网络化遥操作多机器人系统时滞相关控制研究

Networked teleoperation multi-robots system greatly expanded the operator’s awareness and control for the remote environment and was widely used in space exploration, deep sea exploration, nuclear industry and medical and health care and other fields. The system has wide application prospect. Due to the introduction of the network, time-delays are bound to be existent. Time-delays seriously affect the stability and transparency of the teleoperation system. This project focuses on the delay-dependent control for the teleoperation system. The results of theoretical research are applied to the teleoperation experiment platform. First, the delay model of the system is established with the time-varying and asymmetric delays by analyzing of network characteristics. Then, according to the system model, the controller is designed. The new Lyapunov functional is constructed. By using inequality technique to deal with the cross terms, the useful information of time-varying delays is considered. The less conservative delay-dependent stability criteria are given. The relationship between the controller gains and the maximum allowable delay bound is revealed. Finally, the theoretical research results are applied to multi-robots teleoperation experimental platform to verify the feasibility and effectiveness of control strategy. With the above research achievements, delay-dependent control strategy of the teleoperation system is given. The research has important theoretical significance and practical application value.

网络化遥操作多机器人系统极大的拓展了操作者对远端环境的感知和控制能力，已经被广泛应用于空间探索、深海探测、核工业以及医疗卫生等各个领域，具有广阔的应用前景。由于网络的引入，必然会在通信环节产生时滞现象，时滞的存在严重影响遥操作系统的稳定性和透明性。本项目聚焦于遥操作系统时滞相关控制问题，并将理论研究结果应用于遥操作实验平台。首先，分析网络时滞特性，针对主、从端通信时滞是时变且非对称情形，建立系统的时滞数学模型。其次，根据建立的系统模型，设计控制器，构造Lyapunov泛函，充分考虑时变时滞的有用信息，结合不等式技术来处理交叉项，得到保守性较低的时滞相关稳定性判据，揭示控制器增益和最大允许时滞上界的关系。最后，将理论研究成果应用于遥操作多机器人系统实验平台，验证控制策略的可行性和有效性。通过对上述内容的研究，给出系统的时滞相关控制策略，在遥操作多机器人学领域具有重要的理论意义和实际应用价值。

网络化遥操作多机器人系统极大的拓展了操作者对远端环境的感知和控制能力，已经被广泛应用于空间探索、深海探测及医疗卫生等各个领域，具有广阔的应用前景。由于网络的引入，必然会产生时滞现象，时滞的存在严重影响系统的稳定性和透明性。本项目针对网络化遥操作机器人系统的时滞相关控制问题展开研究，并将理论研究结果应用于遥操作实验平台。首先，研究了复杂网络环境下遥操作机器人系统的建模问题，建立不确定随机非线性时滞系统模型，同时进行性能分析，揭示网络带宽分配机制、通信模式和通信协议等网络本身环境参数对系统性能的影响，利用Lyapunov稳定性理论和随机稳定性理论，构造新型泛函，充分利用时滞相关信息，引入自由权矩阵变量和不等式放缩技巧，给出了系统保守性较低的时滞依赖稳定性判据。其次，研究了遥操作机器人系统的鲁棒稳定性问题，设计直接力反馈控制器和从端位置误差反馈控制器，同时利用自适应非线性项来补偿主、从端机器人系统的重力项，提出多机器人系统分散协同控制策略，得到遥操作系统渐进稳定性的判据，并通过实验验证了所提出的控制策略的有效性和可行性。第三，针对线性多智能体系统，设计状态滞后反馈控制器，使得多智能体系统渐近趋于一致，分别考虑了固定拓扑和切换拓扑两种情况，通过模型转换的方法，将多智能体系统的一致性问题转换成误差系统的时滞相关稳定性问题，通过构造合适的Lyapunov泛函，并使用Wirtinger不等式，得到了多智能体系统的时滞相关稳定性判据，将控制器参数和泛函参数的求解归结为线性矩阵不等式的形式，最后求解得到了状态反馈控制器参数和最大允许时滞上界，提高了现有文献给出的结果。本项目通过对网络化遥操作机器人系统的时滞相关控制研究，赋予遥操作系统新的研究内容，拓展了遥操作机器人系统的应用范围。因此，本项目的研究具有重要的理论意义和应用价值。