CN104401393A - 远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，包括操纵机构、位置传感器、力传感器、反力模拟机构、功率驱动、控制器，其特征在于：位置传感器和力传感器分别对操纵机构的当前操纵位移和操纵力进行检测，控制器接收位置传感器信号和力传感器信号，同时实现操纵反力的计算、反力模拟控制算法和指令力闭环控制，并将电压控制信号输出给功率驱动模块以实现对操纵反力的模拟。本发明在不基于远程操纵系统执行机构的前提下，通过对操纵机构反力模拟控制算法的设计，即可实现对包括任意幅值摩擦力在内的任意操纵反力的真实模拟。

Description

远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统

技术领域

本发明属于机械操纵技术领域，具体涉及远程操纵系统操纵反力模拟技术。

背景技术

远程操纵系统正广泛应用于工业生产与日常生活领域，如远程手术、远程机器人操纵以及应用在汽车、飞机等交通工具上的线控技术等。远程操纵系统通常包含操纵机构以及执行机构，操纵机构作为与操纵人员直接互相作用的接口，其除了起到接收操纵人员的操纵指令作用外，还起到为操纵人员提供必要的操纵反力作用，以增强操纵人员的临场感觉。

操纵机构内部通常装有位置传感器和力(力矩)传感器，以及用以提供操纵反力的反力模拟机构，反力模拟机构对反力模拟效果的好坏，将直接影响到操纵人员的操纵感觉；此外，反力模拟机构往往还要求操纵力特性有较好的可调节性，以满足操纵人员不同的操纵体验。

现有远程操纵系统的操纵机构反力模拟方法主要有两种，一种是基于执行机构实际执行力(力矩)的方法，即通过对反力模拟的控制将实际执行机构的执行力(力矩)复现出来；另一种是基于模型的计算反力模拟方法，即将操纵机构的操纵位置作为模型的输入信号，将通过模型计算得到的反力(力矩)作为反力模拟机构的指令力(力矩)。第一种方法基于实际的执行机构，其对反力模拟的可调节性往往大打折扣，不能实现任意的操纵力特性模拟；而第二种方法所基于的系统模型中往往包含摩擦模型，对摩擦操纵反力进行模拟时，由于摩擦模型的非线性特性，常会带来操纵机构的力(力矩)抖动、系统振荡、系统响应速度慢等问题，给操纵人员的操纵体验带来负面影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够不需要实际执行机构，仅利用反力模拟机构以及反力模拟控制算法，来实现对包括任意幅值摩擦力在内的任意操纵力特性的良好模拟。

为了达到以上目的，本发明的技术方案是：一种远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，包括操纵机构、位置传感器、速度传感器(亦可采用位置传感器信号微分等方式来替代)、力传感器、反力模拟机构、功率驱动、控制器。位置传感器和力传感器分别对操纵机构的当前操纵位移和操纵力进行检测，控制器接收位置传感器信号和力传感器信号，同时实现包括操纵反力的计算、反力模拟控制算法和指令力闭环控制的功能，并将电压控制信号输出给功率驱动模块以实现对操纵反力的模拟。

控制器内部操纵力矩计算模块用以实现操纵力特性的计算功能，将操纵力特性分解为刚度项和摩擦项，并可通过对可调力特性参数进行修改实现任意形状的操纵力特性，通过接收到的操纵机构位置信号，输出操纵力的刚度项和摩擦项的计算值。其中，操纵力特性指操纵机构的操纵力与位置和速度的关系。

可调操纵力特性根据距离操纵机构中间位置的远近可分为三个区域：区域1(操纵机构总体可操纵距离三分之一以内范围区域)、区域2(操纵机构总体可操纵距离三分之一至三分之二范围区域)和区域3(操纵机构总体可操纵距离三分之二以外范围区域)；可调操纵力特性的计算主要包括分布在这三个区域的七个可调参数，通过对这七个参数的调整便可以实现任意的操纵力特性，这七个参数主要是：

①区域1内的操纵力特性的比例值K₁：表示区域1内操纵力矩相对于操纵位移的变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值；

②区域1内的操纵力特性的摩擦力值F₁：表示区域1内操纵力矩中的摩擦力值，即操纵力矩值上限与下限值之差的一半；

③区域2内的操纵力特性的比例值K₂：表示区域2内操纵力矩相对于操纵位移的变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值；

④区域3内的操纵力特性的比例值K₃：表示区域3内操纵力矩相对于操纵位移的变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值；

⑤区域3内的操纵力特性的摩擦力值F₃：表示区域3内操纵力矩中的摩擦力值，即操纵力矩值上限与下限值之差的一半；

⑥操纵机构远离中间位置过程中的转折位置x₂：表示操纵机构逐渐远离中间位置而进入到区域3的一个转折位置；

⑦操纵机构返回中间位置过程中的转折位置x₁：表示操纵机构由远离中间位置的区域逐渐返回中间位置而进入区域1的一个转折位置。

控制器内部的反力模拟控制算法模块的主要功能在于，其接收到操纵机构位置信号、力信号和设计操纵力信号值，在对系统稳定性能、扰动抑制性能和系统带宽性能进行分析的基础上，进行控制算法设计，并输出指令力值，实现对包括任意幅值摩擦操作反力在内的任意操纵力的模拟，主要包括基于摩擦力模型和鲁棒控制的方法(控制方案1)和基于扰动观测器和零速闭环的方法(控制方案2)。

所述的控制方案1：通过在刚度项操纵力后加校正环节抑制操纵机构返回中位时产生的抖动现象；通过低通滤波或者其他滤波方法计算得到操纵机构位移速度；基于渐变型的摩擦力模型以及操纵机构位移速度信号得到期望操纵摩擦力值；通过鲁棒控制器解决摩擦力模型引起的力抖动、带宽响应以及系统稳定性的矛盾，将校正环节与鲁棒控制器的输出相加，作为最终的目标指令力值。

所述的控制方案2：通过低通滤波或者其他滤波方法计算得到操纵机构位移速度；通过比例控制器对目标操纵机构位移速度进行零速控制；根据操纵机构位移速度和力传感器信号进行基于扰动观测器方法的力补偿计算；通过操纵机构位置信号，结合设计的操纵力特性，计算出反力模拟机构输出反力的上下限，并送入限幅环节；限幅环节的输出作为最终的目标指令力值。

由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是：本发明在不基于远程操纵执行机构的前提下，通过对操纵机构的反力模拟机构以及反力模拟控制算法的设计，即可实现对包括任意幅值摩擦力在内的任意操纵反力的真实模拟，从而在降低系统成本的同时增加了反力模拟系统的灵活性和适用范围。

附图说明

图1是本发明实施例远程操纵系统用操纵反力模拟系统的结构示意图。

图2是本发明实施例汽车线控转向系统方向盘操纵反力模拟系统的结构示意图。

图3是任意可调操纵力特性原理图。

图4是基于摩擦力模型和鲁棒控制的反力模拟控制算法框图。

图5是加入校正环节前后的系统开环bode图。

图6是基于操纵机构位移速度的渐变型摩擦力模型原理图。

图7是广义被控对象搭建和鲁棒控制器求解框图。

图8是基于扰动观测器和零速闭环控制的反力模拟控制算法框图。

图9是基于扰动观测器和零速闭环控制的反力模拟控制算法的具体实现图。

图10是系统模型发生摄动时对系统开环bode图影响的分析图。

图11是由驾驶员操纵得到的方向盘转角信号图。

图12是基于摩擦力模型和鲁棒控制得到的不同设计摩擦力幅值情况下方向盘操纵摩擦力矩模拟效果图。

图13是基于扰动观测器和零速闭环控制得到的不同设计摩擦力幅值情况下方向盘操纵摩擦力矩模拟效果图。

图14是基于摩擦力模型和鲁棒控制得到的设计目标力特性实现效果图。

图15是基于扰动观测器和零速闭环控制得到的设计目标力特性实现效果图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明在汽车线控转向技术上的应用作进一步的说明，以帮助该领域的技术人员进一步理解该发明。应当指出的是，该发明所应用领域不局限于汽车线控转向技术，还可应用于如虚拟手术、机器人远程操纵等其他领域的远程操纵系统。例如在虚拟手术领域，通过对真实手术场景的模拟，借助一定的触觉、视觉交互装置，实现医生在虚拟环境下进行手术模拟和手术培训等，其实施方法为：一方面传感器测量手术刀真实的运动和力信息，另一方面通过力反馈执行机构将手术刀的力信息传递给外科医生，从而增强医生的操纵触觉感，而对力反馈信息的模拟则可以使用本发明所描述的技术方案；在机器人远程操纵领域，如排爆机器人，其用于协助排爆人员对可疑物进行处置或销毁，避免不必要的人员伤亡，其实施方法为：一方面视觉传感器和排爆机器人机械臂力传感器测量排爆现场的信息，并通过无线通信反馈给排爆专家，另一方面排爆专家通过操纵机构来对机器人进行远程操纵，并通过力反馈机构感知排爆现场的触觉信息，为进一步的排爆策略提供依据，而力反馈机构对触觉信息的模拟则可以使用本发明所描述的技术方案。以下对本发明在汽车线控转向技术上的应用作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明是一种远程操纵系统用操纵反力模拟系统及控制方法，包括操纵机构、位置传感器、速度传感器(亦可采用位置传感器信号微分等方式来替代)、力传感器、反力模拟机构、功率驱动、控制器。位置传感器和力传感器分别对操纵机构的当前操纵位移和操纵力进行检测，控制器接收位置传感器信号和力传感器信号，同时实现包括操纵反力的计算、反力模拟控制算法和指令力闭环控制的功能，并将电压控制信号输出给功率驱动模块以实现对操纵反力的模拟。

如图2所示，是该发明在汽车线控转向系统反力模拟系统及控制方法中的应用示意图，包括方向盘1、转向管柱2、角度传感器3、力矩传感器4(可选)、反力电机5、功率驱动器6、电流传感器7和控制器，方向盘通过转向管柱与反力电机同轴相连，角度传感器安装到转向管柱，控制器接收角度传感器采集到的方向盘操纵角度，根据已设计的方向盘操纵力特性计算出当前的方向盘操纵力矩，将计算得到的方向盘操纵力矩信息解耦为刚度项和摩擦项，送入反力模拟控制模块，反力模拟控制算法对所要实现的刚度项力矩和摩擦项力矩进行控制实现并计算出送入电流闭环控制模块的目标电流值，电流闭环控制模块通过电机驱动模块及其内部的电流传感器对此目标电流值进行闭环控制，从而实现对方向盘不同操纵角度下操纵反力感觉的模拟。

如图3所示，为任意可调操纵力特性设计示意图，方向盘操纵力由刚度项和摩擦项组成，并由转向时的转折角度θ₁和回正时的转折角度θ₂将操纵力特性分为3个区域，即区域1(-θ₁与θ₁之间的区域)、区域2(θ₁与θ₂之间以及-θ₂与-θ₁之间的区域)和区域3(大于θ₂与小于-θ₂之间的区域)，每个区域具有两个力特性设计参数：刚度项系数K和摩擦力(矩)F，刚度项系数为操纵力矩相对于操纵机构位置的变化率，及操纵力对操纵机构位置的偏导数值，摩擦力(矩)为设计操纵力矩值上限与下限值之差的一半；最终设计力特性可分解为刚度项和摩擦力矩项，并由相应参数计算得到，计算公式如下：

刚度项： $\begin{array}{cc}{T}_K=\left\{\begin{array}{c}{K}_1\&CenterDot;\left|\mathrm{\&theta;}\right|,\\ K_2\&CenterDot;\left(\right|\mathrm{\&theta;}|-{\mathrm{\&theta;}}_1)+K_1\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_1,\\ K_3\&CenterDot;\left(\right|\mathrm{\&theta;}|-{\mathrm{\&theta;}}_2)+K_2\&CenterDot;({\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_1)+K_1\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_1,\end{array}\right.& {\mathrm{\&theta;}}_1<\begin{array}{c}\left|\mathrm{\&theta;}\right|<{\mathrm{\&theta;}}_1\\ \left|\mathrm{\&theta;}\right|<{\mathrm{\&theta;}}_2\\ \left|\mathrm{\&theta;}\right|>{\mathrm{\&theta;}}_2\end{array}\end{array}$

摩擦项： $\begin{array}{cc}{T}_F=\left\{\begin{array}{c}{F}_1\\ F_2\\ F_3\end{array}\right.& {\mathrm{\&theta;}}_1<\begin{array}{c}\left|\mathrm{\&theta;}\right|<{\mathrm{\&theta;}}_1\\ \left|\mathrm{\&theta;}\right|<{\mathrm{\&theta;}}_2\\ \left|\mathrm{\&theta;}\right|>{\mathrm{\&theta;}}_2\end{array}\end{array}$

其中， $F_2=\frac{\left|\mathrm{\&theta;}\right|-{\mathrm{\&theta;}}_1}{|{\mathrm{\&theta;}}_2-{\mathrm{\&theta;}}_1|}\&CenterDot;(F_3-F_1)+F_1,$ 各符号含义解释如下：

θ：操纵机构位置，此处表示方向盘角度值；K₁：区域1内的刚度项系数；K₂：区域2内的刚度项系数；K₃：区域3内的刚度项系数；F₁：区域1内的摩擦力(矩)值；F₂：区域2内的摩擦力(矩)值；F₃：区域3内的摩擦力(矩)值；T_K表示各区域设计的刚度项力矩值；T_F表示各区域的摩擦项力矩值；

则最终的设计操纵力特性为：其中T为设计力矩值，sign()为符号函数，为方向盘角速度。通过对上述摩擦项和刚度项系数进行修改，即可实现对任意方向盘操纵力特性的模拟。

对反力电机进行控制以实现对操纵力特性进行模拟时，系统构成闭环系统，系统存在稳定性、扰动抑制和系统带宽等相互矛盾的性能指标，而这些性能指标将直接影响系统对方向盘操纵力特性模拟的效果。以下对两种反力模拟控制方案进行具体实施方法的介绍，主要包括：基于摩擦力模型和鲁棒控制的方法(控制方案1)和基于扰动观测器和零速闭环控制方法(控制方案2)。

控制方案1：如图4所示，为本方案使用的基于摩擦力模型和鲁棒控制的反力模拟控制算法框图。当车辆行驶速度逐渐增高，单位方向盘转角所产生的前轮侧偏角逐渐增大，由此产生的侧向力引发的回正力矩逐渐增大，即所对应的线控转向系统设计力特性的刚度项K_x(x＝1～3)增大，由于由力矩到方向盘转角的传递函数为二阶低通传递函数环节，考虑到执行机构带宽上的滞后，若系统阻尼较小，则系统开环频率特性将趋于不稳定，所以需要进行如图4所示的校正环节的设计。校正前后系统开环bode图如图5所示，可见在加入校正环节后系统在穿越频率处的相角裕度明显增加。

由方向盘角度信号计算角速度信号的方法有较多选择，此处介绍基于低通滤波器的方向盘角速度计算方法，即首先对角度信号进行微分，然后送入两个并联的转折频率为16Hz的低通滤波器，以降低微分环节引入的噪声对系统性能的影响。

如图6所示，为对摩擦项操纵力进行模拟时所基于的渐变型摩擦力模型，由跳变型的库伦摩擦模型转化而来，横轴为方向盘角速度纵轴为基于此模型得到的摩擦力矩设幅值为F_x(x＝1～3)，角速度阈值为-k_F为方向盘0速区域的斜率，则可表示为：

$F\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}-k_F\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}& \left|\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\right|<{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{throttle}}\\ -F_x\mathrm{sign}\left(\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\right)& \left|\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\right|\&GreaterEqual;{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{throttle}}\end{array}\right.$

当图6中的角速度阈值较大时，则起不到对强非线性摩擦力的模拟效果，当角速度阈值较小时，对于给定的摩擦力幅值F_x(x＝1～3)，较大，这就意味着较大的系统开环增益，对系统稳定性、扰动抑制的性能和系统响应带宽具有不利影响；为了解决此多目标控制问题的矛盾，图7所示为基于鲁棒控制的控制器求解框图，其中反力模拟机构、摩擦力模型、权函数W1(s)和W2(s)、电机电流闭环环节共同组成了鲁棒控制器求解所对应的广义被控对象，广义被控对象的输入分别为方向盘角速度信号的噪声以及驾驶员操纵力矩T_driver，控制输出z₁和z₂分别用以设定目标操纵反力的响应带宽以及限制传感器噪声所造成的力矩抖动，通过选取合适的权函数并利用matlab工具箱即可求解出合适的鲁棒控制器。

控制方案2：如图8所示，为基于扰动观测器和零速闭环控制的反力模拟控制算法框图，其控制思想为：首先设定对方向盘的角速度为零，然后通过一个比例控制器实现对方向盘角速度的闭环控制；其次，通过使用对系统模型的先验信息，结合传感器测得的力矩信号和滤波得到的方向盘角速度信号，对驾驶员的操纵力矩进行估计，并将其对方向盘角速度引起的变化补偿掉；将比例控制器和扰动观测器计算得到的指令力矩相加，并送入限幅环节；限幅环节的上下限输出力矩由当前方向盘转角下的设计操纵力特性唯一确定，即电机输出力矩的上限为T_max＝T_Ksign(θ)+T_F,下限为T_min＝T_Ksign(θ)-T_F。

如图9所示，为此方案的具体实施框图，其中为目标方向盘角速度；k为比例控制器，用来保证在驾驶员未操纵方向盘的情况下方向盘也能尽快由于所模拟摩擦力的作用而趋于零速，由于力到角速度的传递函数近似为一阶低通滤波环节，所以k值只需保证系统具有足够的稳定裕度并越大越好；M(s)为对电机的输出电流进行闭环控制时电机简化得到的传递函数，当反力电机具有较高的带宽时此环节可忽略不计；P₁(s)与P₂(s)分别为电机输出力矩和驾驶员操纵力矩到方向盘角速度的传递函数，即 代表角速度信号的噪声；扰动观测器内部，和分别为P₁(s)、P₂(s)和M(s)的标称模型，即控制器所认为的系统模型，和分别为和的逆传递函数；Q₁(s)、Q₂(s)和Q₃(s)分别为控制器实现所需的低通滤波环节，Q₁(s)和Q₂(s)的选择应考虑对电机输出力矩的高频噪声信号起到抑制作用，同时还应考虑不能牺牲系统响应带宽。扰动观测器内部工作过程如下：首先将驾驶员操纵力矩对方向盘角速度的影响分量估计出来，即T_m表示电机输出力矩，然后将估计值经和后送入电机的指令力矩部分，从而起到将驾驶员操纵力矩对方向盘角速度影响抵消掉的作用；限幅环节用以限制电机输出力矩的上下限。

如图10所示，为基于扰动观测器和零速闭环控制的开环bode图，由图可知，当系统标称模型，即控制器对模型的先验知识发生20％的摄动(任意系统参数同时或单独发生变化)时，系统仍然具有较好的开环稳定裕度，系统参数包括：方向盘和电机的惯量、阻尼，力矩传感器的刚度。

如图11所示，为基于图2所示线控转向系统反力模拟机构，由驾驶员操纵方向盘所实现的频率为0.2Hz幅值为15°左右的正弦角输入信号。

如图12所示，为在图11所示方向盘转角输入情况下，当设计方向盘操纵力特性中的刚度项为0即只有摩擦项力矩情况下，基于控制方案1的方向盘力矩值；由三幅图可见，当方向盘操纵方向发生改变时，摩擦力值会发生符号的翻转，即由一侧幅值跳变到符号相反的幅值；图12由上向下分别为设计摩擦力幅值分别为1N.m、2N.m和3N.m情况下的摩擦力跳变图，由图可见随着设计摩擦力幅值的增加，由于在图6所示的摩擦力模型中角速度阈值的增大，使得摩擦力的跳变时间逐渐增长，分别为0.5s，0.7s，0.9s。

如图13所示，为在图11所示方向盘转角输入情况下，当设计方向盘操纵力特性中的刚度项为0即只有摩擦项力矩情况下，基于控制方案2的方向盘力矩值；由三幅图可见，当方向盘操纵方向发生改变时，摩擦力值会发生符号的翻转，即由一侧幅值跳变到符号相反的幅值；图13由上向下分别为设计摩擦力幅值分别为1N.m、2N.m和3N.m情况下的摩擦力跳变图，由图可见随着设计摩擦力幅值的增加，由于不基于摩擦力模型，使得摩擦力的跳变时间为0.5s，且不会随设计摩擦力幅值的改变而改变，从而保证了摩擦力模拟效果较好的一致性。

如图14所示，为在图11所示方向盘转角输入情况下，当设计方向盘操纵力特性为实线所示时，基于控制方案1的方向盘实际虚线操纵力特性；由图可见，电机输出力矩可以较好的跟踪所设计的方向盘力特性，电机力矩抖动控制在0.2N.m以内，且驾驶员松手后方向盘具有较好的稳定性；方向盘换向时的摩擦力特性基本能较好的跟踪所设计的力特性，没有明显的延迟滞后现象发生。

如图15所示，为在图11所示方向盘转角输入情况下，当设计方向盘操纵力特性为实线所示时，基于控制方案2的方向盘实际虚线操纵力特性；由图可见，电机输出力矩可以较好地跟踪所设计的方向盘力特性，并没有较明显的电机力矩抖动，且驾驶员松手后方向盘具有较好的稳定性；方向盘换向时的摩擦力特性能较好地跟踪所设计的力特性，而且由于方法本身不基于摩擦力模型，在方向盘换向时产生的摩擦力特性的跳变较基于方案1更加贴近于所期望的跳变型目标摩擦力特性。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，包括操纵机构、位置传感器、力传感器、反力模拟机构、功率驱动、控制器，其特征在于：位置传感器和力传感器分别对操纵机构的当前操纵位移和操纵力进行检测，控制器接收位置传感器信号和力传感器信号，同时实现操纵反力的计算、反力模拟控制算法和指令力闭环控制，并将电压控制信号输出给功率驱动模块以实现对操纵反力的模拟。

2.根据权利要求1所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所述控制器的操纵反力的计算包括：将操纵力特性分解为刚度项和摩擦项，并可通过对可调操纵力特性的参数进行修改实现任意形状的操纵力特性，通过接收到的操纵机构位置信号，输出操纵力的刚度项和摩擦项的计算值；其中，操纵力特性指操纵机构的操纵力与位置的关系。

3.根据权利要求2所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所述可调操纵力特性的参数是指：可调操纵力特性根据距离操纵机构中间位置的远近可分为三个区域：区域(1)、区域(2)和区域(3)；

其中：区域(1)是操纵机构总体可操纵距离三分之一以内范围区域；区域(2)是指操纵机构总体可操纵距离三分之一至三分之二范围区域；区域(3)是指操纵机构总体可操纵距离三分之二以外范围区域；

可调操纵力特性的计算包括分布在这三个区域的七个可调参数，通过对这七个参数的调整便可以实现任意的操纵力特性。

4.根据权利要求3所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所述七个参数包括：

①区域(1)内的操纵力特性的比例值K₁：表示区域(1)内操纵力矩相对于操纵位移的变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值；

②区域(1)内的操纵力特性的摩擦力值F₁：表示区域(1)内操纵力矩中的摩擦力值，即操纵力矩值上限与下限值之差的一半；

③区域(2)内的操纵力特性的比例值K₂：表示区域(2)内操纵力矩相对于操纵位移的变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值；

④区域(3)内的操纵力特性的比例值K₃：表示区域(3)内操纵力矩相对于操纵位移的变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值；

⑤区域(3)内的操纵力特性的摩擦力值F₃：表示区域(3)内操纵力矩中的摩擦力值，即操纵力矩值上限与下限值之差的一半；

⑥操纵机构远离中间位置过程中的转折位置x₂：表示操纵机构逐渐远离中间位置而进入到区域(3)的一个转折位置；

⑦操纵机构返回中间位置过程中的转折位置x₁：表示操纵机构由远离中间位置的区域逐渐返回中间位置而进入区域(1)的一个转折位置。

5.根据权利要求1所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所述控制器的反力模拟控制算法，包括：其接收到操纵机构位置信号、力信号和设计操纵力信号值，在对系统稳定性能、扰动抑制性能和系统带宽性能进行分析的基础上，进行反力控制算法设计，并输出指令力值，实现对包括任意幅值摩擦操作反力在内的任意操纵力的模拟。

6.根据权利要求5所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所述控制器的反力控制算法设计，包括：通过在刚度项操纵力输出端串联校正环节来抑制操纵机构返回中位时产生的抖动现象；通过低通滤波或者其他滤波方法计算得到操纵机构位移速度；基于渐变型的摩擦力模型以及操纵机构位移速度信号得到期望操纵摩擦力值；通过鲁棒控制器解决摩擦力模型引起的力抖动、带宽响应以及系统稳定性的矛盾，将校正环节与鲁棒控制器的输出相加，作为最终的目标指令力值。

7.根据权利要求5所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所述控制器的反力控制算法设计，包括：通过低通滤波或者其他滤波方法计算得到操纵机构位移速度；通过比例控制器对目标操纵机构位移速度进行零速控制；根据操纵机构位移速度和力传感器信号进行基于扰动观测器方法的力补偿计算；通过操纵机构位置信号，结合设计的操纵力特性，计算出反力模拟机构输出反力的上下限，并送入限幅环节；限幅环节的输出作为最终的目标指令力值。