CN105353616B - 一种基于波变量的定时延遥操作控制方法 - Google Patents

一种基于波变量的定时延遥操作控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波变量的定时延遥操作控制方法，通过建立主从端的动力学模型及时延模型，设计前向通道波变量补偿项，设计反向通道波变量补偿项以及最后设计能量整定器，以解决遥操作中的时延带来的稳定性问题，同时提高遥操作过程中的跟踪性能和力反馈逼真度。本发明能够很好的保证遥操作系统在定时延条件下的稳定性，具有良好的位置跟踪性能和良好的力反馈逼真度；本发明所公开的遥操作控制方法通过波变量的方法，可以保证遥操作系统在时延情况下的稳定性，同时可以提高时延遥操作系统的位置和力的跟踪性能。

Description

一种基于波变量的定时延遥操作控制方法
【技术领域】
本发明属于遥操作控制领域，具体涉及一种基于波变量的定时延遥操作控制方法。
【背景技术】
遥操作已经在诸如空间机器人、高精度装配、手术等诸多领域扮演着重要角色。在遥操作系统中，操作者通过操作从端的机械臂与远端环境进行交互。遥操作可以给操作者提供一个安全的环境，同时具有很强的临场感。但是时延极大的影响到遥操作的稳定性，而时延又广泛存在于通信信道中。波变量方法脱胎于无源控制理论，可以很好的解决由时延带来的遥操作稳定性问题。
【发明内容】
本发明的目的在于解决遥操作中的时延带来的稳定性问题，一种基于波变量的定时延遥操作控制方法，该方法能够同时提高遥操作过程中的跟踪性能和力反馈逼真度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于波变量的定时延遥操作控制方法，包括以下步骤：
1)建立主从端的动力学模型及时延模型：
其中，Mm表示主端质量，表示主端加速度，fh表示手施加给主端的力，fmc表示从端反馈到主端的控制力；Ms表示从端质量，表示从端加速度，fsc表示从端控制器产生的控制力，fe表示环境施加给从端的力；B和K分别表示从端控制器的微分参数和比例参数；表示主端传输到从端的期望速度，xsc表示主端传输到从端的期望位置，和分别表示主端和从端的实际速度，下标m表示主端，下标s表示从端；
期望的主端和从端之间的关系是：
Fmc(s)＝Fsc(s)e-sT (1-5)
s表示拉普拉斯算子，分别表示主端和从端的速度的拉普拉斯变换，表示主端向从端传输信道中的低通滤波器，λ为滤波器的带宽，Fmc(s)表示从端反馈到主端的控制力的拉普拉斯变换；Fsc(s)表示从端控制力的拉普拉斯变换；e-sT表示定时延通信环节的拉普拉斯变换；
在信道传输过程中，采用波变量进行传输；在频域内的波变量变换公式如下：
其中，b为波变量参数，Um(s)表示主端的前向波变量的拉普拉斯变换，Vm(s)表示主端的反向波变量的拉普拉斯变换，Us(s)表示从端的前向波变量的拉普拉斯变换，Vs(s)表示从端的反向波变量的拉普拉斯变换，表示从端收到的主端传输的期望速度的拉普拉斯变换；
因为存在时延，建立如下的时延模型：
其中，T表示主端与从端之间的时延，均为常数；
2)设计前向通道波变量补偿项
加入补偿项后，前向通道的波变量如下：
其中，ΔUs(s)为前向通道波变量补偿量的拉普拉斯变换；
为了达到稳定的跟踪性能，补偿量如下所示：
3)设计反向通道波变量补偿项
对反向通道的波变量增加补偿项ΔVm(s)，反向通道的波变量表示为：
Vm(s)＝Vs(s)e-sT+ΔVm(s) (1-13)
其中，ΔVm(s)为反向通道波变量补偿量的拉普拉斯变换；
传递到主端的反馈力为：
将(1-13)与(1-9)带入(1-14)，得到：
令：
则(1-15)中的就会被消掉，从而可以满足(1-5)的要求；
经过化简，得到：
ΔVm＝Um-Use-sT (1-17)
4)设计能量整定器
为了对主端耗散的能量进行计算，设计一个非负能量储存器：
Es(t)表示能量存储量，um(τ)为主端前向波变量的时域信号，vs(τ)为从端反向波变量的时域信号。
反向通道的波变量补偿项Δvm(t)的计算方式如下：
其中，γ和δ都是正的调节参数，γ决定了补偿的快慢，δ决定了能量储存器的累积的快慢，*代表卷积运算；当能量储存器达到零时，上式小括号中的项就会成为零，从而会阻断补偿项的计算，很好的保证系统的稳定性。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过建立主从端的动力学模型及时延模型，设计前向通道波变量补偿项，设计反向通道波变量补偿项以及最后设计能量整定器，以解决遥操作中的时延带来的稳定性问题，同时提高遥操作过程中的跟踪性能和力反馈逼真度。本发明能够很好的保证遥操作系统在定时延条件下的稳定性，具有良好的位置跟踪性能和良好的力反馈逼真度；本发明所公开的遥操作控制方法通过波变量的方法，可以保证遥操作系统在时延情况下的稳定性，同时可以提高时延遥操作系统的位置和力的跟踪性能。
【附图说明】
图1表示传统的基于波变量的遥操作系统结构示意图；
图2表示前向通道补偿的波变量遥操作系统结构示意图；
图3表示本发明的系统结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
参见图3，本发明基于波变量的定时延遥操作控制方法，包括以下步骤：
1)建立主端与从端的动力学模型：
其中Mm＝1kg，Ms＝1kg，B＝80Ns/m，K＝80N/m，fmc表示从端反馈到主端的控制力，fsc表示从端控制器产生的控制力，fh表示手施加给主端的力，fe表示环境施加给从端的力。表示主端传输到从端的期望速度，和分别表示主端和从端的实际速度，B和K分别表示从端控制器的微分参数和比例参数。下标m表示主端，下标s表示从端。
我们期望的主端和从端之间的关系是：
Fmc(s)＝Fsc(s)e-sT (1-5)
分别表示主端和从端速度的拉普拉斯变换，表示主端向从端传输信道中的低通滤波器，λ为滤波器的截止频率，λ＝15，Fmc(s)表示从端反馈到主端的控制力的拉式变换。
在信道传输过程中，采用波变量进行传输。在频域内的波变量变换公式如下：
其中b＝2。
2)时延模型如下：
其中T＝0.25s
3)为了达到稳定的跟踪性能，前向通道的波变量补偿量如下所示：
4)反向通道的补偿量如下：
ΔVm＝Um-Use-sT (1-12)
5)能量整定器设计如下：
其中：δ＝0.1，γ＝0.1。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于波变量的定时延遥操作控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立主从端的动力学模型及时延模型：
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其中，Mm表示主端质量，表示主端加速度，fh表示手施加给主端的力，fmc表示从端反馈到主端的控制力；Ms表示从端质量，表示从端加速度，fsc表示从端控制器产生的控制力，fe表示环境施加给从端的力；B和K分别表示从端控制器的微分参数和比例参数；表示主端传输到从端的期望速度，xsc表示主端传输到从端的期望位置，和分别表示主端和从端的实际速度，下标m表示主端，下标s表示从端；
期望的主端和从端之间的关系是：
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Fmc(s)＝Fsc(s)e-sT (1-5)
s表示拉普拉斯算子，分别表示主端和从端的速度的拉普拉斯变换，表示主端向从端传输信道中的低通滤波器，λ为滤波器的带宽，Fmc(s)表示从端反馈到主端的控制力的拉普拉斯变换；Fsc(s)表示从端控制力的拉普拉斯变换；e-sT表示定时延通信环节的拉普拉斯变换；
在信道传输过程中，采用波变量进行传输；在频域内的波变量变换公式如下：
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其中，b为波变量参数，Um(s)表示主端的前向波变量的拉普拉斯变换，Vm(s)表示主端的反向波变量的拉普拉斯变换，Us(s)表示从端的前向波变量的拉普拉斯变换，Vs(s)表示从端的反向波变量的拉普拉斯变换，表示从端收到的主端传输的期望速度的拉普拉斯变换；
因为存在时延，建立如下的时延模型：
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其中，T表示主端与从端之间的时延，均为常数；
2)设计前向通道波变量补偿项
加入补偿项后，前向通道的波变量如下：
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其中，ΔUs(s)为前向通道波变量补偿量的拉普拉斯变换；
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3)设计反向通道波变量补偿项
对反向通道的波变量增加补偿项ΔVm(s)，反向通道的波变量表示为：
Vm(s)＝Vs(s)e-sT+ΔVm(s) (1-13)
其中，ΔVm(s)为反向通道波变量补偿量的拉普拉斯变换；
从端反馈到主端的控制力为：
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则(1-15)中的就会被消掉，从而可以满足(1-5)的要求；
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ΔVm＝Um-Use-sT (1-17)
4)设计能量整定器
为了对主端耗散的能量进行计算，设计一个非负能量储存器：
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Es(t)表示能量存储量，um(τ)为主端前向波变量的时域信号，vs(τ)为从端反向波变量的时域信号；
反向通道的波变量补偿项Δvm(t)的计算方式如下：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;v</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;delta;E</mi> <mi>s</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>s</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>19</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，γ和δ都是正的调节参数，γ决定了补偿的快慢，δ决定了能量储存器的累积的快慢，*代表卷积运算；当能量储存器达到零时，中的项就会成为零，从而会阻断补偿项的计算，保证系统的稳定性。
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