基于事件触发机制的遥操作系统分数阶滑模同步控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于事件触发机制的遥操作系统分数阶滑模同步控制方法，该方法包括：考虑外部扰动和参数不确定性，建立遥操作系统动力学模型；选取主从机器人，通过通信网络交互组建遥操作系统，确定动力学模型的系统参数；利用位置跟踪误差与分数阶微积分，设计分数阶非奇异快速终端滑模面方程；设定主从机器人信息交互的触发事件条件，基于滑模设计自适应分数阶非奇异快速终端滑模控制器；设计李雅普诺夫函数进行稳定性分析，证明系统闭环状态信号的有界性。本发明专利技术可避免奇异问题，扩大控制器自由度，加快收敛速度，提高控制精度，降低整数阶滑模面存在的抖振问题，适用性更强，减少网络带宽和通信资源的占用，提高资源的利用率。

【技术实现步骤摘要】
基于事件触发机制的遥操作系统分数阶滑模同步控制方法
本专利技术属于机器人遥操作系统控制技术，特别是一种基于事件触发机制的遥操作系统分数阶滑模同步控制方法。
技术介绍
作为人机交互的工具，遥操作系统能够将人的感知和操作能力延伸到远程工作环境中，通过通信网络使得从机器人可以模拟主机器人的行为，主机器人又可以根据反馈的从机器人工作状态调整控制策略，最终实现对远端被控对象的有效操作。目前已被广泛应用于空间作业、海洋探测和核能技术等领域。特别地，随着今年全球范围新冠病毒的爆发，减少人与人之间的接触，是防止疫情进一步蔓延的有效途径。在这样严峻的形势下，遥操作系统因其在远程手术和远程服务中的独特应用价值而受到越来越多的关注。目前，遥操作系统的高精控制面临很大的挑战，一方面由于机器人遥操作是一个典型的多变量非线性耦合系统，且易受到系统模型、参数变化以及外界工作环境扰动等不确定性的影响。另一方面，主从机器人之间的信息交互不可避免地受到网络带宽和传输速率的限制。滑模变结构非线性控制理论对外部干扰、参数变化和未建模动态具有很好的鲁棒性。为实现对遥操作系统的高精度、强鲁棒和快速性的同步控制目标，最早提出了整数阶滑模(Integer-orderslidingmodecontrol,IOSMC)有限时间控制方法，在遥操作系统的应用中取得了良好的效果。实际上，分数阶(Fractional-order,FO)微积分作为整数阶微积分的推广，使得系统以及控制器的阶次不仅仅局限于整数，C.Yin提出了分数阶滑模控制方法(Fractional-orderslidingmodecontrol,FOSMC)，并指出与IOSMC相比，FOSMC可以提高控制器的自由度，具有更丰富的动态特性、更高的鲁棒性、更快的响应速度和收敛速度。而对于高精度要求的遥操作系统，响应速度和收敛速度的快慢也是重要的性能指标之一。至今，主从机器人的信息交互大多都依赖于连续时间通信或者间歇通信协议，需要在控制器和执行器之间不间断、定期传输信号，频繁响应，从而实现系统的控制目标。然而，在实际应用中，上述基于时间触发的控制方法存在以下问题：1)执行器的频繁响应会加速机械设备的损耗老化、缩短使用寿命。2)控制器周期性传输和更新可能是冗余的，会浪费处理器的计算处理资源，增加通信负担。为弥补不足，DongYue等众多学者提出了事件触发控制策略，在确保系统所需的性能同时，降低控制器更新的频率(控制信息的更新仅在事件触发之后)、节约通信带宽资源。大部分触发机制建立在状态触发误差输入状态稳定的假设条件之下，在存在系统未知参数的情况下，这个假设是不合理的。因此迫切需要提出事件触发机制下的遥操作系统的位置跟踪控制策略，从而解决能量、计算和通信约束问题。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术中的缺陷，基于事件触发机制，提出一种遥操作系统分数阶滑模同步控制方法。该方法包括考虑外部扰动和参数不确定性，建立遥操作系统动力学模型，选取主从机器人，通过通信网络交互组建遥操作系统，确定动力学模型的系统参数，利用位置跟踪误差与分数阶微积分，设计分数阶非奇异快速终端滑模面方程，通过设定主从机器人信息交互的触发事件条件，基于滑模设计自适应分数阶非奇异快速终端滑模控制器，设计李雅普诺夫函数进行稳定性分析，证明系统闭环状态信号的有界性，从机器人可在有限时间内跟踪主机器人，实现遥操作系统的快速高精同步控制。本专利技术可避免奇异问题，同时扩大控制器的自由度，加快收敛速度，提高控制精度，降低整数阶滑模面存在的抖振问题，适用性更强，可极大地减少网络带宽和通信资源的占用，提高资源的利用率。本专利技术提供一种基于事件触发机制的遥操作系统分数阶滑模同步控制方法，所述方法包括以下步骤：S1、考虑外部扰动和参数不确定性，建立遥操作系统动力学模型，所述动力学模型为：其中：分别表示机器人n个关节的广义位移、速度和加速度；Mi(qi)表示系统的正定惯性矩阵；表示系统的科里奥利力和离心力矩阵；Gi(qi)表示系统的重力力矩；Fh,Fe∈Rn分别表示操作者施加的外力和环境施加的外力；τi∈Rn表示广义输入力矩；表示未知外部干扰；i＝m,s，m表示主机器人，s表示从机器人；Mi(qi)、和Gi(qi)存在着：其中：Moi(qi)表示系统正定惯性矩阵的标称值；表示系统科里奥利力和离心力矩阵的标称值；Goi(qi)表示系统重力力矩的标称值；ΔMi(qi)表示系统正定惯性矩阵的参数变化；表示系统科里奥利力和离心力矩阵的参数变化；ΔGi(qi)表示系统重力力矩的参数变化；同时，满足：其中：表示一个未知正数；令：其中：表示主机器人参数矩阵；表示从机器人参数矩阵；和是有界的且满足：其中：κm表示的上界，κs表示的上界，b0i,b1i,b2i(i＝m,s)为正常数；因此，系统模型(1)式可重新表示为：S2、选取主机器人和从机器人，通过通信网络交互组建遥操作系统，再分别测量主、从机器人连杆的质量和长度信息及其实时的机器人位置信息，确定动力学模型的系统参数；S3、利用主机器人和从机器人的位置跟踪误差与Riemann-Liouville分数阶微积分设计分数阶非奇异快速终端滑模面方程；S4、设定主机器人和从机器人信息交互的触发事件条件，同时基于滑模设计能够补偿测量误差、消除系统不确定性影响的自适应分数阶非奇异快速终端滑模控制器，使得控制器能够避免芝诺现象，并设计李雅普诺夫(Lyapunov)函数进行稳定性分析，证明系统闭环状态信号的有界性。采用以上基于事件触发机制的遥操作系统分数阶滑模同步控制方法，从机器人可以在有限时间内跟踪主机器人运动，实现遥操作系统的快速高精同步控制。可优选的，所述步骤S2中动力学模型的系统参数包括主机器人和从机器人的惯性矩阵、科里奥利力和离心力矩阵以及重力矩阵中的标称确定部分，且均可由机械臂的长度、质量以及关节位置信息计算得出。进一步，所述步骤S3中所述主机器人和从机器人的位置跟踪误差为：其中：em表示主机器人位置跟踪误差；es表示从机器人位置跟踪误差；dm表示主机器人到从机器人的前向信息传输定长时延；ds表示从机器人到主机器人的后向信息传输定长时延且dm≠ds；t表示运行时刻；所述分数阶非奇异快速终端滑模面方程为：其中：si表示设计的分数阶非奇异快速终端滑模面，si＝[si1,si2,...,sin]T∈Rn；γi1为正常数，γm1,γs1＞1；α1，α2表示分数阶次且α1∈(0,1],α2∈[0,1)；表示的α1-1阶Riemann-Liouville分数阶导数；表示βi(ei)的α2阶Riemann-Liouville分数阶导数；αi1和αi2均表示滑模面方程参数且均为正定对角矩阵，αi1＝diag(αi11,αi12,...,αi1n)，αi2＝diag(αi21,αi22,...,αi2n)；函数βm(em),βs(es)可描述为：...

【技术保护点】
1.一种基于事件触发机制的遥操作系统分数阶滑模同步控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/nS1、考虑外部扰动和参数不确定性，建立遥操作系统动力学模型，所述动力学模型为：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于事件触发机制的遥操作系统分数阶滑模同步控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、考虑外部扰动和参数不确定性，建立遥操作系统动力学模型，所述动力学模型为：



其中：分别表示机器人n个关节的广义位移、速度和加速度；Mi(qi)表示系统的正定惯性矩阵；表示系统的科里奥利力和离心力矩阵；Gi(qi)表示系统的重力力矩；Fh,Fe∈Rn分别表示操作者施加的外力和环境施加的外力；τi∈Rn表示广义输入力矩；表示未知外部干扰；i＝m,s，m表示主机器人，s表示从机器人；
Mi(qi)、和Gi(qi)存在着：



其中：Moi(qi)表示系统正定惯性矩阵的标称值；表示系统科里奥利力和离心力矩阵的标称值；Goi(qi)表示系统重力力矩的标称值；ΔMi(qi)表示系统正定惯性矩阵的参数变化；表示系统科里奥利力和离心力矩阵的参数变化；ΔGi(qi)表示系统重力力矩的参数变化；
同时，满足：



其中：表示一个未知正数；
令：



其中：表示主机器人参数矩阵；表示从机器人参数矩阵；

和是有界的且满足：



其中：κm表示的上界，κs表示的上界，b0i,b1i,b2i(i＝m,s)为正常数；
因此，系统模型(1)式重新表示为：



S2、选取主机器人和从机器人，通过通信网络交互组建遥操作系统，再分别测量主、从机器人连杆的质量和长度信息及其实时的机器人位置信息，确定动力学模型的系统参数；
S3、利用主机器人和从机器人的位置跟踪误差与Riemann-Liouville分数阶微积分设计分数阶非奇异快速终端滑模面方程；
S4、设定主机器人和从机器人信息交互的触发事件条件，同时基于滑模设计能够补偿测量误差、消除系统不确定性影响的自适应分数阶非奇异快速终端滑模控制器，使得控制器能够避免芝诺现象，并进行稳定性分析，证明系统闭环状态信号的有界性，从机器人能在有限时间内跟踪主机器人运动，实现遥操作系统的同步控制。


2.根据权利要求1所述的基于事件触发机制的遥操作系统分数阶滑模同步控制方法，其特征在于，所述步骤S2中动力学模型的系统参数包括主机器人和从机器人的惯性矩阵、科里奥利力和离心力矩阵以及重力矩阵中的标称确定部分，且均由机械臂的长度、质量以及关节位置信息计算得出。


3.根据权利要求1所述的基于事件触发机制的遥操作系统分数阶滑模同步控制方法，其特征在于，所述步骤S3中所述主机器人和从机器人的位置跟踪误差为：



其中：em表示主机器人位置跟踪误差；es表示从机器人位置跟踪误差；dm表示主机器人到从机器人的前向信息传输定长时延；ds表示从机器人到主机器人的后向信息传输定长时延且dm≠ds；...

【专利技术属性】
技术研发人员：华长春，王艺潞，杨亚娜，王振，穆殿瑞，吴睿男，王一帆，蔡登胜，裴文良，陶林裕，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13