網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的遙操作機器人系統(tǒng)建模及無源控制方法研究.pdf

1、Internet的迅速發(fā)展推動了計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域和機器人領(lǐng)域的融合，使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠程控制技術(shù)的結(jié)合成為必然趨勢。通過建立跨地域的連接，Internet環(huán)境下的機器人已開辟出新的應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括:遠程治療，遠程監(jiān)控、分布式作業(yè)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作、智能家居等。與局域網(wǎng)和專網(wǎng)不同，Internet的開放性意味其網(wǎng)絡(luò)性能更具有動態(tài)可變性，所提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量更不具有保證性，因此，Internet環(huán)境下的遙操作機器人系統(tǒng)將更多地受到網(wǎng)絡(luò)延時、延

2、時抖動、丟包和鏈路可用帶寬資源可獲性的影響，這些網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)既受網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制的影響，也受網(wǎng)絡(luò)負載變化的影響，具有較大的不確定性。這些因素直接影響遙操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明度，限制了遙操作機器人系統(tǒng)在Internet環(huán)境下的發(fā)展。
　　本文從網(wǎng)絡(luò)體系本身及控制領(lǐng)域出發(fā)，研究Internet網(wǎng)絡(luò)的特性，尤其是網(wǎng)絡(luò)時延的規(guī)律，并通過統(tǒng)計分析進行建模以及模型預(yù)測，在此基礎(chǔ)上進一步與先進控制策略相結(jié)合，確保在Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境

3、下的遙操作機器人系統(tǒng)性能。本文首先全面研究Internet網(wǎng)絡(luò)各種性能參數(shù)，尤其是Internet網(wǎng)絡(luò)隨機時延對遙操作機器人系統(tǒng)的影響。通過建立統(tǒng)計學(xué)與數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，逐步建立網(wǎng)絡(luò)時延的隱馬爾科夫模型和時延生成模型，對Internet網(wǎng)絡(luò)時延進行建模分析和預(yù)測，并通過模型訓(xùn)練驗證了得到的時延模型預(yù)測結(jié)果的精準性。其次對遙操作機器人主從端多自由度機械手臂和移動機器人兩種機構(gòu)分別進行動力學(xué)和運動學(xué)建模，特別在模型中加入了非線性摩擦部分，使模

4、型更加接近實際機器人特性。在此基礎(chǔ)上，針對網(wǎng)絡(luò)隨機變時延環(huán)境，利用無源理論中的時域無源控制方法進行系統(tǒng)變時延環(huán)節(jié)無源穩(wěn)定性控制。對時域無源控制加入了時延變化率預(yù)估器，提高無源觀測器和無源控制器精度，仿真實驗驗證了該方法的有效性。波變量法是無源理論另一重要方法，通過對波變換法的基礎(chǔ)上加入基于時延生成模型的改進史密斯控制補償器，在從端形成位移追蹤閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，利用時延前饋補償消除網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下遙操作機器人通訊環(huán)節(jié)隨機時延對控制系統(tǒng)性能的影響，仿

5、真實驗驗證這種方法的有效性。隨后針對復(fù)雜的多自由度主從端異構(gòu)機器人，尤其是從端機械手臂與移動平臺結(jié)合的機器人結(jié)構(gòu)，基于被控對象的歐拉-拉格朗日動力學(xué)模型，利用李雅普諾夫函數(shù)以及變結(jié)構(gòu)控制方法，對從端機器人進行分散控制。最后通過仿真和實驗手段，在模擬Internet網(wǎng)絡(luò)變時延環(huán)境下，實現(xiàn)了對遙操作機器人的可靠控制，結(jié)果表明本文提出的控制方案對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，系統(tǒng)從端的移動平臺可以實現(xiàn)準確地軌跡跟蹤，機械手臂也可以穩(wěn)定地完成預(yù)定動作指令，遙操作