专利名称：遥操作机器人丢包补偿系统及其实现方法
技术领域：
本发明涉及遥操作机器人网络化控制技术领域，尤其是涉及具有信道共享的遥
操作机器人丢包补偿系统及其实现方法。
背景技术：
遥操作机器人是指在人的操纵下能在人难以接近(距离遥远、对人有害或操作有难度)的环境中完成比较复杂的精细操作的一种远距离操作系统。近几十年来，不少国家相继投入了很大的力量从事遥操作机器人系统的研究和研制工作，且研究成果已成功应用到原子能技术、空间技术、深海作业等诸多领域。 遥操作机器人系统的传感及控制信号需通过网络进行传输，而网络诱导时延及数据包丢失会降低系统性能甚至引起系统不稳定，因此，合理地补偿网络诱导时延及数据包丢失的负面影响具有十分重要的意义。现有科技文献并未研究遥操作机器人系统的网络诱导时延及丢包的补偿问题。现有的预测控制方法可以用来补偿网络诱导时延及丢包，并取得了较好的效果。对基于预测控制的补偿方法而言，由于每次采样时都需要提前若干步预测控制输入并传到执行器，这样会增加网络负载；另外，基于预测控制的补偿方法会不可避免的导致预测误差。基于线性估计的方法可以用来估计那些丢失的或者发生长时延的数据包，由于该方法无需提前若干步估计控制输入并传到执行器，与基于预测控制的方法相比，可以减小网络负载。 基于预测控制的方法及基于估计的方法都会存在一定的预测或估计误差，而这种误差的影响通常难以消除。对遥操作机器人系统而言， 一个重要的特性就是网络资源的共享，如果控制输入可以经由多个空闲的通信通道传输，则即使某些通道发生长时延、丢包甚至传输中断，执行器仍然可能收到最新的控制输入，而且这种通信通道的共享不会导致预测或估计误差，同时，当网络传输中断时，与基于预测及线性估计的方法相比，基于信道共享的补偿方法可以保证系统具有更大的容许丢包数，更小的H①范数界。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，通过在遥操作机器人系统中加入信号发生器及数据缓冲区，创建一个基于多通信通道共享的方法来补偿遥操作机器人系统中网络时延及丢包的负面影响，应用网络化控制系统状态空间描述并提出信道切换算法，利用李亚普诺夫方法及自由加权矩阵技术，实现对遥操作机器人系统网络诱导时延及丢包的补偿。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案 本发明遥操作机器人丢包补偿系统，其特征在于由n条并联的结构相同的信道和信号发生器组成，信号发生器的输出端分别接n条信道的输入端；其中每条信道都由遥操作机器人即受控对象、控制器、传感机构和执行机构组成，执行机构的输入端还设置数据缓冲区，数据缓冲区的输出端依次串接执行机构、遥操作机器人、传感机构后并 联于控制器的两端，信号发生器的输出端接数据缓冲区的输入端，其中n为自然数。
所述的遥操作机器人丢包补偿系统的实现方法，其特征在于包括如下步骤
(l)分别为n条信道设置时延与丢包和的上界、，i= 1、 2、 3…n，并比较数据 缓冲区记录的系统运行的当前时间与最近收到的控制输入的时间戳的差t，其中、为第i 条信道的时延与丢包和的上界； (2)当所述遥操作机器人丢包补偿系统达到稳态则系统运行终止；当t〈、，则 不进行信道及控制器切换，并利用当前信道控制器控制遥操作机器人，否则，转入步骤 (3); (3)当G、，则检查下一个信道控制器的工作状态； (4)当下一个信道控制器忙，则检查下一个信道控制器的工作状态，返回步骤 (3); (5)当下一个信道控制器空闲，则信号发生器发送驱动信号至该信道控制器，为 遥操作机器人传输控制输入； (6)比较当前时间与最近收到的控制输入的时间戳的差t，若t〈、，转入步骤 (2)，若G、，则转入步骤(3)。 遥操作机器人丢包补偿系统的实现方法，其特征在于，当遥操作机器人从两个 信道即信道1和信道2收到控制输入，实际可用的控制输入描述为
u(t) = P KlX(ikh)+(l-P )K2x(j!h) (1) 其中tG [p(ikh+Tk)+(1-P)(jlh+0l)，p(ik+ih+Tk+i)+(1-P)(jwh+0i+i))，调节参
数P的取值原则为
1
当前控制输入由信道l传输 — 当前控制输入由信道2传输
》，jwh为传感器的采样时刻，Tk， Tk
+1为信道2上网络诱导时延及丢包的和;
i为信道l上网络诱导时
定义T (t) = t-ikh， O (t) 且jkh，丄h， jk
延及丢包的和，Op o
二t-丄h，则 u(t) = P KlX(t- t (t))+(l- P )K2x(t- o (t)) (2) 式子(2)中所示即为遥操作机器人实际可用的控制输入。 本发明本发明的优点在于l.通过对空闲信道的充分利用，实现丢包补偿并相 应地改善系统性能，该发明对网络信道数据传输中断的情况尤为有效；2.可以避免基于 预测控制及基于估计的方法所导致的预测或估计误差。 本发明在以遥操作机器人实际运行为背景的基础上，提出了一个新颖的基于网 络信道共享的丢包补偿装置及方法，可在较大程度上改善遥操作机器人系统的控制性 能，效果良好，具有实际应用和推广价值。 与基于单通信通道的方法相比，对空闲通信通道的共享可以补偿时延及丢包的 负面影响。同时，该方法可以避免基于预测控制及基于估计的方法所导致的预测或估计 误差。当网络传输中断时，与基于预测及线性估计的方法相比，基于信道共享的补偿方 法可以保证系统具有更大的容许丢包数，更小的H①范数界。
图1是本发明的系统结构图。
图2是本发明的实现流程图。
图3是实施例中外部扰动示意图。 图4是实施例中无丢包补偿的机器人运动轨迹及速度仿真曲线。
图5是本发明实施例中机器人运动轨迹及速度仿真曲线。
具体实施例方式
现依据附图，对本发明做进一步的描述。 如图1所示，遥操作机器人丢包补偿系统，其特征在于由n条并联的结构相同 的信道和信号发生器组成，信号发生器的输出端分别接n条信道的输入端；其中每条信 道都由遥操作机器人即受控对象、控制器、传感机构和执行机构组成，执行机构的输入 端还设置数据缓冲区，数据缓冲区的输出端依次串接执行机构、遥操作机器人、传感机 构后并联于控制器的两端，信号发生器的输出端接数据缓冲区的输入端，其中n为自然 数。 系统中的传感机构收集的是遥操作机器人从开始工作到结束运行的整个时间段 的状态信息，包括机器人运动轨迹及速度等，同时也包括风速，电磁干扰等对遥操作机 器人系统影响比较大的外部因素，数据以一定的间隔时间采集一次，以毫秒为单位。传 感机构采样到的数据通过网络发送到控制器，控制器生成控制输入并传输到执行机构， 执行机构将收到的控制信号作用于遥操作机器人。在执行机构端加入信号发生器及数据 缓冲区，向空闲信道发送的驱动信号由硬件信号发生器来产生，数据缓冲区用于记录系 统运行的当前时间与最近收到的控制输入的时间戳的差t。 下面，给出具有信道11 = 2共享的遥操作机器人系统的模型，并基于得到的模型 给出控制器选择算法，从而实现对空闲信道的充分利用并补偿时延及丢包的负面影响。
1.对具有信道共享的遥操作机器人系统建模。 考虑遥操作机器人系统状态方程(3)，若遥操作机器人从两个信道收到控制输 入，设h表示采样周期长度，ikh，丄h， ik+1h， JV》为传感器的采样时刻，Tk， 0l， ik+1，
Tw分别为基于ikh，丄h， ik+1h， jwh时刻的对象状态所得到的控制输入的网络传输时延及
丢包的和，则实际可用的控制输入描述为
u(t) = P KlX(ikh)+(l- P )K2x(j!h) (6) 其中t G [ p (ikh+ t k)+(l- P )()》+ o i)，P (ik+1h+ t k+1)+(l- P )(j1+1h+ t 1+1))，且t-ikh
=t (t)《t M， t-ikh- t k = a (t)《a M，调节参数P的取值原则为
f 1 当前控制输入由信道l传输
l0 当前控制输入由信道2传输
定义t (t) = t-ikh，o (t) = t-丄h，贝U
u(t) = P KlX(t- t (t))+(l- P )K2x(t- o (t)) (7)
相应的，系统(3)可以写为<formula>formula see original document page 6</formula> 如系统(8)所示，当一个信道的数据传输中断时，控制器仍可以从其它的信道收 到最新的控制输入，从而改善遥操作机器人系统的性能。
2.设计最优控制器增益Kp K2。 通过定义合适的Lyapunov函数，并利用线性矩阵不等式及自由加权矩阵技术， 可以设计出具有信道共享的机器人系统的最优控制器增益&， K2。
3.发送控制信号至执行机构。 对于(8)中给出的遥操作机器人系统，底层传感器完成遥操作机器人参数的采
集，各传感器的信号经过阻抗变换和放大得到相应的电压信号，经A/D转换后通过通信
网络传输至控制主机，控制主机根据输入的遥操作机器人参数数据，利用得到的最优控
制器增益K" K2及状态反馈控制算法产生控制信号并输出相应的控制量，通过串行口将
控制信号送入执行机构。 4.将控制输入作用于受控对象。 如图2所示，在执行机构端加入一数据缓冲区，记录系统运行的当前时间与最 近收到的控制输入的时间戳的差t，并按以下算法实现信道选择，从而将控制输入作用于 受控对象，完成对机器人系统运动轨迹、速度及运动方向等的控制。具体的信道选择算 法如下 (1)分别为信道1及信道2设置时延与丢包和的上界t， o，并比较系统运行的 当前时间与最近收到的控制输入的时间戳的差t。 (2)检查系统是否达到稳态，若达到稳态则转入步骤(6)。若t < t或t < o ， 则不进行信道及控制器切换，利用当前控制器及当前信道控制遥操作机器人，否则，转 入步骤(3)。 (3)若t^t，检查控制器2的工作状态，若控制器2忙，不进行控制器切换并继 续等待信道l传输控制输入，若控制器2空闲，信号发生器发送驱动信号至控制器2以便 驱动信道2及控制器2进入工作状态，并为遥操作机器人传输控制输入。
(4)若Go，检查控制器l的工作状态，若控制器1忙，不进行控制器切换并继 续等待信道2传输控制输入，若控制器l空闲，信号发生器发送驱动信号至信道1及控制 器l，以便使它们进入工作状态，并为遥操作机器人传输控制输入。 (5)比较当前时间与最近收到的控制输入的时间戳的差t，若t〈 t或t〈 o，转 入步骤(2)，否则，转入步骤(3)。
(6)系统运行终止。 当遥操作机器人系统中发生长时延、丢包及数据传输中断时，上面给出的控制 器及信道自动切换算法可以保证受控对象收到较新的控制输入，从而保证系统具有较好 的控制效果。
实施例 为了验证本发明的效果，利用Matlab软件编程进行了仿真实验。对遥操作机器 人系统进行仿真时，在系统中加入图3所示的外部干扰信号，图4和图5分别给出了采用本发明前后在噪声抑制，偏移量方面的仿真曲线图。如图4所示，横坐标为时间t(单位
秒)，Xl， X2为机器人运动轨迹及前进速度，Z为被调输出。从图中可以看出，当不考虑
机器人系统的信道共享，且信道数据传输发生中断时，系统无法达到稳定。 图5为采用本发明后的仿真曲线，图中横坐标及&， x2， z的含义与图4相同。
由两图比较可以看出，采用本发明后，系统可以在较短时间内达到稳定，且具有较好的
抗干扰性能。 从以上仿真图可以看出，本发明在遥操作机器人系统噪声抑制，偏移量等方面 有很好的控制效果，为遥操作机器人高精度控制提供了新的技术基础。
权利要求
一种遥操作机器人丢包补偿系统，其特征在于由n条并联的结构相同的信道和信号发生器组成，信号发生器的输出端分别接n条信道的输入端；其中每条信道都由遥操作机器人即受控对象、控制器、传感机构和执行机构组成，执行机构的输入端还设置数据缓冲区，数据缓冲区的输出端依次串接执行机构、遥操作机器人、传感机构后并联于控制器的两端，信号发生器的输出端接数据缓冲区的输入端，其中n为自然数。
2. —种基于权利要求1所述的遥操作机器人丢包补偿系统的实现方法，其特征在于包 括如下步骤(1) 分别为n条信道设置时延与丢包和的上界、，i=l、 2、 3…n，并比较数据缓冲 区记录的系统运行的当前时间与最近收到的控制输入的时间戳的差t，其中、为第i条信 道的时延与丢包和的上界；(2) 当所述遥操作机器人丢包补偿系统达到稳态则系统运行终止；当t < A i，则不进 行信道及控制器切换，并利用当前信道控制器控制遥操作机器人，否则，转入步骤(3);(3) 当G A i，则检查下一个信道控制器的工作状态；(4) 当下一个信道控制器忙，则检查下一个信道控制器的工作状态，返回步骤(3);(5) 当下一个信道控制器空闲，则信号发生器发送驱动信号至该信道控制器，为遥操作机器人传输控制输入；(6) 比较当前时间与最近收到的控制输入的时间戳的差t，若t〈、，转入步骤(2)， 若G、，则转入步骤(3)。
3. 如权利要求2所述的遥操作机器人丢包补偿系统的实现方法，其特征在于，当遥操 作机器人从两个信道即信道1和信道2收到控制输入，实际可用的控制输入描述为u(t)= PKp(ikh)+(l-P)K2X, (1)其中t G [ p (ikh+ t k)+(l- P )(JM o D， P (ik+1h+ t k+1)+(l- P )(i1+1h+ o 1+1))，调节参数P 的取值原则为<formula>formula see original document page 2</formula>且ikh，丄h， ik+1h， jV力为传感器的采样时刻，Tk， Tw为信道l上网络诱导时延及丢包的和，0P 为信道2上网络诱导时延及丢包的和；定义T(t) = t-ikh， 0(t)=t-丄h，则u(t) = P KlX(t- t (t))+(l- P )K2x(t- o (t)) (2)式子(2)中所示即为遥操作机器人实际可用的控制输入。
全文摘要
本发明公布了一种遥操作机器人丢包补偿系统及其实现方法，本发明系统由受控对象(遥操作机器人)，传感机构，控制器，执行机构、信号发生器、数据缓冲区及通信网络组成。本发明所述方法如下执行机构计算系统当前时间与最近收到的控制输入的时间戳的差并暂存于数据缓冲区；若得到的时间差大于预设的阈值，信号发生器发送驱动信号至空闲网络信道并驱动其工作，否则直接把最近收到的控制输入作用于遥操作机器人。通过对空闲网络信道的充分利用，大大降低了网络时延及数据包丢失的负面影响并提高了遥操作机器人系统的抗干扰性能。该发明效果良好，具有实际应用和推广价值。
文档编号H04L29/06GK101692180SQ200910145179
公开日2010年4月7日 申请日期2009年10月13日 优先权日2009年10月13日
发明者曾庆军, 王天宝, 王玉龙 申请人:江苏科技大学