使人类遥操作系统操作接口扩展他们的能力有更好的安全,以较低的成本,甚至有更好的精度。典型的遥操作系统由五个部分组成:人类的运营商,主机器人是由人类的运营商,一个奴隶机器人,环境互动的奴隶,主人和奴隶之间的通信通道。双边系统控制设计的主要目标是稳定的闭环系统,位置主人和奴隶之间的协调,环境对人类的触觉力显示运营商。

当存在显著延迟通信通道的遥操作系统中,一个主要的问题是系统的稳定性( 1]。passivity-based控制方法是基于散射理论( 1)或波变量( 2)被广泛用于概念设计稳定的操控系统随着时间的延迟。这些控制器呈现被动和通信链接,因此,保证稳定的双边遥操作任何被动环境被动的用户;参见[ 3)和引用。passivity-based操控系统控制,被动的假设外部力量是必需的。然而,在现实中,它不是那么容易满足这个假设,因此这在真实的应用程序中控制策略有其自身的限制。

实现应用的缺点passivity-based控制方案在控制遥操作系统中,我们提出一个替代方法:内模控制(IMC)结构引入线性操控系统设计这个工作。IMC在1980年代是一个完善的控制策略和原来的配置和修改几个结构已经成功地应用于各种应用程序从汽车系统化学过程(见 4- - - - - - 7)和许多引用其中)。扩展到非线性系统也被报告为它显示有吸引力的属性除了线性系统设计( 8]。一些聪明的方法介绍了IMC结构的修改和非线性扩展( 9- - - - - - 12]。此外,有一些努力在IMC设计方法扩展到非线性系统的线性参数变化(LPV)框架( 13, 14近年来]。IMC遥操作系统的应用程序也不是之前的艺术。Hayn和Schwarzmann雇佣IMC结构设计位置控制器的操控系统液压机械手作为奴隶和触觉设备主( 15]。然而,作者在 15)假设不存在延迟的沟通。作者在 16)提出了一个IMC设计与遥操作系统时变延迟,,事实上,它是一个smith-predictor-based遥操作系统的设计。在这项工作中,一个IMC-based为延迟了遥操作系统控制结构,并没有限制性的假设在这个结构。的被动不需要假设提出了控制方案。

本文的其余部分安排如下。节 2给出了系统建模和一些预赛。节 3,控制体系结构及其稳定性进行了分析 4。给出一个简单的景深遥操作系统为例,展示了该方法的有效性 5。最后,给出了本文的总结和结论部分 6。

single-DOF线性主/从机械手可以写成( 17] (1) 米 米 x ¨ 米 t + b 米 x ˙ 米 t + k 米 x 米 t = f h t + f 米 t , 米 年代 x ¨ 年代 t + b 年代 x ˙ 年代 t + k 年代 x 年代 t = - - - - - - f e t + f 年代 t , 在哪里 x 我 , x ˙ 我 , x ¨ 我 关节位置、速度和加速度值的主人和奴隶设备 我 = 米 或 年代 分别代表主人或奴隶机器人机械手。同样的, 米 我 , b 我 , k 我 是有效质量、阻尼和弹簧系数的主人和奴隶设备。外部力量应用于设备操作员和环境表示 f h , f e 分别为, f 米 , f 年代 控制信号。

为简单起见,主人和奴隶的转移函数给出如下: (2) G 米 : G 米 年代 = y 米 年代 f h 年代 + f 米 年代 = 1 米 米 年代 2 + b 米 年代 + k 米 , (3) G 年代 : G 年代 年代 = y 年代 年代 - - - - - - f e 年代 + f 年代 年代 = 1 米 年代 年代 2 + b 年代 年代 + k 年代 。

在这个工作中,以下假设是必需的。

本节提出了一种IMC-based控制结构,保证了闭环系统的稳定性判据稳定。

让我们先从控制器设计过程从一边的遥操作系统,也就是说,从主,如果没有出现混乱。灵感来自传统IMC结构,我们假设的IMC结构主图 1在哪里 G 米 代表主动态的( 2), G ~ 米 代表主操纵器的模型。注意,两个自由度的IMC结构( 4是利用两个输入的动态特性 f h , r 年代 d 是大大不同的。描述了透明度,参考信号 r 年代 d 应该是信号从奴隶。考虑到主人和奴隶之间的通信延迟,参考 r 年代 d 是延迟;也就是说, (4) r 年代 d t = r 年代 t - - - - - - T 2 。 显然,控制器 C 11 , C 12 是一个运营商 r 米 , r 年代 d 分别;也就是说, C 11 ( · ) = C 11 ( r 米 ( t ) ) 和 C 12 = C 12 ( r 年代 d ( t ) ) 。人类的运营商 f h ( t ) 似乎是一种“干扰”从原始IMC设计解释;然而,我们可能会发现,它在我们的设计不应取消。以后将作详细讨论。

类比推理,奴隶的IMC结构如图 2,在那里 C 21 , C 22 线性算子的 r 年代 和 r 米 d ;也就是说, C 21 ( · ) ≔ C 21 ( r 米 d ( t ) ) 和 C 22 ( · ) ≔ C 22 ( r 年代 ( t ) ) , (5) r 米 d t = r 米 t - - - - - - T 1 。

给出了协调扭矩 (6) f 米 t = C 12 r 年代 t - - - - - - T 2 - - - - - - C 11 r 米 t , f 年代 t = C 21 r 米 t - - - - - - T 1 - - - - - - C 22 r 年代 t 。

方程( 6)也可以代表他们 年代 功能: (7) F 米 年代 = - - - - - - C 11 年代 C 12 年代 e - - - - - - 年代 T 2 R 米 年代 R 年代 年代 , F 年代 年代 = C 21 年代 e - - - - - - 年代 T 1 - - - - - - C 22 年代 R 米 年代 R 年代 年代 。

控制结构如图 3。

在本节中,讨论了闭环系统的稳定性。

假设 r ( t ) ≔ r 米 ( t ) r 年代 ( t ) , u ( t ) ≔ f 米 ( t ) f 年代 ( t ) , y o ( t ) ≔ y 米 ( t ) y 年代 ( t ) , w ( t ) ≔ f h ( t ) - - - - - - f e ( t ) ;闭环系统图 3可以重绘在图吗 4在哪里 G ( 年代 ) = G 米 ( 年代 ) 0 0 G 年代 ( 年代 ) 和 G ~ ( 年代 ) = G ~ 米 ( 年代 ) 0 0 G ~ 年代 ( 年代 ) 。

让 R , U 的拉普拉斯变换 r , u ;然后控制器( 7)可以写成 (8) U 年代 = - - - - - - C 年代 R 年代 , 在哪里 (9) C 年代 = C 11 年代 - - - - - - C 12 年代 e - - - - - - 年代 T 2 - - - - - - C 21 e - - - - - - 年代 T 1 C 22 年代 。 从IMC结构框图如图 4,输出 y o 输入有关吗 w 作为 (10) Y o 年代 = G 我 + C 我 - - - - - - G ~ C - - - - - - 1 G - - - - - - 1 W 年代 。

自 C ( 我 - - - - - - G ~ C ) - - - - - - 1 = ( 我 - - - - - - C G ~ ) - - - - - - 1 C ,( 10)可以写成 (11) Y o 年代 = G 我 - - - - - - C G ~ + C G - - - - - - 1 我 - - - - - - C G ~ W 年代 。

当系统模型 G ~ 匹配的工厂 G 完美的, G ~ = G ,一个 (12) Y o 年代 = G 我 - - - - - - C G W 年代 。

可以看出,内部稳定总是保证只要一个稳定的参数 C 0 ( 年代 ) = C 11 ( 年代 ) C 12 ( 年代 ) C 21 ( 年代 ) C 22 ( 年代 ) 是用于控制稳定的工厂吗 G 。像传统IMC系统,我们有以下重要的属性。

我们考虑一个简单的single-DOF操控系统动力学( 1), 米 米 = 0.3 公斤, 米 年代 = 1 公斤, b 米 = 1 Ns / m, b 年代 = 3 Ns / m, k 米 = 10 N / m, k 年代 = 10 N / m。

操作员被认为是以下动态: (13) f h t = f t - - - - - - b o p x ˙ 米 t - - - - - - k o p x 米 t , 在哪里 f ( t ) 是一个矩形信号描绘在图 5, b o p = 3 , k o p = 200年 。环境力是选为 f e ( t ) = - - - - - - k e n v x 年代 ( t ) ( k e n v = 400年 ) 。

我们首先实现了控制图 3假设没有延迟通信通道,获得仿真结果如图 7和 8。所选择的控制参数 C 我 j 由他们的一步反应,这是描绘在图 6。可以看出,主人和奴隶回复稳定。如图 7迅速,奴隶的运动遵循主人的无延迟;然而,有一点振荡在主人的位置,这意味着控制参数 C 我 j 可能是更好的选择。即使主人和奴隶之间的位置达到完美的跟踪,有人类和环境力量之间的静态错误(图 8)。这个错误可能不会被取消因为位置跟踪和追踪的力是两个目标需要权衡。

现在我们让的情况下模拟通信信道存在延迟。让我们首先假设的时间延迟转发通道和向后通道是对称的;也就是说, T 1 = T 2 = 1 年代 。设计的控制器在这种情况下的系统性能描述了数据 9和 10。从图可以看出 10当操作员施加的力到主 t = 1 年代,奴隶联系环境后延迟1秒,然后收到一个活跃的力量 f e 。(延迟)位置跟踪性能图中描述 9类似于一个在没有延迟通信通道。

我们另外做模拟的系统突然出现通信延迟和突然消失通信延迟(两种 t = 4 年代 ),但是延迟是对称的。为简单起见,我们只提供数据中描述的位置跟踪性能 11和 12。很容易看到,在这种情况下闭环系统保持稳定。与通信延迟的时间间隔,奴隶是主人的运动后相应的延迟。

我们进一步关心系统的性能时,向前和向后传播延迟是不一样的。我们减少通信向后推迟0.5 s,增加通信延迟2 s和实施控制图 3,然后我们获得仿真结果数据 13和 14。这些数据暗示保证闭环系统的稳定性与不对称通信延迟。因此,它表明,设计的控制器是一个时滞相关稳定的控制器。

最后,我们让操控系统模拟不同通信延迟。向前和向后时间延迟通信信道建模 T 我 ( t ) = X 我 t ( 我 = 1、2 ) ,在那里 X 我 与正态分布随机变量特征的意思吗 τ v 和标准偏差 δ 用标准符号 X 我 ( · ) ~ N ( τ v , δ 2 ) 。向前和向后时间延迟通信通道选择 X 我 ~ N ( 0.4,0.01 ) 。位置跟踪性能和力跟踪性能描述的数据 15和 16。结果表明,该系统是稳定的具有良好的跟踪性能即使有界随机通信延迟。这意味着我们的方法也是有效的遥操作系统的不同延迟。

在本文中,我们探讨IMC-based控制设计线性操控系统的通信延迟。整个系统的稳定性是保证如果完美的模型是可用的。该方法消除了被动假设外部力量。single-DOF线性遥操作系统的仿真表明,稳定是保证控制器设计时应用。如果参数可以实现良好的跟踪性能 C 我 j 选择合适的。扩展模型和植物时的情况不完全匹配和非线性研究成果正在研究和遥操作系统将会在不久的将来。