基于虛擬環(huán)境的遙操作系統(tǒng)計(jì)算時(shí)延研究.pdf

1、雙邊遙操作機(jī)器人是在危險(xiǎn)或者不確定環(huán)境下完成作業(yè)任務(wù)的最有效工具。四十多年來，遙操作機(jī)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(lǐng)域，以及外科手術(shù)、遠(yuǎn)程維護(hù)、康復(fù)鍛煉等新興領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的主要控制問題是通訊時(shí)延導(dǎo)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(jī)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(jì)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(yīng)用，成

2、為目前大時(shí)延遙操作的最佳方法。但是，由于虛擬環(huán)境建模誤差和計(jì)算時(shí)延的存在，使得這一技術(shù)常常不能獨(dú)立解決時(shí)延問題。
　　 本文結(jié)合國(guó)家航天863項(xiàng)目“空間遙操作機(jī)器人虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境的建模與控制技術(shù)研究”，對(duì)空間遙操作機(jī)器人的虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境控制技術(shù)、虛擬環(huán)境計(jì)算時(shí)延及其對(duì)系統(tǒng)的影響等進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并研究了同時(shí)存在傳輸時(shí)延和計(jì)算時(shí)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(jì)算時(shí)延特性的基礎(chǔ)上，建立了計(jì)算

3、時(shí)延的Beta分布模型，提出了一種模型參數(shù)估計(jì)的快速經(jīng)驗(yàn)算法，給出了模型擬合優(yōu)度的檢驗(yàn)方法，并基于無源性理論從能量輸入輸出的角度分析了計(jì)算時(shí)延對(duì)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?？紤]到實(shí)際遙操作系統(tǒng)中的遠(yuǎn)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(jì)給出了環(huán)境動(dòng)力學(xué)參數(shù)的在線辨識(shí)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(jì)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(duì)基于虛擬環(huán)境的遙操作系統(tǒng)進(jìn)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(shí)域透明性，提出了一種頻域透明性的度量方法，并對(duì)基于虛擬環(huán)境的遙操作系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)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(qiáng)虛擬環(huán)境的時(shí)延遙操作系統(tǒng)廣義波變量預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)，不但考慮了通訊時(shí)延和計(jì)算時(shí)延的補(bǔ)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(diǎn)線性與五點(diǎn)二次凸聯(lián)合預(yù)測(cè)算法和時(shí)延在線測(cè)量方法，給出了從端動(dòng)力學(xué)參數(shù)的最小二乘估計(jì)，并創(chuàng)新性地提出一種虛擬反饋力與真實(shí)反饋力進(jìn)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(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，針對(duì)質(zhì)量一彈簧-阻尼環(huán)境模型，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬空間站和地面之間的大時(shí)延，實(shí)現(xiàn)了主從機(jī)械手的遙控作業(yè)，并對(duì)文中提出的計(jì)算時(shí)延模型、參數(shù)在線辨識(shí)、命令預(yù)測(cè)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(qiáng)虛擬環(huán)