[发明专利]基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法

说明书

一种基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法，按以下步骤：1)分别选取主端触觉机械臂以及从端实际操作机械臂，通过网络通信通道连接组成主从遥操作系统。获取从端机械臂的动力学参数，动力学参数包括主从端惯性力矩阵、哥氏力与离心力矩阵、重力项矩阵等；2)针对该主从遥操作系统，定义从端机械臂轨迹跟踪误差及误差变化率，然后在从端设计齐次型有限时间控制器。本发明的优点：1)从机械手可以准确快速地跟踪主机的轨迹；2)控制器在不牺牲系统透明度/保真度的前提下保证了整个遥操作系统的稳定性；3)具有良好鲁棒性，适用于具有对称时变时延和不对称时变时延的遥操作系统。4)具有良好的抗外部干扰的性能。

技术领域

本发明属于信息技术领域，涉及遥操作方法。

背景技术

近年来，遥操作技术已广泛应用于航空航天，医药，核电，深海勘探等领域。一个典型的遥操作系统主要由五部分组成：操作者，主端机械手，网络通信通道，从端机械手和外部环境。当主端动作信号通过前向通信通道传送给从站，同时传送从端与外部环境的相互作用力通过后向通信通道发送给主端，这被称为双边遥操作系统。由于网络延迟，滞后力/运动信号可能使整个遥控系统不稳定并降低其力反馈保真度。因此迫切需要提出新的控制策略来解决与遥控操作系统中的时间延迟和力反馈相关的稳定性问题。

发明内容

本发明的目的是为双边遥操作系统提出了一种新颖的基于齐次型的有限时间控制器。它是一种具有分数指数型的非平滑控制器。这使系统具有更快的收敛速度和更好的性能，比整数指数型控制器对干扰的抑制性能更强。采用李亚普诺夫稳定性理论和齐次性理论证明了整个系统是全局有限时间稳定的。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法，按以下步骤：

步骤1：分别选取主端触觉机械臂以及从端实际操作机械臂，通过网络通信通道连接组成主从遥操作系统。获取从端机械臂的动力学参数，动力学参数包括主从端惯性力矩阵、哥氏力与离心力矩阵、重力项矩阵等。

步骤2：针对该主从遥操作系统，定义从端机械臂轨迹跟踪误差及误差变化率：

e_s＝q_s-q_m(t-T_m)

q_s为从端角度，为从端角速度，T_m为主端至从端的网络时延，q_m(t-T_m)为主端角度经过T_m时延后的信号，为主端角速度经过T_m时延后的信号。e_s为从端机械臂轨迹跟踪误差，为从端机械臂轨迹跟踪误差变化率。

在从端设计齐次型有限时间控制器：

其中，M_s(q_s)为从端机械臂惯性矩阵，为哥氏力与离心力矩阵，G_s(q_s)为重力项矩阵，为主端角加速度信号经过T_m时延后的信号，K_s,B_s,α_s,β_s均为齐次型有限时间控制器的参数，且K_s＞0,B_s＞0，τ_s为从端控制器提供的控制力矩。函数定义如下：

sig(x)^r＝sign(x)|x|^r

sign(x)为符号函数，其定义如下：