一种基于波变量的定时延遥操作控制方法
【专利说明】一种基于波变量的定时延遥操作控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于遥操作控制领域，具体涉及一种基于波变量的定时延遥操作控制方 法。 【【背景技术】】
[0002] 遥操作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重要角色。在 遥操作系统中，操作者通过操作从端的机械臂与远端环境进行交互。遥操作可以给操作者 提供一个安全的环境，同时具有很强的临场感。但是时延极大的影响到遥操作的稳定性，而 时延又广泛存在于通信信道中。波变量方法脱胎于无源控制理论，可以很好的解决由时延 带来的遥操作稳定性问题。 【
【发明内容】
】
[0003] 本发明的目的在于解决遥操作中的时延带来的稳定性问题，一种基于波变量的定 时延遥操作控制方法，该方法能够同时提高遥操作过程中的跟踪性能和力反馈逼真度。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0005] -种基于波变量的定时延遥操作控制方法，包括以下步骤：
[0006] 1)建立主从端的动力学模型及时延模型：
[0010] 其中，表示主端质量，之表示主端加速度，fh表示手施加给主端的力，f"。表示从 端反馈到主端的控制力；13表示从端质量，：?..表示从端加速度，fs。表示从端控制器产生的 控制力，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； 弋表示主端传输到从端的期望速度，xs。表示主端传输到从端的期望位置，4和4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；
[0011] 期望的主端和从端之间的关系是：
[0014] s表示拉普拉斯算子，之⑴、之⑷分别表示主端和从端的速度的拉普拉斯变换， ^7表示主端向从端传输信道中的低通滤波器，λ为滤波器的带宽，FM(S)表示从端反馈 到主端的控制力的拉普拉斯变换；FS(：(s)表示从端控制力的拉普拉斯变换；e sT表示定时延 通信环节的拉普拉斯变换；
[0015] 在信道传输过程中，采用波变量进行传输；在频域内的波变量变换公式如下：
[0020] 其中，b为波变量参数，Um(s)表示主端的前向波变量的拉普拉斯变换，V m(s)表示 主端的反向波变量的拉普拉斯变换，Us(s)表示从端的前向波变量的拉普拉斯变换，Vs(s) 表示从端的反向波变量的拉普拉斯变换，之表示从端收到的主端传输的期望速度的拉 普拉斯变换；
[0021] 因为存在时延，建立如下的时延模型：
[0025] 其中，T表示主端与从端之间的时延，均为常数；
[0026] 2)设计前向通道波变量补偿项
[0027] 加入补偿项后，前向通道的波变量如下：
[0029] 其中，AUs(s)为前向通道波变量补偿量的拉普拉斯变换；
[0030] 为了达到稳定的跟踪性能，补偿量如下所示：
[0032] 3)设计反向通道波变量补偿项
[0033] 对反向通道的波变量增加补偿项Δ Vjs)，反向通道的波变量表示为：
[0035] 其中，AVjs)为反向通道波变量补偿量的拉普拉斯变换；
[0036] 传递到主端的反馈力为：
[0038]将（1-13)与（1-9)带入（1-14)，得到：
[0042] 则（1-15)中的之⑷就会被消掉，从而可以满足（1-5)的要求；
[0043] 经过化简，得到：
[0045] 4)设计能量整定器
[0046] 为了对主端耗散的能量进行计算，设计一个非负能量储存器：
[0048] Es(t)表示能量存储量，um( τ )为主端前向波变量的时域信号，vs( τ )为从端反向 波变量的时域信号。
[0049] 反向通道的波变量补偿项AVn(t)的计算方式如下：
[0050] Δν," (t) = /(I - ?<-?Χ ) * " (t) - h . (/ - Γ)] (1-19)
[0051] 其中，γ和δ都是正的调节参数，γ决定了补偿的快慢，δ决定了能量储存器的 累积的快慢，*代表卷积运算；当能量储存器达到零时，上式小括号中的项就会成为零，从 而会阻断补偿项的计算，很好的保证系统的稳定性。
[0052] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0053] 本发明通过建立主从端的动力学模型及时延模型，设计前向通道波变量补偿项， 设计反向通道波变量补偿项以及最后设计能量整定器，以解决遥操作中的时延带来的稳定 性问题，同时提高遥操作过程中的跟踪性能和力反馈逼真度。本发明能够很好的保证遥操 作系统在定时延条件下的稳定性，具有良好的位置跟踪性能和良好的力反馈逼真度；本发 明所公开的遥操作控制方法通过波变量的方法，可以保证遥操作系统在时延情况下的稳定 性，同时可以提高时延遥操作系统的位置和力的跟踪性能。 【【附图说明】】
[0054] 图1表示传统的基于波变量的遥操作系统结构示意图；
[0055] 图2表示前向通道补偿的波变量遥操作系统结构示意图；
[0056] 图3表不本发明的系统结构不意图。 【【具体实施方式】】
[0057] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
[0058] 参见图3,本发明基于波变量的定时延遥操作控制方法，包括以下步骤：
[0059] 1)建立主端与从端的动力学模型：
[0063] 其中Mm= lkg，M s= lkg，B = 80Ns/m，K = 80N/m，f mt:表示从端反馈到主端的控制 力，fs。表示从端控制器产生的控制力，fh表示手施加给主端的力，表示环境施加给从端 的力。表示主端传输到从端的期望速度，4和龙分别表示主端和从端的实际速度，B和K 分别表示从端控制器的微分参数和比例参数。下标m表示主端，下标s表示从端。
[0064] 我们期望的主端和从端之间的关系是：
[0067] 之(5)、<(s)分别表示主端和从端速度的拉普拉斯变换，^表示主端向从端传 输信道中的低通滤波器，λ为滤波器的截止频率，λ = 15, FM(S)表示从端反馈到主端的 控制力的拉式变换。
[0068] 在信道传输过程中，采用波变量进行传输。在频域内的波变量变换公式如下：
[0073] 其中 b = 2。
[0074] 2)时延模型如下：
[0079] 3)为了达到稳定的跟踪性能，前向通道的波变量补偿量如下所示：
[0081] 4)反向通道的补偿量如下：
[0083] 5)能量整定器设计如下：
[0086] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按 照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于波变量的定时延遥操作控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 1)建立主从端的动力学模型及时延模型：其中，Mni表示主端质量，表示主端加速度，fh表示手施加给主端的力，。表示从端反 馈到主端的控制力；13表示从端质量，.足表示从端加速度，fs。表示从端控制器产生的控制 力，；1^表不环境施加给从端的力；B和K分别表不从端控制器的微分参数和比例参数；.七表 示主端传输到从端的期望速度，X s。表示主端传输到从端的期望位置，之和4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； 期望的主端和从端之间的关系是：s表不拉普拉斯算子，分别表不主端和从端的速度的拉普拉斯变换，表示主端向从端传输信道中的低通滤波器，λ为滤波器的带宽，F nrc(S)表示从端反馈 到主端的控制力的拉普拉斯变换；Fstl(S)表示从端控制力的拉普拉斯变换；e sT表示定时延 通信环节的拉普拉斯变换； 在信道传输过程中，采用波变量进行传输；在频域内的波变量变换公式如下：其中，b为波变量参数，Um(S)表示主端的前向波变量的拉普拉斯变换，Vm(S)表示主端 的反向波变量的拉普拉斯变换，Us(S)表示从端的前向波变量的拉普拉斯变换，Vs(S)表示 从端的反向波变量的拉普拉斯变换，尤.⑷表示从端收到的主端传输的期望速度的拉普拉 斯变换； 因为存在时延，建立如下的时延模型：其中，T表示主端与从端之间的时延，均为常数； 2) 设计前向通道波变量补偿项 加入补偿项后，前向通道的波变量如下：其中，AUs(S)为前向通道波变量补偿量的拉普拉斯变换； 为了达到稳定的跟踪性能，补偿量如下所示：3) 设计反向通道波变量补偿项 对反向通道的波变量增加补偿项AVni(S),反向通道的波变量表示为：其中，AVni(S)为反向通道波变量补偿量的拉普拉斯变换； 传递到主端的反馈力为：则（1-15)中的就会被消掉，从而可以满足（1-5)的要求； 经过化简，得到：4) 设计能量整定器 为了对主端耗散的能量进行计算，设计一个非负能量储存器：Es(t)表示能量存储量，Um(T)为主端前向波变量的时域信号，Vs(T)为从端反向波变 量的时域信号； 反向通道的波变量补偿项Avni(t)的计算方式如下：其中，γ和S都是正的调节参数，γ决定了补偿的快慢，δ决定了能量储存器的累积 的快慢，*代表卷积运算；当能量储存器达到零时，上式小括号中的项就会成为零，从而会 阻断补偿项的计算，很好的保证系统的稳定性。
【专利摘要】本发明公开了一种基于波变量的定时延遥操作控制方法，通过建立主从端的动力学模型及时延模型，设计前向通道波变量补偿项，设计反向通道波变量补偿项以及最后设计能量整定器，以解决遥操作中的时延带来的稳定性问题，同时提高遥操作过程中的跟踪性能和力反馈逼真度。本发明能够很好的保证遥操作系统在定时延条件下的稳定性，具有良好的位置跟踪性能和良好的力反馈逼真度；本发明所公开的遥操作控制方法通过波变量的方法，可以保证遥操作系统在时延情况下的稳定性，同时可以提高时延遥操作系统的位置和力的跟踪性能。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN105353616
【申请号】CN201510793832
【发明人】黄攀峰, 戴沛, 刘正雄, 孟中杰
【申请人】西北工业大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年11月17日