遙操作時延問題控制方法分析

孟蒙 寧祎

摘要：目前，雖然遙操作已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。但是由于受到當(dāng)今計算機處理能力，科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平等的限制，遙操作中仍然面臨著大時延問題。因此該文主要針對解決大時延問題的方法展開討論。總結(jié)傳統(tǒng)的經(jīng)典控制方法的同時，引入模糊PD控制方法并進行介紹。

關(guān)鍵詞：遙操作；大時延技術(shù)；模糊PD控制

中圖法分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）21-0009-04

Abstract： At present， teleoperation has been widely used in many fields. However， due to the limitations of today's computer processing capabilities， scientific and technological development levels， etc.， remote operation still faces large delays. Therefore， this paper focuses on the solution to the problem of large delays. At the same time of summarizing the traditional classical control method， the fuzzy PD control method is introduced and introduced.

Key words： remote operation； large delay technique； fuzzy PD control

1 背景

對遙操作系統(tǒng)的研究最早出現(xiàn)于20世紀(jì)的40年代，隨著科技的不斷進步，對遙操作有了進一步的研究。目前，在國內(nèi)遙操作已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、太空、深海等領(lǐng)域中。遙操作中的時延主要產(chǎn)生于通訊過程和計算機對數(shù)據(jù)的處理過程中[1]。因此由于受到當(dāng)今計算機處理能力，科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平等的限制，機器人遙操作中仍然存在大時延問題。從而影響了操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、透明性、臨場感等性能，雖然前人對于解決大時延所帶來的問題方面提出了不少的經(jīng)典控制方法，但是大部分方法只是對固定時延的情況下有效[2]。因此為了使系統(tǒng)在隨機時延的情況下更加的穩(wěn)定可以引用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來整定PD控制器參數(shù)[3]。

2 遙操作系統(tǒng)簡介

主從方式的遙控系統(tǒng)是現(xiàn)已有操縱機器人的典型形式，簡稱為主從系統(tǒng)。它主要由主端、從端、通訊通道、環(huán)境等組成[4]。圖1表示了主從操作系統(tǒng)的概念圖。操縱型機器人可以分為機械式主從機械手和伺服式機械手這兩種主要類型。機械式主從機械手的特點簡單，它與伺服型主從機械手相比沒有電路，主從兩端通過機械方式相結(jié)合，主臂能直接地感受到來自從端的力。伺服式機械手，在位置上從臂相對于主臂是分離的，且能夠自由移動使作業(yè)的范圍大大擴展[5]。

下角標(biāo)m代表了主機器人s代表了從機器人；[ fh]操作者對機器人施加的力，[fe]為從機器人對環(huán)境施加的力；[ Mqs（qs）qs..]和[Mqm（qm）qm..]是轉(zhuǎn)動慣量矩陣表示；[ qm]，[qs]表示關(guān)節(jié)角的位置；[ Cqm（qm，qm.）qm.]，[ Cqs（qs，qs.）qs.]分別代表了離心力和哥氏力；[ Gqm（qm）]和[Gqs（qs）]表示了重力部分；含有[τ]的項代表了控制力矩的輸入項；[J]是雅格比矩陣。操作者對主機器人施加力之后，把它的位置指令經(jīng)過通信傳輸給從機器人，從機器人完成相應(yīng)的任務(wù)同時把它與環(huán)境之間的作用力反饋給操作者，有了這種力反饋可使操作者施加正確的力進行準(zhǔn)確的控制[6-7]。

3 機器人遙操作控制方法

控制方法的研究是遙操作技術(shù)研究的核心內(nèi)容，當(dāng)今遙操作控制方法的研究已經(jīng)取得了輝煌的成績，并推動了我國航天事業(yè)迅速發(fā)展[8]。

3.1 無源性的雙邊控制方法

在典型的遙操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中操作者和環(huán)境是無源的，如果能設(shè)計一種控制器使得帶時延的通信傳輸模塊無源則就可以保證整個系統(tǒng)是無源的[9]。 Anderson法和波變量法是基于無源雙邊控制的典型代表。

3.1.1 Anderson控制方法

1989年，Anderson提出了一種無源性控制算法，這種方法是改變了時延傳輸模塊兩端傳輸?shù)奈锢砹?，使得傳輸部分和無損傳輸線等效[10]。沒有施加效果前的傳輸表達式：

3.1.2 波變量法

Niemeyer和Slotine在1991年提出了波變量法[12]。這種方法是從能量的角度出發(fā)，把Anderson法中在主從端傳輸?shù)乃俣群土τ貌ㄗ兞縼泶?，保證系統(tǒng)的無源穩(wěn)定的性能，波變換表達式如下[13]，選擇力作為輸入變量時波變換的示意圖如圖2所示。

b是特征波阻抗也是調(diào)節(jié)系統(tǒng)透明性和穩(wěn)定性的唯一參數(shù)。無源性的控制方法有過于保守的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性和透明性相互矛盾，因此系統(tǒng)透明性會有所下降[14]。

3.2 力反饋預(yù)測雙邊控制方法

預(yù)測控制是把從端設(shè)備和環(huán)境以及通信時延部分看作一個整體，對這一整體進行在線辨識、優(yōu)化和校正以后再對從端的反饋力進行預(yù)測[15]。如圖3。

3.3 模糊PD自整定控制

傳統(tǒng)的PD控制比較簡單、精度高、可靠性好，技術(shù)成熟；但它對時變時延非線性不確定的系統(tǒng)難以找到合適的控制參數(shù)進行控制，因此需要對PD控制進行改進，對它的參數(shù)進行實時調(diào)整[20-21]。模糊控制適用于參數(shù)變化范圍大且需要實時調(diào)整的系統(tǒng)中， PD控制和模糊控制結(jié)合達到一種良好的控制效果[22]。模糊PD控制主要是對輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和反饋的數(shù)據(jù)實時的采集，計算誤差變化率和誤差。確定輸入的論域。再根據(jù)經(jīng)驗確定出模糊推理的規(guī)則，得出控制參數(shù)表，對系統(tǒng)進行控制[23]。控制結(jié)構(gòu)如圖4。

3.4 其他的一些經(jīng)典控制方法

經(jīng)過幾十年的研究，前人總結(jié)出了多種控制方法來解決遙操作中的時延問題。如基于事件的控制方法、基于[H∞]理論的控制方法、自適應(yīng)控制方法等[26-29]。在基于事件的控制方法中，用事件來代替時間作為新的參考變量，滿足一定條件的情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性就可以保證了?；赱H∞]理論的控制方法是把大時延作為干擾信號來處理[30-31]，把時延的影響降低到要求的范圍內(nèi)，因為該控制理論可以把所有性質(zhì)的有界擾動的影響降到理想的范圍內(nèi)，這種方法的缺點在于對于任意時延的情況難處理[32-33]。自適應(yīng)控制方法具有學(xué)習(xí)的特性，它不需要大量的參數(shù)和先驗信息，在處理隨機時延方面有著突出的優(yōu)勢，它能夠隨著環(huán)境和動態(tài)過程的變化來實時調(diào)整自己的特性。它的研究對象通常是有一定的不確定性，是通過對不確定的參數(shù)進行在線估計，再對估計值不斷的修正，從而降低不確定性對系統(tǒng)的影響。它的不足之處在于對沒有模型的動力學(xué)問題不能有效地處理[34]。

4 總結(jié)與展望

該文主要針對機器人遙操作中存在大時延問題總結(jié)了一些經(jīng)典的控制方法，并對無源雙邊控制方法、力反饋預(yù)測雙邊控制方法進行了詳細的介紹，同時又引入了模糊控制，讓它和傳統(tǒng)的PD控制相結(jié)合形成的模糊PD控制改善了遙操作控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[37]。模糊控制在系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面有所改善，穩(wěn)定性和透明性往往是相互矛盾的，因此模糊PD控制使操作系統(tǒng)的透明性有所下降，對傳統(tǒng)的經(jīng)典控制方法無源雙邊控制方法研究比較深入，但是對穩(wěn)定性的要求過于保守，同樣會使系統(tǒng)的透明性受到一定程度的影響[35]。因此為解決遙操作中的大時延問題還需要進一步的改進相應(yīng)的控制方法，與當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)相結(jié)合研究一些新的控制策略來提高操作系統(tǒng)的性能指標(biāo)。由于個人時間精力和能力的有限，在該文中只是詳細介紹了無源雙邊控制、力反饋預(yù)測控制、模糊PD控制，其他的一些控制方法簡略的介紹。個人認(rèn)為操作系統(tǒng)中對大時延問題的解決，可以從以下的幾個方面進行進一步討論研究。

1）在當(dāng)今已有的穩(wěn)定性成果的基礎(chǔ)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)來設(shè)計出新控制算法，讓系統(tǒng)在得到滿意的穩(wěn)定性的同時擁有可觀的透明性，使操作系統(tǒng)的其他性能也能得到改善。

2）文獻[36]中提到建立有效的環(huán)境接觸動力學(xué)的模型，對已有的模型進行改進建立一種便于參數(shù)的辨識的模型又能精確描述遙操作機器人和環(huán)境接觸的動力學(xué)特性。這樣也有利于提高操作系統(tǒng)的控制能力。

3）當(dāng)今，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展越來越迅速，網(wǎng)絡(luò)遙操作的控制方法也得到了廣泛的應(yīng)用，在網(wǎng)絡(luò)的傳輸中也會產(chǎn)生一定的時延，大部分的控制方法只是改善了系統(tǒng)性能的某一方面，因此我們可以把控制和傳輸協(xié)議的改善相結(jié)合，從而使遙操作系統(tǒng)達到一個最佳的效果。

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