、多分支的規(guī)劃能力。

其次，模型中設(shè)計了邏輯順序約束、飛控資源占用等多約束條件以及多狀態(tài)聯(lián)合約束表達(dá)式，規(guī)劃器識別各類約束并按照約束優(yōu)先級進行處理規(guī)劃。

再次，對模型中的運動事件進行了歸一化設(shè)計，對運動路徑進行了統(tǒng)一管理。建立了規(guī)劃驗證模型，對規(guī)劃結(jié)果的正確性進行了復(fù)核校對。

最后，規(guī)劃器基于執(zhí)行腳本按階段展開了規(guī)劃，在時間的調(diào)度和可用區(qū)間內(nèi)，通過狀態(tài)推理和地面工程師的干預(yù)選項，完成多分支、多變化狀態(tài)下的航天器地面控制動作序列的編排及驗證，完成航天器的任務(wù)規(guī)劃，且規(guī)劃器對缺省參數(shù)的設(shè)置和識別，實現(xiàn)了基于所建模型最高頻率場景下的一鍵式操控模式，實現(xiàn)了任務(wù)目標(biāo)。

通過機械臂在軌任務(wù)實施結(jié)果表明，該方法增加了器上行為安排的靈活性，有效地提升了地面控制動作序列集成的自動化和效率，優(yōu)化了遙操作任務(wù)規(guī)劃模式，對后面持續(xù)的、復(fù)雜多變的遙操作任務(wù)規(guī)劃工作均具有較高的實際工程應(yīng)用價值。

任務(wù)規(guī)劃技術(shù)是保證航天器安全、高效地開展工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，國內(nèi)外對此開展了大量研究。結(jié)合未來遙操作任務(wù)要求和發(fā)展趨勢，還有很多可以探索并深入研究的方面：

1）當(dāng)前分層規(guī)劃對象模型月事件層的飛控事件及其邏輯關(guān)系多由地面工程師給出建議，后續(xù)考慮由狀態(tài)驅(qū)動來實現(xiàn)飛控事件的自動安排。

2）當(dāng)前的規(guī)劃求解基于整理獲得的可用區(qū)間，在獲取規(guī)劃結(jié)果后，并沒有因為器上行為導(dǎo)致的可用區(qū)間的改變對規(guī)劃器進行反饋，后續(xù)考慮對規(guī)劃器進行反饋，并根據(jù)調(diào)整后的狀態(tài)重新整理可用區(qū)間，并在此基礎(chǔ)上實施重規(guī)劃，直至輸出符合各限制邏輯的規(guī)劃結(jié)果。

3）當(dāng)前分層規(guī)劃對象模型基于工作內(nèi)容設(shè)計相應(yīng)的飛控事件，在規(guī)劃求解過程中將飛控事件放在條件適配的可用區(qū)間中，飛控事件與資源深度綁定，當(dāng)某些飛控事件無法完全安排進適配的可用區(qū)間時，會造成飛控事件的無條件向后平移安排，影響后續(xù)飛控事件實施邏輯或大幅推遲當(dāng)日工作進度。后續(xù)考慮在分層規(guī)劃對象模型中增加虛擬分割標(biāo)識，規(guī)劃器識別該類標(biāo)識，并根據(jù)可用區(qū)間和飛控事件時長在需進行分割時按照適合的邏輯進行處理。

4）當(dāng)前規(guī)劃模式下，飛控事件、動作序列及邏輯關(guān)系更大程度上取決于地面工程師的領(lǐng)域經(jīng)驗和對復(fù)雜模型的構(gòu)建，相比于智能規(guī)劃系統(tǒng)還有差距，后續(xù)可以將任務(wù)需求、任務(wù)目標(biāo)和算法更好地交互和結(jié)合，提高智能規(guī)劃水平。

5）現(xiàn)階段運動規(guī)劃和飛控事件規(guī)劃是分開進行的，通過運動飛控事件調(diào)用的動作序列中的特殊標(biāo)識調(diào)度運動規(guī)劃的結(jié)果，然而運動規(guī)劃和飛控事件規(guī)劃是相互耦合且相互影響的，兩者協(xié)同規(guī)劃，或者通過運動規(guī)劃引導(dǎo)飛控事件規(guī)劃都是可以研究的方向。