基于虚拟环境的遥操作系统计算时延研究

摘要

双边遥操作机器人是在危险或者不确定环境下完成作业任务的最有效工具。四十多年来，遥操作机器人技术已经在太空探索、水下作业、核废料处理等传统领域，以及外科手术、远程维护、康复锻炼等新兴领域得到了越来越多的应用。遥操作机器人系统的主要控制问题是通讯时延导致的不稳定问题和主从两边信息不一致问题。基于虚拟环境的遥操作控制是遥操作机器人系统诸多控制策略中最有发展前途的一种，自从其20世纪80年代末出现以来，已经在空间遥操作中获得了许多成功的应用，成为目前大时延遥操作的最佳方法。但是，由于虚拟环境建模误差和计算时延的存在，使得这一技术常常不能独立解决时延问题。
　　 本文结合国家航天863项目“空间遥操作机器人虚拟预测环境的建模与控制技术研究”，对空间遥操作机器人的虚拟预测环境控制技术、虚拟环境计算时延及其对系统的影响等进行了理论和实验研究，并研究了同时存在传输时延和计算时延的情况下保证系统稳定并提高系统性能的方法。
　　 本文在分析计算时延特性的基础上，建立了计算时延的Beta分布模型，提出了一种模型参数估计的快速经验算法，给出了模型拟合优度的检验方法，并基于无源性理论从能量输入输出的角度分析了计算时延对虚拟环境的影响，给出了一种保证虚拟环境稳定的方法。考虑到实际遥操作系统中的远地环境常常是未知或部分未知的，或者工作环境是变化的，本文基于最小二乘估计给出了环境动力学参数的在线辨识方法，并研究了虚拟力反馈的结构，给出了虚拟交互力的计算方法。
　　 本文研究了遥操作系统稳定性分析的三种理论，并对基于虚拟环境的遥操作系统进行了无源稳定性分析；研究了遥操作系统的频域透明性和时域透明性，提出了一种频域透明性的度量方法，并对基于虚拟环境的遥操作系统进行了时域透明性分析。
　　 为了提高遥操作系统的性能，本文提出了一种基于增强虚拟环境的时延遥操作系统广义波变量预测控制结构，不但考虑了通讯时延和计算时延的补偿问题，还考虑了从端环境的变化和虚拟环境建模的误差问题。给出了广义波变量的透明性条件和波参数的在线调节方法，提出了一种效率更高的两点线性与五点二次凸联合预测算法和时延在线测量方法，给出了从端动力学参数的最小二乘估计，并创新性地提出一种虚拟反馈力与真实反馈力进行综合的策略。
　　 本文在自制的一套基于虚拟环境的单自由度遥操作机器人实验系统上，针对质量一弹簧-阻尼环境模型，利用计算机网络模拟空间站和地面之间的大时延，实现了主从机械手的遥控作业，并对文中提出的计算时延模型、参数在线辨识、命令预测算法、广义波变量透明性、波参数在线调节方法以及基于增强虚拟环境的时延遥操作系统广义波变量预测控制结构进行了实验研究，实验结果表明了它们的有效性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 遥操作机器人学的研究进展

1.2.1 遥操作机器人系统中的人类系统接口

1.2.2 虚拟现实技术在遥操作机器人系统中的应用

1.2.3 遥操作机器人系统的控制

1.3 基于虚拟环境的遥操作机器人系统目前存在的问题

1.3.1 虚拟环境的建模误差

1.3.2 虚拟环境的计算时延

1.4 本课题的主要研究内容及目标

1.5 本章小结

第二章 虚拟环境的计算时延

2.1 引言

2.2 计算时延的特性

2.3 计算时延的建模与估计

2.3.1 计算时延的统计学模型

2.3.2 模型参数估计

2.3.3 模型拟合优度检验

2.4 计算时延对虚拟环境稳定性的影响

2.4.1 引言

2.4.2 计算时延对虚拟环境稳定性的影响

2.5 保证虚拟环境稳定的方法

2.6 仿真实验

2.7 本章小结

第三章 基于虚拟环境的遥操作系统及其稳定性与透明性研究

3.1 基于虚拟环境的遥操作系统

3.1.1 系统结构与工作原理

3.1.2 环境的概念与特性

3.1.3 环境的动力学模型

3.1.4 虚拟力反馈

3.2 遥操作系统的稳定性理论

3.2.1 遥操作系统的二端口网络模型

3.2.2 无源性与无源性判据

3.2.3 绝对稳定性与绝对稳定判据

3.2.4 具有状态时延的连续系统模型与渐近稳定性

3.3 基于虚拟环境的遥操作系统的稳定性分析

3.4 遥操作系统的透明性理论

3.4.1 遥操作系统的频域透明性

3.4.2 遥操作系统的时域透明性

3.4.3 两种透明性比较

3.5 基于虚拟环境的遥操作机器人系统的透明性分析

3.6 本章小结

第四章 基于增强虚拟环境的时延遥操作系统广义波变量预测控制

4.1 引言

4.2 系统控制结构

4.3 广义波变量法

4.3.1 广义波变量的定义

4.3.2 基于广义波变量的遥操作系统的透明性

4.4 线性凸联合预测器

4.4.1 预测算法

4.4.2 预测步数与停止条件

4.5 时延的估计与测量

4.6 从端控制器结构与力波阻抗的在线调节

4.7 虚拟环境的建模与视频增强

4.8 从端动力学参数的在线辨识

4.9 力反馈调节器与计算时延补偿

4.10 本章小结

第五章 实验研究

5.1 实验系统的结构

5.1.1 系统总体结构与工作原理

5.1.2 主端系统

5.1.3 从端系统

5.1.4 通讯子系统

5.2 实验系统的实现

5.2.1 实验系统的硬件实现

5.2.2 实验系统的软件实现

5.3 工作环境设置

5.4 主要实验参数设置

5.5 实验结果与分析

5.5.1 预测算法的仿真实验结果与分析

5.5.2 环境参数辨识的仿真实验结果与分析

5.5.3 整个遥操作系统的实验结果与分析

5.6 本章小结

第六章 结论

6.1 本文工作总结

6.2 今后的工作

参考文献

致 谢

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