网络环境下的遥操作机器人系统建模及无源控制方法研究

摘要

Internet的迅速发展推动了计算机网络领域和机器人领域的融合，使网络技术和远程控制技术的结合成为必然趋势。通过建立跨地域的连接，Internet环境下的机器人已开辟出新的应用领域，主要包括:远程治疗，远程监控、分布式作业、基于网络的协同工作、智能家居等。与局域网和专网不同，Internet的开放性意味其网络性能更具有动态可变性，所提供的网络服务质量更不具有保证性，因此，Internet环境下的遥操作机器人系统将更多地受到网络延时、延时抖动、丢包和链路可用带宽资源可获性的影响，这些网络性能参数既受网络技术体制的影响，也受网络负载变化的影响，具有较大的不确定性。这些因素直接影响遥操作机器人系统的稳定性和透明度，限制了遥操作机器人系统在Internet环境下的发展。
　　本文从网络体系本身及控制领域出发，研究Internet网络的特性，尤其是网络时延的规律，并通过统计分析进行建模以及模型预测，在此基础上进一步与先进控制策略相结合，确保在Internet网络传输环境下的遥操作机器人系统性能。本文首先全面研究Internet网络各种性能参数，尤其是Internet网络随机时延对遥操作机器人系统的影响。通过建立统计学与数据分析基础上，逐步建立网络时延的隐马尔科夫模型和时延生成模型，对Internet网络时延进行建模分析和预测，并通过模型训练验证了得到的时延模型预测结果的精准性。其次对遥操作机器人主从端多自由度机械手臂和移动机器人两种机构分别进行动力学和运动学建模，特别在模型中加入了非线性摩擦部分，使模型更加接近实际机器人特性。在此基础上，针对网络随机变时延环境，利用无源理论中的时域无源控制方法进行系统变时延环节无源稳定性控制。对时域无源控制加入了时延变化率预估器，提高无源观测器和无源控制器精度，仿真实验验证了该方法的有效性。波变量法是无源理论另一重要方法，通过对波变换法的基础上加入基于时延生成模型的改进史密斯控制补偿器，在从端形成位移追踪闭环控制结构，利用时延前馈补偿消除网络环境下遥操作机器人通讯环节随机时延对控制系统性能的影响，仿真实验验证这种方法的有效性。随后针对复杂的多自由度主从端异构机器人，尤其是从端机械手臂与移动平台结合的机器人结构，基于被控对象的欧拉-拉格朗日动力学模型，利用李雅普诺夫函数以及变结构控制方法，对从端机器人进行分散控制。最后通过仿真和实验手段，在模拟Internet网络变时延环境下，实现了对遥操作机器人的可靠控制，结果表明本文提出的控制方案对网络环境下，系统从端的移动平台可以实现准确地轨迹跟踪，机械手臂也可以稳定地完成预定动作指令，遥操作机器人系统具有较好的控制效果。
　　本文所提出的控制领域的解决方案，不仅可以降低Internet网络服务质量不确定性对遥操作机器人系统的影响和限制，还可以作为进一步开展Internet环境下遥操作机器人研究的依据，与网络领域的研究成果互补，通过跨学科的努力，缩短遥操作机器人系统与实用化的距离，为遥操作机器人技术提供更加广阔的应用空间。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 预测显示控制与虚拟现实技术

1．2．2 遥编程与基于事件的控制

1．2．3 双边控制

1．3 存在的问题与论文主要工作

第2章 Internet网络性能分析及建模

2．1 网络隐马尔科夫模型

2．1．1 马尔科夫与隐马尔科夫模型

2．1．2 伪周期T

2．1．3 HMM未来状态预测

2．1．4 HMM状态数的确定

2．1．5 HMM模型训练和预测结果

2．2 时延生成模型

2．2．1 DGM建立前期准备

2．2．2 DGM的图模型

2．2．3 DGM的生成过程

2．2．4 DGM参数求解

2．2．5 DGM模型训练结果

2．3 仿真实验

2．3．1 仿真实验环境搭建

2．3．2 基于HMM-DGM的时延数据预测

2．3．3 基于HMM-DGM的TCP验证

2．4 本章小结

第3章 遥操作机器人系统模型

3．1 机械建模基础

3．1．1 雅可比矩阵

3．1．2 非线性关节摩擦建模

3．1．3 自由度及非完整约束系统

3．2 遥操作机器人系统主从端动力学模型

3．2．1 欧拉-拉格朗日动力学方程

3．2．2 多自由度机械手动力学方程

3．2．3 含有非线性项的机械手模型

3．3 遥操作机器人系统从端移动机械手模型

3．3．1 轮式移动平台动力学模型

3．3．2 轮式移动平台运动学模型

3．3．3 遥操作机器人系统从端机械手臂模型

3．4 本章小结

第4章 Internet遥操作机器人系统时域无源控制

4．1．1 Internet时延分析

4．1．2 遥操作机器人系统控制结构

4．1．3 系统的无源性和稳定性

4．1．4 系统透明性

4．2 变时延环节时域无源控制

4．2．1 无源控制理论

4．2．2 遥操作机器人系统时域无源控制

4．2．3 时延变化率预估器

4．3 时域无源控制仿真实验

4．4 本章小结

第5章 Internet遥操作机器人系统波变量法控制

5．1 固定时延下遥操作机器人系统波变量法控制

5．1．1 单自由度波变量法

5．1．2 多自由度波变量法

5．1．3 仿真实验

5．2 变时延下遥操作机器人系统波变量法控制

5．2．1 波变量法与改进型史密斯预估器

5．2．2 仿真实验

5．3 网络环境下非线性机械手臂控制

5．3．1 控制器设计

5．2．2 仿真实验

5．4 网络环境下移动机器人控制

5．4．1 控制器设计

5．4．2 仿真实验

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介