基于ls-svm時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于LS-SVM時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法，其適用于時變時延條件下的遙操作系統(tǒng)中。該方法在無源性波變量方法的基礎(chǔ)之上，加入LS-SVM(最小二乘向量機)時延預(yù)測環(huán)節(jié)和波積分環(huán)節(jié)，利用LS-SVM方法進行時延預(yù)測，可以得到與真實時延誤差較小的預(yù)測時延，利用波積分方法可以使得通信環(huán)節(jié)具有無源性，進而使其可以克服時變時延給遙操作系統(tǒng)帶來的不穩(wěn)定性。本發(fā)明涉及時變時延條件下的遙操作系統(tǒng)中的控制方法，在主端，人手施加力與從端反饋回主端的接觸力共同作用于主手，使主手產(chǎn)生速度與位移，主手速度信號通過通信信道傳輸?shù)綇亩?，作為控制命令控制從手的運動。
【專利說明】基于LS-SVM時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[OOOU 本發(fā)明設(shè)及一種基于LS-SVM時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法，該方法在 普通無源性波變量方法的基礎(chǔ)之上，加入LS-SVM時延預(yù)測環(huán)節(jié)與波積分環(huán)節(jié)，使其適用于 時變時延條件下的遙操作系統(tǒng)。屬于遙操作控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 遙操作技術(shù)已經(jīng)深入到很多領(lǐng)域，如航天領(lǐng)域、深海作業(yè)和遠程醫(yī)療等，具有廣泛 的應(yīng)用前景。力反饋雙邊遙操作系統(tǒng)，可使操作者產(chǎn)生臨場感。針對雙邊遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定 性問題，目前已有很多研究方法，其中基于現(xiàn)代控制理論的控制策略已經(jīng)成為雙邊遙操作 控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。雙邊控制方法由于不需要對從手運動進行預(yù)測，所W適用于非結(jié)構(gòu) 化的未知環(huán)境，同時在雙邊控制系統(tǒng)中，操作者可W根據(jù)反饋回主端的從手與環(huán)境接觸力， 進而決定下一步動作。該種方法把人的智能通過通信通道投射到從端機器人上，使得機器 人能夠完成相對復(fù)雜的任務(wù)。
[0003] 由于主從端距離較遠、信號傳輸速度、信道帶寬等因素的限制，遙操作中必然存在 時延，而很小的時延就有可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了處理時延問題，研究者們提出了很多 的控制策略，目前，克服通信時延的雙邊遙操作控制方法主要有；（1)無源性理論方法；（2) 基于事件控制的方法；（3)基于滑模的控制方法；(4)基于Lyapunove穩(wěn)定性控制方法；（5) 基于H -理論的控制方法。在固定時延條件下的遙操作系統(tǒng)中，該些控制方法能夠使系統(tǒng) 具有良好的穩(wěn)定性與操作性能，但在時變時延條件下，遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性與操作性能將 遭到破壞。
[0004] 在文獻"基于無源性的雙邊力反饋控制算法研究"（張智慶.哈爾濱工業(yè)大 學(xué)，2011.)中，Anderson和Spong基于無源性理論與散射理論而提出的波變量方法，該種 方法在任何固定時延下都能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，在很多時候，時延往往是時變的，例 如空間遙操作、網(wǎng)絡(luò)遙操作。針對通信時延是變化的情況，在文獻"A Delay Prediction Approach for Teleoperation over the Internet"(T. Mirfakhrai and S. Payandeh. Proc. IE邸 Int.Conf. On Robotics and Automation, PP. 2178-2183,2002.)中，Niemeyer 和 Sbtine提出了波變量積分思想，即在波變量控制中，先將波變量信號進行積分，然后傳輸 到從端，在從端利用濾波器對積分信號進行重構(gòu)，使得通信環(huán)節(jié)無源，但該方法中的時延預(yù) 測方法精確性較低，導(dǎo)致系統(tǒng)操作性能較低。在文獻"Bilateral Teleoperation under Time-Varying Delay using Wave Variables" (Satler M，Avizzano C. A etc. lEEE/RSJ Int.Conf on Intelligent Robots and Systems, 2009:4596-4602.)中，作者對化 kokohji 補償器進行改進，使其克服了丟包問題，但同時也增加了系統(tǒng)的計算時間，從而降低了遙 操作系統(tǒng)的操作性能。在文獻"Bilateral Teleoperation With Time-Va巧ing Delay:A Communication Channel Passification Approach"(Yongqiang Ye, Ya-JunPan, and Trent Hilliard. IE 邸/ASME Transactions on Mechatronics，18(4), 2013:1431-14:34.)中，作者 提出了基于功率監(jiān)視器（PO)和功率控制器（PC)的時域無源控制方法，該種方法克服了穩(wěn) 定性問題，但降低了系統(tǒng)的操作性能。
[0005] 綜上分析，在遙操作領(lǐng)域中，現(xiàn)有的雙邊控制方法大多只適用于固定時延條件下 的遙操作系統(tǒng)。因此，研究適用于時變時延條件且具有高操作性能的雙邊遙操作控制方法 是具有重大意義的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 要解決的技術(shù)問題：
[0007] 在時變時延遙操作中，現(xiàn)有的雙邊控制方法大多只適用于固定時延條件的遙操作 系統(tǒng)。為了克服時變時延給遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性及操作性帶來的影響，本發(fā)明提出一種基于 LS-SVM進行時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法，用W解決時變時延遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定 性問題，并保證系統(tǒng)從手能夠良好地跟蹤主手的運動。
[000引技術(shù)方案：
[0009] 針對基于LS-SVM進行時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法的設(shè)計，采取的技 術(shù)方案：
[0010] 1、構(gòu)建遙操作系統(tǒng)原理框圖：
[001U (1)設(shè)計基于LS-SVM進行時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法的原理框圖， 主要包括主手、主端控制器、通信環(huán)節(jié)、從端控制器、從手、LS-SVM時延預(yù)測環(huán)節(jié)、波積分環(huán) -H- T ;
[0012] (2)明確框圖中各個參數(shù)的意義及它們之間的關(guān)系，主要包括速度、力、主從控制 器參數(shù)、波積分環(huán)節(jié)的0 ;
[0013] 2、基于最小二乘向量機（LS-SVM)設(shè)計時延預(yù)測環(huán)節(jié)
[0014] (1)構(gòu)建基于SVM的時延預(yù)測模型；利用SVM理論將具有非線性特征的時間序列 通過非線性轉(zhuǎn)換到高維特征空間，然后在該個空間中提取必要信息，用于實現(xiàn)時延預(yù)測；
[0015] (2)利用計算效率比SVM要高的LS-SVM實現(xiàn)時延預(yù)測；
[0016] 3、設(shè)計波積分環(huán)節(jié)：
[0017] (1)基于波積分原理設(shè)計波積分環(huán)節(jié)；
[0018] (2)根據(jù)時延預(yù)測結(jié)果，設(shè)計波積分參數(shù)0的取值函數(shù)，其中0的選擇應(yīng)當(dāng)使得 控制系統(tǒng)對外界干擾不敏感，同時使系統(tǒng)被完全補償。為了使得每個時刻的誤差最小，0的 值應(yīng)當(dāng)隨著時延的變化而變化，具體規(guī)律是；如果預(yù)測時延比當(dāng)前時延大，則0為負，且大 得越多，0就會變得越小；相反地，如果預(yù)測時延比當(dāng)前時延小，則0為正，且小得越多，曰 就會變得越大，但同時又不能讓0太大。其取值表達式如下：
[0019] 〇k= -a ? AT 且（a > 0)
[0020] 其中，AT = Tw-Tk，即預(yù)測時延與當(dāng)前時延之差，a為常量系數(shù)。
[002U 4、構(gòu)建基于LS-SVM進行時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作系統(tǒng)，驗證該方法在時變 時延條件下的合理性與有效性：
[0022] (1)搭建基于LS-SVM進行時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作系統(tǒng)；
[0023] (2)驗證LS-SVM對時延預(yù)測的準(zhǔn)確性
[0024] (3)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，并通過實驗進行驗證。
[00巧]有益效果；
[0026] 本發(fā)明提出一種基于LS-SVM進行時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法，在普 通無源性波變量方法基礎(chǔ)之上，加入了 LS-SVM時延預(yù)測環(huán)節(jié)和波積分環(huán)節(jié)，LS-SVM時延預(yù) 測環(huán)節(jié)對時延預(yù)測的精確性W及波積分環(huán)節(jié)的無源性，保證了時變時延條件下遙操作系統(tǒng) 的穩(wěn)定性，并使系統(tǒng)從手對良好地跟蹤主手的運動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為普通無源性波變量原理圖；
[002引圖2為基于LS-SVM進行時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法原理圖；
[0029] 圖3為波積分原理圖；
[0030] 圖4為時延預(yù)測值與真實值的對比圖；
[0031] 圖5為遙操作系統(tǒng)從手跟蹤主手的實驗效果圖；

【具體實施方式】
[0032] 本發(fā)明提出一種基于LS-SVM進行時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法，下面 結(jié)合
【發(fā)明內(nèi)容】
及附圖詳細說明。
[0033] 1、構(gòu)建遙操作系統(tǒng)原理框圖
[0034] (1)構(gòu)建原理圖
[0035] 參考普通無源性波變量方法原理（參見圖1)，設(shè)計基于LS-SVM進行時延預(yù)測的波 積分雙邊遙操作控制方法的原理框圖，主要包括主手、主端控制器、通信環(huán)節(jié)、從端控制器、 從手、LS-SVM時延預(yù)測環(huán)節(jié)、波積分環(huán)節(jié)（參見圖2);
[0036] (2)明確原理框圖（參見圖2)中各個參數(shù)的意義及它們之間的關(guān)系：
[0037] 圖中，人手施加力4與從端反饋回主端的接觸力fe共同作用于主手，使主手產(chǎn)生 位移Xm和速度而。主手速度信號經(jīng)過波變換得到前行波IV前行波經(jīng)過通信信道和一階濾 波器得到從端輸入波U,，再經(jīng)過反向波變換，得到從端的速度控制命令屯。。為了使從手的實 際速度跟蹤從端控制命令在從端設(shè)計PI速度控制器。PI控制器根據(jù)從手速度誤差 式。-屯計算從手的控制力fs作用于從手上，從而使從手按照期望的軌跡與速度與環(huán)境進行 交互。fe為從端與環(huán)境的相互作用力。從端將fe與速度屯轉(zhuǎn)換為返回波Vs，返回經(jīng)過通信 信道和一階濾波器得到返回輸入波Vm，再經(jīng)過波反變換得到反饋力fm。，并作用于主手，使操 作者能夠感知從手與環(huán)境的接觸情況。
[003引 2、基于最小二乘向量機（LS-SVM)設(shè)計時延預(yù)測環(huán)節(jié)
[0039] (1)構(gòu)建基于SVM的時延預(yù)測模型
[0040] 遙操作系統(tǒng)中的時延可W看作是具有非線性特征的時間序列，因此可W利用SVM 理論，通過非線性變換把輸入空間的時間序列映射到高維特征空間，然后在該個空間中提 取必要的信息，用來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延的預(yù)測。
[0041] 設(shè)當(dāng)前時刻之前的網(wǎng)絡(luò)時延序列為{cKk)，k= 1，2,3,…，N}，可W找到一個合適 的嵌入維在狀態(tài)空間中對原時間序列進行預(yù)測重構(gòu)?；谇度刖S數(shù)為m的N個時間序列的 SVM預(yù)測模型的輸入矢量可表示為：
[00創(chuàng) Dk= [dOO , (1化-1),…，(Kk-m) ] (1)
[00創(chuàng) 由此，可得，時延預(yù)測模型為：
[0044] d(k+l)=F0k) 似
[0045] 其中，F(xiàn)( ?)為基于k+1時刻W前的時延數(shù)據(jù)重構(gòu)預(yù)測模型的一個非線性函數(shù)，即 SVM需要擬合的函數(shù)。定義網(wǎng)絡(luò)時延序列擬合函數(shù)為：
[0046]

【權(quán)利要求】
1.基于LS-SVM時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法，其特征在于如下步驟： 步驟1、構(gòu)建遙操作系統(tǒng)原理框圖： (1) 設(shè)計基于LS-SVM時延預(yù)測的波積分雙邊遙操作控制方法的原理框圖，主要包括主 手、主端控制器、通信環(huán)節(jié)、從端控制器、從手、LS-SVM時延預(yù)測環(huán)節(jié)、波積分環(huán)節(jié)； (2) 明確框圖中各個參數(shù)的意義及它們之間的關(guān)系，主要包括速度、力、主從控制器參 數(shù)、波積分環(huán)節(jié)的〇 ; 步驟2、基于最小二乘向量機（LS-SVM)設(shè)計時延預(yù)測環(huán)節(jié) (1) 構(gòu)建基于SVM的時延預(yù)測模型：利用SVM理論將具有非線性特征的時間序列通過 非線性轉(zhuǎn)換到高維特征空間，然后在這個空間中提取必要信息，用于實現(xiàn)時延預(yù)測； (2) 利用計算效率比SVM要高的LS-SVM實現(xiàn)時延預(yù)測； 步驟3、設(shè)計波積分環(huán)節(jié)： (1) 基于波積分原理設(shè)計波積分環(huán)節(jié)； (2) 根據(jù)時延預(yù)測結(jié)果，設(shè)計波積分參數(shù)〇的取值函數(shù)，其中〇的選擇應(yīng)當(dāng)使得控制 系統(tǒng)對外界干擾不敏感，同時使系統(tǒng)被完全補償。為了使得每個時刻的誤差最小，〇的值應(yīng) 當(dāng)隨著時延的變化而變化，具體規(guī)律是：如果預(yù)測時延比當(dāng)前時延大，則〇為負，且大得越 多，?就會變得越??；相反地，如果預(yù)測時延比當(dāng)前時延小，則?為正，且小得越多，〇就 會變得越大，但同時又不能讓〇太大。其取值表達式如下： 〇 k= -a ? A T 且（a > 0) 其中，AT = Tk+1_Tk，即預(yù)測時延與當(dāng)前時延之差，a為常量系數(shù)。
【文檔編號】G05B13/04GK104503229SQ201410683103
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】宋荊洲, 余再海, 孫漢旭, 賈慶軒 申請人:北京郵電大學(xué)