一种基于自适应事件触发的遥操作通讯方法

摘要

本发明提供一种基于自适应事件触发的遥操作通讯方法，将关节位移差值不大于设定阈值作为触发事件，实时保存机械臂位置传感器在每个采样时刻采集的关节角位移信息，并将每个采样时刻的位置信息与触发时刻的位置信息做差，当得到的关节位移差值不满足所设计的触发事件时，才释放当前采样时刻的关节位置信息到通信网络中进行传输，以此完成对要传输信息的筛选和剔除；由此可见，本发明只有当机械臂位置信息发生一定程度的变化，才会激活传输通道，而非在固定的时间周期下不停的占用通讯网络进行信息传输，可以在视频图像信息的传输尽量不占用通讯网络带宽的前提下，保持视频图像信息具有足够的传输量，使得机械臂操作员获得良好的临场感。

说明书

技术领域

本发明属于机器人控制技术研究领域，尤其涉及一种基于自适应事件触发的遥操作通讯方法。

背景技术

随着机器人、远距离网络通讯等技术的进步，双边遥操作系统在远距离作业中发挥着越来越大的作用。多年以来，许多学者针对诸如遥操作系统一类的非线性系统提出了多种控制策略，如自适应控制、滑模控制等。

然而，大多数控制方案是基于时间触发的，即按照固定的时间周期进行信号采样，同样，传输到系统中的信号也是以相同的周期进行更新和传输的。基于时间触发的控制系统易于实现，但会造成通讯资源的浪费。在遥操作中，主从两端往往会相隔较远的距离，此时通讯带宽变得极为珍贵。操作指令、传感器参数、视频信息等均需要经过通讯网络来传输，多余带宽的占用可能会导致重要信息的迟滞甚至遗漏。不仅如此，远距离传输不可避免的会受到通讯时延的影响，时延会极大的影响系统性能，降低操作员的临场感，甚至影响系统稳定性。

在实际使用中，事件触发机制所提供的触发频率需要根据实际情况进行调整，此时便需要引入自适应方法，来动态调整触发阈值参数。然而，现有遥操作系统的设计多基于时间触发，在远距离通讯时会浪费一定的带宽资源，尤其是视频图像信息的传输，极大地占用了网络带宽。现有技术中，自适应控制、滑模控制等皆不能改善带宽占用时延问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于自适应事件触发的遥操作通讯方法，以机械臂一段时间内的位置变化作为事件触发机制的触发条件，剔除一些无效信息，让单位周期内传输的机械臂位置信息更具代表性。

一种基于自适应事件触发的遥操作通讯方法，主机械臂和从机械臂之间通过通讯网络进行信息传输，其中，在进行信息传输时，分别获取主机械臂和从机械臂在每个采样时刻的关节角位移信息，并将第一个采样时刻记为触发时刻；将主机械臂和从机械臂各自在每个采样时刻的关节角位移信息分别与各自在触发时刻的关节角位移信息作差，当主机械臂对应的第一关节位移差值大于设定阈值时，才向从机械臂发送信息，同时，将第一关节位移差值大于设定阈值时对应的采样时刻作为后续传输过程中判断主机械臂是否向从机械臂发送信息的新触发时刻；当从机械臂对应的第二关节位移差值大于设定阈值时，才向主机械臂发送信息，同时将第二关节位移差值大于设定阈值时对应的采样时刻作为后续传输过程中判断从机械臂是否向主机械臂发送信息的新触发时刻。

进一步地，判断主机械臂和从机械臂是否要向对方发送信息时，首先将每个采样时刻的关节角位移信息与触发时刻的关节角位移信息之间的关节位移差值进行预处理，再将预处理后的关节位移差值与设定阈值进行比较；

其中，预处理具体如下：

[q

其中，i＝m，s，且m代表主机械臂，s代表从机械臂，h为机械臂上的传感器采集关节角位移信息的离散采样时间间隔，t

设定阈值为：

σq

其中，σ为设定的阈值参数，且0＜σ＜1。

进一步地，阈值参数σ的设定方法如下：

其中，融合差值

进一步地，后续传输过程中判断主机械臂和从机械臂是否要向对方发送信息时，首先将每个采样时刻的关节角位移信息与触发时刻的关节角位移信息之间的关节位移差值进行预处理，再将预处理后的关节位移差值与设定阈值进行比较，最后将预处理后的关节位移差值大于设定阈值时对应的采样时刻作为后续传输过程中判断从机械臂是否向主机械臂发送信息的新触发时刻，且新触发时刻t

其中，n表示使得

进一步地，信息传输完成后，主机械臂接收到的信息记为q

其中，t为当前接收信息的时间，h为机械臂上的传感器采集关节角位移信息的离散采样时间间隔，t

其中，时延最大值

进一步地，主机械臂向从机械臂发送的信息包括：自身的位置信息和速度信息，从机械臂向主机械臂发送的信息包括：自身状态信息、环境力反馈以及视频图像信息。

有益效果：

1、本发明提供一种基于自适应事件触发的遥操作通讯方法，将关节位移差值不大于设定阈值作为触发事件，实时保存机械臂位置传感器在每个采样时刻采集的关节角位移信息，并将每个采样时刻的位置信息与触发时刻的位置信息做差，得到关节位移差值，当关节位移差值不满足所设计的触发事件时，才释放当前采样时刻的关节位置信息到通信网络中进行传输，以此完成对要传输信息的筛选和剔除；由此可见，本发明只有当机械臂位置信息发生一定程度的变化，才会激活传输通道，而非在固定的时间周期下不停的占用通讯网络进行信息传输，让单位周期内传输的机械臂位置信息更具代表性，由此可以在视频图像信息的传输尽量不占用通讯网络带宽的前提下，保持视频图像信息具有足够的传输量，其中，该传输量足以使得机械臂操作员基于较为流畅、高清的视频图像而获得良好的临场感。

2、本发明提供一种基于自适应事件触发的遥操作通讯方法，通过自适应调节事件触发的阈值参数σ来改变触发频率，灵活地调整传输信息量，也即本发明能够根据主从机械臂的关节位置变化率的实际情况来调节阈值参数σ的大小，可以根据需要最大化利用触发机制来降低通信频率，具体的，当位置信息变化较小时增大阈值参数σ使得触发频率降低，当位置信息变化较大时减小阈值参数σ使得触发频率升高，使得主从两端接收到的位置信息不会有遗漏，保持对对方良好的跟踪性能，并充分利用网络通讯带宽。

3、本发明提供一种基于自适应事件触发的遥操作通讯方法，根据主从机械部当前接收信息的时间落入不同的时间区间而向接收信息赋予不同的时延，利用时延函数对不同时间段传输信息的时延进行区分与确认，保证接收端和发送端的信息同步。

附图说明

图1为本发明的双边遥操作系统框架；

图2为本发明的事件触发机制流程框图；

图3为本发明的机械臂位置信息传输示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明旨在通过设计事件触发器来对要传输的信息进行筛选、剔除，并且通过自适应调节其事件触发阈值来改变触发频率，灵活地调整传输信息量。具体的，如图1所示，为本发明的一种基于自适应事件触发的遥操作通讯方法适用的双边遥操作系统框架，操作者在本地控制主端机械臂，同时远处的从端机械臂收到指令开始作业。主机械臂和从机械臂之间通过通讯网络进行信息传输，主机械臂将自身的位置信息、速度信息发送给从机械臂，从机械臂将自身的状态信息、环境力反馈以及视频图像信息发回给主机械臂，使得主机械臂的操作者有良好的临场感。

同时，由于视频图像信息的传输会极大的占用通讯网络带宽，造成其他信息的堵塞，又因操作员需要较为流畅、高清的视频图像来保持良好的临场感，所以需要保持视频图像信息的传输量。因此，针对通讯网络中主从机械臂两端的位置信息传输量进行优化，本发明利用事件触发机制，设计信息传输条件和阈值，当传感器采样的数据达到传输条件时视为有效信息，进行信息传输，否则视为无效信息，可忽略不记。

图2为本发明事件触发机制的流程框图，具体的，主机械臂和从机械臂在进行信息传输时，分别获取主机械臂和从机械臂在每个采样时刻的关节角位移信息，并将第一个采样时刻记为触发时刻；将主机械臂和从机械臂各自在每个采样时刻的关节角位移信息分别与各自在触发时刻的关节角位移信息作差，当主机械臂对应的第一关节位移差值大于设定阈值时，才向从机械臂发送信息，同时，将第一关节位移差值大于设定阈值时对应的采样时刻作为后续传输过程中判断主机械臂是否向从机械臂发送信息的新触发时刻；当从机械臂对应的第二关节位移差值大于设定阈值时，才向主机械臂发送信息，同时将第二关节位移差值大于设定阈值时对应的采样时刻作为后续传输过程中判断从机械臂是否向主机械臂发送信息的新触发时刻。

需要说明的是，在图1所示的遥操作系统框图中，虚线框包括部分即为本发明针对信息在通讯网络中传输的带宽限制所设计的自适应事件触发改善方法。

进一步地，本发明适用在完整的遥操作框架下，需要完整的遥操作模型作为基础，在此之上去建立自适应事件触发机制，本发明选取如下遥操作动力学模型。

不考虑外部干扰以及动力学参数不确定的情况下，建立遥操作动力学模型，如下：

其中，i＝m、s，m代表主端机械臂，s代表从端机械臂，q

选取合适的主从机械臂，并通过通讯网络进行信息传递，由此组成遥操作系统。分别测量主、从机械臂各臂的长度、质量等信息用于上述参数矩阵的确定，再利用传感器测得机械臂各关节的角位移等位置信息用于下文事件触发器的构建。

进一步地，判断主机械臂和从机械臂是否要向对方发送信息时，首先将每个采样时刻的关节角位移信息与触发时刻的关节角位移信息之间的关节位移差值进行预处理，再将预处理后的关节位移差值与设定阈值进行比较；

其中，预处理为将关节位移差值进行加权融合，具体如下：

[q

其中，i＝m，s，且m代表主机械臂，s代表从机械臂，h为机械臂上的传感器采集关节角位移信息的离散采样时间间隔，t

设定阈值为：

σq

其中，σ为设定的阈值参数，且0＜σ＜1。

由此可见，本发明的事件触发机制可以总结如下：保存机械臂位置传感器在每个采样时刻采集的关节角位移信息，取第一个采样时刻为触发时刻，之后每个采样时刻的位置信息与触发时刻的位置信息做差，记为位置误差e

[

≤σq

该公式表明：采样时刻的位置信息q

由此可见，在该机制下，只有当机械臂位置信息发生一定程度的变化，才会激活传输通道，而非在固定的时间周期下不停的占用通讯网络进行信息传输。也就是说，在合适的触发阈值参数σ下，当当前采样时刻的关节角位移信息采样值与触发时刻的关节角位移信息的位置误差满足触发条件时，该采样值视为有效信息，才进行网络传输。

需要说明的是，基于关节位移差值进行预处理后再与设定阈值进行比较，其对应生成的新触发时刻t

其中，n表示使得

进一步地，在所设计的事件触发机制中可以看出，阈值参数σ越大，触发频率越低。然而，在实际操作中，操作员不会每时每刻在移动主端机械臂，使得主机械臂存在一定的闲置时间，并不需要主从两端传输大量的信息，此时可以增大阈值参数σ使得触发频率降低。而当操作员慢速移动主机械臂时，主机械臂位置信息变化较小，主端位置传感器所采样的位置信息存在一段时间内的重复，此时需要调整阈值参数σ，使得触发频率适中。当操作员快速且大幅移动主机械臂时，主端位置传感器所采样的位置信息快速变化，此时需要减小阈值参数σ，提高触发频率，使得从端接收到的位置信息不会有遗漏，保持对主端良好的跟踪性能。由此可得到阈值参数σ与机械臂位置误差e

其中，融合差值

本发明设计的自适应阈值参数σ表明：

当Φ(t

当Δ

当Φ(t

进一步地，在主从机械臂作为接收端接收到数据后，需要利用零阶保持器将离散数据变为连续数据，如图3所示。然而，在通讯时延的影响下，接收端收到的信息与发送端并不同步。在接收端处理这些数据时，需考虑时延的影响，即对其连续时间内任意时刻对应的数据确定其时延大小。

具体的，信息传输完成后，将主机械臂接收到的信息记为q

其中，t为当前接收信息的时间，h为机械臂上的传感器采集关节角位移信息的离散采样时间间隔，t

其中，时延最大值

综上所述，本发明提供一种基于自适应事件触发的遥操作通讯方法，针对通讯网络中主从位置信息的传输量，在主从两端设计基于机械臂位置变化的事件触发机制来降低信息传递频率，并利用时延函数对不同时间段传输信息的时延进行区分与确认；同时，本发明还设计自适应阈值参数，根据操作员对机械手的操作幅度进行动态调整，使得触发频率总是在一个合适的值，充分利用网络通讯带宽。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。