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(jī)械臂［1-3］是中國(guó)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(lèi)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。空間站作為在軌時(shí)間很長(zhǎng)的航天器，機(jī)械臂在其中擔(dān)任了重要的角色。機(jī)械臂操作的控制模式不同于傳統(tǒng)繞飛航天器，對(duì)其的主要影響，不僅是天體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(tái)操作的影響等，都會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互且是相互作用的，空間站機(jī)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(jī)械臂的智能水平和自主行為受限，主要通過(guò)地面遙操作的配合實(shí)施對(duì)其的控制。在軌過(guò)程中需要進(jìn)行頻繁的任務(wù)規(guī)劃，獲得地面控制航天器動(dòng)作序列，完成地面對(duì)機(jī)械臂行為、動(dòng)作的控制，使航天器圓滿(mǎn)地完成既定的任務(wù)目標(biāo)。

智能規(guī)劃技術(shù)是指通過(guò)對(duì)周?chē)h(huán)境的認(rèn)識(shí)與分析，面向既定的任務(wù)目標(biāo)，基于行為動(dòng)作及其資源限制和相關(guān)約束，對(duì)控制目標(biāo)的狀態(tài)及后續(xù)行為進(jìn)行推理，綜合制定出實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的動(dòng)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(jī)器人技術(shù)、調(diào)度和其他領(lǐng)域的實(shí)際需要，是人工智能領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方向。長(zhǎng)期以來(lái)，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(shí)際應(yīng)用中解決了很多類(lèi)型、很多領(lǐng)域的問(wèn)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(shí)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(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)規(guī)劃器STRIPS，在一個(gè)模型空間中找到一個(gè)算子序列，將給定的初始問(wèn)題轉(zhuǎn)化為滿(mǎn)足目標(biāo)條件的問(wèn)題［10］。1975 年，EARL［11-12］提出了NOAH（Nets of Action Hierarchies）系統(tǒng)，第一次實(shí)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(guó)際規(guī)劃競(jìng)賽中發(fā)揮了出色的表現(xiàn)，是一個(gè)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(cè)器的日常運(yùn)行進(jìn)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(chē)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(lèi)典型應(yīng)用。在之前我國(guó)成功實(shí)施了嫦娥五號(hào)任務(wù)、天問(wèn)一號(hào)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(jiān)實(shí)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(diǎn)和目標(biāo)，在復(fù)雜多約束的不同任務(wù)類(lèi)型中完成各種事件的調(diào)度和集成，實(shí)現(xiàn)航天器行為的規(guī)劃。

1 任務(wù)規(guī)劃模式設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械臂任務(wù)需求分析

空間站機(jī)械臂的工作類(lèi)型多樣，一次完整的機(jī)械臂工作主要包括的行為有重啟、預(yù)熱、相機(jī)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)、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(jī)械臂運(yùn)動(dòng)包括大臂運(yùn)動(dòng)模式［1］、小臂運(yùn)動(dòng)模式［22］、組合臂運(yùn)動(dòng)模式［23］等。其中運(yùn)動(dòng)均是由多步運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的，經(jīng)過(guò)多個(gè)中間點(diǎn)到達(dá)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)，此外，還包含機(jī)械臂末端的捕獲運(yùn)動(dòng)和釋放運(yùn)動(dòng)，如圖1 所示。機(jī)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(gè)關(guān)節(jié)角，2 個(gè)末端，每個(gè)末端均可實(shí)施捕獲、釋放運(yùn)動(dòng)［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(lèi)型工作中機(jī)械臂路徑更加繁多，并且其中的大部分控制動(dòng)作是不一樣的。

圖1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模式Fig.1 Manipulator motion modes

1.2 任務(wù)規(guī)劃模式分析

空間站機(jī)械臂任務(wù)規(guī)劃是以機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)及其操作過(guò)程為引導(dǎo)，同時(shí)考慮非機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)事件、非機(jī)械臂事件和機(jī)械臂事件間的邏輯耦合關(guān)系以及時(shí)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(jī)械臂規(guī)劃的需求，飛控事件是描述每個(gè)行為的模塊。

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

針對(duì)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(jī)械臂工作過(guò)程，以機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)步驟、航天員活動(dòng)流程等為基準(zhǔn)，輔以平臺(tái)各狀態(tài)設(shè)置過(guò)程、機(jī)械臂各狀態(tài)設(shè)置情況，將機(jī)械臂工作月事件進(jìn)行分解及策略展開(kāi)。同時(shí)，針對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)步驟，結(jié)合分解的月事件提取機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)各階段對(duì)應(yīng)的位置姿態(tài)信息，分析形成機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)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(duì)象模型，再結(jié)合機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)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(mǎn)足測(cè)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(shí)序安排下，滿(mǎn)足各類(lèi)約束的地面控制動(dòng)作序列，通過(guò)規(guī)劃驗(yàn)證后輸出控制動(dòng)作序列，讓航天器在滿(mǎn)足測(cè)控資源的條件下合理有效地完成各項(xiàng)工作。

1.3 任務(wù)規(guī)劃約束分析

基于機(jī)械臂工作的動(dòng)態(tài)過(guò)程，機(jī)械臂規(guī)劃面臨很多方面的約束，主要考慮以下幾個(gè)方面。

1）基本約束：月事件所包含的首個(gè)飛控事件約定了本次規(guī)劃的起始時(shí)間，即動(dòng)作的起始時(shí)間，后續(xù)飛控事件采用邏輯順序約束，在首個(gè)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(mǎn)足周期性要求，按照一定的時(shí)間間隔發(fā)生；部分飛控事件有陽(yáng)照、陰影限制約束。

2）聯(lián)合約束：部分飛控事件由多個(gè)或多類(lèi)約束條件共同進(jìn)行約束。

3）次生約束：已規(guī)劃的結(jié)果可能會(huì)對(duì)部分飛控事件產(chǎn)生影響，從而形成新的約束，如機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)在特定時(shí)刻對(duì)地面和器上的通信產(chǎn)生遮擋，遮擋的時(shí)段內(nèi)不可安排飛控事件，又如機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)與航天器產(chǎn)生干涉，為保證安全可能在運(yùn)動(dòng)前安排相應(yīng)空間站平臺(tái)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(duì)空間站機(jī)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(jì)，對(duì)主要工作模式和任務(wù)需求進(jìn)行分析，按照規(guī)劃任務(wù)的目標(biāo)，構(gòu)建分層規(guī)劃對(duì)象模型和狀態(tài)空間模型，在分層規(guī)劃對(duì)象中建立狀態(tài)推理模型，對(duì)部分飛控事件或控制動(dòng)作進(jìn)行多約束設(shè)計(jì)，結(jié)合測(cè)控資源整理模型實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的迭代計(jì)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(cè)控資源整理模型

空間站機(jī)械臂任務(wù)規(guī)劃過(guò)程存在通信窗口約束，單次任務(wù)規(guī)劃對(duì)象無(wú)法在一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)完成，在事件規(guī)劃的同時(shí)，測(cè)控資源的整理是不可或缺的。

空間站機(jī)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(shí)長(zhǎng)，并且可用區(qū)間的起始時(shí)間要早于任務(wù)需求中事件的最早開(kāi)始時(shí)間。

通過(guò)定義全局時(shí)間點(diǎn)，構(gòu)建資源的基礎(chǔ)區(qū)間，基礎(chǔ)區(qū)間進(jìn)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(jī)械臂的可用區(qū)間，即資源項(xiàng)，還可以對(duì)陽(yáng)照區(qū)間和陰影區(qū)間進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

在規(guī)劃器按照分層規(guī)劃對(duì)象模型展開(kāi)規(guī)劃時(shí)，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(duì)象模型

機(jī)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(tái)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(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性，在不同應(yīng)用場(chǎng)景下還具有不同的流程分支，導(dǎo)致任務(wù)規(guī)劃過(guò)程具有較強(qiáng)的不確定性。

如果基于各動(dòng)作直接進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，不僅規(guī)劃計(jì)算耗時(shí)很長(zhǎng)，而且還會(huì)增加管理和維護(hù)的成本。為提高規(guī)劃效率，將機(jī)械臂相關(guān)的任務(wù)需求進(jìn)行分解和細(xì)化分析，基于經(jīng)驗(yàn)和分析結(jié)果將月事件分解展開(kāi)為相應(yīng)的飛控事件模塊，每一個(gè)飛控事件模塊對(duì)應(yīng)著一組或者多組動(dòng)作控制序列。

基于上述優(yōu)化思想，將機(jī)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(dòng)作序列層的分層對(duì)象模型，模型每一層的模塊在任務(wù)過(guò)程中可以持續(xù)補(bǔ)充以及復(fù)用，模型通過(guò)層級(jí)調(diào)用產(chǎn)生本次任務(wù)中的全部地面控制動(dòng)作序列，取代人為通過(guò)單控制動(dòng)作排列的方式產(chǎn)生全部動(dòng)作控制計(jì)劃，滿(mǎn)足不同階段的規(guī)劃目標(biāo)，提升了長(zhǎng)期任務(wù)過(guò)程中的地面工作效率和靈活性，由于經(jīng)過(guò)任務(wù)驗(yàn)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(duì)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(guò)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(jī)械臂工作月事件實(shí)施的具體步驟，在機(jī)械臂規(guī)劃中，飛控事件作為規(guī)劃過(guò)程中的最小邏輯單元，每個(gè)飛控事件描述機(jī)械臂或組合體平臺(tái)的一個(gè)最小動(dòng)作或最小狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)遵循邏輯閉環(huán)原則，以實(shí)現(xiàn)飛控事件在規(guī)劃時(shí)的邏輯正確。

機(jī)械臂在不同的工作場(chǎng)景下具有多樣的分支和狀態(tài)，如在不同基座上實(shí)施相同行為時(shí)所采用的控制動(dòng)作不同，又如針對(duì)所有分支或狀態(tài)進(jìn)行窮舉設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致飛控事件數(shù)量過(guò)多，使得模型的維護(hù)成本激增，所以設(shè)計(jì)飛控事件時(shí)需滿(mǎn)足可復(fù)用性要求，每個(gè)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(shí)現(xiàn)飛控事件的歸一化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)相應(yīng)飛控事件的不同分支及不同狀態(tài)，標(biāo)識(shí)不同的能耗Ev，設(shè)計(jì)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(gè)模式Mv由控制動(dòng)作序列層構(gòu)成，每個(gè)控制動(dòng)作序列包括多個(gè)動(dòng)作和對(duì)應(yīng)動(dòng)作的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，并且可以嵌套其他的動(dòng)作序列。

式中：Iu為控制動(dòng)作的代號(hào)；Au為控制動(dòng)作Iu的名稱(chēng)；ku為控制動(dòng)作Iu的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)；pu為針對(duì)各控制動(dòng)作設(shè)置的調(diào)度參數(shù)，一個(gè)控制動(dòng)作可能會(huì)配置多個(gè)調(diào)度參數(shù)，如定義是主份還是備份控制、動(dòng)作是否重復(fù)多次等。

在月事件層的飛控事件中將對(duì)應(yīng)的調(diào)度參數(shù)Pv和pu進(jìn)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(duì)應(yīng)的不同動(dòng)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(jì)

任務(wù)規(guī)劃過(guò)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(dòng)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(shí)，則需重新進(jìn)行狀態(tài)推導(dǎo)，甚至對(duì)規(guī)劃模型進(jìn)行反復(fù)修正和調(diào)整。在空間站機(jī)械臂規(guī)劃中，由于機(jī)械臂工作相關(guān)的狀態(tài)繁多，涉及的飛控事件或控制動(dòng)作序列數(shù)量及相應(yīng)的參數(shù)也非常多，會(huì)導(dǎo)致規(guī)劃模型的設(shè)計(jì)、管理、維護(hù)及使用的效率低下、成本高昂、錯(cuò)誤率高。

根據(jù)任務(wù)過(guò)程，將機(jī)械臂狀態(tài)分為靜態(tài)狀態(tài)和動(dòng)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(kāi)規(guī)劃，動(dòng)態(tài)狀態(tài)主要由規(guī)劃當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行約束，且同一飛控事件安排在不同階段時(shí)的約束狀態(tài)也不一樣。

為提升分層規(guī)劃對(duì)象模型的靈活性、通用性，替代人工完成全過(guò)程的狀態(tài)推導(dǎo)，將機(jī)械臂動(dòng)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(kù)存儲(chǔ)、調(diào)用及對(duì)查，并在規(guī)劃前對(duì)初始狀態(tài)空間進(jìn)行賦值。

在模型控制動(dòng)作序列層中，對(duì)可導(dǎo)致機(jī)械臂狀態(tài)變化的控制動(dòng)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(shí)別并處理該類(lèi)字段，在規(guī)劃過(guò)程中伴隨進(jìn)行狀態(tài)空間推理，推導(dǎo)狀態(tài)空間中當(dāng)前的各類(lèi)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(dòng)作的規(guī)劃中。

同時(shí)，按照機(jī)械臂工作邏輯及平臺(tái)各分系統(tǒng)控制邏輯，在模型的飛控事件或控制動(dòng)作序列層增加狀態(tài)調(diào)度參數(shù)，當(dāng)滿(mǎn)足某一狀態(tài)或同時(shí)滿(mǎn)足多個(gè)設(shè)定狀態(tài)時(shí)，調(diào)度該事件或者該控制動(dòng)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(shí)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(dòng)作發(fā)生。對(duì)狀態(tài)推理過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jì)

針對(duì)任務(wù)過(guò)程中部分飛控事件或控制動(dòng)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(duì)該類(lèi)表達(dá)式進(jìn)行識(shí)別處理，按照正確的狀態(tài)進(jìn)行規(guī)劃。

典型的聯(lián)合約束對(duì)于某控制動(dòng)作，如多狀態(tài)約束，在幾個(gè)狀態(tài)同時(shí)等于指定狀態(tài)值、同時(shí)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(dòng)作的發(fā)生。對(duì)于某飛控事件的約束可能包含機(jī)械臂當(dāng)前位置狀態(tài)、器上能源狀態(tài)、到達(dá)某時(shí)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(yùn)動(dòng)事件設(shè)計(jì)

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的具體控制參數(shù)通過(guò)仿真驗(yàn)證后，將各步驟運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳遞至規(guī)劃器。運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括每一步運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)作代號(hào)、運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，以及狀態(tài)空間中的、運(yùn)動(dòng)綁定的狀態(tài)和狀態(tài)值。

在分層規(guī)劃對(duì)象模型中，將機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為一個(gè)飛控事件，規(guī)劃器識(shí)別收到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)中的字段，按步驟讀取參數(shù)中每一步運(yùn)動(dòng)過(guò)程，基于執(zhí)行機(jī)構(gòu)字段的機(jī)械臂大臂或小臂調(diào)取大臂或小臂控制動(dòng)作序列，在該控制動(dòng)作序列中采用虛擬字段V_DMOVE 或V_XMOVE 來(lái)描述路徑。在規(guī)劃器規(guī)劃展開(kāi)動(dòng)作時(shí)，虛擬字段替換為參數(shù)中運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)作代號(hào)，將動(dòng)作的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)替換為參數(shù)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)將該步驟中涉及的狀態(tài)字段更新存儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)控制參數(shù)調(diào)度Fig.7 Scheduling diagram of the motion control parameters

2.6 規(guī)劃驗(yàn)證模型建立

在完成動(dòng)作序列展開(kāi)后，規(guī)劃器需要對(duì)生成的地面控制動(dòng)作序列結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)結(jié)果的正確性進(jìn)行校核。

主要考慮以下4 個(gè)方面：

1）動(dòng)作發(fā)生的時(shí)間間隔是否滿(mǎn)足最小發(fā)生間隔。某兩個(gè)動(dòng)作間的間隔時(shí)長(zhǎng)是否大于某值或者小于某值。

2）某些動(dòng)作間是否有先后順序或時(shí)間間隔的要求，可能存在于一個(gè)動(dòng)作序列或不同的飛控事件中，動(dòng)作的發(fā)生時(shí)序，某動(dòng)作發(fā)生后多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，另一個(gè)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程是否和航天器產(chǎn)生干涉。

4）對(duì)航天器的能源消耗、熱控裕度進(jìn)行驗(yàn)證。

將上述內(nèi)容通過(guò)驗(yàn)證虛擬標(biāo)識(shí)和驗(yàn)證邏輯表達(dá)式進(jìn)行描述，規(guī)劃器識(shí)別虛擬標(biāo)識(shí)和邏輯表達(dá)式，在執(zhí)行規(guī)劃驗(yàn)證計(jì)算時(shí)，對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行顯示，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行錯(cuò)誤提示。

3 規(guī)劃求解

使用規(guī)劃語(yǔ)言將模型中各字段進(jìn)行識(shí)別和描述，針對(duì)建立的問(wèn)題模型，再基于初始狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)，通過(guò)地面工程師手動(dòng)操作和規(guī)劃器的計(jì)算對(duì)問(wèn)題進(jìn)行迭代求解，計(jì)算生成能夠完成任務(wù)目標(biāo)的地面控制動(dòng)作序列。規(guī)劃求解過(guò)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(shí)、任務(wù)的需求和目標(biāo)，針對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)步驟和各階段位姿信息，整理形成機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)需求，完成運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃?；跈C(jī)械臂工作全過(guò)程建立分層規(guī)劃對(duì)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(dòng)作可以在模型中進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充。

2）地面工程師根據(jù)任務(wù)需求，建立測(cè)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(duì)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(xiàng)。

4）規(guī)劃器處理機(jī)械臂規(guī)劃需求，將分層規(guī)劃對(duì)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(yùn)動(dòng)控制參數(shù)。

6）規(guī)劃器根據(jù)輸入的測(cè)控資源和測(cè)控資源整理模型規(guī)劃?rùn)C(jī)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(duì)首個(gè)飛控事件指定北京時(shí)，指定規(guī)劃開(kāi)始時(shí)刻為首個(gè)飛控事件實(shí)施的北京時(shí)。

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(jìn)行列表化顯示，提供人工干預(yù)的接口。規(guī)劃時(shí)默認(rèn)按照缺省參數(shù)進(jìn)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(duì)相應(yīng)調(diào)度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，按照參數(shù)取值和分支選擇對(duì)各事件進(jìn)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(dòng)作的規(guī)劃中。

11）規(guī)劃器在規(guī)劃過(guò)程中對(duì)同一時(shí)間發(fā)生的地面控制動(dòng)作進(jìn)行錯(cuò)誤提示，地面工程師按照錯(cuò)誤類(lèi)型對(duì)設(shè)計(jì)的分層規(guī)劃模型進(jìn)行調(diào)整，實(shí)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(yàn)證，基于規(guī)劃驗(yàn)證模型，規(guī)劃器對(duì)控制動(dòng)作的存在性、工作流程、能源消耗、熱控裕度的擴(kuò)展性，以及部分實(shí)施邏輯進(jìn)行驗(yàn)證，并將驗(yàn)證結(jié)果返回輸出，地面工程師對(duì)驗(yàn)證結(jié)果和地面控制動(dòng)作序列結(jié)果進(jìn)行校核。若驗(yàn)證結(jié)果未通過(guò)，地面工程師對(duì)相應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行模型調(diào)整實(shí)施重規(guī)劃，直至通過(guò)驗(yàn)證。

13）若測(cè)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(guò)驗(yàn)證的地面控制動(dòng)作序列結(jié)果和機(jī)械臂控制參數(shù)進(jìn)行發(fā)布與傳遞。

4 空間站機(jī)械臂任務(wù)規(guī)劃實(shí)例評(píng)估

4.1 實(shí)例概述

這里對(duì)機(jī)械臂在軌某一次任務(wù)片段的測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行展示，機(jī)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(jī)械臂從組合臂狀態(tài)拆解為單臂狀態(tài)，大小臂運(yùn)動(dòng)至存儲(chǔ)常態(tài)構(gòu)型We=，實(shí)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(shí)間控制在半個(gè)工作日內(nèi)，涉及控制動(dòng)作百余個(gè)，其中機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)作11 個(gè)，涉及機(jī)械臂大臂運(yùn)動(dòng)和小臂運(yùn)動(dòng)，具體控制動(dòng)作內(nèi)容用代號(hào)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(duì)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(lèi)型有運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備、加電設(shè)置、斷電設(shè)置、運(yùn)動(dòng)、抓捕、釋放等，包含對(duì)電路的設(shè)置、電機(jī)的設(shè)置、相機(jī)的設(shè)置、運(yùn)動(dòng)的控制等。其中在飛控事件層部分用到的事件對(duì)應(yīng)狀態(tài)有10 余種，在動(dòng)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(shí)例分層規(guī)劃對(duì)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(jìn)行規(guī)劃，圖中示例了部分飛控事件、動(dòng)作的調(diào)度參數(shù)分支和狀態(tài)分支，如其中的平臺(tái)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(dòng)作序列中的參數(shù)pu決定了控制動(dòng)作1 或2 的安排；第1 步機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)飛控事件基于運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇大臂運(yùn)動(dòng)；斷電飛控事件基于狀態(tài)為基座2 對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)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(jī)械臂起始位置姿態(tài)和目標(biāo)點(diǎn)位置姿態(tài)，規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂大臂和小臂運(yùn)動(dòng)路徑總計(jì)11 條，其中一條路徑如圖10 所示。

圖10 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)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(guò)程約定首個(gè)飛控事件起始時(shí)間2023-09-08 T08：30：00。規(guī)劃得到地面控制動(dòng)作序列簡(jiǎn)要描述見(jiàn)表1，首控制動(dòng)作時(shí)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(dòng)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(dòng)作選擇有效。基于狀態(tài)推理的飛控事件和控制動(dòng)作分支選擇正確，引起狀態(tài)變化的控制動(dòng)作后狀態(tài)設(shè)置正確，并參與后續(xù)規(guī)劃。多約束動(dòng)作和飛控事件滿(mǎn)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(jī)械臂運(yùn)動(dòng)、下一飛控事件時(shí)長(zhǎng)大于本可用區(qū)間剩余時(shí)長(zhǎng)、機(jī)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(shí)間超過(guò)20 min。運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)作調(diào)取有效。地面控制動(dòng)作序列滿(mǎn)足資源、能源消耗及熱控裕度的限制。規(guī)劃驗(yàn)證結(jié)果為通過(guò)驗(yàn)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(yǔ)

首先，根據(jù)測(cè)控資源整理模型，規(guī)劃了行為、動(dòng)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(dòng)作序列及動(dòng)作層，構(gòu)建了分層規(guī)劃對(duì)象模型作為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)復(fù)用，若存在新增飛控事件，則針對(duì)當(dāng)次需求對(duì)相應(yīng)飛控事件及動(dòng)作序列進(jìn)行設(shè)計(jì)和增補(bǔ)。同時(shí)，設(shè)定了狀態(tài)空間，描述時(shí)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(guò)狀態(tài)參數(shù)的自動(dòng)傳遞和其他可人工干預(yù)的調(diào)度參數(shù)，規(guī)劃器識(shí)別處理參數(shù)完成了不同的飛控事件、動(dòng)作序列及動(dòng)作的調(diào)度組合，在模型避免多次更動(dòng)的情況下，具備了適用于多場(chǎng)景、多分支的規(guī)劃能力。

其次，模型中設(shè)計(jì)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(shí)別各類(lèi)約束并按照約束優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理規(guī)劃。

再次，對(duì)模型中的運(yùn)動(dòng)事件進(jìn)行了歸一化設(shè)計(jì)，對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了統(tǒng)一管理。建立了規(guī)劃驗(yàn)證模型，對(duì)規(guī)劃結(jié)果的正確性進(jìn)行了復(fù)核校對(duì)。

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

通過(guò)機(jī)械臂在軌任務(wù)實(shí)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(dòng)作序列集成的自動(dòng)化和效率，優(yōu)化了遙操作任務(wù)規(guī)劃模式，對(duì)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(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

任務(wù)規(guī)劃技術(shù)是保證航天器安全、高效地開(kāi)展工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外對(duì)此開(kāi)展了大量研究。結(jié)合未來(lái)遙操作任務(wù)要求和發(fā)展趨勢(shì)，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(duì)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(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)飛控事件的自動(dòng)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(méi)有因?yàn)槠魃闲袨閷?dǎo)致的可用區(qū)間的改變對(duì)規(guī)劃器進(jìn)行反饋，后續(xù)考慮對(duì)規(guī)劃器進(jìn)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(shí)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(duì)象模型基于工作內(nèi)容設(shè)計(jì)相應(yīng)的飛控事件，在規(guī)劃求解過(guò)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(wú)法完全安排進(jìn)適配的可用區(qū)間時(shí)，會(huì)造成飛控事件的無(wú)條件向后平移安排，影響后續(xù)飛控事件實(shí)施邏輯或大幅推遲當(dāng)日工作進(jìn)度。后續(xù)考慮在分層規(guī)劃對(duì)象模型中增加虛擬分割標(biāo)識(shí)，規(guī)劃器識(shí)別該類(lèi)標(biāo)識(shí)，并根據(jù)可用區(qū)間和飛控事件時(shí)長(zhǎng)在需進(jìn)行分割時(shí)按照適合的邏輯進(jìn)行處理。

4）當(dāng)前規(guī)劃模式下，飛控事件、動(dòng)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(yàn)和對(duì)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃和飛控事件規(guī)劃是分開(kāi)進(jìn)行的，通過(guò)運(yùn)動(dòng)飛控事件調(diào)用的動(dòng)作序列中的特殊標(biāo)識(shí)調(diào)度運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的結(jié)果，然而運(yùn)動(dòng)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(guò)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃引導(dǎo)飛控事件規(guī)劃都是可以研究的方向。