（控制科学与工程专业论文）基于绝对稳定性的空间机器人遥操作算法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 在大时延和有限带宽的条件下，如何保证系统的稳定性和良好的操作性能是当前空间 机器人遥操作研究中的瓶颈问题。本文在前人研究的基础上，主要对力反馈双边控制的性 能指标及其度量方法，无源性和绝对稳定性理论以及基于这两种理论的双边控制方法，环 境模型的辨识，仿真平台和一维物理实验平台的搭建进行了研究。 对力反馈双边控制系统性能指标的研究以往多集中在稳定性和透明性上，本文从人手 感觉建模的角度出发，将阻抗分解为惯量、阻尼、刚度及可忽略的高阶成分，重新定义了透 明性的度量方式，并提出了跟踪精度指标，用以定量度量从端跟踪主端位置的稳态误差。 无源性和绝对稳定性是两种应用最广泛的遥操作系统稳定准则，在简要介绍两种理论 的基础上，本文实现了基于绝对稳定性的p o s i t i o n e r r o r 和f o r c e r e f l e c t i o n 控制方法， 对这两种方法及a n d e r s o n 的无源性方法的稳定性、透明性和跟踪精度进行了理论分析和仿 真验证。 本文构建了一套时延遥操作双边控制实时仿真系统，用两台p c 机分别模拟主从端的运 行情况，主端p c 连接通用力反馈游戏手柄作为主手输入设备，从端p c 挂接嵌入式处理器 ( 单板机) 用作空间机械手的实时仿真。该系统对双边遥操作算法的研究有很好的支撑作用。 最后，提出了一种基于【厂d 分解的可同时获得模型阶次和参数的在线递推算法以进行环 境模型参数的辨识，利用现有设备搭建了一维时延力反馈双边控制实验系统，验证了此算 法的有效性。 关键词：时延；双边控制；力反馈；无源性；绝对稳定性；透明性；跟踪精度；p o s i t i o n - e r r o r sf o r c e - r e f l e c t i o n 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a bs t r a c t i nt h ep r e s e n c eo fl a r g et i m ed e l a ya n df i n i t eb a n d w i d t h ，h o wt og u a r a n t e et h es t a b i l i t y a n dg o o dp e r f o r m a n c ei st h eb o t t l e n e c ki nt h ec u r r e n tr e s e a r c ho fs p a c er o b o tt e l e o p e r a t i o n b a s e do nf o r m e rr e s e a r c h e s ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gi s s u e s ：t h ep e r f o r - m a n c ei n d i c a t o r so ff o r c e - f e e d b a c kb i l a t e r a lc o n t r o la n dt h e i rm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h e p a s s i v i t yt h e o r ya n dt h ea b s o l u t es t a b i l i t yt h e o r y , a sw e l la ss o m ec o n t r o la l g o r i t h m sb a s e d o ns u c ht w ot h e o r i e s t h ei d e n t i f i c a t i o no ft h ee n v i r o n m e n t ，t h es i m u l a t i o np l a t f o r ma n da o n e - d i m e n s i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e ma r ea l s od i s c u s s e d r e s e a r c h e so np e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so ff o r c e - f e e d b a c kb i l a t e r a lc o n t r o lc e n t r a l i z e do n s t a b i l i t ya n dt r a n s p a r e n c y t h em e a s u r e m e n tm e t h o do ft r a n s p a r e n c yi sr e d e f i n e db yd e - c o m p o s i n gt h ei m p e d a n c ei n t oi n e r t i a ，d a m p i n g ，s t i f f n e s sa n ds o m en e g l e c t a b l eh i g ho r d e r i t e m s ，a f t e rm o d e l i n gt h ef e e l i n go fh u m a nb e i n g t h e nt h et r a c k i n ga c c u r a c yi n d i c a t o ri s p r o p o s e dt oq u a n t i t i v e l ym e a s u r et h es t e a d yp o s i t i o ne r r o rb e t w e e nt h em a s t e rs i d ea n ds l a v e s i d e t h e p a s s i v i t yt h e o r ya n dt h e a b s o l u t es t a b i l i t yt h e o r ya r et w om o s tw i d e l yu s e ds t a b i l i t y c r i t e r i ao ft e l e o p e r a t i o n a f t e ri n t r o d u c i n gt h e mb r i e f l y , p o s i t i o n - e r r o rc o n t r o la l g o r i t h m a n df o r c e - r e f l e c t i o na l g o r i t h ma r ep r o p o s e d ，b a s e do na b s o l u t es t a b i l i t y t h es t a b i l i t y , t r a n s p a r e n c ya n dt r a c k i n ga c c u r a c yo fs u c ht w oa l g o r i t h m s ，a sw e l la sa n d e r s o n sc o n t r o l a l g o r i t h mt h a tb a s e do np a s s i v i t yt h e o r y , a r ea n a l y s e di nd e t a i l m a t l a bs i m u l a t i o ni s a l s oc a r r i e do u tt ov e r i f yt h er e s u l to ft h e o r ya n a l y s i s ar e a l - t i m es i m u l a t i o ns y s t e mi sb u i l tu p t w oc o m p u t e r sa r eu s e dt os i m u l a t et h e s i t u a t i o no ft h eh o s ta n dt h er e m o t es i d es e p a r a t e l y t h eh o s tp ca n dag e n e r a lf o r c e f e e d b a c kj o y s t i c ka r eu s e dt oi n p u tt h ec o n t r o lc o m m a n d t h es i m u l i n km o d e lo fs p a c e m a n i p u l a t o ri sr u n n i n go nt h eo t h e rp c ，w h i c hi sc o n n e c t e dw i t ha ne m b e d d e dp r o c e s s o r ( s b c ) s u c har e a l t i m es y s t e mw o u l db eq u i t eh e l p f u lf o rt h er e s e a r c ho ft e l e o p e r a t i o no f s p a c er o b o t s a no n l i n ei t e r a t i v ei d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mt h a tc a ns i m u l t a n e o u s l ye v a l u a t et h eo r d e r a n dt h ep a r a m e t e r so fe n v i r o n m e n ti st a l k e da b o u t t h ea v a i l a b i l i t yo fs u c ha l g o r i t h mi s p r o v e dt h r o u g ht h ep h y s i c a le x p e r i m e n t k e yw o r d s ：d e l a y ；b i l a t e r a lc o n t r o l ；f o r c e - f e e d b a c k ；p a s s v i t y ；a b s o l u t es t a b i l i t y ； t r a n s p a r e n c y ；t r a c k i n ga c c u r a c y ；p o s i t i o n - e r r o r ；f o r c e - r e f l e c t i o n 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 插图目录 1 1 遥操作系统示意图 1 2 双边控制系统示意图 力反馈双边控制系统示意图 力反馈双边控制系统网络模型 a n d e r s o n 算法仿真结构图 蜒取值与系统透明性、跟踪性关系 a n d e r s o n 控制方法，玩= 0 0 0 8 ，只= 0 0 0 8 ，双端力、位置曲线 a n d e r s o n 控制方法，玩= 1 0 ，只= 1 0 ，双端力、位置曲线 a n d e r s o n 控制方法，k s = 1 0 0 0 0 ，只= 1 0 0 0 0 ，双端力、位置曲线 a n d e r s o n 控制方法，单边时延为1 0 秒，双端力、位置曲线 p o s i t i o n e r r o r 控制方法原理图 p o s i t i o n - e r r o r 控制方法仿真模型图 琏取值与系统透明性、跟踪性关系 p o s i t i o n - e r r o r 控制方法，= 0 1 5 ，双端力、位置曲线 p o s i t i o n - e r r o r 控制方法，k = 0 1 ，双端力、位置曲线 图3 5 局部放大 p o s i t i o n - e r r o r 控制方法，耽= 0 0 5 ，双端力、位置曲线 图3 7 局部放大 p o s i t i o n e r r o r 控制方法，琏= 0 1 ，变时延，双端力、位置曲线 图3 9 局部放大 f o r c e - r e f l e c t i o n 控制方法原理图 f ( t ) 周期曲线示意图 f o r c e - r e f l e c t i o n 控制方法仿真模型图 魅取值与系统透明性、跟踪性关系 f o r c e - r e f l e c t i o n 控制方法，琏= 0 1 ，双端力、位置曲线 f o r c e - r e f l e c t i o n 控制方法，比= 0 0 7 0 7 ，双端力、位置曲线 图3 1 6 的局部放大 f o r c e - r e f l e c t i o n 控制方法，匠= 0 0 2 ，双端力、位置曲线 图3 1 8 的局部放大 f o r c e - r e f l e c t i o n 控制方法，比= 0 0 7 0 7 ，时延6 秒，双端力、位置曲线 图3 2 0 的局部放大 f o r c e - r e f l e c t i o n 控制方法，k = 0 0 7 0 7 ，变时延，双端力、位置曲线 图3 2 2 的局部放大 第v 页 1 4 7 8 7 7 8 9 9 0 5 0 1 2 2 3 3 4 4 5 5 8 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 1 4 7 8坞均均加 筋孔驼驼船弘弘弱弱鸽乾钙鹳必必筋钙矩盯卯 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9加n挖坞m坫m掩坞殂毖船 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 & 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 1 实时仿真系统架构图 4 9 4 2 从端机械手模型图 5 1 4 3 远端机械手虚拟现实示意图 5 l 4 4 连线成功返回结果 5 3 4 5 目标机监视屏示意图 5 3 4 6 s i m u l i n k x p c 使用模式图 5 3 4 7 玩取值与系统透明性、跟踪性关系 5 4 4 8 实时仿真位置跟踪曲线5 5 4 9 实时仿真力反馈曲线5 5 5 1 一维实验系统示意图 6 1 第v i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表格目录 2 1a n d e r s o n 控制方法性能指标1 6 3 1 p o s i t i o n e r r o r 控制方法性能指标3 0 3 2f o r c e - r e f l e c t i o n 控制方法性能指标 4 1 4 1 仿真参数表 5 4 5 1 环境模型各阶参数估计值6 2 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 基王绝盘整宝丝鲍空闻扭墨鎏搓佳簋洼盟窥 学位论文作者签名：查! 艮日期：2 0 勺年，月多? 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学- - j - b a 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 基士丝盟整宝蛙塑窒闺扭墨厶堡握佳篡洼叠壹一 学位论文作者签名：查壑 日期： 2 。印年，月卵日 作者指导教师签名： 查坠 日期： 弦a 碑r ，月f 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论弟一早三百可匕 1 1课题概述 1 1 1 课题来源 本学位论文来源于以下8 6 3 课题： “空间机械手力反馈遥操作技术研究”( 编号：2 0 0 6 a a 7 0 4 1 0 7 ) 。 本文以国家“8 6 3 ”高技术项目“空间机械手力反馈遥操作技术研究”为背景，以提高时延 遥操作系统的作业效率，减轻操作者负担为目的，研究时延条件下力反馈双边控制系统的 稳定性和操作性能。 1 1 2 研究背景 从2 0 世纪6 0 年代至今，空间机器人的应用领域在不断扩大，所承担任务的复杂性也在不 断增加，其精度要求也越来越高【1 1 1 。为了适应操作环境的未知性、操作任务的复杂性、操作 要求的精密性，空间机器人需要有较强的环境适应能力。但受现有技术( 传感器技术、人工 智能技术、控制技术等) 水平的限制，能够在复杂、非结构化的环境中全自主工作的智能空 间机器人在相当长一段时间内是难以实现的，一个过渡性的选择就是从全自主方式转向局 部自主方式，即有人参与的机器人局部自主控制。 如图1 1 所示，遥操作就是一种典型的有人参与的机器人局部自主控制，一般为一个电 气或机械的系统，操作者能够在本地端( 主手) 控制远端( 从手) ，完成一些操作任务。遥操 作机器人系统拓展了人的感知和行为能力，可以协助人完成一些危险、极限环境下或精度 要求高的作业，在空间、海洋、战场、核工业、远程教学及医学等方面有着广泛的应用前景， 逐渐成为机器人领域的研究热点。上世纪9 0 年代以来，空间机器人的遥操作技术受到了国 操作者 通信环节 一嚼一 _ _ 一搿 图1 1 遥操作系统示意图 内外的广泛关注，欧洲、美国、日本等国家和地区都对空间机器人的遥操作技术进行了深入 的研究，其中比较有代表性的是欧空局( e s a ) 于1 9 9 3 年4 月进行的r o t e x 实验【2 1 ，以及日 本在1 9 9 7 年1 1 月进行的e t s - v i i 实验 3 1 。这些研究都完成了一些典型的遥操作任务，取得了 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一定的成果，为遥操作技术在空间机器人上的应用打下了良好的基础，显示了遥操作空间 机器人在空间探索方面巨大的应用前景。 空间机器人遥操作系统中，主从端相距遥远，信号传播及其收发处理引入的时延会给 系统的操作性能带来极大影响。于是，在原有遥操作系统的基础上，逐渐增加了信号反馈尤 其是力反馈，形成了双边控制系统( b i l a t e r a lc o n t r 0 1 ) ，提高了遥操作系统的临场感等操作 性能。但控制闭环中时延的存在影响了系统的稳定性，对于一个原本稳定的双边控制系统， 很小的信号时延都可能严重地破坏其稳定性 4 1 。另外，主手控制引入的人为因素，以及非结 构化、未知的从端环境都给系统的控制增加了一定的困难，严重影响了系统的正常工作。因 此，在时延存在的情况下，如何保证系统的稳定性，获得较好的临场感等操作性能，是双边 控制算法研究的目标。 1 2 研究综述 遥操作系统最早出现在2 0 世纪5 0 年代【5 】5 ，用于处理对人体有害的核原料。第一个遥操作 系统是一个完全机械的系统，其主端与从端之间的距离很短，整个系统只能完成一些很简 单的任务。改进的系统用电气连接代替了主从端之间的机械连接，使系统的性能有很大的 提高【6 】。遥操作技术虽然是为了处理核原料提出来的，但它的应用范围现在已经扩展到各个 方面：( 1 ) 人类不能直接到达的场合，比如深海、距离很远的外层太空等。( 2 ) 对人类有害 的场合，比如有核辐射的地区。( 3 ) 延长专业人员的服务范围，比如远程医疗、远程手术等， 通过这种方式就可以把专家的技术服务范围延伸到全球。遥操作系统能够大大扩展人类的 活动范围，代替人类完成一些危险和不能直接完成的任务。 遥操作系统面临的首要问题是遥操作人员如何能够获得足够的、实时的远端环境信息。 文献中基本上有两种使遥操作人员获得远端环境信息的方法：视觉反馈和力觉反馈。视觉 反馈又分为现场直播视觉信息反馈和预测显示反馈。现场直播视觉信息反馈是一种经过时 间延迟后的远端真实视觉信息反馈；预测显示反馈是在主端根据从手动力学模型对从手的 运动进行预测，是一种虚拟视觉信息反馈。力觉反馈可以是远端机械手的实际操作力经过 传输延时后的真实力觉信息反馈，也可以是一些虚拟力信息反馈，例o i a n d e r s o n 提出的伪 力觉信息f 4 】。遥操作人员感受力觉反馈的方法也有两种：一种是基于视觉的力觉反馈，从远 端环境反馈回的力觉信息，经过某种变换后，变成图形信息显示在遥操作人员面前，遥操作 人员通过眼睛感受反馈力的大小，并作出相应的反应。另外一种就是反馈力通过某种机械 装置直接反作用于操作者，遥操作人员的手通过这些机械装置，可以感受到反馈力的大小、 方向，从而作出正确、自然的反应，即所谓基于肌肉运动知觉的力觉反馈。这种机械装置一 方面把远端机械手与环境的力觉信息反馈给操作人员，另一方面，又把操作人员的运动指 令发送到远端机械手，因此可以把这些机械装置称为力反射手控器。无疑第二种力觉反馈 方法基本上与人们的操作习惯相同，其遥操作效率要比第一种力觉反馈方法高。 遥操作系统面临的第二个问题是怎样克服主从端通信时延对系统的影响。受传感器技 术、智能控制等各项技术的限制，当前的智能机器人距离实用还有很大的差距。当需要完成 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一些比较复杂的任务时，操作者的介入是唯一的解决途径。当本地端和远端相距较远时，两 者间的通信时延会降低系统的操作性能。根据克服通信时延的方式，遥操作控制系统基本 上可以划分为三大类：预测控制( p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 【7 】、遥编程f 8 ，9 】( t e l e p r o g r a m m i n g ) 、 双边控制( b i l a t e r a lc o n t r 0 1 ) 【1 0 ，1 1 j 。 预测控制通过在本地端建立远端机械手的操作模型来补偿时间延迟带来的影响。它在 本地端通过图形显示的方法，给出远端机械手的伪实时响应，操作人员以此图形为基础进 行操作，以克服时延带给操作人员的直觉错误和操作错觉【1 2 。典型的预测显示技术是在当 前真实的视频图像传输到地面之前，在以前时刻的图像上覆盖上任务的仿真图形，人们根 据这种预测显示的图形，对空间机器人进行遥操作。n a s a 在9 3 年终止f t s 之前，进行了验 证遥操作预测显示技术的地面实验，在时延明显( 大于0 5 秒) 、操作较为缓慢的情况下，取 得了满意的效果。预测控制的局限性在于必须对系统的运动学和动力学模型有着足够的了 解，并且对系统的图形、图像的处理速度有着很高的要求。 遥编程控制包括各种监督控制结构，远端机器人拥有一定的自主控制能力，遥操作人 员发出的指令是一种高级的机器人运动指令，远端机械手接收此命令后，依靠自己的局部 闭环控制器来执行它【8 ，9 】。由于其执行过程都在本地闭环进行，这样就避免了信号传输时延 对系统性能的影响。这种方式的问题在于操作方式单一，完成任务的成功率较低。在空间探 索中，受限于天地传输带宽，操作者发送给远端机械手的命令应采用较为抽象的形式，但当 前机器人的自主能力较差，必然导致这些命令的执行困难，甚至出现错误【8 】o 对遥编程控制 方法来说，其难点在于采用何种标称形式的命令划分，使得在时延条件下遥操作系统能够 安全、稳定、高效地完成任务。 双边控制方法中，本地端和远端都在一个控制回路中，两者之间直接相互作用，通过设 计控制算法克服通信时延的影响。双边控制系统的结构如图1 2 所示【4 ，1 3 】，它可以简单划分 为从端、主端和信号传输三个部分，主端可以是一个简单的操作杆，从端一般由特殊目的机 器人组成，信号传输媒介可是是数据专线，无线通信，也可能是i n t e r n e t 网络。控制器包括 在相应的主从端模块内。对主手来说，它一方面把从端反馈回的力信息作用于操作者，使其 产生临场感；另一方面，它在操作者的控制下运动，向从端发送命令，控制从手运动。对从 手来说，它一方面跟从主手的速度指令运动，完成操作任务；另一方面，将自己与环境的作 用力反馈回主端。由于不需要对从手的运动进行预测，双边控制方法能应用于非结构化、未 知的从端环境。双边控制中，主端操作者通过反馈回主端的力信息感知从端环境，决定下一 步动作。操作者的智能投射到了远端，使得系统能够完成一些复杂的任务。 从上世纪8 0 年代末至今，双边控制逐渐成为应用和研究的热点，下面对双边控制算法的 发展做一下简要回顾： 1 9 8 8 年，r a j u 首先提出用二端口网络理论来分析力反馈遥操作机器人系统，并指出导 致系统不稳定的原因在于时延造成了通信环节的有源性【1 4 1 。 1 9 8 9 年，a n d e r s o n 和s p o n g 从传输线理论出发，利用散射算子分析提出了一种无源性的 控制方法【4 】。 1 9 9 1 年，n i m e r y e r 和s l o t i n e 从能量传递的角度出发，提出了波变量( w a v ev a r i a b l e s ) 的 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 凡 vs f 。 图1 2 双边控制系统示意图 概念，并利用波变换的方法导出了一种无源控制方法【1 5 】。 1 9 9 3 年，h a n n a f o r d 的实验表明，a n d e r s o n 控制方法和波变量方法虽然可以保证系统的 稳定性，但却付出了系统的透明性降低的代价( 只适合2 秒以下的时延) 1 3 l 。 1 9 9 3 年，s h e r i d a n 提出用s m i t h 预估器预测从手状态的思想，在精确知道从手和环境模 型的前提下，主手端用s m i t h 预估器预测从手状态，在从手端用p d 控制器进行调节，可显著 提高系统的性能【1 6 】。 1 9 9 3 年，l a w r e n c e 提出了一种四通道的控制结构，将主从手的力、速度作为控制信号相 互传递，同时用n y q u i s t 方法对闭环系统进行了鲁棒性分析。但只有当不存在时延时，系统 才具有完全的透明性【1 0 】。 1 9 9 7 年，g a l l e g o s 提出仅用系统位置和速度信息进行反馈，在状态空间下对系统进行设 计，不需知道环境的精确模型，仅要求环境满足一定的条件，以达到稳定性，并对系统的稳 态跟踪误差进行了分析【17 】。 2 0 0 2 年，h a s h t r u d i - - z a a d 用四通道的方法分析了系统的性能，并提出了本地力反馈的 概念，并最终用三通道的方法来实现，但仍不能使系统达到最佳的( 完全的) 透明性【1 8 l 。 1 3主要研究内容 在时延存在的情况下，如何保证系统的稳定性，获得较好的临场感等操作性能，是双边 控制算法研究的目标，具体包括：时延力反馈双边控制系统模型的建立，稳定准则的选取， 控制律的形式，控制参数的选择等。本文针对空间机器人遥操作这一背景，研究双边控制中 的如下问题： ( 1 ) 系统性能的度量，只有定义了完备的系统性能指标才能有效地评价控制方法的性 能，比较各种控制方法的优劣。在以往的研究中，双边控制系统的性能指标主要为稳定性和 透明性。稳定性度量系统是否稳定，透明性度量主端操作者感受从端环境阻抗的能力。稳定 性和透明性虽然可以较好地评价时延双边控制系统的性能，但它们是不完全的，因为它们 第4 页 一l 国防科学技术大学研究生院学位论文 不能评价双边控制系统中从手的性能。而时延力反馈双边控制系统的从手跟踪主手的能力 是十分重要的，只有从手能很好地跟踪主手，从手的运动才在操作者的控制之中，操作者才 能通过系统完成期望的操作。 ( 2 ) 设计实时仿真环境以作为双边控制遥操作算法的研究平台。受实验条件的限制，对 遥操作算法的研究大多局限在理论分析和纯软件仿真上。所谓纯软件仿真，指的是主从端 模型和输入信号都由仿真软件建立。这种仿真方式将操作者排除在了控制闭环以外，无法 真实模拟遥操作的情况。一个有效的解决方法是用力反馈设备作为主手设备，一方面输入 控制指令，另一方面接收从手反馈力信息，使操作者真正参与到控制中。 ( 3 ) 为了提高系统的透明性和改善稳定性，有必要在操作者处对环境进行建模和在线 参数辨识，将结果送到主从端控制器中，进行力和运动的修正补偿。 本文的研究目标主要有以下三点： ( 1 ) 采取合适的系统模型、稳定准则和性能指标分析双边控制算法的性能及设计规律。 ( 2 ) 搭建空间机器人遥操作双边控制实时仿真系统。 ( 3 ) 对环境模型参数辨识算法作出初步探讨。 1 4主要贡献 本文的主要贡献有以下几个方面： ( 1 ) 从人手感觉建模的角度出发，将阻抗分解为惯量、阻尼、刚度及可忽略的高阶成 分，阐明了系统透明性的物理意义，分析了临场感的实质，重新定义了透明性的度量方式， 并提出了跟踪精度指标，用以度量从端跟踪主端位置的稳态误差。 ( 2 ) 实现了两种基于绝对稳定性的双边控制算法- - p o s i t i o n e r r o r 控制方法和f o r c e - r e f l e c t i o n 控制方法，应用本文提出的度量方式对两种方法的稳定性、透明性和跟踪精度 进行了分析，回答了应该如何合理选择控制参数的问题，并进行仿真实验验证了理论分析 的结论。 ( 3 ) 设计并建立了一个实时仿真系统，采用了硬件在回路的仿真方式，真正将操作者 纳入了仿真回路中，提高了操作的临场感和控制器的设计效率。 ( 4 ) 提出了一种基于u d 分解的可同时获得模型阶次和参数的在线递推算法以进行环 境模型参数的辨识，并进行了实验验证。 1 5论文组织结构 各章的主要内容如下： 第二章主要对时延力反馈双边控制系统进行理论分析。首先对双边控制系统进行建模， 将其表示为双端口网络模型。基于此模型讨论了双边控制系统的性能指标：稳定性，透明 性和跟踪精度。结合人手感觉模型对透明性的实质进行了分析，重新定义了透明性的度量 方式。介绍了适用于双端口网络的无源性稳定判据和绝对稳定性判据，对基于无源性方法 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的a n d e r s o n 控制方法和波变量方法进行了分析，数学证明了无源性判据是绝对稳定性判据 的充分非必要条件，换言之，绝对稳定性对系统的要求更为严格。 第三章研究两种基于绝对稳定性理论的时延力反馈双边控制算法一基于双向速度传递 的p o s i t i o n e r r o r 控制方法和基于从手控制力反馈的f o r c e - r e f l e c t i o n 控制方法，根据绝对稳 定性判据( 莱威林准则) 推导出各自的稳定条件，并结合第二章提出的透明性和跟踪精度度 量方式，定量分析了其操作性能，对如何合理选择控制参数作出了说明，并进行了仿真验 证。 第四章研究遥操作空间机器人系统实时仿真平台的搭建，用两台p c 机分别模拟主从端 的运行情况，主端p c 连接通用力反馈游戏手柄作为主手输入设备，从端p c 挂接嵌入式处理 器( 单板机) 用作空间机械手的实时仿真，主从端信号传输时延根据t c p i p 协议由软件模 拟产生。利用m a t l a b 中的r t w x p ct a r g e t i 具箱将空间机械手模型编译为实时可执行 代码，下载到单板机执行，保证了手柄输入和空间机械手仿真模型间的时钟同步。结合给定 模型数据，完成了空间机械手实时位置跟踪实验，证明了系统搭建方案的可行性。 第五章实现了一种基于u d 分解的可同时获得模型阶次和参数的在线递推算法以进行环 境模型参数的辨识，结合实验室现有设备搭建了一套一维力反馈双边遥操作系统，应用该 算法成功实现了环境模型辨识，证明了算法的有效性。 第六章是全文的总结和对未来工作的展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章时延力反馈双边控制系统建模 2 1引言 空间机器人和地面操作者之间距离遥远，两者之间的信号传输时延已成为影响遥操作 系统工作的突出问题。时延不仅破坏了系统的稳定性，还大大降低了系统的操作性能。如何 克服时延的影响，在保证系统稳定的前提下，提高系统的操作性能，一直是系统设计者在选 用控制方案和设计控制算法时所关心的问题。 本章首先介绍了遥操作系统中常用的二端口网络建模方式，并对在此基础上的无源控 制方案进行了分析。在以往研究中，主要用稳定性和透明性作为双边系统的性能指标，本章 从建立人手的感觉模型出发，提出了一种新的度量透明性的方式，另外，为描述双边控制系 统的从手跟踪主手的能力，本章提出了“跟踪精度”这样一个度量指标。最后，引入了系统稳 定的绝对稳定性理论，并证明了无源性是绝对稳定性的充分非必要条件，推出基于绝对稳 定性的双边控制系统比基于无源性的双边控制系统具有更好的操作性能。 2 2时延力反馈双边控制系统的网络模型 时延力反馈双边控制系统的结构如图2 1 所示，分为主端、从端、信号传输媒介三个部 分【1 9 】。主端一般为一个具有力反馈作用的操作杆及对应的控制器，从端一般为与具体任务 相适应的某种机械结构及对应的控制器，信号传输媒介可以是数据专线、i n t e r n e t 网络【2 0 1 、 或无线通讯线路【2 1 1 。当主端和从端相距遥远时，信号传输会引入时延，破坏了系统的稳定性 和操作性能【l l 】。 主时延通讯 操作者 手 环节 凡df e 图2 1 力反馈双边控制系统示意图 本文主要考虑时延力反馈双边控制系统的控制方法，为简化计算，在理论分析阶段只 考虑单自由度的系统，得到的结论可以直接推广到多自由度的系统。 主手和从手的动力学模型【1 1 】为 j ( ) + b m v m ( t ) = f h ( 亡) 一( 亡)，o ，、 1尥晚( 亡) + b 。v s ( t ) = 只( t ) 一e ( 亡) - j 7 其中，下标m 表示主端，下标8 表示从端，r 表示主端操作者施加给主手的作用力，表 示主端对应的从端反馈力，e 表示从手控制器对应的力，疋表示从手与环境的作用力。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 时延信号传输模块的数学模型为 j d ( 亡) = 只( 。一五 ( 2 2 ) 1 ( 亡) = ( t 一疋) 、7 其中，五和乃分别表示主端到从端和从端到主端的时延。 分别用电压和电流等效代替力和速度，就可以把时延力反馈双边控制系统表示为如 图2 2 所示的网络模型。 l l 0 。 - t - i l 一0 + 罔i 。_ j 一0 i s d 0 + l ： 0 + 圪圈圪网 图2 2 力反馈双边控制系统网络模型 图2 2 所示的双端口网络可以表示为如下混合矩阵模型 2 2 】： 芝 = 日c s ， 怠 = h h 2 1 1h 盟i 2 1 1 ( 2 3 ) 瓦( 2 3 ) 所不阴狱躏e l 湖篓各处j 以衣不为阻玩矩阵和导纲矩阵模型，兵彤式分别为【。j 嘲卜峨) 4 ， = y ( s 峨) 仁5 ， 采用哪种表示方式对后面的推导都没有影响，可以证明【2 2 l ：由任何一种模型所导出的 各个公式对于其它两种模型的参数表示都同样有效，只要使用相应的变量和参数集即可。 由式( 2 2 ) ，时延力反馈双边控制系统的时延通讯环节对应的双端口网络的混合矩阵表 锱 _ 叮0 训矧 亿6 ， 把主手、从手、时延通讯环节作为一个整体时，其对应的双端口网络的混合矩阵表示为 愀，卜s ， 7 ， 同样，双边控制系统的网络模型也可以表示为其它形式，各种表示形式对后面的分析 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3时延力反馈双边控制系统的性能研究 双边控制系统的性能包括两个方面【1 0 ： ( 1 ) 系统的稳定性。 稳定性是所有控制系统都必须满足的特性，是控制系统可用的前提。 ( 2 ) 系统的操作性能【1 3 ，2 3 】。 操作性能衡量控制系统完成任务的能力。力反馈双边控制系统的操作性能包括两方面： 主手的操作性能和从手的操作性能。主手的主要功能是把从手与环境的作用力反作用于操 作者，使操作者产生临场感，所以其操作性能就是操作者通过它感受从端环境的能力。从手 的主要功能是跟随主手运动，所以其操作性能就是其跟踪主手运动的能力【2 4 】。 在以往的研究中，主要用稳定性和透明性这两个性能指标来度量双边控制系统的性 能【4 ，1 0 】。稳定性度量双边控制系统是否稳定，透明性度量双边控制系统中主端操作者感受从 端环境的能力。对一个双边控制系统来说，基本要求是系统稳定，主端操作者能感受到从手 与环境的作用力，从手跟踪主手运动。所以，仅仅考虑稳定性和透明性是不够的，还应考虑 从手跟踪主手运动的能力，因为只有具有良好的跟踪性能，从手的运动才受主端操作者的 控制，操作者才能通过此系统完成期望的任务。下面首先介绍双边控制系统的稳定性和透 明性，从人手接触感觉建模的角度重新定义透明性度量的方式，然后提出度量从手跟踪主 手运动能力的性能指标一跟踪精度，并定义了其度量函数。 2 3 1 稳定性 简单地说，双边控制系统稳定是指包括环境和操作者在内的系统的状态变量始终有 界f 2 5 。系统的稳定性由控制器的结构、参数两者共同或单独确定。对某些控制方法，任 意选取的控制参数都能保证系统稳定，对另一些控制方法，系统的稳定性取决于所选的参 数，而设计不好的控制方法在任何条件下都不能使系统稳定。 在时延，特别是大时延存在的情况下，有些原本稳定的系统也会变得不稳定。根据与时 延的关系，双边控制系统的稳定性可分为时延无关稳定性和时延相关稳定性【2 4 】。 2 3 1 1 时延无关稳定性( i n t r i n s i c a ls t a b i l i t y ) 系统的稳定性与时延的大小无关，系统在任何时延条件下都能保持稳定。 2 3 1 2 时延相关稳定性( p o s s i b l es t a b i l i t y ) 系统的稳定性与时延的大小相关，系统只有在时延满足一定条件时才稳定；当时延不 满足此条件时，系统不稳定。 对比来说，具有时延无关稳定性的系统在外界扰动的影响下更易保持稳定，鲁棒性也 更强。 2 3 2 透明性 力反馈双边控制系统中，主端操作者通过从端反馈回主端的力信息感受从端环境，从而 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 产生临场感。临场感不仅与反馈回主端的力有关，还与系统的运动情况有关。理想的临场感 是操作者在主端的感受同他直接与从端环境作用时的感受完全一样【1 0 1 4 】，相当于双边控制 系统完全透明，所以引入透明性概念来度量双边控制系统的临场感【1 0 2 6 】。系统的透明性越 好，操作者的临场感就越好。借用电路理论中的阻抗概念，用主端操作者感受到的阻抗和从 端环境阻抗之间的关系来表示双边控制系统的透明性【1 0 2 7 l 。操作者通过双边控制系统与环 境作用时，操作者感受到的是操作阻抗孙= ，真实的环境阻抗为z e = ，巩。，z h 和乞之 间的相似程度即为系统的透明性。 定义2 3 1 双边控制系统的透明性是指主端操作者操作系统与从端环境作用时感受到的阻 抗与从端环境阻抗的相似程度扣o l 。 理想的临场感下，有z h = z e 。 考虑环境建模，环境动力学既有刚体运动动力学特性，又有表面形变动力学特性，则环 境应该用两个级联的二阶质量一弹簧一阻尼体等效，其模型的表示应建立在三维立体空间 上【2 8 ，由此得到的环境动力学十分复杂。由于从手运动速度、角速度都很小，刚体运动动力 学特性可以忽略，环境动力学模型可简化为二阶