CN109116723A - 基于加幂积分型有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于加幂积分型有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法，按以下步骤：1)分别选取主端触觉机械臂以及从端操作臂通过网络通信通道连接组成主从遥操作系统。获取主从端机械臂的动力学参数，动力学参数包括主从端惯性力矩阵、哥氏力与离心力矩阵、重力项矩阵等；2)针对该主从遥操作系统，定义主从端机械臂轨迹跟踪误差及误差变化率，然后在主从端均设计加幂积分型有限时间控制器。本发明的优点：1)从机械手可以准确快速地跟踪主机的轨迹；2)具有良好鲁棒性，适用于具有对称时变时延和不对称时变时延的遥操作系统。3)具有良好的抗外部干扰的性能。

Description

基于加幂积分型有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，涉及遥操作方法。

背景技术

遥操作技术自20世纪90年代起开始逐步发展，现已广泛运用于太空探测、核电站维护、医学临床手术等领域。一个典型的双边遥操作系统主要由五个部分组成：操作者，主端机械臂，网络通信通道，从端机械臂，外部环境。当主端动作信号通过前向通信通道传送给从站，同时传送从端与外部环境的相互作用力通过后向通信通道发送给主端，这被称为双边遥操作系统。如何使得系统误差在有限时间内收敛至零且对于内部参数不确定性以及外部干扰也具有很好的鲁棒性，一直以来是遥操作领域中关键的技术问题。

发明内容

本发明为双边遥操作系统开发了一种基于加幂积分方法的有限时间控制器。相对于传统的PID(比例-积分-微分)控制器，P+d(比例+微分)型控制器以及反演控制器而言，加幂积分型控制器具有更快的收敛速度以及更好的鲁棒性能，使系统能够在有限的时间内全局渐进稳定。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种基于加幂积分型有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法，按以下步骤：

步骤1：分别选取主端触觉机械手与从端操作臂通过网络通信通道连接组成主从遥操作系统。获取主从端机械臂的动力学参数，动力学参数包括主从端惯性力矩阵，哥氏力与离心力矩阵，重力项矩阵。

步骤2：针对该主从遥操作系统，计算主从端机械臂轨迹跟踪误差及误差变化率

主端误差及误差变化率：

e_m＝q_m-q_s(t-T_s)

q_m为主端角度，为主端角速度，T_s为从端至主端的网络时延，q_s(t-T_s)为从端角度经过T_s时延后的信号，为从端角速度经过T_s时延后的信号，e_m为主端机械臂轨迹跟踪误差，为主端机械臂轨迹跟踪误差变化率。

从端误差及误差变化率：

e_s＝q_s-q_m(t-T_m)

q_s为从端角度，为从端角速度，T_m为主端至从端的网络时延，q_m(t-T_m)为主端角度经过T_m时延后的信号，为主端角速度经过T_m时延后的信号。e_s为从端机械臂轨迹跟踪误差，为从端机械臂轨迹跟踪误差变化率。

在主从端分别设计加幂积分型有限时间控制器：

主端：

从端：

其中，i＝m,s代表主从端，M_i(q_i)为机械臂惯性矩阵，为哥氏力与离心力矩阵，G_i(q_i)为重力项矩阵，为主端角加速度信号经过T_m时延后的信号，为从端角加速度信号经过T_s时延后的信号，为主从端角速度。

K_i,B_i,r_i,i＝m,s分别代表主从端控制器参数，且满足以下条件：

1＜r_i＝r_i1/r_i2＜2，r_i1,r_i2均为正奇数。

τ_m为主端控制器提供的控制力矩，τ_s为从端控制器提供的控制力矩。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：1)由于主从端同步误差可以在有限时间内收敛至零，从机械手可以准确快速地跟踪主机的轨迹。2)带有加幂积分型有限时间控制器的遥操作系统系统对于内部系统参数不确定性具有良好鲁棒性，该控制器因此适用于具有对称时变时延和不对称时变时延的遥操作系统。3)在加幂积分型有限时间控制器的作用下，系统具有良好的抗外部干扰的性能。

附图说明

图1遥操作流程图。

图2加幂积分型有限时间控制器的遥操作系统控制框图。

图3加幂积分型有限时间控制器作用下主从端位移跟踪。

图4加幂积分型有限时间控制器作用下从端与外部环境交互力。

图5反演控制器作用下主从端位移跟踪。

图6反演控制器作用下从端与外部环境交互力。

图7PID(比例-积分-微分)控制器作用下主从端位移跟踪。

图8PID(比例-积分-微分)控制器作用下从端与外部环境交互力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-2所示，本实施例的步骤如下：

步骤1：分别选取两个构型相同的二自由度机械臂作为主从端机械臂，通过网络通信通道连接组成主从遥操作系统。获取主从端机械臂的动力学参数，动力学参数包括主从端惯性力矩阵，哥氏力与离心力矩阵，重力项矩阵。以上参数均通过计算主从对岸机械臂连杆长度，质量，每个连杆质心位置得出。

步骤2：针对遥操作系统设计主从端

首先给出基于关节空间的主从端遥操作机械臂动力学方程：

式中，为关节角度，为关节角速度，为关节角加速度，代表惯性矩阵，代表离心力与哥氏力矩阵，代表重力项矩阵,J_i代表雅可比矩阵，i＝m,s代表主从端。分别代表人手操作力与环境力。

针对该主从遥操作系统，计算主从端机械臂轨迹跟踪误差及误差变化率。

主端误差及误差变化率：

T_s为从端至主端的网络时延，q_s(t-T_s)为从端角度经过T_s时延后的信号，为从端角速度经过T_s时延后的信号，e_m为主端机械臂轨迹跟踪误差，为主端机械臂轨迹跟踪误差变化率。

从端误差及误差变化率：

T_m为主端至从端的网络时延，q_m(t-T_m)为主端角度经过T_m时延后的信号，为主端角速度经过T_m时延后的信号。e_s为从端机械臂轨迹跟踪误差，为从端机械臂轨迹跟踪误差变化率。

通过计算主从端惯量矩阵M_m(q_m),M_s(q_s)，哥氏力与离心力矩阵与重力项矩阵G_m(q_m),G_s(q_s)，以及测量延时后的主端角加速度命令信号从端角加速度命令信号主从端机械臂轨迹跟踪误差e_m,e_s，误差变化率从而设计出主从端控制器为：

主端：

从端：

K_i,B_i,r_i,i＝m,s分别代表主从端控制器参数，且满足以下条件：

1＜r_i＝r_i1/r_i2＜2，r_i1,r_i2均为正奇数。

实验中，参数选取如下：

K_m＝diag(2,2),B_m＝diag(1.8,1.8),r_m＝diag(17/13,17/13)

K_s＝diag(2,2),B_s＝diag(1.8,1.8),r_s＝diag(17/13,17/13)

步骤3：实时检测主从端机械臂的关节信息，其中包括主从端关节角度与关节角速度，主从端关节角加速度，从而计算出主从端控制器提供的控制力矩，保证了整个系统的快速收敛性与强鲁棒性。

步骤4：分别与反演控制器作用下的结果和PID(比例-积分-微分)控制器作用下的结果做对比。

结合图4，图6与图8对比图3，图5与图7三种控制器作用下的主从端位移跟踪效果，可以看出，采用加幂积分型有限时间控制器，主从端的跟踪效果以及控制器本身的鲁棒性均达到最优。

Claims (1)

1.一种基于加幂积分型有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法，其特征是按以下步骤：

步骤1：分别选取主端触觉机械臂以及从端实际操作机械臂，通过网络通信通道连接组成主从遥操作系统；获取主从端机械臂的动力学参数，动力学参数包括主从端惯性力矩阵、哥氏力与离心力矩阵、重力项矩阵；

步骤2：针对该主从遥操作系统，定义主从端机械臂轨迹跟踪误差及误差变化率：

主端轨迹跟踪误差及误差变化率：

e_m＝q_m-q_s(t-T_s)

q_m为主端角度，为主端角速度，T_s为从端至主端的网络时延，q_s(t-T_s)为从端角度经过T_s时延后的信号，为从端角速度经过T_s时延后的信号，e_m为主端机械臂轨迹跟踪误差，为主端机械臂轨迹跟踪误差变化率；

从端轨迹跟踪误差及误差变化率：

e_s＝q_s-q_m(t-T_m)

q_s为从端角度，为从端角速度，T_m为主端至从端的网络时延，q_m(t-T_m)为主端角度经过T_m时延后的信号，为主端角速度经过T_m时延后的信号；e_s为从端机械臂轨迹跟踪误差，为从端机械臂轨迹跟踪误差变化率；

在主端设计加幂积分型有限时间控制器：

在从端设计加幂积分型有限时间控制器：

其中，i＝m,s代表主从端，M_i(q_i)为机械臂惯性矩阵，为哥氏力与离心力矩阵，G_i(q_i)为重力项矩阵，T_m为主端至从端的网络时延，T_s为从端至主端的网络时延，为主端角加速度信号经过T_m时延后的信号，为从端角加速度信号经过T_s时延后的信号，为主从端角速度，K_i,B_i,r_i分别代表主从端控制器参数，且满足以下条件：

r_i1,r_i2均为正奇数；

τ_m为主端控制器提供的控制力矩，τ_s为从端控制器提供的控制力矩。