一种用于变时延双边遥操作系统的稳定控制方法与流程

本发明属于遥操作控制领域，涉及一种用于变时延双边遥操作系统的稳定控制方法。

背景技术：

遥操作技术已经在诸如空间机器人、高精度装配、手术等诸多领域扮演着日益重要的角色，但时延的引入是不可避免的突出问题。当操作回路时延与机器人的动态时间常数相比较大时，远端机器人与作业环境之间交互的测量信息(位置与接触力)传递到操作者时就会有较大的时延，这种延迟影响操作者的思维及判断能力，使其不能及时地发出有效的操作命令，使得系统的性能下降，严重时导致系统不稳定。时延的属性是时变且未知的，所以对变时延遥操作系统的稳定控制方法的研究变得日益重要。

与以往公开的专利相比，《CN201510793832.8-一种基于波变量的定时延遥操作控制方法》、《CN201510551772.9-一种用于变优势因子双人遥操作的波变量求取方法》、《CN201510793832.8-一种基于波变量的定时延遥操作控制方法》、《CN201610323424.0-一种用于时延非对称双人遥操作系统的稳定控制方法》主要是针对定时延条件下的遥操作系统提出稳定控制方法。但是，多数的遥操作系统都是处于变时延的条件中。而专利《CN201510243994.4-一种变时延双人遥操作变结构控制器的设计方法》针对变时延的情况下双人遥操作提出的变结构控制方法，而并没有针对变时延情况下的双边遥操作提出相应的稳定控制方法，为此，本专利针对变时延情况下的双边遥操作提出一种稳定控制方法。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于变时延双边遥操作系统的稳定控制方法，解决双边遥操作系统中的时变时延带来的稳定性问题。

技术方案

一种用于变时延双边遥操作系统的稳定控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、建立两个主端及从端的动力学模型：

两个主端的动力学模型：

从端的动力学模型：

从端控制器产生的控制力：

其中，M_m表示主端质量，表示主端加速度，f_h表示手施加给主端的力，f_mc表示从端反馈到主端的控制力；M_s表示从端质量，表示从端加速度，f_sc表示从端控制器产生的控制力，f_e表示环境施加给从端的力；B和K分别表示从端控制器的微分参数和比例参数；表示主端传输到从端的期望速度，x_sc表示主端传输到从端的期望位置，和分别表示主端和从端的实际速度，下标m表示主端，下标s表示从端；

步骤2、设计信道稳定控制器：

主端至从端的稳定控制器：

从端至主端的稳定控制器：

其中：b为波变量参数，u_m(t)表示主端的前向波变量，表示主端的反向波变量，表示从端的前向波变量，v_s(t)表示从端的反向波变量，表示从端收到的主端传输的期望速度；

k₁(t)与k₂(t)为时变增益，且满足下式：

步骤3、计算时变增益：

对于连续系统：取和的极大值作为和右边的值，求解得到时变增益k₁(t)与k₂(t)；

对于离散系统：采用求得采用求得以求得的和作为和右边的值，求解得到时变增益k₁(t)与k₂(t)；

步骤4：以步骤3求得的时变增益输入至步骤2的两个信道稳定控制器，实现变时延遥操作系统的稳定控制。

有益效果

本发明提出的一种用于变时延双边遥操作系统的稳定控制方法，首先建立两个主端及从端的双边遥操作系统的模型；然后根据共存在三个信道，每个信道都将速度和力信息传输到对方，在每个信道上利用波变量方法来保证信道的稳定性，所以设计信道稳定控制器；对时延预测估计，求得的时变增益，以时变增益输入至两个信道稳定控制器，实现变时延遥操作系统的稳定控制。

本发明的方法易于实现和应用，主要可以应用于变时延双边遥操作系统的稳定控制。对于线性遥操作系统和非线性遥操作系统均具有良好的鲁棒性，时延预测估计的方法易于得到时延变化率的极值。

附图说明

图1：表示波变量计算方法

图2：表示系统框图，具体描述主端和从端之间的信息传递情况

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的实施例技术方案为：由建立双边遥操作系统的模型、设计信道稳定控制器、时延预测估计等三个部分组成。该方法具体包括如下步骤：

1、建立双边遥操作系统的模型

2、设计信道稳定控制器

3、时延预测估计

第一步：建立双边遥操作系统的模型

建立两个主端及从端的动力学模型：

两个主端的动力学模型：

从端的动力学模型：

其中，M_m表示主端质量，表示主端加速度，f_h表示手施加给主端的力，f_mc表示从端反馈到主端的控制力；M_s表示从端质量，表示从端加速度，f_sc表示从端控制器产生的控制力，f_e表示环境施加给从端的力；B和K分别表示从端控制器的微分参数和比例参数；表示主端传输到从端的期望速度，x_sc表示主端传输到从端的期望位置，和分别表示主端和从端的实际速度，下标m表示主端，下标s表示从端；

第二步：设计信道稳定控制器

由于共存在三个信道，每个信道都将速度和力信息传输到对方，在每个信道上利用波变量方法来保证信道的稳定性。具体步骤如下：

对于每个信道，设计如图1的波变量，将时域变量变为波变量进行传输。

其中，b为波变量参数，u_m(t)表示主端的前向波变量，表示主端的反向波变量，表示从端的前向波变量，v_s(t)表示从端的反向波变量，表示从端收到的主端传输的期望速度；

由于波变量在信道传输的过程中会经历时变时延的影响，所以对经过信道到达主端和从端的波变量进行修正，从而保证系统的无源性。详见图2

其中，k₁(t)与k₂(t)为时变增益，且满足下式：

第三步：时延预测估计

波变量在信道中传播时，按照如下的时延模型：

u_s′(t)＝u_m(t-T₁(t)) (0-12)

v′_m(t)＝v_s(t-T₂(t)) (0-13)

对于连续系统，取和的极大值作为(0-10)不等式右边的值。

对于离散系统，使用下式求出和的值

其中：T为离散系统采样时间间隔。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、对于线性遥操作系统和非线性遥操作系统均具有良好的鲁棒性

2、时延预测估计的方法易于得到时延变化率的极值

具体实施方式

第一步：建立两个主端及从端的动力学模型：

其中：

上式中M_s＝0.5kg，K＝3，B＝20。表示主端传输到从端的期望速度，x_sc表示主端传输到从端的期望位置，和分别表示主端和从端的实际速度，下标m表示主端，下标s表示从端；

第二步：设计信道稳定控制器

在每个信道上利用波变量方法来保证信道的稳定性。具体步骤如下：

其中，b＝2.5为波变量参数，u_m(t)表示主端的前向波变量，表示主端的反向波变量，表示从端的前向波变量，v_s(t)表示从端的反向波变量，表示从端收到的主端传输的期望速度；

令和用下式表示：

其中，k₁(t)与k₂(t)为时变增益，且满足下式：

第三步：时延预测估计

对于连续系统，取和的极大值作为上式右边的值。

对于离散系统，使用下式求出和的值

其中：T为离散系统采样时间间隔，取T＝0.01s。

第四步：以步骤3求得的时变增益输入至步骤2的两个信道稳定控制器，实现变时延遥操作系统的稳定控制。