[发明专利]一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法

权利要求书

1.一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：建立双边遥操作系统的动力学模型；

第二步：引入修正波变量的计算方法，设计时延补偿通信通道；

第三步：设计四通道双边控制器，匹配透明性参数；

在第一步中，建立的动力学模型为：

主端的动力学模型：

Z_cmV_m+(C₄V_s+C₂F_e)e^-Ts+b(C₃F_h+C₁V_m)＝(1+C₆)F_h (1)

从端的动力学模型：

操作者与主端相互作用的动力学模型：F_h＝F_h^*-Z_hV_m (3)

从端与外界环境相互作用的动力学模型：F_e＝F_e^*+Z_eV_s (4)

其中，Z_cm＝Z_m+C_m，Z_ce＝Z_s+C_s，Z_m和Z_s分别是力驱动下的主从端线性质量系数，Z_m＝M_ms，Z_s＝M_ss，M_m和M_s分别是主从端的质量，C_m和C_s分别是主从端的位置控制器系数，C_m＝B_m+K_m/s，C_s＝B_s+K_s/s，C₁～C₄分别是四通道双边控制器系数，C₅和C₆分别是主从端的力补偿系数，F_h^*是操作者的操作力，F_h是操作者与主端的相互作用力，F_e^*是外界环境力，F_e是从端与外界环境的相互作用力，Z_h和Z_e分别是操作者和环境的阻抗系数，V_m是主端的运动速度，V_s是从端的运动速度，T是通信时延，b是波阻抗系数；

在第二步中，引入修正波变量的计算方法，设计时延补偿通信通道的具体是：

将系统的通信通道分离为二端口网络结构，则系统的非物理输入速度和力混合项为：

V₁＝C₃F_h+C₁V_m (5)

I₂＝C₂F_e+C₄V_s (6)

因为主从端的闭环方程可以写成：

V_mZ_m＝-V_mC_m+F_h(1+C₆)-I₁ (7)

V_sZ_s＝-V_sC_s-F_e(1+C₅)+V₂ (8)

因此，系统的非物理输出速度和力混合项为：

I₁＝F_h(1+C₆)-V_mZ_cm (9)

V₂＝F_e(1+C₅)+V_sZ_ce (10)

在时延补偿通信通道中，修正波变量公式如下：

其中，b是波阻抗系数，u_m(t)是主端的前向波变量，u_s(t)是从端的前向波变量，v_m(t)是主端的反向波变量，v_s(t)是从端的反向波变量；

遥操作系统的时延模型如下：

u_s(t)＝u_m(t-T) (15)

v_m(t)＝v_s(t-T) (16)

因此，该系统的混合矩阵表示为：

系统的散射算子定义为：将方程(17)中的H(s)代入，散射算子的范数小于1，遥操作系统是稳定的；

在第三步中，设计四通道双边控制器，匹配透明性参数的具体是：

联立方程(1)-(4),则：

其中，△_i(i＝1,2,3,4)是系统透明性中的误差项，可在透明性分析中忽略；为了保证遥操作系统的透明性，主从端的速度应满足V_m＝V_s，同时主从端的阻抗系数应满足Z_to＝Z_e，Z_te＝Z_h；定义四通道双边控制器系数C₁～C₆不是Z_h和Z_e的函数，因此，由方程(18)-(19)，得：

方程(20)是理想透明性条件，其中，C₂和C₃不同时为0。