[发明专利]一种基于扰动观测器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扰动观测器的四通道遥操作双边控制方法。通过建立双边遥操作系统的非线性系统动力学模型，提出了一种全局稳定的基于扰动观测器的非线性滑模控制器设计方法，以解决遥操作系统的非线性、不确定性和外干扰等主要问题。针对双边遥操作系统的非线性问题，本发明设计了一种适用于非线性双边遥操作系统的四通道结构，通过主端位置、操作者的操作力矩、从端位置、环境作业力矩信号在通信通道间的传输，获得了较好的系统透明性。针对双边遥操作系统的不确定性、外干扰问题，本发明分别在主端和从端设计了理想轨迹生成器，以及基于扰动观测器的非线性滑模控制器，并基于李雅普诺夫理论保证了系统的全局稳定性。

主权项

1.基于扰动观测器的四通道遥操作双边控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立双边遥操作系统的非线性系统动力学模型，具体为：1‑1)建立主从机器人的动力学模型其中，θ_m,和θ_s,表示主从机器人的位置、速度和加速度信号，M_m0和M_s0表示已知的质量惯性矩阵，C_m0和C_s0表示已知的科氏力/向心力矩阵，G_m0和G_s0表示已知的重力矩阵，d_m和d_s表示外干扰和模型误差，u_m和u_s表示控制输入，τ_h和τ_e表示操作者的操作力矩或者环境作业力矩；1‑2)建立质量‑弹簧‑阻尼的环境动力学模型其中，M_e,C_e,G_e表示环境参数；2)基于扰动观测器设计主机器人的滑模控制器，具体为：2‑1)设计主端理想轨迹生成器如下：其中，avrg{·}表示·的平均值，k_fm表示比例参数，M_dm,C_dm,G_dm表示规划参数；通过将θ_s输入公式(4)，能够得到参考轨迹θ_mr,再通过选取合适的M_dm,C_dm,G_dm，公式(5)和(6)能够得到理想轨迹θ_md,2‑2)定义主机器人控制器的滑模面s_m如下：其中，e_m＝θ_m‑θ_md，λ_m＝diag{λ_m1,...,λ_mi,...,λ_mw}，i＝1,2,...,w表示主机器人的自由度数目；2‑3)计算s_m的一阶导如下：2‑4)根据(8)设计控制器，保证主机器人的渐进稳定性，设计的控制器u_m为：其中，ν_m＝diag{ν_m1,...,ν_mi,...,ν_mw}，ν_mi0>0；3)基于扰动观测器设计从机器人的滑模控制器，具体为：3‑1)设计从端理想轨迹生成器如下：其中，avrg{·}表示·的平均值，k_fs表示比例参数，M_ds,C_ds,G_ds表示规划参数；通过将θ_m输入公式(12)，能够得到参考轨迹θ_sr,再通过选取合适的M_ds,C_ds,G_ds，公式(13)和(14)能够得到理想轨迹θ_sd,3‑2)定义从机器人控制器的滑模面s_s如下：其中，e_s＝θ_s‑θ_sd，λ_s＝diag{λ_s1,...,λ_si,...,λ_sw}，i＝1,2,...,w表示从机器人的自由度数目；3‑3)计算s_s的一阶导如下：3‑4)根据(16)设计控制器，保证从机器人的渐进稳定性，设计的控制器u_s为：其中，ν_s＝diag{ν_s1,...,ν_si,...,ν_sw}，ν_si0>0；4)设计基于主从机器人的滑模控制器的李雅普诺夫函数，具体为：4‑1)设计全局李雅普诺夫函数V，保证非线性遥操作系统的全局稳定性；4‑2)当||s_m||,||s_s||≤β时，V将收敛于：其中，和表示主从观测器的观测误差值。