鄧湘金，金晟毅，鄭燕紅，彭 兢，姚 猛，史 偉

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

引 言

2013 年5月，國務院印發(fā)《中國制造2025》，部署全面推進實施制造強國戰(zhàn)略，明確提出“推動載人航天、月球探測工程，適度發(fā)展深空探測”[1]。中國的探月工程分“繞、落、回”三步開展研制實施。探月工程三期的目標是實現月面無人自動采樣返回，并開展月面就位探測和月球樣品地面分析研究[2]。根據技術的發(fā)展趨勢和深空探測發(fā)展需求，中國未來也將會實施火星、小行星等地外天體的采樣分析或采樣返回任務。在大時延等剛性約束限制條件下，月球、火星和小行星等地外天體的智能采樣技術將是全世界未來深空探測領域的重要發(fā)展方向。

經過近60年的發(fā)展，人工智能學科在機器感知、模式識別的原理和方法、知識表示與推理理論體系、機器學習相關理論和算法等方面取得了巨大進展[3-4]，應用也從初始單一的工作場景發(fā)展至在復雜不確知的非結構環(huán)境之中[5-7]。探月三期工程月面自動化采樣封裝任務，需要在非結構化的月面環(huán)境和嚴格的時間及資源約束條件下，控制驅動復雜的機構產品執(zhí)行采樣封裝動作。為此建立天地一體化并具有高度智能特征的月球采樣封裝系統(tǒng)，成為支持并可靠安全地完成月面采樣封裝任務優(yōu)化選擇。

深空地外天體采樣在任務執(zhí)行期間通常會面臨通信大時延大、測控通信、計算能力、能源有限以及非結構化任務執(zhí)行環(huán)境等多方面條件約束限制因素制約，一方面地面系統(tǒng)無法實時支持，需要航天器具有較高的自主能力，但另一方面航天器上系統(tǒng)計算資源有限，任務環(huán)境有較高的不確知性，導致航天器上全自主設計復雜且可靠性低，在很大程度上仍需要地面系統(tǒng)決策支持，兩方面相互矛盾影響并阻礙了任務的順利實施。傳統(tǒng)的固定結構天地一體化操控系統(tǒng)，面對這樣的問題普遍通過降低任務要求、增加系統(tǒng)資源配置或降低操控效率等手段平衡兩個方面的矛盾和約束。

本文針對地外天體采樣的任務特點，對地外天體采樣系統(tǒng)的組成和功能需求進行分析，提出了柔性智能地外天體采樣系統(tǒng)的基本特征和典型智能系統(tǒng)設計方案，支持通過柔性配置航天器和地面系統(tǒng)在任務執(zhí)行過程中的任務功能模塊，在不增加系統(tǒng)資源配置的基礎上可保證任務實施可靠性和效率，解決上述兩方面的矛盾。該設計已應用并實踐于探月三期月球表面采樣任務中，成功支持完成了月壤樣品的采集和封裝任務，為后續(xù)其它地外天體采樣任務積累了技術基礎。

1 地外天體采樣系統(tǒng)需求分析

1.1 任務需求

地外天體采樣任務的實施，需要采用器地系統(tǒng)聯(lián)合操作的方式實施操控。根據部署位置系統(tǒng)可劃分為器上功能模塊（航天器系統(tǒng)）和地面功能模塊（地面系統(tǒng)）兩大部分4類功能：航天器上執(zhí)行機構控制、地面總控與上行管理、操控人員分析與決策、大延時通信和網絡。

1）航天器上執(zhí)行機構控制

采樣封裝動作的執(zhí)行，需通過傳感器獲取工作環(huán)境和工作狀態(tài)相關信息，航天器上機構設備具備相應的采樣功能。在地外天體采樣系統(tǒng)中，航天器接收地面上注的遙控指令，進行解析后向采樣機構輸出電機驅動信號，同時采集采樣機構的狀態(tài)信息，向傳感器輸出工作驅動信息，并對獲取的信息進行濾波、壓縮、打包、轉發(fā)等處理。此外，由于地外天體采樣任務中，航天器至地面往返通信時延相對較大，航天器上的相關采樣機構、傳感器設備及其控制設備等，必須具備一定的自主控制能力和故障應對能力。

2）地面的指令與總控管理

地外天體采樣系統(tǒng)的在軌運行過程，也是航天器系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的聯(lián)合操作過程，需要通過地面操作人員發(fā)送指令完成航天器的狀態(tài)控制，需要地面系統(tǒng)完成航天器遙測和圖像信息的接收、存儲、解譯和轉發(fā)等工作，需要地面系統(tǒng)完成上行指令的制作、校對和狀態(tài)管理等工作。

3）通信和網絡

地外天體采樣過程中，航天器上的遙測和圖像等狀態(tài)信息應能發(fā)送至地面，地面指令應能發(fā)送至航天器，實現航天器與地面之間的信息交換，并且，地面總控與在各個終端上的操作人員應具有快速、準確的信息交互，因此，采樣系統(tǒng)中應有通信和網絡功能，根據功能模塊部署的位置，可以分為器上通信功能、地面通信和網絡功能。

4）操作人員的分析與決策

地外天體采樣任務執(zhí)行過程中，采樣機構的部分工作狀態(tài)不能直接通過遙測信息進行判斷，需要地面操作人員參與進行分析，并依據產品設計方案和地面試驗經驗等信息，決策后續(xù)采樣工作的策略和流程。主要包括：工作環(huán)境三維重建、采樣點選擇、星壤力學評估、采樣狀態(tài)和采樣量評估、運動補償分析等；還應有操作人員參與的規(guī)劃仿真，工作項目主要包括：采樣機構的運動規(guī)劃以及相關傳感器聯(lián)合工作時的工作策略規(guī)劃等；還應有操作人員參與的工作決策，工作項目主要包括：采樣機構、傳感器和相關控制模塊的聯(lián)合工作流程，以及地面系統(tǒng)與航天器聯(lián)合工作流程等；還應有支持操作人員分析與決策的相關系統(tǒng)等。

為支持上述任務需求，設計地外采樣系統(tǒng)架構示意如圖1。

圖1 系統(tǒng)信息流架構圖Fig.1 System information flow architecture diagram

1.2 對智能化的需求

如圖1所示，需要操作人員參與的項目和環(huán)節(jié)包括：采樣過程中的綜合決策、指令和總控、設備狀態(tài)分析、三維重構、任務規(guī)劃、運動補償計算、采樣點選擇、星壤力學分析、采樣狀態(tài)分析等分析與決策工作。

任務過程有3個特點：①需要感知非結構化的、不確知工作環(huán)境；②需要完成復雜采樣機構和探測設備協(xié)同工作策略的制定、調整；③后續(xù)的動作類型和工作參數等，取決于當前動作的動態(tài)結果。

為了提高任務執(zhí)行效率，采用智能技術是實現地外天體自主采樣的最佳控制手段。在地外天體采樣系統(tǒng)中涉及的主要人工智能技術應有如下方面：

1）智能決策模塊：綜合決策規(guī)則應用和經驗推理，對任務期間產生的遙測、圖像以及仿真結果進行分析，并對后續(xù)工作策略、工作步驟和工作指令進行調整和確定。

2）智能指令總控模塊：自主完成控制指令的生成、校對和狀態(tài)管理，對系統(tǒng)中多模塊之間的工作流程和信息流進行管理。

3）智能健康評估模塊：對航天器上各相關設備健康狀態(tài)和工作狀態(tài)的分析和確定。

4）三維重建模塊：建立航天器目標采樣區(qū)域的三維模型單元。

5）智能任務規(guī)劃模塊：對采樣機構的運動規(guī)劃和對采樣相關設備的聯(lián)合工作規(guī)劃，并對規(guī)劃結果實現仿真驗證和確認。

6）智能運動補償分析模塊：對采樣運動機構定位精度的補償量計算，根據視覺標識的運動補償或基于力學模型的運動補償。

7）智能采樣點選擇模塊：通過采樣點星壤形態(tài)、采樣點及其周圍區(qū)域地形等方面進行分析，選擇安全高價值的采樣目標點。

8）智能星壤力學評估模塊：根據星壤形態(tài)和作用痕跡等信息預估星壤力學特性。

9）智能采樣狀態(tài)評估模塊：根據圖像和遙測信息估計是獲得樣品狀態(tài)，預估樣品質量。

10）虛擬現實模塊：提供直觀的采樣設備健康狀態(tài)和工作狀態(tài)信息，呈現采樣過程中的遙測、圖像、仿真等多維信息。

上述環(huán)節(jié)需人工智能技術進行參與和支持，組成如圖2所示。

圖2 采樣系統(tǒng)智能化組成示意圖Fig.2 Diagram of intelligent composition of sampling system

為了確保系統(tǒng)的安全可靠和靈活應對各種應用環(huán)境，系統(tǒng)中的智能模塊不僅具有人工智能功能，還應具有便捷、友好的人機交互接口，確保操作人員能夠根據實際需要，隨時可以介入采樣狀態(tài)的分析和決策等過程。

2 柔性采樣系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)基本特征

設計的柔性采樣系統(tǒng)在航天器系統(tǒng)和地面系統(tǒng)中，通過動態(tài)選擇或組合配置各智能模塊。以適應不同地外天體采樣任務需求，滿足航天器研制和在軌執(zhí)行不同階段對自主智能化的需求。該系統(tǒng)基本特征如下：

1）可選擇的智能模塊。根據采樣任務需求，配置多個智能模塊組成的系統(tǒng)應該能完成采樣功能，可以不配置不需要的智能模塊。

2）可封裝的智能模塊。通過對某些功能進行規(guī)整或分級，實現某些功能的智能模塊化封裝，使系統(tǒng)具有選擇配置和組合配置能力。

3）可遷移的智能模塊。通過分析智能模塊的功能、輸入信息和輸出信息關系，定義其規(guī)范接口，既能配置在地面系統(tǒng)中，也能配置在航天器上，使智能模塊具有優(yōu)秀的遷移能力。

4）分布式的并行結構。整個系統(tǒng)以通信和網絡作為信息交互載體，可以根據不同任務的使用環(huán)境約束，分布式部署各功能模塊，形成并行模塊結構的采樣封裝系統(tǒng)。

5）主賓式的智能模塊。主人智能模塊可以調用和管理其它智能模塊。賓客智能模塊不能調用其它智能模塊，可以被其它模塊調用和管理。主人模塊和賓客模塊都可以根據任務需要獨立運行。系統(tǒng)運行過程中，可以配置一個或并行配置多個同類智能模塊，也能兼容器上和地面同時配置一個或多個同類智能模塊，通過優(yōu)先級標識的設置，確定智能模塊輸出結果的優(yōu)先使用級。

6）人機協(xié)同的系統(tǒng)運行。采樣系統(tǒng)運行過程中，操作人員可以隨時介入任務過程的分析和決策，利用智能模塊的支持，開展分析和決策，或者直接替換智能模塊，由操作人員直接進行分析和決策。

2.2 系統(tǒng)配置方案

針對器上模塊需具有較高自主能力要求的采樣系統(tǒng)，在航天器上配置智能決策、智能指令總控、智能健康評估、智能三維重構、智能任務規(guī)劃、智能運動補償、智能采樣點選擇、智能星壤力學評估、智能采樣狀態(tài)評估等模塊。

地面系統(tǒng)的計算資源幾乎不受限制，為了確保智能采樣系統(tǒng)的可靠運行，在地面系統(tǒng)中配置與航天器上相應的智能模塊。用于地面操作人員的隨時介入采樣過程，與相應的智能模塊進行交互。

器上模塊具有高級自主工作能力的采樣系統(tǒng)的配置方案如圖3（a）所示。對于接近零重力環(huán)境工作的采樣系統(tǒng)，當采樣設備的重復定位精度足夠高的情況下，可不配置智能運動補償分析模塊；對于采樣機構只有一種固定運動軌跡的采樣任務，可不配置智能采樣點選擇模塊。器上的智能模塊配置，也可根據實際任務需要進行選擇，也可以部分智能功能由器上實現，其它智能功能由地面實現的方式進行構建。

當器上的重量資源或計算資源等受限時，器上模塊可以僅配置最基本的采樣機構、傳感器及其控制模塊，而不配置智能模塊，通過地面配置的智能模塊，在器地系統(tǒng)聯(lián)合操作過程中，實現具有高級自主能力的采樣系統(tǒng)。

通過地面系統(tǒng)實現高級自主工作能力的采樣系統(tǒng)的配置方案如圖3（b）所示。對于零重力環(huán)境工作的采樣系統(tǒng)，當采樣設備的重復定位精度很高的情況下，可不配置智能運動補償分析模塊；對于采樣機構只有一種固定運動軌跡的采樣任務，可不配置智能采樣點選擇模塊。

圖3 系統(tǒng)配置方案Fig.3 System configuration scheme

通過采用柔性的動態(tài)配置手段，彌補了航天器計算資源不足，在提升任務執(zhí)行效率的基礎上，確保了自主化應用的可靠性。

3 實現與應用

為支持 “嫦娥五號”月面采樣為代表的地外天體采樣任務，驗證柔性智能化系統(tǒng)設計。在地面模擬了月面的任務執(zhí)行環(huán)境，設計了與“嫦娥五號”探測器月面采樣功能、性能和接口狀態(tài)一致的孿生驗證器。

驗證器受高可靠性要求和計算資源限制，初期采樣系統(tǒng)架構設計如圖4所示。這樣的配置與傳統(tǒng)的天地一體化操控系統(tǒng)較為接近，操控執(zhí)行任務具有低風險、自主化程度和操控效率低等特點。

圖4 驗證器初級采樣系統(tǒng)架構圖Fig.4 Preliminary sampling system architecture diagram of the validator

隨著驗證試驗開展，對采樣任務操控認識進一步加深，在地面系統(tǒng)開始配置具有智能化模塊，以地面自主智能化為主系統(tǒng)架構如圖5所示，這樣的操控系統(tǒng)以初步具有了智能化的特點，在不增加系統(tǒng)風險的前提下，提高了對驗證器的操控效率。

圖5 基于地面自主化的驗證器采樣系統(tǒng)架構圖Fig.5 Architecture diagram of validator sampling system based on ground autonomy

隨著自主化模塊設計成熟，算法和策略優(yōu)化得到了充分驗證，部分地面智能模塊通過輕量化設計裝載并轉移到了驗證器上，驗證器自主化能力得到了提高，完成了最終任務執(zhí)行狀態(tài)的系統(tǒng)配置，如圖6所示。

圖6 驗證器采樣系統(tǒng)最終架構圖Fig.6 Final architecture diagram of validator sampling system

配置的智能運動補償分析模塊示意如圖7所示，該模塊自主控制驗證器上采樣機構實現基于視覺標識的機械臂末端運動補償，精確控制機械臂運動過程。

圖7 智能采樣系統(tǒng)的夾持位置運動補償Fig.7 Motion compensation analysis diagram of intelligent sampling system

配置的智能采樣點選擇模塊基于智能三維重建模塊形成的三維地形云圖，如圖8所示，通過自主分析采樣點周圍區(qū)域地形與采樣器工作姿態(tài)的相互關系，實現采樣區(qū)域內的采樣點的可采性辨識和評估。

圖8 智能采樣系統(tǒng)的采樣點選擇Fig.8 Sampling point selection diagram of intelligent sampling system

配置的智能采樣狀態(tài)評估模塊根據圖像以及遙測，自主識別和評估是否獲得月球樣品，并實現月球樣品量的預估。圖9為使用監(jiān)視相機對采樣狀態(tài)判斷的示意，圖10為使用機械臂近攝相機對采樣狀態(tài)判斷的示意。

圖9 智能采樣系統(tǒng)的基于采樣監(jiān)視相機的采樣狀態(tài)判斷Fig.9 Sampling state judgment of intelligent sampling system based on sampling surveillance camera

圖10 智能采樣系統(tǒng)的基于近攝相機的采樣狀態(tài)判斷Fig.10 The intelligent sampling system is based on the sampling state judgment of the camera of the sampling mechanism

驗證器上構建的智能采樣系統(tǒng)能夠自主準確完成采樣全過程工作，主要包括：選擇采樣點、機械臂運行至采樣點、采樣和樣品狀態(tài)判斷、樣品放樣、初級封裝夾持、初級封裝進入密封容器（放罐）等，能夠實現全過程中的指令制作和管理，以及工作過程中各模塊的信息調度和管理。在單次采樣的全工作過程中，約需上行指令約300條，初期系統(tǒng)所需的人工操作需要超過300 min，采用最終狀態(tài)系統(tǒng)建立后可節(jié)省約150 min時間，并且消除了操作人員由于生理疲勞、操作失誤、情緒波動等產生的非預期風險，實現了高效率、高質量的采樣任務，驗證器自主操控過程曲線如圖11所示。

圖11 智能采樣系統(tǒng)的機械臂運行至采樣點控制曲線Fig.11 The control curve of the motion process of part of the manipulator in the intelligent sampling system

4 結 論

本文設計構建了基于人工智能技術的地外天體采樣柔性系統(tǒng)，系統(tǒng)可支持通過柔性配置航天器和地面系統(tǒng)在任務執(zhí)行過程中的任務功能模塊，從而逐漸實現航天器高自主能力提高任務執(zhí)行效率。

1）分析識別了柔性智能地外天體采樣系統(tǒng)的基本特征：包括可選擇的智能模塊、可封裝的智能模塊、可遷移的智能模塊等共6個模塊。設計了智能地外天體采樣系統(tǒng)架構，并給出了應用方案。

2）將相應的智能模塊動態(tài)配置于系統(tǒng)之中，在“嫦娥五號”采樣封裝專項試驗中進行了驗證。驗證結果表明，在系統(tǒng)的支持下，任務執(zhí)行效率提升一倍，且有效消除了操作人員由于疲勞、操作失誤、情緒波動等產生的非預期風險，實現了高效率、高質量的采樣任務。由此驗證了柔性智能地外天體采樣系統(tǒng)的設計正確性和可行性。

本研究為未來地外天體采樣任務積累了技術基礎及參考經驗。