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1时延遥操作系统的能量观测与控制研究进展时延遥操作系统的能量观测与控制研究进展周生龙,宋爱国( 东南大学仪器科学与工程学院远程测控技术江苏省重点实验室, 江苏南京 210096)摘要: 能量观测与控制方法基于无源理论, 在有源网络端口观测力和速度(位置)信号, 分析并动态补偿能量以保持网络稳定, 无需控制对象模型信息和通信传输时延估计。综述了时延遥操作系统的一端口和二端口网络能量观测与控制方案的研究进展, 讨论了存在的主要问题, 并指出进一步研究的方向为定量分析操作性能、改进控制器工作条件、克服传感器影响和安全操作等。关键词: 时延; 遥操作; 能量观测与控制。中图分类号: TP242. 3 文献标识码: A 文章编号: 1000- 8829( 2010) 10- 0001- 05Research on Energy Observing and Control for Time Delay Teleoperation SystemsZHOU Sheng long, SONG Aiguo(Remote Measuring and Control Jiangsu Province Key Loboratory,School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)Obstract: Passivity based energy observing and control (EOC) monitors force and velocity /posit ion at non passive network port for energy, analyzes and dynamically compensates energy to stob ilize systems neither with controlled system mode l information nor signal transport de lay time estimation. The research of one port and two port network energy observing and control for time delay teleportation system s is summarized and main problems are discussed. Better controllers, quantitative tele operation performance analysis, overcoming sensoreffect and safe operation are pointed out further research.Key words: time delay; tele operation; energy observing and control遥操作起源于上世纪40年代, 在外层空间机器人探索、深海科学研究、危险环境作业、移动机器人、基于Interne t的远程医疗等领域被广泛的研究和应用 1- 5 。Sheridan等通过实验研究指出了通信传输时延对遥操作系统的影响 6 并引起了极大关注。半个世纪以来克服遥操作系统通信环节时延、建立稳定的系统、获得透明操作性能一直是国内外研究人员不懈努力的方向, 他们先后提出了无源理论、现代控制理论和虚拟现实等控制和算法 7- 13 , 在一定程度上解决了时延遥操作系统的稳定性问题, 同时尽可能地实现了更好的临场感。通常使用固定阻抗来补偿时延的影响。网络端口能量观测与控制方法 14 基于无源理论, 直接观测系统端口的参数(力和速度/位置), 计算网络能量, 判断是否无源。若有源, 则引入一个环节, 仅仅消耗使系统有源的能量, 通过能量补偿达到保持系统无源稳定的目的。该控制方法最初用来解决触觉再现接口系统中接触刚性虚拟墙的不稳定性问题, 收稿日期: 2010- 03- 17基金项目: 国家863高技术项目( 2008AA040202); 教育部创新工程培育资金项目( 708045)作者简介: 周生龙( 1974 ), 男, 四川南充人, 在读博士生, 主要研究方向为时延遥操作机器人; 宋爱国( 1968 ), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事机器人传感与控制技术、康复工程研究。 其在无时延的本地触觉接口系统中已经得到广泛讨论 15- 17 , 许多研究人员还尝试将其推广到时延双边遥操作系统。尽管为了维持系统无源引入补偿阻抗会降低操作性能, 并且还需要解决一些关键问题, 但因其具有不需要被控系统模型信息、不估计信号传输时延、动态补偿等优点, 在复杂时延和非结构多样环境等遥操作系统中具有良好应用前景。本文首先介绍网络端口能量观测与控制方法的配置和基本算法, 然后归纳总结一端口和二端口网络能量观测控制方法在时延遥操作系统中的研究现状, 讨论存在的主要问题并展望进一步研究的方向。1 网络能量观测与控制1.1能量观测考虑M 个端口的网络N, 若所有端口能量参数F时延遥操作系统的能量观测与控制研究进展 1( t)和V ( t)可获得, 初始能量为E ( 0), 网络N 无源的充要条件为 公式 1式中, 网络端口能量参数F ( t )和V( t )的观测一般可以通过采样获得, 若与遥操作系统的动态特性相比, 采样周期 T 足够小, 并假设网络N 的初始能量E ( 0) = 0,则网络N 在n时刻无源的能量Eab ( n )满足 公式 21.2能量控制若网络在每个n 时刻的能量Eob ( n)0则表明网络无源, 消耗能量; 若Eob ( n)0 则表明网络产生能量, 可能不稳定, 产生的能量为- Eob ( n)。将产生的能量消耗掉就可以保持网络无源, 因此, 公式 2既是网络N 无源的判定准则也可作为控制目标。为了消耗不稳定网络产生的能量, 引入耗能环节a作为控制器, 根据端口的阻抗或导纳特性, 分别配置串联和并联两种形式 14 。在双边遥操作系统中通常使用（如图1- 1）的一端口网络串联配置, f i 为力, vi 为速度( i= 1, 2)。根据实际控制关系画成图1- 2左边的并联形式, 引入控制器 后定义: f 1 = f 2 + vi。考虑公式 2中没有必要计算 T 的乘法, 为了减小计算量, 定义新变量W ( n ) =Eob ( n ) / T, 那么判断网络有源的条件更换为W ( n ) 0。对于单端口网络, 公式 2中M = 1, 能量控制基本方法按公式 3 公式 6计算。图1- 1一端口网络网络端口输入为v1 (n) = v2 (n) 公式 3W (n)的递推计算为W (n) = W (n-1)+f2( n)v2(n)+(n-1)v22 (n-1) 公式 4控制器及其工作条件( v2 0)为 公式 5在控制器实时调节下得到网络无源时的输出f1(n)=f2(n)+(n)v2(n) 公式 6可以证明网络引入控制器 后是无源的 14 , 即公式 7式( 5)表明能量控制器仅仅在网络从无源变成有源时才工作, 消耗有源能量后网络变成无源, 关闭控制器。控制器工作时补偿能量, 调节反馈力f 2, 同时也使反馈力&失真, 因为公式 6中f 1 ( n ) f2 ( n ), 系统透明性下降, 但下降程度仅为使网络有源的能量。因此, 能量观测与控制方法根据遥操作系统实际工作状态进行能量动态补偿, 无需被控系统模型信息, 也不估计通信时延, 对未知环境和多样环境的遥操作具有实用意义。由一端口网络容易得到二端口网络的串联配置 (如图1- 2)。将主机械手的速度/位置信号、从机械手与环境作用的力反馈信号作为指令, 在通信网络N 的主、从机械手端引入串联阻抗配置 1 和 2, 同时作用调节速度指令和反馈力达到控制网络能量的目的, 文献 18给出了二端口网络无时延条件下能量观测与控制的基本算法。图1- 2二端口网络2 时延遥操作系统的能量观测与控制二端口网络能量观测与控制基本算法中W ( n )的递推计算与网络两端的观测参数(f 2, v2 )、( f3, v3 )和控制器 1、 2 有关, 若f 3 和f2 分别表示从机械手与环境的作用力及其通过通信环节传回主机械手端的力, v2和v3 分别为主机械手的速度(位置)及其通过通信环节传到从机械手端的速度(位置) , 那么对于时延双边遥操作系统中的通信环节(如图1- 3), 上述基本算法不能直接应用, 因为不管W ( n )放在主机械手端还是从机械手端, 空间距离和信号传输时延使主、从两地的观测参数( f2, v2 )和(f 3, v3 )不能同时获得, 当通信环节有源时W ( n )的计算结果也不能同时传送到主、从两地的调节控制器 a1、 a2。图1- 3力反馈双边遥操作系统操作者与远程机器人之间存在遥距离, 通过通信环节传输信号, 通信环节通常存在时变时延, 影响遥操作系统的操作性能, 若时延达到一定程度还会导致系统不稳定, 一个显著的现象就是网络变成了有源。多数控制策略建立带时延(定时延或变时延)的系统模型, 必须估计时延, 然而复杂时延的精确估计比较困难(如Internet随机时延)。力反馈双边遥操作系统模型可分解为若干一端口和二端口子网络, 操作者、环境为典型的一端口子网络, 主机械手、通信环节和从机械手都是二端口子网络。如果以通信环节为中心, 把遥操作系统的子网络通过各种组合视为一端口或二端口网络处理, 网络能量观测与控制方法可用来保持网络无源, 每个子网络无源则遥操作系统全局无源稳定。2.1一端口网络方案将通信环节、从机械手及其控制器、环境组合为一个一端口网络, 在通信环节的主机械手端引入能量观测与控制环节, 等效网络如图1所示。由于仅在通信环节的一端观测和控制, 实现难度相对较低, 目前主要提出了3种控制算法。Hou提出用PD 控制从机械手, 将环境反作用力fe反馈回来进行观测和调节, 能量观测19见公式 8, 控制器与公式 5类似, 输出到主机械手的力为f 1 = Eob ( n ) / ( v2 T )。W are提出一种简化的能量观测方法 20 见公式 9,其中, dE /dt为能量微分, 控制器的算法同公式 5, 工作条件为Pob 0, 输出调节力为f1 = f 2 - P ob /v2。E ob ( n + 1) = Eob ( n ) + f2v2 T 公式 8Po b = f2 v2 - dE /dt 公式 9 A rtigas将通信环节、从机械手及其控制器、环境组合为前向一端口网络NFw d, 将操作者、主机械手及其控制器合并为一端口网络后再与通信环节组合为反向一端口网络NBwd, 其中通信环节是两个一端口网络的重叠部分, 提出的算法 21- 22 考虑通信环节时延影响, 并在主/从机械手与通信环节之间加入了无源连续离散连接环节消除模数和数模转换产生的能量。2. 2 二端口网络方案以通信环节为中心的二端口网络方案主要有以下4种能量观测与控制策略。Ryu将通信环节、主从机械手控制器的组合视为一个二端口网络 23 - 24 , 在其两端引入能量观测和控制环节, 这是最早的尝试, 但没有考虑空间距离和时间延迟, 因此无法应用到时延遥操作系统中。Iqbal在通信环节两端进行能量观测和控制 25- 26 , 主、从机械手端的能量补偿均为阻抗配置。为解决通信环节两端的能量参数(f2,v2)和(f3v3)同时获得的问题, 在从机械手端用非线性卡尔曼滤波器建立从机械手与环境的非线性回归估计模型, 在线预测从机械手端参数f3, 同时用统计方法估计网络时延T, 算出主机械手速度(位置)传到从机械手的滞后步长= T / T, 得到v3= v2(n-), 这样就可以在通信环节的主机械手端计算W(n)由于W(n)放在通信环节的主机械手端, 其计算结果必须传回从机械手端调节控制器, 为了解决两端能量控制器的同步调节问题,引入了时间标签。Ryu把二端口通信环节每个端口的能量分解为流入E in( k)和流出E ou t ( k )两部分 27, 将主机械手端观测的流入能量通过通信环节传给从机械手端, 时延为T1 ( t); 将从机械手端观测的流入能量通过通信环节传给主机械手端, 时延为T2 ( t), 用上标M 和S 分别为主机械手和从机械手, 只要满足公式 10和公式 11, 二端口网络能量就满足 0的无源稳定条件, 若公式 10和公式 11任意一个不成立时, 在该端口启动控制器, 需要传输4个信号即主机械手的速度(或位置)、从机械手与环境之间的作用力和两端口的流入能量。K im提出通信环节的主从两端都使用能量边界控制策略 28 , 见公式 12和公式 13, 其本质与基本算法中公式 5和公式 6类似, 但对控制器!进行了必要约束: m in !( n) c, 并给出了约束条件c和m in ( n)的确定算法。 公式 10 公式 11 公式 12 公式 133 问题与展望3.1定量分析系统操作性能目前尚无文献定量分析能量动态补偿时对系统操作性能的影响程度, 因此一端口和二端口网络方案各方法孰优孰劣仍有待分析讨论。操作者正确的感知才能做出正确的决策, 系统稳定才有意义。操作者在力反馈遥操作系统中感知和控制环境的过程, 实际上是系统将环境阻抗传递到操作者的过程, 因此一般用系统传递环境阻抗的准确性来评价操作性能。环境阻抗可表示为Z e(s) = Fe( s) /Ve(s), 遥操作系统的主机械手端虚拟阻抗定义为Zv(s) = Fh(s)/Vm(s), 环境阻抗透明传输时Zv ( s) =Ze(s)。然而, 能量积分和补偿计算并不依赖系统模型, 无法推导两个阻抗的表达式, 需寻求其他途径定量分析系统的操作性能。3.2改进控制器工作条件时延遥操作系统的一端口和二端口网络能量观测与控制方法以W ( n) 0并逐渐增大; k 发生很大突变, k km ax, W ( n)迅速减小, 但在W ( n ) 0 之前需要一定时间, 在这段时间内系统已经不稳定 29 , 但控制器不会启动。远程操作的掘土机铁铲进入松软土层到达一定深度碰到坚硬岩石、远程医疗机械手抓住病人手臂首先接触肌肉然后接触骨头等遥操作均属此类情况。目前的3种解决方法都存在不足: D. Ryu将从机械手的位置信号进行DFT 变换得出一个新的判断条件 29 , 对比实验表明控制器启动快一些, 但DFT 计算需要一定时间, 反应仍有滞后; R eza通过实验指出能量观测与控制方法在环境刚度大于某个值时控制效果比较好 30 , 设定一个刚度阈值作为控制器工作的判断条件, 但需要对环境建模; Iqbal提出同时判断W (n)及其变化趋势 25 , 当W.( n ) 0 开始控制, 不必等到W (n) 0, 控制器反应速度快, 但能量积累非单调增加时会导致控制器误动作。/ Zc = 0, 即从机械手自由运动。观测的能量由0变成负值并继续减小, 控制器按判断条件实施控制, 自由运动的实际跟踪效果反而变差 30 。目前文献提出的两种解决办法不易实现: K im 设定反馈力阈值为#,若在 时间内|f | #就把观测能量预置为0, 可以避免从机械手自由运动时控制器的启动, 但准确标定#非常困难 31 ; Ryu将从机械手与环境之间的端口能量T fe(k)ve(k)作为控制器约束 24, 但环境参数(fe,ve)在具有时延通信环节的遥操作系统的主机械手端无法实时获得。上述表明远程从机械手在自由运动、与复杂环境交互作用时, 控制器工作条件仍需改进, 以达到快速、准确启动控制器的目的。3.3 考虑传感器的影响和操作者的安全以一端口网络为例, n 时刻位置机械手传感器输出信号x 2 ( n), 端口速度参数v2 ( n)数值计算 公式 14 机械手的运动速度极慢时,由于传感器灵敏度的限制, 位置输出信号无变化,x2 (n) - x2(n- 1) = 0, 则v2(n)=0,控制器算法公式 5不适用;若位置变化量很小,则v2 (n)非常小,能量补偿时对反馈力的调节量(n) v2 (n) =-W(n)/v2(n)非常大, 作用在主机械手执行机构上就会产生瞬间(一个采样周期内调节)甚至连续(若干个采样周期调节)强烈反弹, 对操作者非常危险。目前文献极少讨论如何克服遥操作系统低速作业的相关问题, 还需进一步探讨补偿力特殊处理算法, 以消除传感器影响, 保证操作者安全。4 结束语研究表明网络端口能量观测与控制方法不仅适用于本地触觉再现接口系统, 也适用于时延双边遥操作系统, 是保持系统无源稳定的一种有效方法。不依赖被控系统模型信息、无需估计通信时延、能量动态补偿和适用多样环境是这种方法的突出优点。进一步研究的重点建议放在定量分析操作性能、改进控制器工作条件、克服传感器影响和确保操作者安全等方面。参考文献: 1 W ang X Q, XuW F, Liang B, et a .l Genera l scheme o f te leo peration for spacerobot A . 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