基于波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ鋾r(shí)延雙邊遙操作

1、基于波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ鋾r(shí)延雙邊遙操作余緣敏1，張伯虎1，陳洋1，魏玉宏1，任麗芳2（1.武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安 710086；2.武警總部通信站，北京 100089）摘 要：通信時(shí)延是遙操作系統(tǒng)中固有的問(wèn)題，它會(huì)嚴(yán)重影響遙操作的性能，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤性?；跓o(wú)源理論的波變量法可以保證遙操作系統(tǒng)在任意時(shí)延下穩(wěn)定，是解決時(shí)延問(wèn)題的一個(gè)重要方法。然而，波變量法帶來(lái)的波反射會(huì)阻擾有用信號(hào)的傳輸，降低了主從端信號(hào)的跟蹤性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)振蕩。本文提出了一種基于波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ潆p邊遙操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，旨在減少波反射，提高操作者的臨場(chǎng)感和系統(tǒng)的跟蹤性。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在任意

2、固定時(shí)延條件下，調(diào)整后的波變量結(jié)構(gòu)減少了系統(tǒng)波反射，降低了主從端位置和力的跟蹤誤差，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下有效地提高了系統(tǒng)的跟蹤性。關(guān)鍵詞：遙操作；時(shí)延；波變量；阻抗匹配中圖分類(lèi)號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AImpedance Matching Time-delay Bilateral Teleoperation With Wave Variable CompensationYu Yuanmin1, Zhang Bohu1, Chen Yang1, Wei Yuhong1, Ren Lifang2(1.Engineering University of CAPF, Xian 710086,C

3、hina; 2. Headquarters Communication Station of CAPF, Beijing 10089,China)Abstract: Communication time-delay is an inherent problem in teleoperation system, which will seriously affect the performance of the teleoperation system and reduce the stability and tracking performance of the system. The wav

4、e variable method based on passivity theory can guarantee the stability of the teleoperation system in any time-delay, and it is an important method to solve the delay problem. However, wave reflections caused by wave variable method will obstruct the useful signal transmission and reduce the master

5、 and slave signal tracking, seriously even lead to oscillations of the whole system. In this paper, a new impedance matching system based on wave variable compensation is proposed to reduce the wave reflections and enhance the operators sense of presence and the tracking of the system. The simulatio

6、n results show that the structure of the wave variable structure can reduce the systems wave reflection and reduce the tracking error of the slave position and force.Keywords: teleoperation；time-delay；wave variable；impedance matching0 引 言隨著Anderson R.J和Niemeyer G.等人將波變量法成功應(yīng)用于時(shí)延遙操作系統(tǒng)中，使得波變量法成為目前保證任意時(shí)

7、延下系統(tǒng)穩(wěn)定的重要方法1。然而，波變量法使得主從信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生了波反射，導(dǎo)致信號(hào)相互干擾，降低了操作者的臨場(chǎng)感和系統(tǒng)跟蹤性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Niemeyer和Slotine首次提出了主從端阻抗匹配的方法，較好地解決了波反射信號(hào)干擾問(wèn)題2，Benedetti和Lew等人嘗試以犧牲穩(wěn)態(tài)誤差的方法來(lái)消除系統(tǒng)的振蕩，取得了較好的效果，但系統(tǒng)的跟蹤性并沒(méi)有得到提高34。隨后，Kawashient等人提出了一種修正波變量的方法來(lái)提高遙操作系統(tǒng)的跟蹤性5，Arcara和Melchiori通過(guò)在波變量控制器中引入可變長(zhǎng)度參數(shù)的方法對(duì)從端位置誤差進(jìn)行補(bǔ)償，以此來(lái)提高主從端信號(hào)的跟蹤6。本文提出了一種基于

8、波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ潆p邊遙操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在保證主從端阻抗匹配的同時(shí)，對(duì)傳出波和傳入波進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在任意固定時(shí)延條件下，所提方法能夠很好保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤性，達(dá)到了預(yù)期目的。1 基礎(chǔ)理論1.1遙操作系統(tǒng)模型時(shí)延雙邊遙操作系統(tǒng)一般由操作者、主端、通信環(huán)節(jié)、從端、環(huán)境5部分構(gòu)成，如圖1所示。作者簡(jiǎn)介：余緣敏（1990-），男，江西省上饒市人，碩士研究生，主要從事機(jī)器人遙操作技術(shù)方向的研究。 張伯虎（1961-），男，陜西省西安市人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事偵察技術(shù)方向的研究。主端受到操作者的作用力，使主端產(chǎn)生命令信號(hào)，通過(guò)無(wú)線傳輸將主端的命令信號(hào)傳給從端，從端根據(jù)接收到

9、的命令信號(hào)作用于環(huán)境，同時(shí)，從端將環(huán)境的反饋力發(fā)回主端，從而形成完整的閉環(huán)系統(tǒng)7。本文以單自由度的主從遙操作系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)其運(yùn)動(dòng)方程為：式中為操作者作用于主端的力，為環(huán)境的反饋力，和分別為主從端的力反饋信號(hào),和為主從端的命令信號(hào)。在遙操作系統(tǒng)中，環(huán)境被看成是一個(gè)阻尼系統(tǒng)，即環(huán)境對(duì)從機(jī)械臂的作用力與從機(jī)械臂的位移比：圖1 遙操作系統(tǒng)框圖1.2 波變量與無(wú)源理論Niemeyer在傳統(tǒng)的通信基礎(chǔ)上引入波變量轉(zhuǎn)換的概念，如圖2所示。將能量變量和力轉(zhuǎn)變成波變量和，再進(jìn)行傳輸。波變量定義如下： （1） （2）式中，特性阻抗（characteristic impedance）b可以是一個(gè)正常數(shù)或?qū)ΨQ(chēng)的正

10、定矩陣，它是唯一可調(diào)參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的性能有著比較重要的影響。稱(chēng)為由主端到從端的前行波（forward moving wave）, 稱(chēng)為由從端到主端的返回波（backward moving wave）,二者具有對(duì)稱(chēng)性8。T為通信時(shí)延，通信環(huán)節(jié)模型可描述為: (3)圖2 波變量控制器通過(guò)計(jì)算進(jìn)入波變量通信子系統(tǒng)的能量，可以檢驗(yàn)其無(wú)源性。該通信子系統(tǒng)輸入能量（4）對(duì)（4）式進(jìn)行積分可得 （5）令，可知系統(tǒng)消耗的能量為0，因此整個(gè)系統(tǒng)不僅是無(wú)源的，而且是無(wú)損的。1.3 阻抗匹配當(dāng)波控制器的特性阻抗與其連接的子系統(tǒng)（主端或從端）控制器的阻抗不匹配時(shí)，波變量遙操作系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的波反射。波反射不包含任何有

11、用的信息，而且會(huì)在通道中持續(xù)多個(gè)循環(huán)才會(huì)漸漸消失9。這很容易對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生無(wú)法預(yù)測(cè)的干擾，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定。鑒于此，Niemeyer和Slotine提出了在系統(tǒng)主從端各增加一個(gè)阻抗調(diào)節(jié)項(xiàng)來(lái)使波阻抗與子系統(tǒng)阻抗相匹配，以此減少波反射。調(diào)整后的雙邊遙操作系統(tǒng)波控制器如圖3所示。圖3阻抗匹配的波變量控制器調(diào)整后的前行波和返回波為： （6） （7）根據(jù)公式（6）（7）可知，當(dāng)系統(tǒng)阻抗完全匹配后，前行波只包含速度信息，而返回波只包含反饋的力信息，系統(tǒng)波反射被有效抑制。然而，傳統(tǒng)的阻抗匹配方法在有效減少波反射影響的同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題。計(jì)算可得，從端速度信號(hào)和主端力反饋信號(hào)為： （8） （9）由

12、公式（8）（9）可知，從端接收的速度信號(hào)和主端接收的力反饋信號(hào)與主從端發(fā)射信號(hào)相比都存在較大偏移。即使在主端輸入速度信號(hào)和從端輸入力反饋信號(hào)連續(xù)穩(wěn)定的情況下，最后的接收信號(hào)都會(huì)存在較大誤差。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤為了降低系統(tǒng)主從端位置、速度和力的跟蹤誤差，本文提出了一種基于波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ潆p邊遙操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，調(diào)整后的波變量結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 引入波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ洳ㄗ兞靠刂破餮a(bǔ)償后的傳出傳入波變量為： （10） （11）其中，和分別為波控制器傳出傳入波變量補(bǔ)償項(xiàng)，其計(jì)算公式為： （12） （13）依據(jù)（10）、（11）式以及（6）、（7）式可得 （14） （15）最后得到

13、從端速度信號(hào)和主端力反饋信號(hào)： （16） （17）通過(guò)將（16）、（17）式同(8)、（9）式進(jìn)行對(duì)比可知，從端速度信號(hào)和主端力反饋信號(hào)的干擾項(xiàng)已經(jīng)被完全消除，這意味著系統(tǒng)主從端實(shí)現(xiàn)了較好的位置、速度和力的跟蹤，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下有效地提高了系統(tǒng)的透明性和跟蹤性。2.2 系統(tǒng)簡(jiǎn)化由圖4可知，改進(jìn)后的系統(tǒng)傳出傳入波變量控制需要增加額外的信號(hào)源，比如來(lái)自主端的速度信號(hào)以及來(lái)從端的力反饋信號(hào)，結(jié)果增加了系統(tǒng)不必要的通信負(fù)擔(dān)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文對(duì)改進(jìn)后波變量控制器進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。參考（6）、（7）式，可將（12）、（13）式化簡(jiǎn)為： （18） （19）那么，參考（18）、（19

14、）式，可將（14）、（15）式化簡(jiǎn)為： （20） （21）圖5 簡(jiǎn)化后的波變量控制器2.3 系統(tǒng)無(wú)源性圖5所示的波控制器結(jié)構(gòu)不可避免地給系統(tǒng)輸入了能量，破壞了系統(tǒng)的無(wú)源性，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，能量調(diào)節(jié)器的引入能夠保證系統(tǒng)的無(wú)源性10。我們定義輸入調(diào)節(jié)器與從調(diào)節(jié)器輸出的波變量之差的積分為： （22）為保證系統(tǒng)的無(wú)源性，定義“能量池來(lái)跟蹤調(diào)節(jié)器提取的能量，即 （23）因此，可定義調(diào)節(jié)器輸出波變量為 （24）式中和為正的常數(shù)調(diào)節(jié)因子，決定了耗散的快慢，決定了能量池的大小?？梢钥闯鋈裟芰砍氐哪芰客耆趴眨瑒t綜合器輸出為0（即），保證了系統(tǒng)的無(wú)源性。3 仿真實(shí)驗(yàn)基于Matlab/Simulink軟件，根據(jù)各

15、個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立了單自由度波變量主從遙操作系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在相同條件下我們進(jìn)行了雙邊遙操作系統(tǒng)傳統(tǒng)波變量法、阻抗匹配波變量法和引入波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ洳ㄗ兞糠ㄈM實(shí)驗(yàn)來(lái)考察所提方法的穩(wěn)定性和跟蹤性。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性條件設(shè)置好各個(gè)參數(shù)：,，便可以得到任意時(shí)刻主從機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖6 傳統(tǒng)波變量法位置和力的主從端跟蹤曲線圖7 阻抗匹配波變量法位置和力的主從端跟蹤曲線圖8引入波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ浞ㄎ恢煤土Φ闹鲝亩烁櫱€仿真結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示，圖6為傳統(tǒng)波變量法位置和力的主從端跟蹤曲線，圖7為阻抗匹配波變量法位置和力的主從端跟蹤曲線，圖8為引入波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ浞ㄎ恢煤土Φ闹鲝亩?/p>

16、跟蹤曲線。從圖中可以看出，阻抗匹配波變量法有效地減少了波反射，消除了系統(tǒng)振蕩。采用波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ洳ㄗ兞糠椒軌蛟诒ＷC系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下，有效提高系統(tǒng)的跟蹤性。4 結(jié)束語(yǔ)傳統(tǒng)波變量法可以保證遙操作系統(tǒng)在任意時(shí)延下穩(wěn)定，然而，波變量法帶來(lái)的波反射會(huì)阻擾有用信號(hào)的傳輸，造成系統(tǒng)振蕩。阻抗匹配波變量法有效的解決了波反射問(wèn)題，但同時(shí)也降低了主從端的跟蹤性。本文提出引入波變量補(bǔ)償?shù)淖杩蛊ヅ洳ㄗ兞糠ê芎玫亟鉀Q了這個(gè)問(wèn)題，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)有效提高了系統(tǒng)的跟蹤性。參考文獻(xiàn)：1 R.J.Anderson and M.W.Spong.“Bilateral control of teleoperation

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