[发明专利]一种不确定双向时延条件下的机器人远程控制方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种不确定双向时延条件下的机器人远程控制方法和系统。

背景技术

人类通过远程控制机器人执行危险任务或恶劣环境下的人物是当前机器人发展的重要方向，远程操作与现场操作的一个重要问题就是时间延迟问题。

时延按照时延值的大小可以分为短时延和大时延。短时延一般不大于1秒，如微波数据收发、编解码、内部节点间的数据传递、分布式基站间的转发和数据再处理等。大时延则从几秒到十几秒甚至几十秒不等，例如月球与地球之间信号延迟达3秒，采用声纳通讯的水下机器人系统的通讯时延可高达几十秒。

按时延值的变化与否可将时延分为定时延和变时延。定时延一般为由于物理原因(如空间跨度、传输/处理介质、速度差)等不可抗因素在传输、处理过程中引起的信息时间延迟；变时延一般为由于传输、交互策略等因素引起的时间延迟，理论上有优化的可能，实际中受技术水平的限制。时延按照产生原因，可分为固定时延T_c、执行时延T_p、数据时延T_d和扰动时延T_r。

1)固定时延T_c：该时延表示传输数据包在没有其他干扰的情况下，经由通讯介质从数据源端到目的端所需的时间，包括通讯初始化时间和在介质中的传输时间。信号通过传输介质在两地间的物理传输时间随着网络节点间的物理距离的增大而增大。在遥操作中，如果远端执行机构工作地点固定、通讯方式固定，则其T_c为恒值；如果远端执行机构是移动的(地面、太空或水下)，但运动速度较慢，也可认为T_c为恒值。随着移动执行机构运动速度的加快，就需视为T_c变化条件下的遥操作。

2)执行时延T_p：包括控制指令的解释、计算、执行时间，现场图像的处理时间及仿真图像的运行时间等。T_p与现场系统的软件、硬件、运行策略以及具体任务相关，一般情况下T_p变化很小。

3)数据时延T_d：T_d＝(D_s+D_r)V。D_s、D_r是发送回收的数据总量，V是传输速率，与传输介质有关。这一项的存在表明数据传输量和带宽对远程作业非常重要。减少传输量固然能减小时延，但远端所获取的现场信息就可能不足。高效的数据压缩技术和良好的通讯通道有助于解决这一矛盾。

4)扰动时延T_r：主要指传输中不可预测的扰动，如信息丢失或信息次序的混乱，受网络环境不确定性的限制，干扰必定存在，而且随时间的变化而变化。

如图1所示，在无时延条件下，对于典型的某闭环回路，其相角裕度为γ。当回路存有时延e^-τs时，其相角裕度变化成为：γ-57.3°×τ。显然，随着时延值τ的增加，回路的相角裕度迅速下降。控制器的加入可在一定程度上弥补降低的相角裕度，如微分项“D”可以提供90°左右相角，双微分项(“D×D”)可提供180度左右的相角。但当时延值超过10s后，经典的控制方法已不能适用，需要更多的相角补偿策略。

如图2所示，将控制器与被控对象构成无时延小回路，是将时延环境排斥在控制回路外，有效保证控制稳定性的一个基本方法。此时，时延影响仅作用于指令生成和发出端，对大回路的影响是破坏了指令产生的连续性，控制效果体现为“走--停--走”，指令生成的间隔需超过大回路中的时延值。

时延对系统的一个主要影响是操作者无法实时看到当前现场的视频图像，从而获得实时的视觉反馈。时延使得遥操作者发送操作指令若干时间后，才能通过延迟的视屏获得反馈，使得操作过程失去与操作指令相匹配的因果关系，给操作者造成很大的心里负担。为了获得匹配的操作因果关系，操作者不得不等待远端执行机构完成指定的动作后再发布下一步的运动指令，因而效率很低。

早期采用机械联动的操作系统具有力反馈功能，而力反馈可以有效地提高遥操作的效率和操作质量，特别是机器人末端与环境存在约束时，力反馈带来的优势更加明显。因此，人们同样希望现代的遥操作系统具有力反馈功能，有学者利用双边力反馈控制来开展远程操作，使从手能跟踪主手的运动，同时能将从端的力反馈到主手上，实现对主手和从手的力和运动进行同时控制，给操作者提供实时的力反馈信息。然而，时延环节加入对力觉反馈带来严重影响，因为力觉反馈是速度反馈对时间的微分、是位置反馈对时间的双重微分，基于力觉反馈的控制，即使只有很小的时延，也极容易导致控制系统不稳定。