基于ls-svm时延预测的波积分双边遥操作控制方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于LS-SVM时延预测的波积分双边遥操作控制方法，其适用于时变时延条件下的遥操作系统中。该方法在无源性波变量方法的基础之上，加入LS-SVM(最小二乘向量机)时延预测环节和波积分环节，利用LS-SVM方法进行时延预测，可以得到与真实时延误差较小的预测时延，利用波积分方法可以使得通信环节具有无源性，进而使其可以克服时变时延给遥操作系统带来的不稳定性。本发明涉及时变时延条件下的遥操作系统中的控制方法，在主端，人手施加力与从端反馈回主端的接触力共同作用于主手，使主手产生速度与位移，主手速度信号通过通信信道传输到从端，作为控制命令控制从手的运动。
【专利说明】基于LS-SVM时延预测的波积分双边遥操作控制方法
【技术领域】
[OOOU 本发明设及一种基于LS-SVM时延预测的波积分双边遥操作控制方法，该方法在 普通无源性波变量方法的基础之上，加入LS-SVM时延预测环节与波积分环节，使其适用于 时变时延条件下的遥操作系统。属于遥操作控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 遥操作技术已经深入到很多领域，如航天领域、深海作业和远程医疗等，具有广泛 的应用前景。力反馈双边遥操作系统，可使操作者产生临场感。针对双边遥操作系统的稳定 性问题，目前已有很多研究方法，其中基于现代控制理论的控制策略已经成为双边遥操作 控制系统的发展趋势。双边控制方法由于不需要对从手运动进行预测，所W适用于非结构 化的未知环境，同时在双边控制系统中，操作者可W根据反馈回主端的从手与环境接触力， 进而决定下一步动作。该种方法把人的智能通过通信通道投射到从端机器人上，使得机器 人能够完成相对复杂的任务。
[0003] 由于主从端距离较远、信号传输速度、信道带宽等因素的限制，遥操作中必然存在 时延，而很小的时延就有可能导致系统的不稳定。为了处理时延问题，研究者们提出了很多 的控制策略，目前，克服通信时延的双边遥操作控制方法主要有；（1)无源性理论方法；（2) 基于事件控制的方法；（3)基于滑模的控制方法；(4)基于Lyapunove稳定性控制方法；（5) 基于H -理论的控制方法。在固定时延条件下的遥操作系统中，该些控制方法能够使系统 具有良好的稳定性与操作性能，但在时变时延条件下，遥操作系统的稳定性与操作性能将 遭到破坏。
[0004] 在文献"基于无源性的双边力反馈控制算法研究"（张智庆.哈尔滨工业大 学，2011.)中，Anderson和Spong基于无源性理论与散射理论而提出的波变量方法，该种 方法在任何固定时延下都能保证系统的稳定性。但是，在很多时候，时延往往是时变的，例 如空间遥操作、网络遥操作。针对通信时延是变化的情况，在文献"A Delay Prediction Approach for Teleoperation over the Internet"(T. Mirfakhrai and S. Payandeh. Proc. IE邸 Int.Conf. On Robotics and Automation, PP. 2178-2183,2002.)中，Niemeyer 和 Sbtine提出了波变量积分思想，即在波变量控制中，先将波变量信号进行积分，然后传输 到从端，在从端利用滤波器对积分信号进行重构，使得通信环节无源，但该方法中的时延预 测方法精确性较低，导致系统操作性能较低。在文献"Bilateral Teleoperation under Time-Varying Delay using Wave Variables" (Satler M，Avizzano C. A etc. lEEE/RSJ Int.Conf on Intelligent Robots and Systems, 2009:4596-4602.)中，作者对化 kokohji 补偿器进行改进，使其克服了丢包问题，但同时也增加了系统的计算时间，从而降低了遥 操作系统的操作性能。在文献"Bilateral Teleoperation With Time-Va巧ing Delay:A Communication Channel Passification Approach"(Yongqiang Ye, Ya-JunPan, and Trent Hilliard. IE 邸/ASME Transactions on Mechatronics，18(4), 2013:1431-14:34.)中，作者 提出了基于功率监视器（PO)和功率控制器（PC)的时域无源控制方法，该种方法克服了稳 定性问题，但降低了系统的操作性能。
[0005] 综上分析，在遥操作领域中，现有的双边控制方法大多只适用于固定时延条件下 的遥操作系统。因此，研究适用于时变时延条件且具有高操作性能的双边遥操作控制方法 是具有重大意义的。
【发明内容】
[0006] 要解决的技术问题：
[0007] 在时变时延遥操作中，现有的双边控制方法大多只适用于固定时延条件的遥操作 系统。为了克服时变时延给遥操作系统稳定性及操作性带来的影响，本发明提出一种基于 LS-SVM进行时延预测的波积分双边遥操作控制方法，用W解决时变时延遥操作系统的稳定 性问题，并保证系统从手能够良好地跟踪主手的运动。
[000引技术方案：
[0009] 针对基于LS-SVM进行时延预测的波积分双边遥操作控制方法的设计，采取的技 术方案：
[0010] 1、构建遥操作系统原理框图：
[001U (1)设计基于LS-SVM进行时延预测的波积分双边遥操作控制方法的原理框图， 主要包括主手、主端控制器、通信环节、从端控制器、从手、LS-SVM时延预测环节、波积分环 -H- T ;
[0012] (2)明确框图中各个参数的意义及它们之间的关系，主要包括速度、力、主从控制 器参数、波积分环节的0 ;
[0013] 2、基于最小二乘向量机（LS-SVM)设计时延预测环节
[0014] (1)构建基于SVM的时延预测模型；利用SVM理论将具有非线性特征的时间序列 通过非线性转换到高维特征空间，然后在该个空间中提取必要信息，用于实现时延预测；
[0015] (2)利用计算效率比SVM要高的LS-SVM实现时延预测；
[0016] 3、设计波积分环节：
[0017] (1)基于波积分原理设计波积分环节；
[0018] (2)根据时延预测结果，设计波积分参数0的取值函数，其中0的选择应当使得 控制系统对外界干扰不敏感，同时使系统被完全补偿。为了使得每个时刻的误差最小，0的 值应当随着时延的变化而变化，具体规律是；如果预测时延比当前时延大，则0为负，且大 得越多，0就会变得越小；相反地，如果预测时延比当前时延小，则0为正，且小得越多，曰 就会变得越大，但同时又不能让0太大。其取值表达式如下：
[0019] 〇k= -a ? AT 且（a > 0)
[0020] 其中，AT = Tw-Tk，即预测时延与当前时延之差，a为常量系数。
[002U 4、构建基于LS-SVM进行时延预测的波积分双边遥操作系统，验证该方法在时变 时延条件下的合理性与有效性：
[0022] (1)搭建基于LS-SVM进行时延预测的波积分双边遥操作系统；
[0023] (2)验证LS-SVM对时延预测的准确性
[0024] (3)分析系统稳定性，并通过实验进行验证。
[00巧]有益效果；
[0026] 本发明提出一种基于LS-SVM进行时延预测的波积分双边遥操作控制方法，在普 通无源性波变量方法基础之上，加入了 LS-SVM时延预测环节和波积分环节，LS-SVM时延预 测环节对时延预测的精确性W及波积分环节的无源性，保证了时变时延条件下遥操作系统 的稳定性，并使系统从手对良好地跟踪主手的运动。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为普通无源性波变量原理图；
[002引图2为基于LS-SVM进行时延预测的波积分双边遥操作控制方法原理图；
[0029] 图3为波积分原理图；
[0030] 图4为时延预测值与真实值的对比图；
[0031] 图5为遥操作系统从手跟踪主手的实验效果图；
【具体实施方式】
[0032] 本发明提出一种基于LS-SVM进行时延预测的波积分双边遥操作控制方法，下面 结合
【发明内容】
及附图详细说明。
[0033] 1、构建遥操作系统原理框图
[0034] (1)构建原理图
[0035] 参考普通无源性波变量方法原理（参见图1)，设计基于LS-SVM进行时延预测的波 积分双边遥操作控制方法的原理框图，主要包括主手、主端控制器、通信环节、从端控制器、 从手、LS-SVM时延预测环节、波积分环节（参见图2);
[0036] (2)明确原理框图（参见图2)中各个参数的意义及它们之间的关系：
[0037] 图中，人手施加力4与从端反馈回主端的接触力fe共同作用于主手，使主手产生 位移Xm和速度而。主手速度信号经过波变换得到前行波IV前行波经过通信信道和一阶滤 波器得到从端输入波U,，再经过反向波变换，得到从端的速度控制命令屯。。为了使从手的实 际速度跟踪从端控制命令在从端设计PI速度控制器。PI控制器根据从手速度误差 式。-屯计算从手的控制力fs作用于从手上，从而使从手按照期望的轨迹与速度与环境进行 交互。fe为从端与环境的相互作用力。从端将fe与速度屯转换为返回波Vs，返回经过通信 信道和一阶滤波器得到返回输入波Vm，再经过波反变换得到反馈力fm。，并作用于主手，使操 作者能够感知从手与环境的接触情况。
[003引 2、基于最小二乘向量机（LS-SVM)设计时延预测环节
[0039] (1)构建基于SVM的时延预测模型
[0040] 遥操作系统中的时延可W看作是具有非线性特征的时间序列，因此可W利用SVM 理论，通过非线性变换把输入空间的时间序列映射到高维特征空间，然后在该个空间中提 取必要的信息，用来实现网络时延的预测。
[0041] 设当前时刻之前的网络时延序列为{cKk)，k= 1，2,3,…，N}，可W找到一个合适 的嵌入维在状态空间中对原时间序列进行预测重构。基于嵌入维数为m的N个时间序列的 SVM预测模型的输入矢量可表示为：
[00创 Dk= [dOO , (1化-1),…，(Kk-m) ] (1)
[00创 由此，可得，时延预测模型为：
[0044] d(k+l)=F0k) 似
[0045] 其中，F( ?)为基于k+1时刻W前的时延数据重构预测模型的一个非线性函数，即 SVM需要拟合的函数。定义网络时延序列拟合函数为：
[0046]
【权利要求】
1.基于LS-SVM时延预测的波积分双边遥操作控制方法，其特征在于如下步骤： 步骤1、构建遥操作系统原理框图： (1) 设计基于LS-SVM时延预测的波积分双边遥操作控制方法的原理框图，主要包括主 手、主端控制器、通信环节、从端控制器、从手、LS-SVM时延预测环节、波积分环节； (2) 明确框图中各个参数的意义及它们之间的关系，主要包括速度、力、主从控制器参 数、波积分环节的〇 ; 步骤2、基于最小二乘向量机（LS-SVM)设计时延预测环节 (1) 构建基于SVM的时延预测模型：利用SVM理论将具有非线性特征的时间序列通过 非线性转换到高维特征空间，然后在这个空间中提取必要信息，用于实现时延预测； (2) 利用计算效率比SVM要高的LS-SVM实现时延预测； 步骤3、设计波积分环节： (1) 基于波积分原理设计波积分环节； (2) 根据时延预测结果，设计波积分参数〇的取值函数，其中〇的选择应当使得控制 系统对外界干扰不敏感，同时使系统被完全补偿。为了使得每个时刻的误差最小，〇的值应 当随着时延的变化而变化，具体规律是：如果预测时延比当前时延大，则〇为负，且大得越 多，?就会变得越小；相反地，如果预测时延比当前时延小，则?为正，且小得越多，〇就 会变得越大，但同时又不能让〇太大。其取值表达式如下： 〇 k= -a ? A T 且（a > 0) 其中，AT = Tk+1_Tk，即预测时延与当前时延之差，a为常量系数。
【文档编号】G05B13/04GK104503229SQ201410683103
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】宋荆洲, 余再海, 孙汉旭, 贾庆轩 申请人:北京邮电大学