一种变时延双人遥操作变结构控制器的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于变结构控制领域，具体涉及一种变时延双人遥操作变结构控制器的设 计方法。
【背景技术】
[0002] 滑模变结构系统最突出的优点是滑动模态对系统的干扰和参数摄动具有"完全自 适应性"，这也是其得到重视的重要原因。自20世纪50年代以来，滑模变结构控制作为控 制系统的一种综合方法，已经形成一个相对独立的科学研究体系。对于遥操作系统中的变 时延特性，变结构控制可以有效的减少外部摄动对系统稳定性的干扰。
[0003] 在遥操作领域，传统的单个主手单个从手的操作模式受到了制约。在诸如在轨装 配等复杂空间任务的应用领域中，单主手单从手的操作模式很难满足日益复杂的任务。为 此，近年来越来越多的学者提出使用多人共享的操作模式，即一种双人控制模式。其中包括 两个主端和一个从端。他们之间互相共享自己的位置信息、力信息。这就使得两个主端操 作者可以协同控制从端的运动，从而减轻了任务难度，提高操作精度。但由于星地回路中广 泛存在的时延问题，控制信息的增多更易受到时延的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于减少双人遥操作受到的时延的影响，提出一种变时延双人遥操 作变结构控制器的设计方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明所采用技术方案包括以下步骤：
[0006] 第一步：建立主端和从端的动力学模型及时延模型
[0007] 第二步：设计主端控制器
[0008] 主端采用阻抗控制器，在主端与从端之间增加虚拟阻抗；对于主端，利用目标阻抗 特性方程来指导控制器的设计；
[0009] 第三步：设计从端控制器
[0010] 从端采用基于阻抗控制的滑模控制器，以使从端能有期望的阻抗特性；对于从端， 利用目标阻抗特性方程来指导控制器的设计。
[0011] 进一步的，步骤一中建立主端和从端的动力学模型及时延模型的具体方法是：
[0012] 建立主端与从端的动力学模型：
[0013] (61-1)
[0014] (1:-2.)
[0015] (1-3)
[0016] 其中X表示位置，M、B、K分别表示质量、阻尼、倔强系数；Fail表示主端控制器产生 的控制力，F m表示从端控制器产生的控制力，Fh表示手施加给主端的力，Fe表示环境施加 给从端的力；下标Hi 1表示第一主端，下标m 2表示第二主端，下标s表示从端；
[0017] 期望的主端和从端之间力的关系是：
[0018]
(1-4)
[0019] 表示从端经过时延山后传递给第一主端的环境力，FiV表示从端经过时延d 2 后传递给第二主端的环境力；kf表示力的放缩系数；5分别表示第一主端施加给第 一操作者的力和第二主端施加给第二操作者的力；
[0020] 期望的主端和从端之间位置的关系是：
[0021]
(1-5)
[0022] 其中，、jW:、Xsd分别表示第一主端、第二主端和从端的期望位移；α η α 2和 α 3分别表示双人共享控制中的优势因子；上标d i、d2、d分别表示第一主端与从端之间、第 二主端与从端之间、第一主端与第二主端之间的时延；
[0023] 若存在时延时，建立如下的时延模型：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] (1-6)
[0028]
[0029]
[0030]
[0031] (1-7)
[0032] C.1-8)。'
[0033] 进一步的，步骤二中主端控制器的设计方法如下：
[0034] 目标阻抗特性方程如下：
[0035]
(1-9)
[0036] 其中，氣#、Kv分别表示主端阻抗控制器所期望的质量、阻尼、倔强系 数；
[0037] 用式（1-9)求出·.之后代入式（1-1)得出：
[0038] CN 105138754 A ~P 3/10 页
[0039] 第二主端的控制器设计与第一主端控制器设计采用相同的方法。
[0040] 进一步的，步骤三中从端控制器的设计方法如下：
[0041] 目标阻抗特性方程如下：
[0042] (Ml)
[0043] C1-12：)
[0044] C1-13)
[0045] (1-:14)
[0046] 其中：Msd、Bsd、Ksd分别表示从端阻抗控制器所期望的质量、阻尼、倔强系数；
[0047] 使：对寸风尤⑴.4Χ(γ)+]^(γ)+€(γ)最小，将滑模函数定义为：
[0048]
[0049] 其中Cwi Ji 〇))表示从端的力信息经过时延山（τ )后发给第 一主端，再经过时延Cl1 ( τ )发给从端；由于滑模函数的选择是E ( τ )的积分值，所以〗(?)不 会出现突然增大的情况，有效的减少了噪音，则：
[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&是非线性增益，sat〇是饱和函数，Φ是边界层厚度，加上式（1-17) 的最后一项能够减弱控制输出的震颤现象；当通过控制式（1-17)的输入，使之满足 5'(〇印-7|S(〇|，则能够在有限的时间内到达滑模域；
[0054] 由式（1-16)得到：
[0055]
[0056] 将式（1-16)和式（1-17)带入到式（1-2)，最终得到：
[0057]
(1-1.9)
[0058] 根据变结构控制理论，使选择的Kg的值满足Kg^ Ms η，此时不受时延的影响，能够 有效的使系统对时延产生鲁棒性，同时也能够满足从端期望阻抗特性。
[0059] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0060] 本发明对于主端采用传统的阻抗控制，在从端采用变结构控制。从端变结构控制 器设计时，为了减少微分项带来的噪声问题，采用对误差求积分的方法，将其作为滑模函 数。本发明合理选择滑模控制器可以很大程度上减少时延的负面影响。同时，本发明的滑 模控制器无需确定时延的具体数值，避免滑模函数求导所带来的噪声问题；另外，本发明具 有很好的鲁棒性和稳定性，不受变化时延的影响，能满足变时延双边遥操作系统的要求。
【附图说明】
[0061] 图1表示主端的动力学模型，我们采用阻抗模型模拟主端的动力学特性
[0062] 图2表示从端的动力学模型，我们采用阻抗模型模拟从端的动力学特性
[0063] 图3表示整个系统的结构，包含通讯时延模块
【具体实施方式】
[0064] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0065] 参见图1至图3,本发明具体包括步骤如下：
[0066] 1.建立主从端动力学模型；2.提出双人遥操作的期望目标；3.设计主端的阻抗控 制器；4.设计从端的变结构控制器。
[0067] 本发明的方法易于实现和应用，主要可以应用于变时延双人遥操作系统的主端与 从端控制器设计。具体实现步骤如下：
[0068] 第一步：建立主端和从端的动力学模型及时延模型。
[0069] 如图1 :主端动力学模型采用线性时不变模型。输入力为人手施加的力Fh和主端 控制器产生的控制力Fm。
[0070] 如图2 :从端也采用线性时不变模型。输入力为从端控制器产生的控制力Fm和环 境施加给从端的力Fe。
[0071] 建立主端与从端的动力学模型：
[0072] (I-I)
[0073] (1-?
[0074] (13)
[0075] 其中X表示位置，M、B、K分别表示质量、阻尼、倔强系数。Fail表示主端控制器产生 的控制力，F m表示从端控制器产生的控制力，Fh表示手施加给主端的力，Fe表示环境施加 给从端的力。下标Hi 1表示第一主端，下标m 2表示第二主端，下标s表示从端。
[0076] 我们期望的主端和从端之间力的关系是：
[0077]
(1-4)
[0078] rV表示从端经过时延dl后传递给第一主端的环境力，表示从端经过时延d2 后传递给第二主端的环境力。kf表示力的放缩系数。6、分别表示第一主端施加给第 一操作者的力和第二主端施加给第二操作者的力。
[0079] 我们期望的主端和从端之间位置的关系是：
[0080]
(M)
[0081] 其中，、Xsd分别表示第一主端、第二主端和从端的期望位移。a i、α2 和〇3分别表示双人共享控制中的优势因子。上标dpdpd分别表示第一主端与从端之间、 第二主端与从端之间、第一主端与第二主端之间的时延。具体的时延模型见下文。
[0082] 但是如果存在时延时，我们建立如下的时延模型：
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] (1-6)
[0087]
[0088]
[0089]
[0090] (.1-7)
[0091] (1-8)
[0092] 建立如图3的时延模型，第一主端和第二主端之间的时延为d(t)，第一主端和从 端之间的时延为(I 1 (t)，第二主端和从端之间的时延为d2(t)。第一主端的位置信息心,到达 从端之后变为<，第一主端的位置信息到达第二主端之后变为 第二主端的位