空间物体监测设备孪生控制系统实验设计

程 哲 郭 阳 赵正旭 张庆海 于春雨

（青岛理工大学 机械与汽车工程学院，青岛 266520）

为满足现代通信技术的发展，应对空间物体监测设备复杂化、功能多样化的发展趋势，满足多场景、多领域的观测需求，要求空间物体监测设备和孪生控制系统协同发展[1-2]。阿尔伯特·哈维尔在2010年提出了机器人自主望远镜概念，划分了机器人、遥控机器人、自主机器人及智能机器人4个阶段[3]。机器人阶段不需要观测者手动干预即可完成预定观测；
遥控机器人阶段系统可以被用户远程控制，接收控制指令并自动执行；
自主机器人阶段可以执行复杂化、多元化的观测任务，可根据环境情况更改观测计划或测站[4]；
智能机器人阶段所有观测决策、测站计划更改等都由人工智能完成[5]。自主机器人阶段是当今的研究重点，智能机器人阶段是自主监测设备下一步的发展方向[6]。

本文研究一种空间物体监测设备孪生控制系统，以物理层为基础，在交互层进行实时仿真、实时控制，将服务层作为数据传输媒介。通过传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）协议、微软媒体服务器（Microsoft Media Server，MMS）协议进行实时通信，实现监测设备孪生控制系统的可视化[7]。此外，依据此架构开展云台模拟实验，证明系统架构的可行性。

1.1 空间物体监测设备孪生控制系统的设计

为实现监测设备孪生控制，结合数字孪生的通用架构，设计空间物体监测设备控制系统中的数字孪生架构，如图1所示[8]。该孪生控制系统的架构分成物理层、交互层和服务层3部分。

图1 空间物体监测设备孪生控制系统设计图

物理层。物理实体为孪生控制系统运行的对象。整个孪生控制系统都是为物理实体服务的。孪生控制系统的基础功能可以反映物理实体采集的信息并进行数据交互。

交互层主要包含3部分：第1部分是结合目标空域进行虚拟空域的三维可视化展示；
第2部分是监控实体云台是否能与虚拟云台产生位姿的交互联动；
第3部分是虚拟云台三维可视化展示。

服务层作为孪生控制系统核心环节，主要功能是对所获得的数据进行可视化封装，接收用户各种指令并将其转换成系统语言。

设计的服务层主要提供2项服务功能：一是面向孪生控制层提供数据管理与处理功能，如数据的封装、存储、可视化；
二是面向用户提供界面，以直观的方式协助用户管理空间物体监测设备。

服务层从物理层读取数据，并将读取的数据传递给数据层进行数据处理与分析。逻辑层读取数据，经过数据驱动将数据转换成控制指令传递到表现层。表现层接收指令，获取仿真结果，并以三维方式展示给用户。交互层可以实现精准的人机交互，使得用户可以从交互层进行三维可视化展示，经过指导控制反馈至物理层控制物理设备。

1.2 服务层

数据实时驱动系统作为空间物体监测设备孪生控制系统服务层的核心系统，主要是将获得的数据进行可视化封装、发出更改模型属性指令、接收操作指令等，同时包含实体与虚拟进行交互数据的TCP/IP协议、MMS协议等。

数据实时交互是设计孪生控制系统的关键。数据实时驱动系统要保证数据传输的实时性和准确性，主要包含表现层、逻辑层和数据层，如图2所示。

图2 数据实时驱动系统

表现层作为数字孪生体，能对物理层进行实时精确的数字映射，经过物理层采集的实时信息实时更新自身的数字模型，保证数据交互的实效性。

逻辑层采用Three.js主要是接收位姿数据后对虚拟体进行角度旋转控制。

数据作为孪生控制系统的基础，具体的数据包含实体数据、数据库数据、衍生数据、数据服务器、处理与传输数据等。数据在孪生控制系统中的地位十分重要。实体数据是指在物理层中采集的位姿数据、环境数据等。数据库数据包含系统运行的历史参数、预置的数据规则等。

1.3 MMS协议

MMS通信采用客户/服务器模型。客户机和服务器是两个相互通信的不对等MMS用户。服务器是为实现特定MMS服务起到商品计划视觉化（Visual Merchandising，VMD）作用的通信实体[9]。客户机通过MMS服务原语获取服务器提供的服务。建立一个可以互相操控、拓展的网络通信模型，用来实现云台的远程控制，具体结构如图3所示[10]。

图3 云台网络通信远程控制

虚箭头表示TCP/IP通信协议，实箭头表示输入/输出（Input/Output，I/O）串口传输。共有2台计算机，其中一台计算机与实体云台相连接，另一台计算机存有MMS客户端与控制界面，用来向MMS服务器或控制器发送指令。服务器接收客户端指令，控制器连接云台的控制系统，实现远程控制云台。

在数据通信过程中，需要通过网络进行数据传输。TCP/IP协议是较为常见的网络通信协议，主要依靠TCP/IP协议中Socket完成数据通信。Socket一般用于双向通信。

实验以空间物体监测设备孪生控制系统为基础，以云台设备孪生控制系统为例。通过设计物理层、交互层、服务层，建立云台设备孪生控制系统，实现数据分析、远程控制以及联动控制等功能。

2.1 物理层

系统硬件设备主要由Arduino UNOR3板、Arduino UNO板、2自由度云台以及2台计算机（PC1和PC2）组成，如图4所示。云台主要负责进行旋转或俯仰动作；
传输设备由串口和通信协议组成，负责数据的传输与控制命令的传输；
数据处理设备由计算机和Arduino组成，主要收发、存储并处理接收的数据。

图4 云台硬件组成

2.2 交互层

交互层由虚拟空域、虚拟云台以及监控界面3部分构成。虚拟空域采用Stellarium软件模拟空域的三维可视化。虚拟云台通过WebGL中的Three.js导入三维模型，利用WebGL渲染引擎对三维模型进行渲染，实现云台转动和空域的三维可视化，如图5和图6所示。由TCP/IP协议建立服务器和客户端，通过实时的数据交互，实现虚拟体与实体之间的孪生控制。

图5 虚拟云台

图6 虚拟空域

2.3 系统设计与实现

2.3.1 联动控制

串口缓存区数据只能被读取或发送。控制旋钮产生的数据先存储到串口缓存区。如图7所示，由物理层传递给服务层，经过数据处理由服务层传递给交互层。交互层可指导控制物理层，由交互层传递给服务层，服务层产生控制指令传递给物理层。

图7 系统原理

通过Arduino UNOR3板的串口COM3将数据传输给PC1，将收集的数据经MMS通信协议传输到PC2中，对数据进行分析与处理后，待处理好后将数据传递给虚拟云台。COM3串口缓存区的数据已经被读取到计算机，无法将指令传入Arduino板，因此实体云台不会产生转动。将数据库中的数据通过COM4串口传输给Arduino UNO板的串口缓存区，经过Arduino处理，发送控制端指令给实体云台，然后由云台接收指令并产生俯仰或旋转运动。

2.3.2 远程控制

PC1与PC2建立MMS通信协议，其中将PC1作为服务器，将PC2作为客户端，PC1与物理层实体通过串口连接。实现远程控制的关键在于服务层中的数据传输。PC1接收到COM3串口的数据，通过MMS协议传输到PC2。由于MMS协议中包含TCP/IP协议，且TCP/IP协议中的Socket具备双向传输特性，故PC2发出的用户控制端指令也能传递给PC1。PC1可将旋转角度与俯仰角度数据发送到COM4串口缓存区，Arduino UNO产生模拟信号，实现云台的远程控制。

通过实验建立的监测设备孪生控制系统如图8所示。它主要包含虚拟空域、虚拟云台、实体监控以及数据接收和发送的控制指令4部分。

图8 系统界面

经过实验物理层、服务层、交互层3部分之间的数据交互，遥操作观测目标及联动控制三维可视化场景。

为满足远程自动控制、三维可视化的观测需求，设计一种空间物体监测设备孪生控制系统。该系统由物理层、交互层和服务层3部分组成，目的是实现实时数据交互和孪生控制。按照系统架构图，通过云台实验实现了云台联动和远程控制，建立了三维可视化云台孪生控制系统，证明了系统架构的可行性。后续尝试将监测设备嵌入该系统架构，实现空间物体的监测。

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