一种基于波变量的时域无源双边遥操作控制方法技术

本发明专利技术公开一种基于波变量的时域无源双边遥操作控制方法。在对传统波变量控制方法分析，发现虽然该方法能很好保证系统的稳定性但透明性较差。针对传统波变量控制方法透明性不高问题，本发明专利技术提出一种改进波变量控制方法，增加调整因子来提高遥操作系统的透明性。针对波变量不能很好解决随机时延问题，采用时域无源源与波变量相结合的控制方法。本发明专利技术先提出一种基于波变量的时域无源单端口控制方法，接着提出另外一种基于波变量的时域无源双端口控制方法。通过Simulink仿真实验，这两种方法都能保证遥操作系统在随机时延下具有良好的稳定性，但是基于波变量的时域无源双端口控制方法具有较高的透明性以及跟踪性。

A time domain passive bilateral teleoperation control method based on wave variable

【技术实现步骤摘要】
一种基于波变量的时域无源双边遥操作控制方法
本专利技术属于空间机器人遥操作控制领域，具体涉及一种基于波变量的时域无源双边遥操作控制方法。
技术介绍
目前，人类利用空间机器人对航天器所携带的空间载荷进行各种精细复杂的操作，如空间站的维护、修理，空间装配，空间生产，空间科学实验，太空垃圾处理等。然而受限于空间环境的恶劣性，难以实现完全自主的遥操作，现在最常用的方法是遥操作控制。在天地空间传输过程中，低轨道遥操作时延至少为0.4s，高轨道时延会达到1s左右。对于空间机器人遥操作控制方法，通信时延影响系统的稳定性和透明性，这是我们所需要解决的主要问题。双边控制是一种重要且应用广泛的遥操作控制方法，应用于非结构化且未知的从端环境，具有对从端环境的适应性。双边控制在通信线路中传送数据，降低了对通信宽带的要求。在双边控制中，操作者能感受到从手与环境的作用力，然后再决定下一步的动作，具有较高的可靠性和安全性。在双边控制中，最常用的是采用基于无源性理论的控制方法。采用波变量方法能保证在任意定时延环境下的稳定，并且具有良好的透明性。采用时域无源稳定的控制方法，可以在随机时延下具有很好的稳定性，但透明性不是很高。所以，采用基于波变量和时域无源相结合的双边遥操作控制方法来构建遥操作系统。
技术实现思路
本专利技术的目的：有鉴于此，本专利技术的目的在于提高遥操作双边控制系统在与未知环境相接触时随机时延下系统的稳定性和跟踪性能，提出一种基于波变量时域无源的遥操作双边控制方法。为完成以上目的，本专利技术采用如下的技术方案：首先研究传统波变量双边遥操作系统，建立控制结构。然后分析波变量双边遥操作系统在时延下的稳定性和透明性并根据该方法的缺点改进波变量控制结构，接着建立遥操作系统动力学和运动学数学模型。通过理论分析，波变量遥操作控制方法不能保证在随机时延下具有很好的稳定性，但是具有相对良好的透明性，所以采用波变量与时域无源相结合的遥操作控制方法，建立控制结构。最后利用Simulink软件对所提出的方法进行仿真，分析该方法相对于其他方法具有较好的稳定性和跟踪性。本专利技术的优点有：本专利技术采用基于波变量的时域无源双边遥操作控制方法，能很好的保证该系统无论在定时延下还是在随机时延下都具有很好的稳定性和透明性以及跟踪性。操作者能很好感受到的从端环境获得力觉临场感并决定下一步动作，从而把操作者的智能投射到远端，使得系统能够完成一些复杂的空间任务。附图说明图1定时延遥操作系统的波变量控制结构图图2定时延改进波变量遥操作控制结构图图3于波变量的时域无源单端口控制结构图图4于波变量的时域无源双端口控制结构图图5统波变量在2s定时延下的速度和力跟踪曲线图6进波变量在2s定时延下的速度和力跟踪曲线图7于波变量的时域无源单端口在1s～2s时延下的速度和力跟踪曲线图8基于波变量的时域无源双端口在1s～2s时延下的速度和力跟踪曲线具体实施方式针对遥操作系统中的通信时延问题，采用无源的控制方法。系统无源表示系统始终消耗能量而不会产生能量，因此无源的系统一定是稳定的，并且多个无源子系统串联、并联或反馈连接后得到的系统仍然是无源的。无源性理论可以利用系统的输入输出关系来判断系统的稳定性，稳定的鲁棒性很强。如果一个系统是无源的，那么则一定是稳定的，但我们应该在系统稳定的前提下，尽可能提高遥操作系统的操作性能。首先，建立传统波变量遥操作控制结构如图1所示，其中:b是波阻抗，Fm、Fs、是主、从操作端的力和速度，um、vs是输入波变量，us、vm是输出波变量。其中输入的波变量为：输出的波变量为：从端接收到的速度信号为：主端接收到的反向驱动力为：然后计算系统的输入能量：由上式可知所以该系统是无源的，并且在任意定时延下是稳定的。但是由于时延变化率的存在，无法保证耗散功率为正，所以理论上只针对不变时延；两端到达的波信号会形成反射波，波反射会使系统的操作性能降低，并且会引起系统波动；在信号传输中存在的偏差项可能导致跟踪误差。所以，要对波变量进行改进，提高遥操作系统的操作性能。建立结构图如图2所示。其中:b是波阻抗，α、β是调整因子，Fm、Fs、是主、从操作端的力和速度，是输入波变量，us、vm是输出波变量。求得出输入波变量为：从端接收到的速度信号为：主端接收到的反馈控制力为：利用无源理论很难求解出系统满足无源性的条件，所以采用散射理论来分析系统满足稳定的条件。所以：输入向量到输出向量的映射为：散射算子为：因为b>0,T>0，当0＜α＜1，0＜β＜1时能满足在任何定时延下散射算子的范数||S||≤1，所以系统是无源的。其次，通过理论分析，波变量控制方法不能保证在随机时延下的稳定性，需要采用时域无源与波变量相结合的控制方法，建立含有单端口网络的控制系统，如图3所示其中，无源观测器的能量值为：当Eobsv(n)＜0时，无源控制器的调节参数为而当Eobsv(n)≥0时，γ(n)＝0。经过校正后的反馈控制力为波变换结构采用改进的波变量控制结构。由于基于波变量的时域无源单端口控制方法，在随机时延下虽然有很好的的稳定性，但是透明性比较差。所以采用基于波变量的时域无源双端口控制方法，控制结构如图4所示。其中，是主端输入速度，是经过波变换求解出的速度，是进过无源控制器求解出的从端输入速度。Fs是从端力，Fm是经过波变换求解出的主端反馈力，fm是经过无源控制器求解出的主端反馈力。我们要选取合适的主从端控制器的可变阻尼系数参数因子α1(k)和α2(k)来保证系统的稳定。其中α1(k)和α2(k)求解过程如下：其中，分别为检测到的主端输入，主端输出，从端输入，从端输出的能量。系统的无源稳定性可通过确保通讯环节两端流入的总能量大于流出的总能量来实现，即满足下式：无源稳定性条件可转化为：由于需要对主端反馈力进行修正，只能将控制器“串联”在系统中，计算公式如下：其中主端观测器能量为：主端的反馈控制力为：由于从端需要对速度进行修正，只能将控制器“并联”在系统中。计算公式如下：其中从端观测器能量为：从端的控制速度为：实施例：首先，对传统波变量遥操作控制方法和改进的波变量遥操作控制方法进行Simulink仿真。其中手控器和机械臂简化为质量-阻尼模型，遥操作系统主、从端，操作端和环境的参数分别为：主手的质量系数为0.5，从手的质量系数为2，主手和从手的阻尼系数均为1，波阻抗参数为10，调整因子为α为0.245，β为0.4。如图5所示，采用传统波变量在定时延2s的情况下是稳定的，但本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.提出一种基于波变量的时域无源双边遥操作控制方法，具体构建过程特征在于以下步骤：/n1)针对传统波变量的缺点，通过添加调整因子实现波变量的改进。/n2)针对改进波变量控制方法不能很好解决随机时延问题，通过在主端添加无源控制器来消耗系统中多余的能量。/n3)针对随机时延下双边遥操作系统的透明性和跟踪性比较差问题，通过在主端和从端添加不同的控制器来消耗系统中多余的能量并改善系统中的操作性能。/n

【技术特征摘要】
1.提出一种基于波变量的时域无源双边遥操作控制方法，具体构建过程特征在于以下步骤：
1)针对传统波变量的缺点，通过添加调整因子实现波变量的改进。
2)针对改进波变量控制方法不能很好解决随机时延问题，通过在主端添加无源控制器来消耗系统中多余的能量。
3)针对随机时延下双边遥操作系统的透明性和跟踪性比较差问题，通过在主端和从端添加不同的控制器来消耗系统中多余的能量并改善系统中的操作性能。


2.基于权利要求书1所述的一种基于波变量的时域无源双边遥操作控制方法，其特征在于：
所述步骤1)中调整因子确定方法是：首先建立起合适的波变换结构，然后求解出输入波变量um、vs，并利用散射理论求解出满足无源稳定性的调整因子条件，即0＜α＜1，0＜β＜1。


3.基于权利要求书1所述的一种基于波变量的时域无源双边遥操作控制方法，其特征在于：
所述步骤2)中主端无源观测器以及控制器确定方法是：波变换采用改进的波变量控制结构，主端添...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋荆洲，吴超，李振东，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11