基于Internet的遥操作机器人系统时延控制器的设计与仿真

论文摘要

基于Internet的遥操作机器人系统是操作者对本地主机械手进行操作，通过计算机网络远程从机械手跟踪主手的运动从而完成危险环境下任务的复杂时滞系统。该系统拓展了人类在太空、深海、核环境等危险情况下的作业能力，因而在诸多领域具有广阔的应用前景，是当前先进机器人领域中重要的前沿课题和研究热点。本文从时延特性的分析入手，应用里卡蒂方程、线性矩阵不等式等方法，对遥操作系统稳定性能展开了研究，设计了基于Internet的遥操作机器人系统的时延控制器。主要做了以下几个方面的工作：通过对遥操作系统网络时延特性的研究，分析了遥操作系统的通信模式和通信协议，构建了系统网络时延的简化模型。在此基础之上实现了对校园网内基于不同传输协议的时延测试，根据时延测试结果的分析，得出了设计时延控制器的必要性的结论。分析了遥操作机器人系统的基本构成，根据刚体运动力学的基本原理，构建了单自由度的机械手的简化模型，通过引入不确定参数和合理的性能评价信号，推导出反映机械手实际工作状态下主、从手不确定性模型，并在此基础上进一步建立了遥操作系统的改进型状态空间模型。探讨了遥操作机器人系统鲁棒控制器算法，提出了带记忆的位置、速度和力反馈控制方法，结合系统的改进状态空间模型，通过对里卡蒂方程和线性矩阵不等式设计系统的反馈参数方案进行比较优劣，结合本系统控制器的需求，提出了遥操作系统的γ-次优H∞离散控制策略。该控制策略实现了单自由度遥操作机器人系统数学模型的离散化，接着对主、从手分别设计了带记忆的位置和速度反馈离散控制器，为了减小跟踪误差，最后运用了γ-次优性能指标进行优化设计。本文对γ-次优H∞离散控制器进行了仿真研究，仿真结果表明，该控制器设计方案无需额外的限制条件，既保证了整个系统的稳定性，又实现了轨迹的小误差跟踪，可以使遥操作系统获得较好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 遥操作机器人系统概述
• 1.2 遥操作机器人系统的研究意义
• 1.3 遥操作机器人系统的研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 遥操作系统时延特性分析
• 2.1 遥操作机器人系统通信模式
• 2.1.1 服务器端任务
• 2.1.2 客户端任务
• 2.2 遥操作机器人系统通信协议
• 2.2.1 传输控制协议分析
• 2.2.2 用户数据报协议分析
• 2.3 遥操作机器人系统网络时延构成分析
• 2.4 时延测试实验分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 遥操作机器人系统鲁棒反馈控制器设计
• 3.1 遥操作机器人系统数学模型
• 3.2 改进型系统状态空间模型
• 3.3 遥操作系统稳定性内涵
• 3.3.1 系统稳定性定义
• 3.3.2 Lyapunov稳定性判据
• 3.4 控制器设计
• 3.4.1 控制器的设计要求
• 3.4.2 控制器的设计
• 3.5 系统稳定性分析
• 3.6 仿真结果与分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于LMI的反馈控制器设计
• 4.1 遥操作系统模型的确定
• 4.1.1 控制器设计存在的问题
• 4.1.2 系统模型的建立
• 4.2 控制器设计
• 4.2.1 控制器的设计要求
• 4.2.2 控制器的设计
• 4.3 系统稳定性分析
• 4.4 仿真结果与分析
• 4.5 方案比较
• 4.6 本章小结
• 第5章 遥操作系统离散反馈控制器设计
• 5.1 遥操作系统离散化模型
• 5.1.1 遥操作系统动力学模型离散化
• 5.1.2 遥操作系统状态空间模型离散化
• 5.2 控制器设计
• 5.2.1 控制器的设计要求
• 5.2.2 控制器的设计
• 5.3 系统稳定性分析
• 5.4 仿真结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢