CN101552720A - 网络闭环控制方法和系统以及交互采集终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种网络闭环控制方法和系统，并且还涉及一种交互采集终端，其中从受控对象经由通信网络传输的数据分组包括时间戳和控制数据。所述方法包括以下步骤：将多个经由通信网络所传输的控制数据按时间戳的值缓冲存储在缓冲区中；依赖于在缓冲区中的多个控制数据，结合控制系统的模型预测将来的控制状态；根据所估计的控制状态和用户给定数据，对受控对象进行闭环调节。根据本发明，可以减小通信网络引起的时延、抖动和丢包对控制系统性能的负面影响，使得作为受控对象的交互采集终端更灵活地被控制。

Description

网络闭环控制方法和系统以及交互采集终端

技术领域

本发明涉及一种网络控制方法和一种网络控制系统，另外涉及一种交互采集终端。

背景技术

在传媒娱乐行业，过去一直沿用观众模式，在观众模式中，观众被动地获取娱乐现场的内容，如观看电视节目等。虽然也出现了短信等方式让观众参与到节目，但是参与程度比较低。随着技术的发展，在传媒娱乐行业采取用户模式成为可能，在用户模式中，通过对交互采集终端的位置或速度进行网络闭环控制，普通人可以主动地获取几百米、几千米、甚至几百公里之外的娱乐现场的内容，对现实的娱乐现场的参与程度可以与虚拟网络游戏相媲美，也可以说虚拟网络游戏被放到了现实娱乐现场。

可移动的交互采集终端作为网络闭环控制系统的受控对象，集控制技术、通信技术、计算机技术于一身，可以用于延伸人的躯体，如同电话延伸人的耳朵。

从通信技术发展的角度看，通信网络不仅扩展人类的视觉和听觉，例如电话就扩展了人类的听觉，网络浏览器涉及视觉，而利用经由网络所控制的交互采集终端可能扩展人类的触觉。特别地，第三代移动通信系统(3G)、例如UMTS(通用移动电信系统)的高带宽为同时传输视频、音频和触觉相关的信号提供了可能。

计算机技术的快速发展也为经由通信网络进行闭环控制提供了可能。特别地，借助于基于Linux的实时操作系统，嵌入在交互采集终端内部的计算机可以同时处理实时任务与非实时任务，这为在同一计算机上同时实现通信功能和控制功能提供了可能性。

虽然交互采集终端将距离所造成的在用户与娱乐现场之间的隔阂减小，但是通信网络给控制信号的传输带来时延。例如从德国到中国的数据分组的传输可能花费100ms以上，相对于1kHz的控制信号采样频率，时延是较大的，同时还有数据包丢失和抖动的问题。这可能使得在本地原本稳定控制的闭环控制系统变得不稳定。即使闭环控制系统还是稳定的，但是通信网络仍然使得闭环控制系统的控制性能下降，使得受控的交互采集终端不能按用户的意愿灵活移动，从而在用户模式中用户的参与感变差。

已知使经由通信网络的闭环控制系统变得稳定的一些方法，但是这些方法中的大部分假设时延小于闭环控制系统采样时间或者忽略丢包和抖动问题，从而不能应用于跨越远距离的对交互采集终端的控制。此外，这些方法在提高经由通信网络的闭环控制系统的性能方面缺乏针对性，侧重于理论上的分析。

公开号为EP 1659465的欧洲专利申请公开了一种通过网络控制运动的系统，其中从网络接收包括时间戳的运动控制数据。但是在其说明书中只讨论利用时间戳进行外插或内插操作，而带有时间戳的运动控制数据并未严格按照时间戳的值被存储在缓冲区中以便结合交互采集终端的数学模型进行预测。

发明内容

因此，本发明所基于的任务在于，提供一种控制性能更好的网络闭环控制方法和网络闭环控制系统，以及提供一种受远程控制的更灵活移动的交互采集终端。

这个任务通过具有权利要求1所述特征的方法和具有权利要求9所述特征的系统以及具有权利要求11所述特征的交互采集终端来解决。

在本发明的方法方面，本发明的思想是，经由通信网络进行闭环控制，其中从受控对象经由通信网络传输的数据分组包括时间戳和控制数据，本发明方法包括以下步骤：将多个经由通信网络所传输的控制数据按时间戳的值缓冲存储在缓冲区中；依赖于在缓冲区中的多个控制数据，结合控制系统的模型估计将来的控制状态；根据所估计的控制状态和用户给定数据，对受控对象进行闭环调节。

这不同于常规的网络控制数据处理方法，不是按照接收控制数据的先后次序将这些控制数据放入缓冲区，而是按协议中时间戳的值将控制数据放入缓冲区。从而，可以避免由于网络时延及抖动对数据接收间隔及接收次序的影响。由此，在根据控制模型进行估计时，能够利用在缓冲区中严格按照采样时间顺序的具有固定时间间隔的多个控制数据。特别地，在缓冲区的多个这样的控制数据对于控制模型的修正是至关重要的。

在本发明的一个改进方案中，所述用户给定数据依赖于由受控对象经由通信网络传送给用户的视频信息。用户根据受控对象所采集的视频信息来了解受控对象所处的现场，当用户想获取进一步的视频信息时，发送出用户给定数据，再根据新采集的视频信息来调整用户给定数据。

在本发明的另一改进方案中，所述缓冲区利用共享内存来建立。从通信网络接收的数据被存储在共享内存中，使得所接收的数据能够由其他不同的模块即时地存取以进行处理。并且被非通信模块处理过的数据也被存储在共享内存中，从而负责通信的模块可以从共享内存中即时地取出被处理的数据，并将其通过通信网络发送。相比于FIFO方式，共享内存技术使得不必逐个向非通信模块传送来自通信网络的控制数据。由此，有可能运用更复杂的算法对控制数据进行处理。

在本发明的另一改进方案中，在将控制数据放入缓冲区时，如果在两个控制数据的相应的时间戳之间存在一个或多个未接收到对应控制数据的时间戳，则为所述一个或多个时间戳给出标记。在利用缓冲区中的多个控制数据进行进一步处理时，可以根据是否带有标记，而为多个数据数据赋予不同的权重。由此，更加有效地利用从通信网络获取的信息。这从计算机技术的方面减小了通信网络对控制系统的干扰，而仅仅依靠传统的控制理论难以减小所述干扰。

在本发明的一个实施形式中，通信网络包括无线局域网络。可替代地，也可以包括第三代移动通信网络，例如UMTS(通用移动电信系统)。利用无线网络，可以使得受控对象可以自由移动，而不受通信电缆的束缚。由于无线网络、特别是UMTS网络具有覆盖范围大的优点，可自由移动的受控对象可以受到经由通信网络与其相连的远距离的(例如处于不同城市的)的用户的控制。特别地，随着无线电移动通信网络与无线局域数据网络的融合，可以结合无线局域网和UMTS网络用于传输控制数据。

在本发明的另一实施形式中，在传输控制数据和视频信息的过程中，也传输音频信息。用户利用所接收的音频信息来了解受控对象所处的现场，也可以发送音频信息到受控对象所处的现场。

在本发明的又一实施形式中，应用游戏手柄(Joystick)来输出与控制相关的输入数据。所述输入数据与所接收的控制数据一起被处理以进行闭环控制。游戏手柄的花费低，除了使用户能够输入开关状态数据之外，还能够输入反映手柄位置的状态量，其取值可以是整数。

在本发明的另一实施形式中，采用大容量闪存(Flash)来存储用于执行所述方法所需的指令和数据。相对于硬盘，闪存具有体积小、节电、抗干扰性强等优点，从而使本发明方法的实施能够稳定、长时间地进行。

本发明还涉及一种用于经由网络通过预测进行闭环控制的网络控制系统，其中包括：受控对象，其对应于控制模型；经由通信网络与受控对象进行通信的控制器，用于处理从通信网络接收的控制数据，并将处理后的控制数据经由通信网络传输给受控对象，其中所述控制器用于实施根据本发明的方法；以及与控制器相连接的人机接口，用于输入用户给定的信号到控制器以及从控制器向用户输出控制对象的状态信息。

优选地，所述受控对象处于娱乐现场。

另外，本发明还涉及一种交互采集终端，所述交互采集终端包括用于在现场进行移动的机械装置、用于驱动交互采集终端的电气装置、用于处理视频信息与控制数据的计算装置、用于采集现场视频信息的视频采集装置、以及用于接收与发送视频信息和控制信号的通信装置，其中，根据所采集的视频信息，利用依照本发明的方法对作为受控对象的交互采集终端进行闭环控制。

本发明的其他优点可以从下面的具体实施例中得到。

附图说明

下面参考附图根据实施例更详细地说明本发明。在所述附图中：

图1示出根据本发明的网络闭环控制系统的一个实施例的框图；

图2示出根据本发明的网络闭环控制系统的控制信号流图；

图3示出依照本发明方法的数据分组的格式；

图4示出依照本发明方法的网络控制器处理数据的流程图；以及

图5示出网络闭环控制系统的受控对象的一个实施例的框图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的网络闭环控制系统的一个实施例的框图。用标记1表示受控对象，在本实施例中即交互采集终端。

首先，交互采集终端基于四轮小车的机械结构在底部配备有控制性能优良的直流电动机和步进电机，并配有蓄电池作为动力来源。通过电力电子器件和电机可以实现交互采集终端的前进、后退、左转和右转，而且速度、角度可以调整，类似于人的脚的作用。交互采集终端的车身的机械构件轻便、小巧，提高了交互采集终端的续航能力。

其次，该交互采集终端并不仅仅是一个动力装置，在动力装置上方还装备有信息处理装置。在终端中部装备有计算能力强大的计算机，并配有另一组电池设备用于给计算机供电。所述计算机负责视频信号的采集与压缩、触觉控制信号的处理、以及上述信号的无线传输，基于该计算机可以应用先进的视频处理、无线通信、与网络控制技术。

再次，在终端顶部配备有视频摄像头。所述视频摄像头采用CCD摄像头，通过视频采集卡与计算机相连接。其可以实时流畅地拍摄清晰的图像，相当于人的眼睛。在配备云台之后，该摄像头可以左右旋转、高低俯仰。

最后，着重要提及的是同样位于终端顶部的通信天线，该天线通过无线网卡与计算机相连接。天线可以选择不同的种类，诸如小范围内的遵循IEEE802.11g协议的WLAN(无线局域网)天线、或者城市范围内的WiMAX天线、或者3G天线。特别的是，由于3G提供足够带宽，配备有3G天线的交互采集终端可以在全世界有3G网络的地方自由移动，体现了躯体的延伸。

受控对象1处于现场环境2中，因此受控对象1可能收到来自现场环境2的阻力。此外，受控对象1与通信网络、例如因特网相连接。在本实例中，所述连接通过无线网卡来实现，相比于有线网卡，无线网卡在保持通信连接的同时，不妨碍受控对象1的可移动性。借助于通信网络，网络控制器3能够与受控对象1进行通信，并且通过人机接口(未示出)与用户5交互信息。在本实例中，网络控制器通过具有人机接口和网卡的个人计算机来实施。

从整个通信系统角度，受控对象1中的个人计算机被用作客户端。而对应网络控制器的计算机被用作服务器端。在运行时，现场环境影响受控对象的状态量、例如加速度、速度、位置，客户端周期地将关于受控对象1的状态量的信息经由通信网络发送给服务器端。服务器端对该信息进行处理，通过人机接口向用户5提供处理后的信息，并且根据用户5所发出的信息，进一步进行处理，随后将进一步处理的结果经由通信网络发送给客户端。在更下面将根据图4详细加以说明。在客户端收到处理结果之后，对受控对象1进行调整，以达到用户5所期望的控制效果。

图2从整个控制系统角度示出根据本发明的网络闭环控制系统的控制信号流图。受控对象1包括直流电动机21和受控主体27。在本实例中，受控主体27指的是交互采集终端的机械部分。在信号流图中，根据信号流的方向，将通信网络4视为两部分，即前向时延滞后器22和后向时延滞后器24。在网络控制器3上的组件包括时延补偿器26、触觉信号发生器28、线性预估器25和PID控制器23。

在系统运行期间，来自现场环境2的干扰信号19影响受控主体27的状态量，使得状态量发生改变。被采样的状态量作为反馈信号11被输入到反向时延滞后器24中，在本实例中采样周期设为1ms。

反向时延滞后器24给反馈信号11引入随机时延(Delay)和抖动(Jitter)，反向时延滞后器24的输出为具有时延和抖动的反馈信号12。在本实例中，时延显著大于采样周期，例如为100ms，而且时延不是固定的。因为反馈信号11附加有时间戳(TIME_STAMP)，所以反向时延滞后器24所输出的反馈信号12的时间戳与实际输出时间之间的差值表示出时延，而且由于抖动，具有较早时间戳的采样信号可能比具有较晚时间戳的采样信号先被输出。

具有时延和抖动的反馈信号12被输入到时延补偿器26。在时延补偿器26中对反馈信号12的处理在更下面根据图4详细加以说明。

时延补偿器26输出经补偿的信号13。所述经补偿的信号13被输入反馈信号发生器(未示出)。触觉信号发生器可以是一个非线性环节，例如当某一状态量超过一个预定的阈值时，触觉信号发生器的输出量为一，这导致游戏手柄发生振动。可替代地，随着某一状态量的增大，触觉信号发生器的输出量线性增长，这导致游戏手柄振动幅度增大。用户5能够通过诸如游戏手柄的人机接口感知到触觉信号，这有助于用户对用户给定信号14进行调整。

用户给定信号14被输入线性预估器25。由于用户给定信号变化较慢并且基本上呈线性，线性预估器25可以通过下式较好地对用户给定信号进行预估。

v′(k+1)＝v(k)+v^*(k)×ΔT

其中v(k)是当前采样点的状态值，v′(k+1)是预估的下一个采样点的状态值，以及v^*(k)是状态量的导数在当前采样点的值，ΔT是采样间隔时间。

线性预估器25所输出的经预估的给定信号15与经补偿的信号13相减，由此产生偏差信号16。将所述偏差信号16输入PID控制器23。PID控制器的原理如下式所述：

z1(k)＝z1(k-1)+e(k)*T*KI

z2(k)＝e(k)*KP

z3(k)＝(e(k)-e(k-1))*KD/T

z(k)＝z1(k)+z2(k)+z3(k)

其中e(k)是当前采样点的输入值，e(k-1)是上一个采样点的输入值，z(k)是当前采样点的输出值，z1(k)、z2(k)、z3(k)是z(k)的分别对应I环节、P环节和D环节的三个分量，以及z1(k-1)是对应z1(k)的上一个采样点的值，以及KP、KI、KD分别代表I环节、P环节和D环节的参数。PID控制器输出控制信号17。本领域的技术人员应当理解，在不背离本发明思想的情况下可以将经预估的给定信号15与经补偿的信号13输入到其他类型的常规的控制器，如模糊控制器。

所述控制信号17被输入到前向时延滞后器，所述前向时延滞后器22同样将时延和抖动引入所述控制信号，从而输出具有时延的控制信号18。所述具有时延的控制信号18被用于控制作为执行机构的直流电动机21。

根据控制信号18，直流电机对受控主体产生影响，使得受控主体的状态量回到用户5所期望的状态值，由此减少干扰信号的受控对象的影响。相较于经由通信网络的开环控制系统，根据本发明的闭环网络控制系统不仅可以通过反馈减小来自现场环境2的干扰影响，还可以令用户5通过触觉感知到干扰并相应地调整给定量，从而使得受控主体的状态量达到用户5所期望的状态值，因此用户能够主动地获取娱乐现场的内容信息。

为了实现信号流的传输，通信系统的客户端与服务器端遵守网络触觉协议。图3示出依照本发明方法的数据分组的格式，由受控对象经由通信网络传输的数据分组具有所述格式。在数据分组中具有多个字段(field)，诸如TYPE、TIME_STAMP、ATTRIBUTE、STATE等。在接收到一个数据分组后，报头(header)首先被分析。根据对报头的不同分析结果，接收方能够对该数据分组做出相应不同的处理。在处理之后，接收方准备接收下一个数据分组，如此不断运行。利用有限状态机(FSM)可以容易地对接收方的整个运行过程进行设计，这是现有技术中已知的，这里不详细加以说明。

第一字段为TYPE(类型)，该字段指明数据分组的类型，不同类型的数据分组包含不同的内容。作为报头(header)的一部分，首先被分析。借助于第一字段TYPE，接收方能够确定数据分组的类型。在本实例中，数据分组可以是关于信令的数据分组，也可以是关于有用数据的数据分组。例如当发送方停止工作之前，向接收方发送预定的关于信令的数据分组，接收方在分析之后停止接收并向用户呈现相应的停止信息。

第二字段为TIME_STAMP(时间戳)，该字段指明对应于数据分组内容、例如采样数据的时间点，该字段也是报头的一部分。在本实例中，采样周期为1ms，常规的操作系统、包括软实时的操作系统已经不能保证时间间隔的精确。为了获得准确的时间值，在发送数据分组的交互采集终端上安装有基于Linux的硬实时操作系统RTAI，以保证第二字段中时间值的精度，并且RTAI也可用于保证实时地执行与控制相关的操作。此外，在受控对象1与网络控制器上的时间设置，可以通过全球定位系统(GPS)来同步时间。GPS除了提供定位业务之外，也提供时间同步业务。相对于1ms的控制系统采样周期，GPS同步业务的处于5ns与500ns之间的准确度可以满足网络触觉控制系统的要求，而且GPS的覆盖是全球性的，适合于网络触觉控制系统中的相距较远的不同部分的时间同步。

数据分组的字段还包括字段ATTRIBUTE(属性)。利用字段ATTRIBUTE，接收方能够对自身进行配置，以便进行发送方所要求的一些改变，例如改变接收缓冲区的长度。无须手动地进行配置，由此显著提供系统的自适应性。在数据分组中，可以具有多个不同的属性字段，如ATTRIBUTE_1、ATTRIBUTE_2、...、ATTRIBUTE_N等。

数据分组的字段又包括字段STATE(状态)。所述字段STATE指明受控主体27的状态量在采样时刻处的状态值。状态量可以是位置s、速度v和/或加速度a，也可以是其他的状态量。状态量加速度a的检测可以通过加速度传感器来实现。状态量速度v可以通过角速度测量装置来获取也可以通过对所检测的加速度a进行积分来确定，状态量位置s可以通过光电测量装置来采集或者通过对所获取的速度v进行积分来确定。特别注意，测量的精度对于本发明的实施具有影响，在考虑费用和体积的情况下应采样精度较高的传感器和/或测量装置。具体测量方法不影响本发明思想的理解，这里不详细加以说明。在本实例中，相关的传感器或测量装置安装在交互采集终端上，由交互采集终端上的蓄电池进行供电。通过多功能数据采集卡，小车上的计算机读取传感器或测量装置的输出信号量。在本实例中，数据采集卡的驱动程序采用通用数据采集卡驱动程序COMEDI。驱动程序COMEDI是开放源代码的，支持不同公司所提供的不同数据采集卡，并且驱动程序COMEDI可以支持实时操作系统RTAI。在实时进程中可以直接调用COMEDI内核库中的函数以读取状态量的在采样时刻处的状态值。借助于驱动程序COMEDI，数据分组中的字段STATE被赋予状态值。此外，在数据分组中，可以具有多个不同的状态值字段，如STATE_1、STATE_2、...、STATE_M等。

第一字段TYPE和第二字段TIME_STAMP作为报头的一部分，基本上存在于每个数据分组中。字段ATTRIBUTE和字段STATE可以处于同一数据分组中，也可以处于不同类型的数据分组中，甚至字段ATTRIBUTE可以通过XML消息来发送。所接收到的字段ATTRIBUTE可以被存储到数据库中。在另一实施例，从网络接收与字段ATTRIBUTE相关的标识ID，根据所述标识可以从数据库中查找到相应的字段ATTRIBUTE。应当理解，本领域的技术人员可以修改、添加字段，而不背离本发明的精神。

网络控制器3接收具有上述报文格式的数据分组后对其进行处理。

图4示出依照本发明方法的网络控制器处理数据的流程图100、200，其中流程图100描述了接收对应于采样点的数据并将所接收的采样点加入缓冲区的过程，所述过程用于减小抖动的影响并为减小时延影响而作准备，而流程图200描述了时延补偿器对缓冲区中数据进行的进一步处理，所述处理的目的在于减小时延影响并且利用控制系统模型对有关状态进行估计。

在流程图100中，步骤101处进行初始化，例如创建Socket(套接字)和缓冲区，以及可以接收关于信令的分组并自适应地进行配置，例如配置缓冲区大小。而后等待关于有用数据的数据分组。

在此，缓冲区是共享存储区域中的一组连续的其中可存储状态值和采样时间的存储单元，具有物理上限位置和下限位置，其中所述共享存储区域表示其他进程也能够对其进行访问的特殊存储区域，利用共享存储可以实现计算机中运行着的负责不同功能的多个进程相互通信。所述缓冲区是具有一个前端(Front)和一个后端(End)，当加入新的数据时，后端和/或前端发生移动。此外，缓冲区是环形的，也就是说，当前端和后端在缓冲区内移动时，如果前端或后端达到缓冲区的物理上限或下限位置，那么继续移动将使得前端或后端到达缓冲区的物理下限或上限位置。

步骤102处接收来自通信网络4的有用数据，并从报头中取出采样的时间。从控制系统角度看，持续接收到的有用数据是具有时延和抖动的反馈信号12。当抖动较大时，当前接收的采样点数据分组K有可能比先前接收的数据分组K-1更早被采样，因此从数据分组K取出的采样时间可能早于从数据分组K-1取出的采样时间。

步骤103及104处，将最新接收的有用数据的采样时间与缓冲区末端处的存储单元中状态量的采样时间进行比较。如果，前者比后者晚一个采样周期，则跳转到步骤105处；如果前者比后者晚两个或更多的采样周期，则跳转到步骤106处；如果前者比后者早一个或多个采样周期，则跳转到步骤107处。

步骤105一般对应于接收到连续的采样点数据时的情况。在这种情况下，缓冲区的末端后移，最新接收的有用数据中的状态值和采样时间被添加到缓冲区的末端位置的存储单元。这种处理基本上与将数据加入先进先出队列(FIFO)的处理相同。处理后流程跳回步骤102，以接收新的有用数据分组。

步骤106对应于数据分组由于抖动还未到达或者发生丢失的情况。在这两种情况中，首先确定最新接收的状态量的采样时间与对应缓冲区末端的采样时间之差，这里假定为N_T。然后，将缓冲区后端后移N_T个存储单元，将最新接收的状态量的状态值重复地分别填入N_T个存储单元中，同时填入相应的顺序增大的采样时间，并且附加上缺失标记(TAG)，所述缺失标记(TAG)指示该采样时间的状态值并未接收。处理后流程跳回步骤102，以接收新的有用数据分组。

步骤107对应于晚到的数据分组最终被接收的情况。在这种情况下，首先确定：缓冲区中的哪个存储单元已有的采样时间等于最新接收的状态量的采样时间，如果找到该存储单元，则将最新接收的状态量的状态值和采样时间存储到该存储单元中，同时消除缺失标记(TAG)。如果找不到，这表明对应该采样时间的存储单元已经被更新的数据覆盖，则不将所接收的数据分组存储到缓冲区中。处理后流程跳回步骤102，以接收新的有用数据分组。

在现有技术中，经常利用FIFO队列顺序接收数据分组，通信网络带来的抖动将影响进一步的处理，由此FIFO队列中的状态值不是完全按时间顺序进行排列，这导致在进行时延补偿处理时不能较好地利用多个状态值。本发明方法利用报文格式中的时间戳，将所接收的状态量的值按时间顺序存储在缓冲区中，这不仅减小抖动对网络触觉控制系统性能的影响，而且使得能够更准确地利用缓冲区中多个状态值进行预测以较小时延影响。特别注意的是，如果时间戳的时间值不具有足够的精度，则实施本发明方法的效果变差。由于应用硬实时的操作系统RTAI以及主频高于1GHz的计算机，本发明系统的时间上的精度比不采用实时操作系统且具有低主频的系统的时间上的精度显著更高。

流程图200中所示的进程经由共享内存能够访问所述缓冲区中多个按照时间顺序的具有确定采样时刻的状态值。在进行时延补偿处理时，现有技术中常常通过所接收的一个采样点的状态值。本发明方法所利用的共享内存技术的优点在于，可以根据多个在时间上连续的状态值进行时延补偿处理，其中所述多个状态值随时可能由通信应用程序更新，如上面所述的。共享内存技术适合于使用图100所得到的缓冲区。因此，流程图200中所描述的处理可以应用更复杂的算法，以改善时延补偿的效果。

在步骤201处，PID一次递推，有关PID的实现参见上述的PID控制器。

在步骤202处，根据状态方程一次递推，状态方程的实现结合图5在更下面进行说明。

在步骤203处，判断多个从共享内存中取出的状态值是否带有缺失标记(TAG)。如果都不带有缺失标记(TAG)，则跳转到步骤204；如果至少一个带有缺失标记(TAG)，则跳转到步骤204。

在步骤204处，为所取出的状态值设定较高的权重。

在步骤205处，为所取出的状态值设定较低的权重。

在步骤206处，将多个取出的状态值与所计算的过去的相应时刻的状态值相比较，并计算出偏差(例如以相对的百分比形式)。

在步骤207处，根据权重用所计算的偏差修正递推的状态值。

在步骤208处，输出所预测的当前时刻的状态值。

在步骤209处，等待下一个周期。

特别注意的是，如果不采用共享内存技术，则缓冲区中的多个状态值不能较快地供其他处理的进程使用，从而实施本发明的效果变差。

在结合模型预测值与测量值方面，本发明不限于该实施例。在不背离附带的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，本领域的技术人员可以想到多种修改，例如在将PID控制器与控制对象的模型组成系统模型之后，基于系统模型进行预测，或者以其他方式结合模型预测结果与来自共享内存的按时间顺序排列的测量值序列，例如对不同时间段上的测量值与预测值之间的偏差进行外插。

图5示出了网络闭环控制系统的受控对象的控制模型的一个实施例的框图。时延补偿器中对状态的预估涉及受控对象的模型。在这个实施例中，对直流电机进行建模。所述模型的相关参数可以根据现有技术通过实验获得。控制模型包括第一电压源31、电枢电阻32、第二电压源33、电枢电感34、机械负荷35，其中第一电压源31、电枢电阻32、第二电压源33、电枢电感34在电气上形成电流回路，流过该回路的电流被成为I_A，在机械上，机械负荷35受到来自直流电机的转矩M_W，机械负荷的转速为N，其惯性转矩为J(平动部分的惯性转矩可以折算成转动部分的惯性转矩)。对于该模型，有：

电枢电流：I_A＝∫(U_A-E_A-R_AI_A)/L_Adt           方程(1)

反电压：  E_A＝C_ENΨ                         方程(2)

转速：    N＝∫(M_Mi-M_W)/(2πJ)dt            方程(3)

内转矩：  M_Mi＝C_MI_AΨ                       方程(4)

          C_M＝C_E/2π                        方程(5)

其中U_A为第一电压源上的电压，其大小经由模/数转换卡受到计算机的控制，E_A为第二电压源上的反电动势，用R_A表示电枢电阻的值，用L_A表示电枢电感的值，Ψ表示直流电机中的磁通，C_E、C_M为常数，以及M_W为机械负荷受到现场环境的阻转矩。

基于以上微分方程，假设x₁＝I_A，x₂＝N，u₁＝U_A，u₂＝M_W，y＝N，则得到连续的状态方程：

$\stackrel{\·}{X}=\mathrm{AX}+\mathrm{BU},$

y＝CX+DU，

其中，X＝[x₁ x₂]^T，U＝[u₁ u₂]^T，A、B、C、D分别根据方程(1)至(5)中的参数加以推导。

上述状态方程经进一步处理以及离散化后在控制器中被用于进行递推预测。

本发明所指的模型不限于该实施例中所采用的模型。根据现有技术，可以对许多其他类型的控制系统的进行建模。本实施例的模型仅用于说明本发明。特别地，利用面向对象的建模语言MODELICA(Modeling of Complex Physical Systems)及相应的组件库可以对实际的物理系统建立适当的模型，参见www.modelica.org。在欧洲，一些大的汽车公司已经开始在汽车设计中利用MODELICA进行建模，取得了一定的实用价值。

所述模型的相关参数可以借助于现有技术通过实验获得。需要注意，所述参数可以通过前面提及的字段ATTRIBUTE来传输或者从数据库中获取。当然，相比于系统的真实参数，模型中的参数具有一定误差，在具体实施例中，可以针对一种特定型号的设备进行精确测量，以便获得尽可能精确的模型参数；或者反过来，给定模型参数，通过对特定型号的设备进行电气上和/或机械上的修改，以得到满足精度要求的参数。在模型参数的测量或修正方面，可以参考广泛被应用的卡尔曼滤波，其同样对控制系统进行建模。

应当理解，上述实施例不是旨在限制本发明，而是旨在说明本发明。在不脱离本发明精神的范围内，本领域的技术人员可以进行多种修改与变更。在附带的权利要求中限定了本发明的保护范围。

附图标记列表

1     受控对象

2     现场环境

3     网络控制器

4     通信网络

5     用户

11    反馈信号

12    具有时延的反馈信号

13    经补偿的反馈信号

14    用户给定信号

15    经预估的给定信号

16    偏差信号

17    控制信号

18    具有时延的控制信号

19    来自现场环境的干扰信号

21    直流电动机

22    前向时延滞后器

23    PID控制器

24    反向时延滞后器

25    线性预估器

26    时延补偿器

27    受控主体

Claims (11)

1.一种经由通信网络(4)进行闭环控制的方法，其中，从受控对象(1)经由通信网络(4)传输的数据分组包括时间戳和控制数据，

其特征在于，

将多个经由通信网络(4)所传输的控制数据按时间戳的值缓冲存储在缓冲区中；

依赖于在缓冲区中的多个控制数据，结合控制系统的模型估计将来的控制状态；

根据所估计的控制状态和用户给定数据，对受控对象(1)进行闭环调节。

2.按照权利要求1的方法，

其特征在于，

所述用户给定数据依赖于由受控对象经由通信网络(4)传送给用户的视频信息。

3.按照权利要求1的方法，

其特征在于，

所述缓冲区利用共享内存来建立。

4.按照权利要求1或2的方法，

其特征在于，

在将控制数据放入缓冲区时，如果在两个控制数据的相应的时间戳之间存在一个或多个未接收到对应控制数据的时间戳，则为所述一个或多个时间戳给出标记，所述标记被用于随后的估计。

5.按照权利要求1或2的方法，

其特征在于，

通信网络(4)包括无线局域网络(WLAN)和/或第三代移动无线电通信网络(3G)。

6.按照权利要求2的方法，

其特征在于，

在传输控制数据和视频信息的过程中，也传输音频信息。

7.按照权利要求1或2的方法，

其特征在于，

应用游戏手柄来输出与控制相关的用户给定信号(14)。

8.按照权利要求1或2的方法，

其特征在于，

采用大容量闪存来存储用于执行所述方法所需的指令和数据。

9.一种用于经由网络通过预测进行闭环控制的网络控制系统，其中包括，

受控对象(1)，所述受控对象(1)对应于控制模型；

经由通信网络与受控对象进行通信的控制器(3)，用于处理从通信网络接收的控制数据，并将处理后的控制数据经由通信网络传输给受控对象；以及

与控制器相连接的人机接口，用于输入用户给定的信号到控制器以及从控制器(3)向用户输出受控对象(1)的状态信息，

其特征在于，

所述控制器(3)用于实施按照权利要求1或2的方法，并且

所述受控对象(1)利用按照权利要求1或2的方法来控制。

10.按照权利要求7的网络控制系统，

其特征在于，

所述受控对象(1)采集娱乐现场的视频信息。

11.一种交互采集终端，包括：

机械装置，用于在现场进行移动，

电气装置，用于驱动交互采集终端，

计算装置，用于处理视频信息与控制数据，

视频采集装置，用于采集现场的视频信息，以及

通信装置，用于接收与发送视频信息和控制信号，

其特征在于，

根据所采集的视频信息，利用按照权利要求1或2的方法对作为受控对象(1)的交互采集终端进行闭环控制。

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