一種變時(shí)延雙人遙操作變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于變結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域，具體涉及一種變時(shí)延雙人遙操作變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè) 計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)最突出的優(yōu)點(diǎn)是滑動(dòng)模態(tài)對(duì)系統(tǒng)的干擾和參數(shù)攝動(dòng)具有"完全自 適應(yīng)性"，這也是其得到重視的重要原因。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，滑模變結(jié)構(gòu)控制作為控 制系統(tǒng)的一種綜合方法，已經(jīng)形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的科學(xué)研究體系。對(duì)于遙操作系統(tǒng)中的變 時(shí)延特性，變結(jié)構(gòu)控制可以有效的減少外部攝動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的干擾。
[0003] 在遙操作領(lǐng)域，傳統(tǒng)的單個(gè)主手單個(gè)從手的操作模式受到了制約。在諸如在軌裝 配等復(fù)雜空間任務(wù)的應(yīng)用領(lǐng)域中，單主手單從手的操作模式很難滿足日益復(fù)雜的任務(wù)。為 此，近年來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者提出使用多人共享的操作模式，即一種雙人控制模式。其中包括 兩個(gè)主端和一個(gè)從端。他們之間互相共享自己的位置信息、力信息。這就使得兩個(gè)主端操 作者可以協(xié)同控制從端的運(yùn)動(dòng)，從而減輕了任務(wù)難度，提高操作精度。但由于星地回路中廣 泛存在的時(shí)延問題，控制信息的增多更易受到時(shí)延的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于減少雙人遙操作受到的時(shí)延的影響，提出一種變時(shí)延雙人遙操 作變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)方法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用技術(shù)方案包括以下步驟：
[0006] 第一步：建立主端和從端的動(dòng)力學(xué)模型及時(shí)延模型
[0007] 第二步：設(shè)計(jì)主端控制器
[0008] 主端采用阻抗控制器，在主端與從端之間增加虛擬阻抗；對(duì)于主端，利用目標(biāo)阻抗 特性方程來(lái)指導(dǎo)控制器的設(shè)計(jì)；
[0009] 第三步：設(shè)計(jì)從端控制器
[0010] 從端采用基于阻抗控制的滑?？刂破?，以使從端能有期望的阻抗特性；對(duì)于從端， 利用目標(biāo)阻抗特性方程來(lái)指導(dǎo)控制器的設(shè)計(jì)。
[0011] 進(jìn)一步的，步驟一中建立主端和從端的動(dòng)力學(xué)模型及時(shí)延模型的具體方法是：
[0012] 建立主端與從端的動(dòng)力學(xué)模型：
[0013] (61-1)
[0014] (1:-2.)
[0015] (1-3)
[0016] 其中X表示位置，M、B、K分別表示質(zhì)量、阻尼、倔強(qiáng)系數(shù)；Fail表示主端控制器產(chǎn)生 的控制力，F(xiàn) m表示從端控制器產(chǎn)生的控制力，F(xiàn)h表示手施加給主端的力，F(xiàn)e表示環(huán)境施加 給從端的力；下標(biāo)Hi 1表示第一主端，下標(biāo)m 2表示第二主端，下標(biāo)s表示從端；
[0017] 期望的主端和從端之間力的關(guān)系是：
[0018]
(1-4)
[0019] 表示從端經(jīng)過時(shí)延山后傳遞給第一主端的環(huán)境力，F(xiàn)iV表示從端經(jīng)過時(shí)延d 2 后傳遞給第二主端的環(huán)境力；kf表示力的放縮系數(shù)；5分別表示第一主端施加給第 一操作者的力和第二主端施加給第二操作者的力；
[0020] 期望的主端和從端之間位置的關(guān)系是：
[0021]
(1-5)
[0022] 其中，、jW:、Xsd分別表示第一主端、第二主端和從端的期望位移；α η α 2和 α 3分別表示雙人共享控制中的優(yōu)勢(shì)因子；上標(biāo)d i、d2、d分別表示第一主端與從端之間、第 二主端與從端之間、第一主端與第二主端之間的時(shí)延；
[0023] 若存在時(shí)延時(shí)，建立如下的時(shí)延模型：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] (1-6)
[0028]
[0029]
[0030]
[0031] (1-7)
[0032] C.1-8)。'
[0033] 進(jìn)一步的，步驟二中主端控制器的設(shè)計(jì)方法如下：
[0034] 目標(biāo)阻抗特性方程如下：
[0035]
(1-9)
[0036] 其中，氣#、Kv分別表示主端阻抗控制器所期望的質(zhì)量、阻尼、倔強(qiáng)系 數(shù)；
[0037] 用式（1-9)求出·.之后代入式（1-1)得出：
[0038] CN 105138754 A ~P 3/10 頁(yè)
[0039] 第二主端的控制器設(shè)計(jì)與第一主端控制器設(shè)計(jì)采用相同的方法。
[0040] 進(jìn)一步的，步驟三中從端控制器的設(shè)計(jì)方法如下：
[0041] 目標(biāo)阻抗特性方程如下：
[0042] (Ml)
[0043] C1-12：)
[0044] C1-13)
[0045] (1-:14)
[0046] 其中：Msd、Bsd、Ksd分別表示從端阻抗控制器所期望的質(zhì)量、阻尼、倔強(qiáng)系數(shù)；
[0047] 使：對(duì)寸風(fēng)尤⑴.4Χ(γ)+]^(γ)+€(γ)最小，將滑模函數(shù)定義為：
[0048]
[0049] 其中Cwi Ji 〇))表示從端的力信息經(jīng)過時(shí)延山（τ )后發(fā)給第 一主端，再經(jīng)過時(shí)延Cl1 ( τ )發(fā)給從端；由于滑模函數(shù)的選擇是E ( τ )的積分值，所以〗(?)不 會(huì)出現(xiàn)突然增大的情況，有效的減少了噪音，則：
[0050] (1-16)
[0051] 令雄)=〇 ,由式（1-16)表示出^(?)后代入式（1-3)，得到： υ?Ν 丄丄 OO ? U4： λ J 一 吁/丄'j
[0052]
[0053] 其中&是非線性增益，sat〇是飽和函數(shù)，Φ是邊界層厚度，加上式（1-17) 的最后一項(xiàng)能夠減弱控制輸出的震顫現(xiàn)象；當(dāng)通過控制式（1-17)的輸入，使之滿足 5'(〇印-7|S(〇|，則能夠在有限的時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模域；
[0054] 由式（1-16)得到：
[0055]
[0056] 將式（1-16)和式（1-17)帶入到式（1-2)，最終得到：
[0057]
(1-1.9)
[0058] 根據(jù)變結(jié)構(gòu)控制理論，使選擇的Kg的值滿足Kg^ Ms η，此時(shí)不受時(shí)延的影響，能夠 有效的使系統(tǒng)對(duì)時(shí)延產(chǎn)生魯棒性，同時(shí)也能夠滿足從端期望阻抗特性。
[0059] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0060] 本發(fā)明對(duì)于主端采用傳統(tǒng)的阻抗控制，在從端采用變結(jié)構(gòu)控制。從端變結(jié)構(gòu)控制 器設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少微分項(xiàng)帶來(lái)的噪聲問題，采用對(duì)誤差求積分的方法，將其作為滑模函 數(shù)。本發(fā)明合理選擇滑?？刂破骺梢院艽蟪潭壬蠝p少時(shí)延的負(fù)面影響。同時(shí)，本發(fā)明的滑 ?？刂破鳠o(wú)需確定時(shí)延的具體數(shù)值，避免滑模函數(shù)求導(dǎo)所帶來(lái)的噪聲問題；另外，本發(fā)明具 有很好的魯棒性和穩(wěn)定性，不受變化時(shí)延的影響，能滿足變時(shí)延雙邊遙操作系統(tǒng)的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0061] 圖1表示主端的動(dòng)力學(xué)模型，我們采用阻抗模型模擬主端的動(dòng)力學(xué)特性
[0062] 圖2表示從端的動(dòng)力學(xué)模型，我們采用阻抗模型模擬從端的動(dòng)力學(xué)特性
[0063] 圖3表示整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包含通訊時(shí)延模塊
【具體實(shí)施方式】
[0064] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0065] 參見圖1至圖3,本發(fā)明具體包括步驟如下：
[0066] 1.建立主從端動(dòng)力學(xué)模型；2.提出雙人遙操作的期望目標(biāo)；3.設(shè)計(jì)主端的阻抗控 制器；4.設(shè)計(jì)從端的變結(jié)構(gòu)控制器。
[0067] 本發(fā)明的方法易于實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，主要可以應(yīng)用于變時(shí)延雙人遙操作系統(tǒng)的主端與 從端控制器設(shè)計(jì)。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0068] 第一步：建立主端和從端的動(dòng)力學(xué)模型及時(shí)延模型。
[0069] 如圖1 :主端動(dòng)力學(xué)模型采用線性時(shí)不變模型。輸入力為人手施加的力Fh和主端 控制器產(chǎn)生的控制力Fm。
[0070] 如圖2 :從端也采用線性時(shí)不變模型。輸入力為從端控制器產(chǎn)生的控制力Fm和環(huán) 境施加給從端的力Fe。
[0071] 建立主端與從端的動(dòng)力學(xué)模型：
[0072] (I-I)
[0073] (1-?
[0074] (13)
[0075] 其中X表示位置，M、B、K分別表示質(zhì)量、阻尼、倔強(qiáng)系數(shù)。Fail表示主端控制器產(chǎn)生 的控制力，F(xiàn) m表示從端控制器產(chǎn)生的控制力，F(xiàn)h表示手施加給主端的力，F(xiàn)e表示環(huán)境施加 給從端的力。下標(biāo)Hi 1表示第一主端，下標(biāo)m 2表示第二主端，下標(biāo)s表示從端。
[0076] 我們期望的主端和從端之間力的關(guān)系是：
[0077]
(1-4)
[0078] rV表示從端經(jīng)過時(shí)延dl后傳遞給第一主端的環(huán)境力，表示從端經(jīng)過時(shí)延d2 后傳遞給第二主端的環(huán)境力。kf表示力的放縮系數(shù)。6、分別表示第一主端施加給第 一操作者的力和第二主端施加給第二操作者的力。
[0079] 我們期望的主端和從端之間位置的關(guān)系是：
[0080]
(M)
[0081] 其中，、Xsd分別表示第一主端、第二主端和從端的期望位移。a i、α2 和〇3分別表示雙人共享控制中的優(yōu)勢(shì)因子。上標(biāo)dpdpd分別表示第一主端與從端之間、 第二主端與從端之間、第一主端與第二主端之間的時(shí)延。具體的時(shí)延模型見下文。
[0082] 但是如果存在時(shí)延時(shí)，我們建立如下的時(shí)延模型：
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] (1-6)
[0087]
[0088]
[0089]
[0090] (.1-7)
[0091] (1-8)
[0092] 建立如圖3的時(shí)延模型，第一主端和第二主端之間的時(shí)延為d(t)，第一主端和從 端之間的時(shí)延為(I 1 (t)，第二主端和從端之間的時(shí)延為d2(t)。第一主端的位置信息心,到達(dá) 從端之后變?yōu)?lt;，第一主端的位置信息到達(dá)第二主端之后變?yōu)?第二主端的位