复杂环境及通讯时延下飞行机器人双边遥操作系统设计方法研究

Complex environments and communication time delays impose significant challenges to the safety and stability of aerial robot bilateral teleoperation systems. This project adopts an adaptive shared control framework for implementing path planning and following algorithm in an aerial robot bilateral teleoperation system. By fusing the human-robot interactive information with path planning and following algorithm, the proposed system is capable of providing operator with the perception of slave’s states, environmental and path information as well as achieving obstacle avoidance. In addition, passivity based control is used for resolving the potential instability arising from time delays in the communication channels of the aerial robot bilateral teleoperation system. Systematical modelling of the aerial robot teleoperation system will be conducted first. Modification of the state-of-the-art research outcomes will be made to adapt with the characteristics of the aerial robot teleoperation system. The system design will be further optimized with respect to transparency and tracking performance. Simulation and experimentation will be carried out to verify the concept and investigate the performance. User study will be conducted using the aerial robot bilateral teleoperation platform developed in this project.

飞行机器人双边遥操作系统在复杂环境和通讯时延下的飞行安全和系统稳定性受到极大的挑战。本项目首先采用自适应共享控制框架将给予路径规划的自主导航算法融入飞行机器人双边遥操作系统的设计中。通过将人机交互信息与路径规划和跟踪算法相结合，在增强用户对机器人运动状态、环境信息以及路径信息的感知的同时辅助用户实现避障。其次，项目采用无源控制理论方法解决飞行机器人遥操作系统中通讯时延可能导致的系统稳定性问题。在基于无源控制理论对系统综合建模的基础上，针对飞行机器人双边遥操作系统的特点，对现有的基于无源控制理论的遥操作系统设计方法进行改进，并针对系统的透明性和操作性能进行优化，提出一套基于无源控制理论的飞行机器人双边遥操作系统设计方法。本项目还将采用仿真及机器人实验平台对提出的方法进行验证，并在机器人实验平台上完成用户研究。

飞行机器人双边遥操作系统在不同任务中可能面临的因复杂环境或通讯时延造成的碰撞、系统不稳定和操作人员工作负担增加等挑战。本项目主要围绕飞行机器人双边遥操作系统在复杂飞行环境下遥操作任务中可能面临的环境感知能力弱、避障效果差、操作人员负荷大等问题，开展基于共享控制框架的半自主飞行机器人遥操作系统的研究；同时，针对通讯时延、丢包等导致的系统不稳定、透明性以及操作性能下降等问题，开展基于无源控制理论的飞行机器人双边遥操作系统框架研究；最后针对以上两个研究内容，开展基于仿真环境和机器人实验平台的遥操作系统实验验证与用户研究。.本项目取得的主要研究成果如下：提出自主路径规划与操作人员输入融合的飞行机器人双边遥操作共享控制框架，在降低操作人员任务负荷并保证其在系统中的主导性的前提下，增强了操作人员对环境、任务及机器人运动状态的感知能力，提升了系统操作性能；提出了基于隐马尔科夫模型的实时操作人员意图估计算法，解决了共享控制框架下基于操作人员操作意图的自主路径规划目标点实时生成的问题，提高了系统对用户操作输入的响应性和适应性；提出了基于无源控制理论的飞行机器人双边遥操作系统框架，解决了在常见通讯时延条件下双边遥操作系统的稳定性、透明性和操作性能；开展了以上两个研究成果在基于仿真环境和机器人实验平台的实验验证与用户研究，验证了所提系统的可行性和实际性能，为实际工程应用提供理论和数据依据。.本项目总体执行情况良好，各项研究内容基本沿着申请书和计划书的计划进行。在本项目的直接支持下，已发表学术期刊论文6篇，其中SCI检索4篇，包括国际合作共同发表SCI检索1篇，本领域国内外会议论文3篇。培养博士硕士研究生9名，授权国家发明专利3项，满足项目申请书研究目标。