[发明专利]一种双边遥操作系统中的改进波变量方法

说明书

本发明公开了一种双边遥操作系统中的改进波变量方法，所述双边遥操作系统包括操作员、主端、通信环节、从端和环境，在通信环节做改进的波变量的变换，其中在变换过程中增加一个可调的附加波阻抗系数，得到改进后的波变量和位置变量及力变量之间的关系式。通过该改进的波变量方法，在保证双边遥操作系统稳定性的前提下，改善了系统的操作性能，还减小了力/位置跟踪误差。

技术领域

本发明涉及遥操作控制领域，尤其涉及一种双边遥控操作系统中的改进波变量方法。

背景技术

随着人类探索太空活动的不断深入，空间作业任务也变得越发复杂和多样化，如飞行器的在轨维护、空间装配、燃料加注以及星球表面探测等；完全依靠宇航员完成这些空间作业任务，不仅成本昂贵而且安全性得不到保障，而空间机器人凭借风险小、成本低、环境适应能力强等优点，越来越受到各国空间机构的青睐。

空间机器人的控制方式主要分为两大类：自主控制方式和遥操作控制方式。自主控制方式下，机器人根据自身对外界环境的感知和判断，结合任务指令自主进行决策、规划和控制。自主控制方式是未来空间机器人控制方式的发展方向和趋势。然而，受限于星上计算机能力及目前人工智能技术的发展，可以预见完全自主控制的空间机器人在很长时间内都难以实现。因此，遥操作在空间机器人的控制方面仍然扮演者重要的角色。

双边遥操作系统通过向操作者提供力反馈，提高了操作效率和成功率。然而时延的存在破坏了系统的稳定性，是空间双边遥操作系统的核心问题。针对双边遥操作系统中时延带来的不稳定性，现有稳定性双边控制算法主要分为三类：1)基于无源性理论的双边控制方法；2)基于现代控制理论和滑模理论的双边控制方法；3)基于事件的双边控制方法。其中，基于无源性理论的波变量方法由于工程上易实现而一直处于发展之中。

如图1所示为传统波变量方法变换示意图，传统波变量方法通过使用波变量代替力和速度变量在系统中传输，克服了时延带来的不稳定性；根据图1中得到波变量和位置/力变量之间的关系如下式(1)～(6)所示：

u_s(t)＝u_m(t-T₁), (5)

v_m(t)＝v_s(t-T₂). (6)

其中，f_md表示从端反馈到主端的力，表示主端传递到从端的速度，f_s表示从端力，表示主端速度，T₁表示前向时延，T₂表示后向时延，u_m(t)表示主端的前向波变量，u_s(t)表示从端的前向波变量，v_m(t)表示主端的后向波变量，v_s(t)表示从端的后向波变量；b表示波阻抗系数。

根据式(1)～(6)，得到控制率为：

从上式(7)和(8)可以看出，在传统波变量方法中力和位置都具有较大的跟踪误差。也即传统波变量方法虽然克服了时延给双边遥操作系统带来的不稳定性，却是以牺牲系统的操作性能为代价，具有较大的位置/力跟踪误差。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容