基于虛擬環(huán)境的遙操作系統(tǒng)計算時延研究.pdf

1、雙邊遙操作機器人是在危險或者不確定環(huán)境下完成作業(yè)任務的最有效工具。四十多年來，遙操作機器人技術(shù)已經(jīng)在太空探索、水下作業(yè)、核廢料處理等傳統(tǒng)領域，以及外科手術(shù)、遠程維護、康復鍛煉等新興領域得到了越來越多的應用。遙操作機器人系統(tǒng)的主要控制問題是通訊時延導致的不穩(wěn)定問題和主從兩邊信息不一致問題。基于虛擬環(huán)境的遙操作控制是遙操作機器人系統(tǒng)諸多控制策略中最有發(fā)展前途的一種，自從其20世紀80年代末出現(xiàn)以來，已經(jīng)在空間遙操作中獲得了許多成功的應用，成

2、為目前大時延遙操作的最佳方法。但是，由于虛擬環(huán)境建模誤差和計算時延的存在，使得這一技術(shù)常常不能獨立解決時延問題。
　　 本文結(jié)合國家航天863項目“空間遙操作機器人虛擬預測環(huán)境的建模與控制技術(shù)研究”，對空間遙操作機器人的虛擬預測環(huán)境控制技術(shù)、虛擬環(huán)境計算時延及其對系統(tǒng)的影響等進行了理論和實驗研究，并研究了同時存在傳輸時延和計算時延的情況下保證系統(tǒng)穩(wěn)定并提高系統(tǒng)性能的方法。
　　 本文在分析計算時延特性的基礎上，建立了計算

3、時延的Beta分布模型，提出了一種模型參數(shù)估計的快速經(jīng)驗算法，給出了模型擬合優(yōu)度的檢驗方法，并基于無源性理論從能量輸入輸出的角度分析了計算時延對虛擬環(huán)境的影響，給出了一種保證虛擬環(huán)境穩(wěn)定的方法。考慮到實際遙操作系統(tǒng)中的遠地環(huán)境常常是未知或部分未知的，或者工作環(huán)境是變化的，本文基于最小二乘估計給出了環(huán)境動力學參數(shù)的在線辨識方法，并研究了虛擬力反饋的結(jié)構(gòu)，給出了虛擬交互力的計算方法。
　　 本文研究了遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的三種理論，

4、并對基于虛擬環(huán)境的遙操作系統(tǒng)進行了無源穩(wěn)定性分析；研究了遙操作系統(tǒng)的頻域透明性和時域透明性，提出了一種頻域透明性的度量方法，并對基于虛擬環(huán)境的遙操作系統(tǒng)進行了時域透明性分析。
　　 為了提高遙操作系統(tǒng)的性能，本文提出了一種基于增強虛擬環(huán)境的時延遙操作系統(tǒng)廣義波變量預測控制結(jié)構(gòu)，不但考慮了通訊時延和計算時延的補償問題，還考慮了從端環(huán)境的變化和虛擬環(huán)境建模的誤差問題。給出了廣義波變量的透明性條件和波參數(shù)的在線調(diào)節(jié)方法，提出了一種效率

5、更高的兩點線性與五點二次凸聯(lián)合預測算法和時延在線測量方法，給出了從端動力學參數(shù)的最小二乘估計，并創(chuàng)新性地提出一種虛擬反饋力與真實反饋力進行綜合的策略。
　　 本文在自制的一套基于虛擬環(huán)境的單自由度遙操作機器人實驗系統(tǒng)上，針對質(zhì)量一彈簧-阻尼環(huán)境模型，利用計算機網(wǎng)絡模擬空間站和地面之間的大時延，實現(xiàn)了主從機械手的遙控作業(yè)，并對文中提出的計算時延模型、參數(shù)在線辨識、命令預測算法、廣義波變量透明性、波參數(shù)在線調(diào)節(jié)方法以及基于增強虛擬環(huán)