一種基于波變量的定時延遙操作控制方法
【專利說明】一種基于波變量的定時延遙操作控制方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙操作控制領域，具體涉及一種基于波變量的定時延遙操作控制方 法。 【【背景技術】】
[0002] 遙操作已經(jīng)在諸如空間機器人、高精度裝配、手術等諸多領域扮演著重要角色。在 遙操作系統(tǒng)中，操作者通過操作從端的機械臂與遠端環(huán)境進行交互。遙操作可以給操作者 提供一個安全的環(huán)境，同時具有很強的臨場感。但是時延極大的影響到遙操作的穩(wěn)定性，而 時延又廣泛存在于通信信道中。波變量方法脫胎于無源控制理論，可以很好的解決由時延 帶來的遙操作穩(wěn)定性問題。 【
【發(fā)明內容】
】
[0003] 本發(fā)明的目的在于解決遙操作中的時延帶來的穩(wěn)定性問題，一種基于波變量的定 時延遙操作控制方法，該方法能夠同時提高遙操作過程中的跟蹤性能和力反饋逼真度。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)：
[0005] -種基于波變量的定時延遙操作控制方法，包括以下步驟：
[0006] 1)建立主從端的動力學模型及時延模型：
[0010] 其中，表示主端質量，之表示主端加速度，fh表示手施加給主端的力，f"。表示從 端反饋到主端的控制力；13表示從端質量，：?..表示從端加速度，fs。表示從端控制器產(chǎn)生的 控制力，表示環(huán)境施加給從端的力；B和K分別表示從端控制器的微分參數(shù)和比例參數(shù)； 弋表示主端傳輸?shù)綇亩说钠谕俣?，xs。表示主端傳輸?shù)綇亩说钠谕恢茫?和4分別表 示主端和從端的實際速度，下標m表示主端，下標s表示從端；
[0011] 期望的主端和從端之間的關系是：
[0014] s表示拉普拉斯算子，之⑴、之⑷分別表示主端和從端的速度的拉普拉斯變換， ^7表示主端向從端傳輸信道中的低通濾波器，λ為濾波器的帶寬，F(xiàn)M(S)表示從端反饋 到主端的控制力的拉普拉斯變換；FS(：(s)表示從端控制力的拉普拉斯變換；e sT表示定時延 通信環(huán)節(jié)的拉普拉斯變換；
[0015] 在信道傳輸過程中，采用波變量進行傳輸；在頻域內的波變量變換公式如下：
[0020] 其中，b為波變量參數(shù)，Um(s)表示主端的前向波變量的拉普拉斯變換，V m(s)表示 主端的反向波變量的拉普拉斯變換，Us(s)表示從端的前向波變量的拉普拉斯變換，Vs(s) 表示從端的反向波變量的拉普拉斯變換，之表示從端收到的主端傳輸?shù)钠谕俣鹊睦?普拉斯變換；
[0021] 因為存在時延，建立如下的時延模型：
[0025] 其中，T表示主端與從端之間的時延，均為常數(shù)；
[0026] 2)設計前向通道波變量補償項
[0027] 加入補償項后，前向通道的波變量如下：
[0029] 其中，AUs(s)為前向通道波變量補償量的拉普拉斯變換；
[0030] 為了達到穩(wěn)定的跟蹤性能，補償量如下所示：
[0032] 3)設計反向通道波變量補償項
[0033] 對反向通道的波變量增加補償項Δ Vjs)，反向通道的波變量表示為：
[0035] 其中，AVjs)為反向通道波變量補償量的拉普拉斯變換；
[0036] 傳遞到主端的反饋力為：
[0038]將（1-13)與（1-9)帶入（1-14)，得到：
[0042] 則（1-15)中的之⑷就會被消掉，從而可以滿足（1-5)的要求；
[0043] 經(jīng)過化簡，得到：
[0045] 4)設計能量整定器
[0046] 為了對主端耗散的能量進行計算，設計一個非負能量儲存器：
[0048] Es(t)表示能量存儲量，um( τ )為主端前向波變量的時域信號，vs( τ )為從端反向 波變量的時域信號。
[0049] 反向通道的波變量補償項AVn(t)的計算方式如下：
[0050] Δν," (t) = /(I - ?<-?Χ ) * " (t) - h . (/ - Γ)] (1-19)
[0051] 其中，γ和δ都是正的調節(jié)參數(shù)，γ決定了補償?shù)目炻?，δ決定了能量儲存器的 累積的快慢，*代表卷積運算；當能量儲存器達到零時，上式小括號中的項就會成為零，從 而會阻斷補償項的計算，很好的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0052] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0053] 本發(fā)明通過建立主從端的動力學模型及時延模型，設計前向通道波變量補償項， 設計反向通道波變量補償項以及最后設計能量整定器，以解決遙操作中的時延帶來的穩(wěn)定 性問題，同時提高遙操作過程中的跟蹤性能和力反饋逼真度。本發(fā)明能夠很好的保證遙操 作系統(tǒng)在定時延條件下的穩(wěn)定性，具有良好的位置跟蹤性能和良好的力反饋逼真度；本發(fā) 明所公開的遙操作控制方法通過波變量的方法，可以保證遙操作系統(tǒng)在時延情況下的穩(wěn)定 性，同時可以提高時延遙操作系統(tǒng)的位置和力的跟蹤性能。 【【附圖說明】】
[0054] 圖1表示傳統(tǒng)的基于波變量的遙操作系統(tǒng)結構示意圖；
[0055] 圖2表示前向通道補償?shù)牟ㄗ兞窟b操作系統(tǒng)結構示意圖；
[0056] 圖3表不本發(fā)明的系統(tǒng)結構不意圖。 【【具體實施方式】】
[0057] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0058] 參見圖3,本發(fā)明基于波變量的定時延遙操作控制方法，包括以下步驟：
[0059] 1)建立主端與從端的動力學模型：
[0063] 其中Mm= lkg，M s= lkg，B = 80Ns/m，K = 80N/m，f mt:表示從端反饋到主端的控制 力，fs。表示從端控制器產(chǎn)生的控制力，fh表示手施加給主端的力，表示環(huán)境施加給從端 的力。表示主端傳輸?shù)綇亩说钠谕俣龋?和龍分別表示主端和從端的實際速度，B和K 分別表示從端控制器的微分參數(shù)和比例參數(shù)。下標m表示主端，下標s表示從端。
[0064] 我們期望的主端和從端之間的關系是：
[0067] 之(5)、<(s)分別表示主端和從端速度的拉普拉斯變換，^表示主端向從端傳 輸信道中的低通濾波器，λ為濾波器的截止頻率，λ = 15, FM(S)表示從端反饋到主端的 控制力的拉式變換。
[0068] 在信道傳輸過程中，采用波變量進行傳輸。在頻域內的波變量變換公式如下：
[0073] 其中 b = 2。
[0074] 2)時延模型如下：
[0079] 3)為了達到穩(wěn)定的跟蹤性能，前向通道的波變量補償量如下所示：
[0081] 4)反向通道的補償量如下：
[0083] 5)能量整定器設計如下：
[0086] 以上內容僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按 照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權利要求書 的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于波變量的定時延遙操作控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 1)建立主從端的動力學模型及時延模型：其中，Mni表示主端質量，表示主端加速度，fh表示手施加給主端的力，。表示從端反 饋到主端的控制力；13表示從端質量，.足表示從端加速度，fs。表示從端控制器產(chǎn)生的控制 力，；1^表不環(huán)境施加給從端的力；B和K分別表不從端控制器的微分參數(shù)和比例參數(shù)；.七表 示主端傳輸?shù)綇亩说钠谕俣?，X s。表示主端傳輸?shù)綇亩说钠谕恢?，之?分別表示主端 和從端的實際速度，下標m表示主端，下標S表示從端； 期望的主端和從端之間的關系是：s表不拉普拉斯算子，分別表不主端和從端的速度的拉普拉斯變換，表示主端向從端傳輸信道中的低通濾波器，λ為濾波器的帶寬，F(xiàn) nrc(S)表示從端反饋 到主端的控制力的拉普拉斯變換；Fstl(S)表示從端控制力的拉普拉斯變換；e sT表示定時延 通信環(huán)節(jié)的拉普拉斯變換； 在信道傳輸過程中，采用波變量進行傳輸；在頻域內的波變量變換公式如下：其中，b為波變量參數(shù)，Um(S)表示主端的前向波變量的拉普拉斯變換，Vm(S)表示主端 的反向波變量的拉普拉斯變換，Us(S)表示從端的前向波變量的拉普拉斯變換，Vs(S)表示 從端的反向波變量的拉普拉斯變換，尤.⑷表示從端收到的主端傳輸?shù)钠谕俣鹊睦绽?斯變換； 因為存在時延，建立如下的時延模型：其中，T表示主端與從端之間的時延，均為常數(shù)； 2) 設計前向通道波變量補償項 加入補償項后，前向通道的波變量如下：其中，AUs(S)為前向通道波變量補償量的拉普拉斯變換； 為了達到穩(wěn)定的跟蹤性能，補償量如下所示：3) 設計反向通道波變量補償項 對反向通道的波變量增加補償項AVni(S),反向通道的波變量表示為：其中，AVni(S)為反向通道波變量補償量的拉普拉斯變換； 傳遞到主端的反饋力為：則（1-15)中的就會被消掉，從而可以滿足（1-5)的要求； 經(jīng)過化簡，得到：4) 設計能量整定器 為了對主端耗散的能量進行計算，設計一個非負能量儲存器：Es(t)表示能量存儲量，Um(T)為主端前向波變量的時域信號，Vs(T)為從端反向波變 量的時域信號； 反向通道的波變量補償項Avni(t)的計算方式如下：其中，γ和S都是正的調節(jié)參數(shù)，γ決定了補償?shù)目炻?，δ決定了能量儲存器的累積 的快慢，*代表卷積運算；當能量儲存器達到零時，上式小括號中的項就會成為零，從而會 阻斷補償項的計算，很好的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于波變量的定時延遙操作控制方法，通過建立主從端的動力學模型及時延模型，設計前向通道波變量補償項，設計反向通道波變量補償項以及最后設計能量整定器，以解決遙操作中的時延帶來的穩(wěn)定性問題，同時提高遙操作過程中的跟蹤性能和力反饋逼真度。本發(fā)明能夠很好的保證遙操作系統(tǒng)在定時延條件下的穩(wěn)定性，具有良好的位置跟蹤性能和良好的力反饋逼真度；本發(fā)明所公開的遙操作控制方法通過波變量的方法，可以保證遙操作系統(tǒng)在時延情況下的穩(wěn)定性，同時可以提高時延遙操作系統(tǒng)的位置和力的跟蹤性能。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN105353616
【申請?zhí)枴緾N201510793832
【發(fā)明人】黃攀峰, 戴沛, 劉正雄, 孟中杰
【申請人】西北工業(yè)大學
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月17日