揭秘北京航天飞行控制中心机械臂规划控制技术

　　1月14日21时45分，遥远的月宫再次传来佳音，北京航天飞行控制中心精确控制嫦娥三号巡视器舒展“玉兔之手”——机械臂，对月壤成功进行了第一次元素成分科学探测分析。

　　“玉兔之手”位于“玉兔”号月球车正面的五星红旗图案下方，是有一个“四肢三轴”的活动机构。肢，犹如人的手臂；轴，是肢的连接点，如同手臂的关节。机械臂展开后，最里面的关节只能左右移动，中间的关节和末端的关节只能上下移动，就像人的手臂和手掌绕关节一样。

　　那么，“玉兔之手”是如何在地面控制下完成科学探测的呢？

　　“对机械臂的控制，主要依靠机械臂遥操作控制技术。”北京航天飞行控制中心总工程师周建亮介绍说，“我们综合考虑机械臂的构造特点和科学探测的各类约束条件，建立了精确的控制算法模型，研发了具有自主知识产权的机械臂遥操作控制系统，能够实现对机械臂毫米量级的精确控制。”

　　据周建亮介绍，由于活动维度限制和避障等因素的影响，要完成对一个目标点的探测，机械臂一次投放一般要经过十几步操作，而且每一步的投放角度都要经过极其精密的计算。

　　北京航天飞行控制中心轨道室控制组组长刘勇是机械臂遥操作控制技术的负责人。他结合自己多年轨道控制的经验，通过近一年的计算钻研，自主建立了机械臂规划控制正向求解算法、逆向求解算法和机械臂避障算法等3个算法模型，有效解决了机械臂精确控制和有效避障接近目标点的困难。

　　刘勇介绍说，正向求解算法就是根据移动角度大小，计算出能移动到距目标点多远处；逆向求解算法恰恰相反，就是根据目标位置，计算出需要移动角度大小，只有两相印证才能得到最佳的控制参数。而避障算法，是为了有效避开本体和月面地形的干涉，以达到逐步逼近目标点10到30毫米的目的。

　　“机械臂末端的X射线谱仪是一个高精度的科学探测仪。”刘勇说，“如果不能有效避障，机械臂移动时一旦碰触到本体或者探测目标就会对探测仪器造成损害。”

　　在遥操作厅，刘勇和荣志飞协同配合现场演示了机械臂的整个遥操作控制流程。大屏幕上，纤细灵巧的“玉兔之手”在荣志飞的精确操控下缓缓舒展，精确避障，最终到达预定位置。

　　据介绍，月壤探测只是月面工作段科学探测的一个开始，后续还有更多的科学探测任务要依赖“玉兔之手”。(田兆运、祁登峰)