CN109901396A

CN109901396A - 一种双边遥操作系统中的改进波变量方法

Info

Publication number: CN109901396A
Application number: CN201910223727.9A
Authority: CN
Inventors: 王学谦; 徐晨耀; 朱晓俊; 梁斌; 孟得山; 陈章
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2019-06-18

Abstract

本发明公开了一种双边遥操作系统中的改进波变量方法，所述双边遥操作系统包括操作员、主端、通信环节、从端和环境，在通信环节做改进的波变量的变换，其中在变换过程中增加一个可调的附加波阻抗系数，得到改进后的波变量和位置变量及力变量之间的关系式。通过该改进的波变量方法，在保证双边遥操作系统稳定性的前提下，改善了系统的操作性能，还减小了力/位置跟踪误差。

Description

一种双边遥操作系统中的改进波变量方法

技术领域

本发明涉及遥操作控制领域，尤其涉及一种双边遥控操作系统中的改进波变量方法。

背景技术

随着人类探索太空活动的不断深入，空间作业任务也变得越发复杂和多样化，如飞行器的在轨维护、空间装配、燃料加注以及星球表面探测等；完全依靠宇航员完成这些空间作业任务，不仅成本昂贵而且安全性得不到保障，而空间机器人凭借风险小、成本低、环境适应能力强等优点，越来越受到各国空间机构的青睐。

空间机器人的控制方式主要分为两大类：自主控制方式和遥操作控制方式。自主控制方式下，机器人根据自身对外界环境的感知和判断，结合任务指令自主进行决策、规划和控制。自主控制方式是未来空间机器人控制方式的发展方向和趋势。然而，受限于星上计算机能力及目前人工智能技术的发展，可以预见完全自主控制的空间机器人在很长时间内都难以实现。因此，遥操作在空间机器人的控制方面仍然扮演者重要的角色。

双边遥操作系统通过向操作者提供力反馈，提高了操作效率和成功率。然而时延的存在破坏了系统的稳定性，是空间双边遥操作系统的核心问题。针对双边遥操作系统中时延带来的不稳定性，现有稳定性双边控制算法主要分为三类：1)基于无源性理论的双边控制方法；2)基于现代控制理论和滑模理论的双边控制方法；3)基于事件的双边控制方法。其中，基于无源性理论的波变量方法由于工程上易实现而一直处于发展之中。

如图1所示为传统波变量方法变换示意图，传统波变量方法通过使用波变量代替力和速度变量在系统中传输，克服了时延带来的不稳定性；根据图1中得到波变量和位置/力变量之间的关系如下式(1)～(6)所示：

u_s(t)＝u_m(t-T₁), (5)

v_m(t)＝v_s(t-T₂). (6)

其中，f_md表示从端反馈到主端的力，表示主端传递到从端的速度，f_s表示从端力，表示主端速度，T₁表示前向时延，T₂表示后向时延，u_m(t)表示主端的前向波变量，u_s(t)表示从端的前向波变量，v_m(t)表示主端的后向波变量，v_s(t)表示从端的后向波变量；b表示波阻抗系数。

根据式(1)～(6)，得到控制率为：

从上式(7)和(8)可以看出，在传统波变量方法中力和位置都具有较大的跟踪误差。也即传统波变量方法虽然克服了时延给双边遥操作系统带来的不稳定性，却是以牺牲系统的操作性能为代价，具有较大的位置/力跟踪误差。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种双边遥操作系统中的改进波变量方法，在保证双边遥操作系统稳定性的前提下，改善了系统的操作性能，还减小了力/位置跟踪误差。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种双边遥操作系统中的改进波变量方法，所述双边遥操作系统包括操作员、主端、通信环节、从端和环境，在通信环节做改进的波变量的变换，其中在变换过程中增加一个可调的附加波阻抗系数，得到改进后的波变量分别和位置变量及力变量之间的关系式。

优选地，改进后的波变量分别和位置变量及力变量之间的关系式为：

u_s(t)＝u_m(t-T₁)

v_m(t)＝v_s(t-T₂)

其中，u_m(t)表示主端的前向波变量，u_s(t)表示从端的前向波变量，v_m(t)表示主端的后向波变量，v_s(t)表示从端的后向波变量；f_md表示从端反馈到主端的力，表示主端传递到从端的速度，f_s表示从端力，表示主端速度，T₁表示前向时延，T₂表示后向时延，a表示附加波阻抗系数，b表示波阻抗系数。

优选地，通过改进后的波变量分别和位置变量及力变量之间的关系式得到通信环节的总吸收能量的表达式为：

其中，E(t)＞0。

优选地，根据改进后的波变量和位置变量及力变量之间的关系式得到双边遥操作系统的控制率为：

优选地，a＞1。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明公开的双边遥操作系统中的改进波变量方法在克服了双边遥操作系统中时延带来的不稳定性的前提下，改善了系统的操作性能，还减小了力和位置追踪误差。

附图说明

图1是传统波变量方法的变换示意图；

图2是典型的双边遥操作系统的示意图；

图3是等价电路网络形式的双边遥操作系统示意图；

图4是本发明优选实施例的改进波变量方法的变换示意图；

图5是仿真系统框图；

图6是根据仿真得到的无双边控制算法的从端位置示意图；

图7是根据仿真得到的无双边控制算法的主端反馈力示意图；

图8是根据仿真得到的传统波变量方法下的力变量示意图；

图9是根据仿真得到的本发明优选实施例的改进波变量方法下的力变量示意图；

图10是根据仿真得到的传统波变量方法下的位置变量示意图；

图11是根据仿真得到的本发明优选实施例的改进波变量方法下的位置变量示意图；

图12是根据仿真得到的传统波变量方法和本发明优选实施例的改进波变量方法的力跟踪比较；

图13是根据仿真得到的传统波变量方法和本发明优选实施例的改进波变量方法的位置跟踪比较。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

如图2所示，一个典型的双边遥操作系统由五个部分构成：操作员、主端、通信环节、从端和环境，其中表示操作员速度，表示主端速度，表示主端传递到从端的速度，表示从端速度，f_m表示主端力，f_md表示从端反馈到主端的力，f_s表示从端力，f_e表示环境力。

本发明优选实施例是在传统波变量方法的基础上进行改进，波变量方法是基于无源性理论的双边控制方法。其中无源性理论具有以下性质：无源系统是稳定的，无源系统反馈无源，无源系统级联无源。无源性理论本是电路理论的方法，在本发明优选实施例中，通过下述表1中的一系列等价变换，将双边遥操作系统转化为等价的电路网络，如图3所示。

表1遥操作系统与电路网络的等价关系

时延对双边遥操作系统稳定性的破坏主要在通信环节，在操作员、主端、从端、环境都是无源的前提下，只要保证通信环节的稳定性，即可保证整个系统的稳定性。

如图4所示，本发明优选实施例在通信环节做相应波变量的变换，由控制框图，可以得到波变量和位置/力变量之间的关系如下式(9)～(14)所示：

u_s(t)＝u_m(t-T₁), (13)

v_m(t)＝v_s(t-T₂). (14)

为了验证系统的稳定性，考察通信环节的总吸收能量：

将式(9)～(14)代入式(15)可得：

其中式(16)中的前三项显然总是大于零的，第四项在a＞1时为正，第五项不可避免地可能为负，但其系数在系数a,b取值较大时很小，例如当a＝b＝10时，该系数小于10^-2，因此整个系统吸收的能量可以保持为正。也即在本实施例中，在系数a＞1取较大值时基本可以保证系统吸收能量为正，具体的范围根据实际应用可自行取值。因此，通信环节所在的二端口网络是无源的，根据无源性理论通过级联得到图2所示的整个双边遥操作系统无源，故其是稳定的，进而整个双边遥操作系统是稳定的。

下述利用式(9)～(14)得到控制率：

相比式(7)，式(17)中力反馈减小了带来的影响，故而减小了力跟踪误差，虽然式(18)与式(8)形式上相同，但由于f_md的优化，位置跟踪性能也得到了改善。

综上所述，本发明优选实施例在参数取特定数值时可以保证双边遥操作系统的稳定性，且改善了系统的力/位置跟踪性能。

下述对本发明优选实施例的双边遥控操作系统中的改进波变量方法进行仿真验证。

在此次的仿真中，主从端分别设计为具有如下特性：

其中，B_m表示主端阻尼，B_s表示从端阻尼，K_s表示从端刚度，M_m表示主端质量，M_s表示从端质量，f_m表示主端力，f_s表示从端力，x_m表示主端位置，x_s表示从端位置。

与环境接触的力设计为具有弹簧特性，即：

f_s(t)＝K_e·x_s(t) (21)

其中，K_e为环境的刚度。

如图5所示为仿真框图，其中主从端中间的时延双边控制为：1)未加任何控制算法的时延通信环节，也即无双边控制算法；2)传统波变量方法；3)本发明优选实施例的改进波变量方法。

根据仿真系统框图，采用MATLAB中的SIMULINK模块搭建实际仿真平台，表2列出了仿真参数的取值，输入信号为f_m(t)＝0.25sin(2ft)，单边的时延设置为300ms。

表2仿真参数取值表

通过仿真得到的结果如图6至图11所示，其中图6所示为无双边控制算法的从端位置，图7所示为无双边控制算法的主端反馈力，从图6和图7可以清楚地发现在300ms的时延下，不加任何双边控制算法时，位置和力变量都开始发散，表明时延的存在破坏了双边遥操作系统的稳定性。图8所示为传统波变量方法下的力变量，图9所示为本发明优选实施例的改进波变量方法下的力变量；图10所示为传统波变量方法下的位置变量，图11所示为本发明优选实施例的改进波变量方法下的位置变量；从图8～图11可以看出，传统波变量方法和改进波变量方法在时延下都保证了系统的稳定性。

为了更加精确定量地比较传统波变量方法与本发明优选实施例的改进波变量方法的操作性能，在此取力和位置的跟踪误差作为评价标准。其中，力和位置跟踪误差分别为：

e_f(t)＝f_s(t)-f_md(t) (22)

e_p(t)＝x_m(t)-x_s(t) (23)

其中，e_f(t)表示力跟踪误差，f_s表示从端力，f_md表示从端反馈到主端的力，e_p(t)表示位置跟踪误差，x_m表示主端位置，x_s表示从端的位置。

进一步得到仿真结构如图12和图13所示，图12所示为传统波变量方法与本发明优选实施例的改进波变量方法的力跟踪比较，图13所示为传统波变量方法与本发明优选实施例的改进波变量方法的位置跟踪比较，从图12和图13可以看出：相对于传统波变量方法，本发明优选实施例的改进波变量方法的力跟踪误差减小了约20％，位置跟踪误差减小了约48％。

综上所述，通过理论分析和仿真验证，可以得出以下结论：1)时延的存在破坏了双边遥操作系统的稳定性；2)传统波变量方法和本发明优选实施例的改进波变量方法都可以有效地保证系统的稳定性；3)本发明优选实施例的改进波变量方法相比传统波变量方法大大减小了力和位置跟踪误差。也即本发明优选实施例的改进波变量方法在保证了双边遥操作系统稳定性的前提下，改善了系统的操作性能，还减小了力和位置跟踪误差。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种双边遥操作系统中的改进波变量方法，其特征在于，所述双边遥操作系统包括操作员、主端、通信环节、从端和环境，在通信环节做改进的波变量的变换，其中在变换过程中增加一个可调的附加波阻抗系数，得到改进后的波变量分别和位置变量及力变量之间的关系式。

2.根据权利要求1所述的改进波变量方法，其特征在于，改进后的波变量分别和位置变量及力变量之间的关系式为：

u_s(t)＝u_m(t-T₁)

v_m(t)＝v_s(t-T₂)

3.根据权利要求2所述的改进波变量方法，其特征在于，通过改进后的波变量分别和位置变量及力变量之间的关系式得到通信环节的总吸收能量的表达式为：

其中，E(t)＞0。

4.根据权利要求2所述的改进波变量方法，其特征在于，根据改进后的波变量和位置变量及力变量之间的关系式得到双边遥操作系统的控制率为：

5.根据权利要求2至4任一项所述的改进波变量方法，其特征在于，a＞1。