基于Internet的遥操作机器人系统时延控制研究

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遥操作机器人特别是具有力觉临场感的遥操作系统极大拓展了操作者的感知和控制能力,已被广泛应用于空间计划、深海探测、核工业以及医疗卫生等各个领域。在操作者的安全性和工作效率得到提高的同时,严重的不足也暴露出来:遥操作系统固有的时滞特性影响着系统的正常工作,时延较大或变化时,甚至造成系统的不稳定。随着网络技术的飞速发展和Internet在全球的普及,以Internet为传输媒介的遥操作系统因其通用性和低成本成为目前学者们研究的热点。所围绕的中心问题就是网络时延随机变化、无界(丢包)和乱序给遥操作系统带来的不稳定和力觉临场感的丧失。 针对遥操作系统通讯时延严重影响力觉临场感系统稳定性和透明性的问题,本文给出了一类新的控制方法,为力反馈遥操作系统建立了内模控制结构:1)针对固定时延系统,设计从端本地反馈控制器和内模控制器分别实现主从机械手速度和力的跟踪,兼顾系统在任意固定时延下的稳定与透明,因为内模结构具有预测功能,操作者具有良好的力觉临场感;2)针对变时延系统,机械手的速度跟踪本地闭环保持不变,力的跟踪则采用鲁棒控制,将在一定范围内变化的传输时延看作被控对象参数的不确定(摄动),运用H_∞最优控制理论确定使系统在有界时延下鲁棒稳定和满足最优鲁棒性能指标的控制器参数取值范围,将变化时延对系统稳定性和透明性的影响降到最小;3)在对Internet时延特性分析的基础上,探讨如何将以上给出的H_∞控制方法应用到以Internet为传输媒介的遥操作系统中,给出新的数据收发处理算法和时延控制算法来解决网络时延的无界、丢包和乱序等问题,将Internet时延规范到H_∞控制的有效被控范围内,使遥操作系统在Internet时延环境下依然保持良好的稳定性和透明性。 三个部分的设计是承接关系,一、二部分是Internet遥操作系统设计的基础,也可单独使用。整个控制系统是在内模结构之上进行的双控制器设计,每个控制器分别有一个控制参数,参数数量少且相关度低,依照某种性能指标进行选取的灵活性大;借助内模控制结构的特殊性,以透明性为目标的控制器设计独立于稳定性来进行,降低了控制器设计的复杂度;与已有方法相比,采用该控制方法的Internet遥操作系统对网络时延环境适应性强,保守性低,能有效降低Internet时延对系统的稳定性和透明性的影响。 文中对以上各控制方法进行了相应的理论证明和仿真实验。
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