CN103862473A - 基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法 - Google Patents

基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法 Download PDF

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CN103862473A CN201410075423.XA CN201410075423A CN103862473A CN 103862473 A CN103862473 A CN 103862473A CN 201410075423 A CN201410075423 A CN 201410075423A CN 103862473 A CN103862473 A CN 103862473A
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刘小平
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Abstract

本发明公开一种基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法，旨在解决在有时延条件下，波变量引起主端机、从端机的跟踪偏差的技术问题，本发明的方法是针对有时延的波变量主从遥操作系统，根据从端机的本地数据，对波变量变换引起的主从遥操作系统中主端机、从端机的位移偏差进行补偿，使得从端机的速度和位移都能准确地跟踪主端机的速度和位移，以提高主从遥操作系统的稳定性及跟踪性能。

Description

基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及远程主从遥操作系统操作机器人控制技术领域，尤其涉及有时延的波变量主从遥操作系统操作机器人跟踪控制技术中基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法。
背景技术
主从遥操作系统的工作模式是可以将人手延伸到人类很难到达或是对人有害的环境中去执行任务。但是主从遥操作系统操作机器人之间进行数据通信时之间存在有一定的时延。这种时延会导致主从遥操作系统的不稳定。而波变量转换能够解决主端机、从端机之间因数据通信时延导致的系统不稳定的问题，并能获得任意时延下的稳定遥操作。但是波变量的转换会引起从端机的速度命令信号偏离主机械臂的速度，从而造成从端机的实际速度偏离主端机的速度，而且随着时延的增大，相应的速度偏离也将增大。在通信时延为T的波变量主从遥操作系统中，从端机的速度命令为：
Figure 201410075423X100002DEST_PATH_IMAGE001
。
而理想的速度命令信号是滞后且经过滤波的主端机的机器人的速度信号，即：
Figure 595665DEST_PATH_IMAGE002
。
从端机的速度命令信号与理想的速度命令信号之间的偏差为：
Figure 201410075423X100002DEST_PATH_IMAGE003
，。；
这偏差是由于波变换引起的，最后将导致主从端机器人的实际速度产生偏差。本发明的主要目的在于解决有时延条件下，波变量引起的主从遥操作机器人之间的跟踪偏差问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法，旨在解决有时延条件下，波变量主从遥操作系统引起的跟踪偏差的技术问题。
为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：
设计一种基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法，设定主端机的速度为
Figure 476902DEST_PATH_IMAGE004
，主端机接收到操作者对其的力反馈信号为f mc ，从端机产生的速度命令信号为
Figure 201410075423X100002DEST_PATH_IMAGE005
,从端机中速度PI控制器输出的用于控制从端机的作用力信号为
Figure 66146DEST_PATH_IMAGE006
；包括以下步骤：   
①  主端机中的主端波变换控制器接收主端机的速度信号
Figure 111463DEST_PATH_IMAGE004
及力反馈信号f mc ，并将两者进行波变换产生主端前向波变量
Figure 201410075423X100002DEST_PATH_IMAGE007
；
② 从端机接收来自于主端机所产生的主端前向波变量
Figure 723316DEST_PATH_IMAGE007
并输入至波变换滤波器中将其转换为前向波变量
Figure 740951DEST_PATH_IMAGE008
；
③ 从端机的前向波变量校正器接收来自于波变换滤波器产生的前向波变量信号
Figure 297834DEST_PATH_IMAGE008
，将其进行校正后输出波变量
Figure 201410075423X100002DEST_PATH_IMAGE009
；
④ 将波变量
Figure 33709DEST_PATH_IMAGE009
经过逆波变换，产生的从端机的速度命令信号；
⑤ 从端机中的速度PI控制器接收步骤中速度命令信号
Figure 81802DEST_PATH_IMAGE005
和实时检测的从端机的速度信号，产生从端机的作用力
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。
上述步骤
Figure 39394DEST_PATH_IMAGE012
中的主端波变换控制器输出的主端前向波变量
Figure 730401DEST_PATH_IMAGE007
满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
上述步骤中的波变换滤波器为。
上述步骤
Figure 824576DEST_PATH_IMAGE010
中所述逆波变换满足：
Figure 66201DEST_PATH_IMAGE016
. 其中
Figure DEST_PATH_IMAGE017
。    将从端机产生的速度命令信号
Figure 793855DEST_PATH_IMAGE005
和从端机产生的力反馈信号信号
Figure 171746DEST_PATH_IMAGE011
经过波变换得到从端反馈波变量
Figure 241334DEST_PATH_IMAGE018
；所述从端反馈波变量
Figure 173518DEST_PATH_IMAGE018
满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
Figure 734555DEST_PATH_IMAGE017
；将
Figure 701374DEST_PATH_IMAGE008
，和
Figure 361343DEST_PATH_IMAGE011
分别经过拉氏变换为
Figure 243848DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 783283DEST_PATH_IMAGE022
；所述步骤
Figure 460252DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE023
中的
Figure 835870DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 522066DEST_PATH_IMAGE011
信号与
Figure 948630DEST_PATH_IMAGE018
信号经过拉氏变换后的
Figure 530921DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 924994DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 149302DEST_PATH_IMAGE021
与拉氏变换后的
Figure 945219DEST_PATH_IMAGE024
信号满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
。
在上述步骤
Figure 947679DEST_PATH_IMAGE023
中的前向波变量校正器和步骤
Figure 563468DEST_PATH_IMAGE010
中的逆波变换作用下，从机器人的速度命令信号。
上述速度PI控制器比例系数为B，积分系数为K。
本发明的有益效果在于：
本发明的方法是针对有时延的波变量主从遥操作系统，根据从端机的本地数据，设计前向波变量校正器对波变量主从遥操作系统的主从速度偏差进行补偿，使从端机的速度和位移都能准确地跟踪主端机的速度和位移，以提高主从遥操作系统的稳定性及跟踪性能。
本发明的特点是构成前向波变量校正器的数据都来源于从端机本地数据，容易实现；相应的前向波变量校正器能够实现从端机速度命令信号成为理想的速度命令信号，即滞后且经过滤波的主端机的速度信号，以提高位移跟踪的准确性，而且能应用于在任意时延下的主从遥操作机器人控制，包括地面精确实时遥控太空或深海的机器人或机器臂完成异物清除，设备修理等操作。
基于本发明的方法使得从端机的实际速度跟踪于滤波和滞后的主端机实际速度。消除了波变换引起的主从遥操作系统存在的跟踪偏差，同时又继承波变换能保证任意时延下主从遥操作系统无源性即稳定性的特点。
附图说明
图1为基于本发明的波变量主从遥操作系统位移跟踪控制器设计的主从遥操作系统示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
实施例：一种基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法。参见图1。在有通信时延的波变量主从遥操作系统中，从端机的速度命令与理想的速度命令信号之间的偏差为：
Figure 241891DEST_PATH_IMAGE003
。
为了实现主端机与从端机之间的理想跟踪，本发明设计一个前向波变量校正器来校正这个由波变换导致的速度命令偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE027
。
本发明实施例是基于波变换的主从遥操作系统操作机器人控制系统，包括主端机上的主机器人及主端计算机控制系统，从端机上的从端机器人及从端计算机控制系统，主端机与从端机之间通过通信网络连接进行数据传输，本方法基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法，包括以下步骤：
首先设定主端机的速度为
Figure 394348DEST_PATH_IMAGE004
，主端机接收到操作者对其的力反馈信号为f mc ，从端机产生的内部速度命令信号为
Figure 294171DEST_PATH_IMAGE005
,从端机中速度PI控制器输出的控制从端机的作用力为 ；
主端机中的主端波变换控制器接收主端机的速度信号
Figure 460207DEST_PATH_IMAGE004
及力反馈信号f mc ，并将两者进行波变换产生主端前向波变量
Figure 50588DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 138499DEST_PATH_IMAGE014
从端机接收来自于主端机所产生的主端前向波变量
Figure 294674DEST_PATH_IMAGE007
并输入至波变换滤波器中将其转换为前向波变量；
Figure 638248DEST_PATH_IMAGE023
从端机的前向波变量校正器接收来自于波变换滤波器产生的前向波变量信号
Figure 15002DEST_PATH_IMAGE008
，将其进行校正后输出波变量
Figure 25684DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 213214DEST_PATH_IMAGE010
将波变量
Figure 778187DEST_PATH_IMAGE009
经过逆波变换，产生的从端机的速度命令信号
Figure 489791DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 89400DEST_PATH_IMAGE028
从端机中的速度PI控制器接收步骤中速度命令信号
Figure 201898DEST_PATH_IMAGE005
和实时检测的从端机器的速度信号，产生从端机的作用力
Figure 186035DEST_PATH_IMAGE011
，在这个作用力控制下，可实现从端机的实际速度为
Figure 171308DEST_PATH_IMAGE005
，消除波变换引起的主从遥操作系统存在的跟踪偏差的问题。
上述步骤
Figure 949908DEST_PATH_IMAGE012
中的主端波变换控制器输出的主端前向波变量
Figure 971698DEST_PATH_IMAGE007
满足：
Figure 25104DEST_PATH_IMAGE013
。
上述步骤
Figure 333726DEST_PATH_IMAGE014
中波变换滤波器为
Figure 283227DEST_PATH_IMAGE015
。上述步骤
Figure 310089DEST_PATH_IMAGE010
中所述逆波变换满足：
Figure 619717DEST_PATH_IMAGE016
. 其中
Figure DEST_PATH_IMAGE029
。  
将从端机产生的速度命令信号和从端机产生的作用力信号经过波变换得到从端反馈波变量
Figure 948564DEST_PATH_IMAGE018
；所述从端反馈波变量满足：
Figure 626987DEST_PATH_IMAGE019
Figure 669023DEST_PATH_IMAGE017
；将
Figure 936057DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 603798DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 272677DEST_PATH_IMAGE011
分别经过拉氏变换为
Figure 734882DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 958053DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 960644DEST_PATH_IMAGE022
；所述步骤
Figure 202139DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 366404DEST_PATH_IMAGE023
中的
Figure 76871DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 617574DEST_PATH_IMAGE011
信号与
Figure 464307DEST_PATH_IMAGE018
信号经过拉氏变换后的、、与拉氏变换后的
Figure 790673DEST_PATH_IMAGE024
信号满足：
Figure 31161DEST_PATH_IMAGE025
。
在上述步骤
Figure 981800DEST_PATH_IMAGE023
中的前向波变量校正器和步骤
Figure 333147DEST_PATH_IMAGE010
中的逆波变换作用下，从端机的速度命令信号满足式：
Figure 685631DEST_PATH_IMAGE026
。所述速度PI控制器比例系数为B，积分系数为K。
本实施例对以上步骤说明如下：主端机、从端机之间通信的网络时延为T。在波变量传递的前向通道上，滤波器之后，设计一个基于从端本地数据的前向波变量校正器，实现波变量主从遥操作系统主端机与从端机之间速度与位移的理想跟踪，具体前向波变量校正器设计及应用方法如图1所示。在主端机，通过主端波变换控制器将主端机的速度及主端机接收到的力反馈信号f mc 经过主端波变换控制器进行波变换转换成主端机的主端前向波变量
Figure 534955DEST_PATH_IMAGE007
并满足：
Figure 939260DEST_PATH_IMAGE030
。
拉氏变换后的波变换方程如下：
   
Figure DEST_PATH_IMAGE031
； 
其中，b是波阻抗；
Figure 615092DEST_PATH_IMAGE032
是从主端机到从端机的前向波变量。
Figure 197383DEST_PATH_IMAGE015
是上述步骤
Figure 122614DEST_PATH_IMAGE014
的波变换滤波器。
Figure 815763DEST_PATH_IMAGE011
是从端机PI控制器产生的作用力信号，也是要反馈到主端机的作用力信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
是环境对从端机的作用力。在从端机通过其内的前向波变量校正器及速度PI控制器，来实现从端机的实际速度跟踪于期望速度命令信号。将从端机的速度命令信号和从端机的力反馈信号信号
Figure 381185DEST_PATH_IMAGE011
经过波变换得到从端反馈波变量
Figure 262554DEST_PATH_IMAGE018
；所述从端反馈波变量
Figure 290552DEST_PATH_IMAGE018
满足：
Figure 940977DEST_PATH_IMAGE017
；
将
Figure 865070DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 499314DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 783534DEST_PATH_IMAGE011
分别经过拉氏变换为
Figure 85202DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 180197DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 301737DEST_PATH_IMAGE022
；所述步骤
Figure 140380DEST_PATH_IMAGE014
、中的
Figure 562451DEST_PATH_IMAGE008
、信号与
Figure 295844DEST_PATH_IMAGE018
信号经过拉氏变换后的
Figure 775367DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 743323DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 308297DEST_PATH_IMAGE021
、与拉氏变换后的信号满足：
Figure 353930DEST_PATH_IMAGE025
。
基于本方法所设计的主从遥操作系统能够使从端机的机械臂的速度命令信号变成理想的速度命令信号
Figure 210896DEST_PATH_IMAGE034
，即滞后和经过滤波后的主机械臂速度
Figure DEST_PATH_IMAGE035
。从而使从端机的实际速度跟踪于滞后且滤波后的主端机的实际速度，消除波变换造成的主端机、从端机的跟踪误差。
本实施例中未提到相关参数及转换方法均为本领域中公知及常用技术，在此不再一一赘述。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法，其特征在于，首先设定主端机的速度为                                               
Figure 201410075423X100001DEST_PATH_IMAGE002
，主端机接收到操作者对其的力反馈信号为f mc ，从端机产生的速度命令信号为
Figure 201410075423X100001DEST_PATH_IMAGE004
,从端机中速度PI控制器输出的控制从端机的作用力信号为
Figure 201410075423X100001DEST_PATH_IMAGE006
；包括以下步骤：
主端机中的主端波变换控制器接收主端机的速度信号
Figure 110821DEST_PATH_IMAGE002
及力反馈信号f mc ，并将两者进行波变换产生主端前向波变量
Figure 201410075423X100001DEST_PATH_IMAGE008
；
从端机接收来自于主端机所产生的主端前向波变量
Figure 214912DEST_PATH_IMAGE008
并输入至波变换滤波器中将其转换为前向波变量
Figure 201410075423X100001DEST_PATH_IMAGE010
；
从端机的前向波变量校正器接收来自于波变换滤波器产生的前向波变量信号
Figure 463491DEST_PATH_IMAGE010
，将其进行校正后输出波变量
Figure 201410075423X100001DEST_PATH_IMAGE012
；
将波变量
Figure 544186DEST_PATH_IMAGE012
经过逆波变换，产生的从端机的速度命令信号
Figure 358558DEST_PATH_IMAGE004
；
从端机中的速度PI控制器接收步骤
Figure 201410075423X100001DEST_PATH_IMAGE014
中速度命令信号
Figure 118704DEST_PATH_IMAGE004
和实时检测的从端机的速度信号，产生从端机的作用力
Figure 854579DEST_PATH_IMAGE006
。
2.如权利要求1所述的基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法：其特征在于，所述步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE016
中的主端波变换控制器输出的主端前向波变量满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
。
3.如权利要求1所述的基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法：其特征在于，所述步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE020
中的波变换滤波器为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。
4.如权利要求1所述的基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法：其特征在于，所述步骤
Figure 846991DEST_PATH_IMAGE014
中所述逆波变换满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
； 其中
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。
5.如权利要求1所述的基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法：其特征在于，将从端机产生的速度命令信号
Figure 997612DEST_PATH_IMAGE004
和从端机产生的作用力信号
Figure 751942DEST_PATH_IMAGE006
经过波变换得到从端反馈波变量
Figure DEST_PATH_IMAGE028
；所述从端反馈波变量
Figure 675904DEST_PATH_IMAGE028
满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure 668131DEST_PATH_IMAGE026
；将，
Figure 505647DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 780770DEST_PATH_IMAGE006
分别经过拉氏变换为
Figure DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure DEST_PATH_IMAGE036
；所述步骤
Figure 361924DEST_PATH_IMAGE020
、中的
Figure 165932DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 894854DEST_PATH_IMAGE006
信号与信号经过拉氏变换后的
Figure 658596DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 430243DEST_PATH_IMAGE036
、与拉氏变换后的信号满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
。
6.如权利要求1所述的基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法：其特征在于，在所述步骤
Figure 201070DEST_PATH_IMAGE038
中的前向波变量校正器和步骤
Figure 553554DEST_PATH_IMAGE014
中的逆波变换作用下，从端机的速度命令信号满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
。
7.如权利要求1所述的基于从端本地数据的波变量位移跟踪控制方法：其特征在于，所述速度PI控制器的比例系数为B，积分系数为K。
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