无源散射变换的双边移动机器人网络遥操作

１　引　言

网络遥操作通过网络将主从端联系起来，操作者通过网络遥操作系统能够感知和操作远端对象，从而扩展了人类的感知和操作能力。根据遥操作系统反馈信息可将其分为单边遥操作和双边遥操作。在单边遥操作系统中接触力不反馈给主端。在双边遥操作系统中，从端的信息以不同的形式反馈给主端，包括听觉、视觉和触觉等，接触力的反馈可以提供好的临场感和改善任务完成性能［１，２］。双边遥操作系统是目前研究比较多一类遥操作系统，它主要分为二通道结构［３］、四通结构［４，５］以及三通道结构。在双通道结构中主端位置发送到从端，从端与环境的接触力直接发送到主端。为了确保双边遥操作系统主从端紧密耦合，不仅要保证从端跟踪主端的位置速度等，还要保证主端感受到从端作用于环境的相同的力，当该条件满足时遥操作系统是透明的，也可以说操作具有身历其境的感觉，即临场感。Ｆｅｒｒｅｌｌ［６，７］较早研究了带有时延遥操作系统，并指出任务的完成时间计算方法，他还特别指出带有时延的遥操作系统可以采用工作等待策略精确完成任务，实际上这种工作模式是工作在开环状态下，并且工作等待策略下任务完成时间随着延迟增加而增加，操作效率降低。１９９６年Ｆｅｒｒｅｌｌ指出在力反馈下几十分之一秒的延迟也能造成系统不稳定。１９９３年Ｌａｗｒｅｎｃｅ［４］指出稳定性和透明性是一个相互矛盾的指标，即改进其中一个必然降低另一个指标。时延的存在不仅影响系统的透明性也影响闭环系统的稳定性。遥操作系统稳定性研究主要包括无源和散射理论、以及波变量理论，通过变换将具有时间延迟的数据传输通道变换为无源系统，从而可以保证系统在任意固定时延下稳定，但系统的透明性变差。基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络遥操作从九十年代以后迅速出现和发展［８，９］，网络遥操作的随机时延、数据丢包等给遥操作带来新的问题和挑战。为了对网络遥操作系统中随机时延进行补偿，研究者提出了回归模型、线性、非线性时间序列分析、以及多元稀疏回归方法［１０－１２］等。Ｌｏｚａｎｏ研究了变时延的双边网络遥操作系统控制方法［１３］。Ｆｏｒｏｕｚａｎｔａｂａｒａ［１，１４］采用波变量法和傅里叶变换方法给出了非对称固定时延情况下稳定性。ＹｏｎｇｑｉａｎｇＹｅ［１５］为了改善系统性能提出新的补偿预测方法。Ｃｈｏｐｒａ和Ｓｐｏｎｇ在散射理论的基础之上，提出额外的位置控制信息从而改善系统的位置跟踪和力跟踪能力。Ｌｅｅ和Ｓｐｏｎｇ［１６］引入ＰＤ控制器来提高系统性能，并采用积分变换的类李亚普诺夫方法证明了在一定的条件下，双向不对称固定有界时延的网络遥操作系统的稳定性。Ｆｏｒｏｕｚａｎｔａｂａｒ［１，１４］采用ＰＩＤ控制器扩展了Ｌｅｅ和Ｓｐｏｎｇ的方法。Ｇａｎｊｅｆａｒ， Ｍｕｎｉｒ等［１７，１８］为了改善基于扩张波变量双边遥操作系统性能，提出基于Ｓｍｉｔｈ预估器方法来降低网络时延对系统性能的影响。Ｎａｔｏｒｉ［１９］提出时延补偿算法不依赖于参考模型。２０１０年ＹｕＫａｎｇ等［２０］通过线性矩阵不等式方法给出了一个稳定的随机时变网络双边遥操作系统。２０１２年ＪｉａＹｕｎＹｉ［２１］提出基于事件参考方法设计了随机时延下多机器人控制。从前文描述可知早期稳定性都针对固定时延情况，主要是

采用时延估计补偿策略以提高网络遥操作系统性能，对于时变时延［１３］、随机时变时延［２０］、非时间系统［２１］等研究者都做了研究。而基于无源理论随机时延时延稳定性研究较少，因此本文首先简单回顾无源和波变量理论，然后提出直接无源散射变换方法，设计稳定的无源随机时变时延的双边遥操作控制方案，该方法是无源理论和波变量双边控制律向更一般化形式的推广，接着设计了虚拟主从手双边网络移动机器人遥操作控制方案，较后并进行了仿真验证。

图１　遥操作系统双端口网络模型