计及时变时延的多边遥操作系统分析与控制基础研究

Internet based multilateral teleoperation system has been widely used in surgical and deep space exploration field, which has played an important role in extending the arms of human beings to the remote or dangerous environment. However, the time-delay in communication network may affect the stability and transparency of master-slave teleoperation system, and then reduce the system capacity. In order to solve this problem, the related scholars have made a lot researches, but their existing solutions are still hard to avoid the impact of the time-varying delay to the stability and transparency of the teleoperation systems, especially the multilateral system featuring time-varying delay. In this project, we intend to mainly study the time-varying delay problem in multilateral teleoperation systems in the following two aspects: on the one hand, we concentrate on improving the operation ability of teleoperation system with time-varying delay by the operator in master side, through the research of the feedback compensation method regarding the robot's position and force prediction. On the other hand, the project is intended to design the adaptive multilateral teleoperation system authority sharing law and control structure to improve the slave time-delay adaptability of operation objects to the time-varying delay. The research results will solve the stability and transparency problem of the time-varying delay multilateral teleoperation system, and improve the system controllability and time-delay adaptability, which is significant to expand the practical application of the teleoperation systems in daily life.

基于通信网络的多边遥操作系统被广泛应用于医疗以及深空探测等领域，对于将人类手臂延伸到远程或危险环境发挥了重要作用。通信网络中的时延将影响遥操作系统的稳定性和透明性，降低系统遥操作能力。围绕该问题，相关学者展开了大量研究，然而，现有方法仍然难以解决时变时延对遥操作系统稳定性和透明性问题的影响，特别是对于含时变时延的多边遥操作系统。本项目主要针对多边遥操作系统中的时变时延问题展开研究，包括两个方面：通过研究机器人的位置和力的预测反馈补偿方法，提升控制操作主体对含时变时延的多边遥操作系统的操作能力；通过研究多边遥操作系统的自适应共享控制结构设计和控制方法，提升控制操作对象对含时变时延的多边遥操作系统的适应能力。研究成果将解决时变时延多边遥操作系统稳定性和透明性问题，提高系统的遥操作控制能力和时延适应性，为推广遥操作系统在实际系统中的应用具有重要意义。

本项目主要针对网络化系统、随动系统总出现的时变时延问题，以多边遥操作系统为分析对象，围绕基于状态预测的时变时延多边遥操作系统模型建立与分析，含时变时延的多边遥操作系统共享控制结构设计与评估这两方面进行研究，围绕该基金课题研究，制定了关键技术研究、核心技术拓展等研究路线，并将此服务于其他相关领域进行研究工作：针对从机器人与环境交互力预测算法问题，构建了Hunt-crossley非线性接触模型，采用带遗传因子递推最小二乘法实现在线识别模型参数，所采用的模型可以准确体现从机器人与环境的接触行为；针对从机器人位置预测问题，提出使用卡尔曼滤波算法对从机器人位置反馈信号进行预测，消除信号传输过程中外部干扰，减小位置跟踪误差；针对时变时延遥操作系统从机器人状态预测问题，提出了一种基于主端建立状态预测的四通道时变时延遥操作系统，有效减弱时变时延对系统稳定性和透明性的影响；针对基于状态预测的时变时延多边遥操作系统，提出了一种分析其系统稳定性的绝对稳定性定理和透明性分析方法，为遥操作系统稳定性和透明性边界提供有利的理论分析依据。课题研究过程中的预测控制方法服务于可再生能源功率预测，有效改善电力系统稳定运行与优化调度问题；状态预测评估方法服务于时变时延远端机组信息与状态评估，有效提升时变时延系统的鲁棒特性，增强系统阻尼特性。针对多机器人合作共享的遥操作系统控制问题，提出了一个多边遥操作系统共享控制结构，提升控制操作对象对含时变时延的多边遥操作系统的适应能力；针对多机器人合作共享遥操作系统稳定性分析问题，提出一个多主机/单从机多自由度遥操作系统绝对稳定性定理，给出系统稳定性边界条件。本项目研究过程中，在遥操作系统协调优化方面，研究了多目标优化算法，结合输入输出阻抗特性，通过拓展与应用，服务于风电集群等值，水电机群等值等方面研究，遥操作系统稳定性分析方法服务于电力系统，有效解决了类似于电力系统在内的复杂网络化系统的协调优化性能，提升广域电力系统的频率稳定性能。项目发表相关学术论文12篇，发表相关国家专利10项，培养4名硕士研究生。