[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

摘要

本发明公开了一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法。在传统四通道双边控制方法的基础上，本发明通过建立主从端动力学模型，加入时延补偿通信通道，在保证系统稳定性的同时，大幅度提升了系统的透明性。针对传统四通道双边控制方法在通信时延下存在的失稳现象，本发明提出了基于无源理论的修正波变量方法，减轻了传统波变量存在的波反射现象对系统透明性的影响，保证遥操作过程中的位置跟踪性能和力反馈的逼真度。本发明能够很好地保证遥操作系统在时延条件下的稳定性，同时提升从端的位置跟踪性能和力反馈的逼真度。本发明方法易于实现，主要可以用于遥操作系统的双边控制，保证系统的稳定性和透明性。

主权项

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：ZcmVm+(C4Vs+C2Fe)e‑Ts+b(C3Fh+C1Vm)＝(1+C6)Fh  (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：Fh＝Fh*‑ZhVm  (3)从端与外界环境相互作用的动力学模型：Fe＝Fe*+ZeVs  (4)其中，Zcm＝Zm+Cm，Zce＝Zs+Cs，Zm和Zs分别是力驱动下的主从端线性质量系数，Zm＝Mms，Zs＝Mss，Mm和Ms分别是主从端的质量，Cm和Cs分别是主从端的位置控制器系数，Cm＝Bm+Km/s，Cs＝Bs+Ks/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，Fh*是操作者的操作力，Fh是操作者与主端的相互作用力，Fe*是外界环境力，Fe是从端与外界环境的相互作用力，Zh和Ze分别是操作者和环境的阻抗系数，Vm是主端的运动速度，Vs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＝C3Fh+C1Vm  (5)I2＝C2Fe+C4Vs  (6)因为主从端的闭环方程可以写成：VmZm＝‑VmCm+Fh(1+C6)‑I1  (7)VsZs＝‑VsCs‑Fe(1+C5)+V2  (8)因此，系统的非物理输出速度和力混合项为：I1＝Fh(1+C6)‑VmZcm  (9)V2＝Fe(1+C5)+VsZce  (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，um(t)是主端的前向波变量，us(t)是从端的前向波变量，vm(t)是主端的反向波变量，vs(t)是从端的反向波变量；遥操作系统的时延模型如下：us(t)＝um(t‑T)  (15)vm(t)＝vs(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Vm＝Vs，同时主从端的阻抗系数应满足Zto＝Ze，Zte＝Zh；定义四通道双边控制器系数C1～C6不是Zh和Ze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。