專利名稱：遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及遙操作機器人網(wǎng)絡化控制技術領域，尤其是涉及具有信道共享的遙
操作機器人丟包補償系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
背景技術：
遙操作機器人是指在人的操縱下能在人難以接近(距離遙遠、對人有害或操作有難度)的環(huán)境中完成比較復雜的精細操作的一種遠距離操作系統(tǒng)。近幾十年來，不少國家相繼投入了很大的力量從事遙操作機器人系統(tǒng)的研究和研制工作，且研究成果已成功應用到原子能技術、空間技術、深海作業(yè)等諸多領域。 遙操作機器人系統(tǒng)的傳感及控制信號需通過網(wǎng)絡進行傳輸，而網(wǎng)絡誘導時延及數(shù)據(jù)包丟失會降低系統(tǒng)性能甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，合理地補償網(wǎng)絡誘導時延及數(shù)據(jù)包丟失的負面影響具有十分重要的意義?，F(xiàn)有科技文獻并未研究遙操作機器人系統(tǒng)的網(wǎng)絡誘導時延及丟包的補償問題。現(xiàn)有的預測控制方法可以用來補償網(wǎng)絡誘導時延及丟包，并取得了較好的效果。對基于預測控制的補償方法而言，由于每次采樣時都需要提前若干步預測控制輸入并傳到執(zhí)行器，這樣會增加網(wǎng)絡負載；另外，基于預測控制的補償方法會不可避免的導致預測誤差?；诰€性估計的方法可以用來估計那些丟失的或者發(fā)生長時延的數(shù)據(jù)包，由于該方法無需提前若干步估計控制輸入并傳到執(zhí)行器，與基于預測控制的方法相比，可以減小網(wǎng)絡負載。 基于預測控制的方法及基于估計的方法都會存在一定的預測或估計誤差，而這種誤差的影響通常難以消除。對遙操作機器人系統(tǒng)而言， 一個重要的特性就是網(wǎng)絡資源的共享，如果控制輸入可以經(jīng)由多個空閑的通信通道傳輸，則即使某些通道發(fā)生長時延、丟包甚至傳輸中斷，執(zhí)行器仍然可能收到最新的控制輸入，而且這種通信通道的共享不會導致預測或估計誤差，同時，當網(wǎng)絡傳輸中斷時，與基于預測及線性估計的方法相比，基于信道共享的補償方法可以保證系統(tǒng)具有更大的容許丟包數(shù)，更小的H①范數(shù)界。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，通過在遙操作機器人系統(tǒng)中加入信號發(fā)生器及數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，創(chuàng)建一個基于多通信通道共享的方法來補償遙操作機器人系統(tǒng)中網(wǎng)絡時延及丟包的負面影響，應用網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)狀態(tài)空間描述并提出信道切換算法，利用李亞普諾夫方法及自由加權矩陣技術，實現(xiàn)對遙操作機器人系統(tǒng)網(wǎng)絡誘導時延及丟包的補償。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案 本發(fā)明遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)，其特征在于由n條并聯(lián)的結(jié)構(gòu)相同的信道和信號發(fā)生器組成，信號發(fā)生器的輸出端分別接n條信道的輸入端；其中每條信道都由遙操作機器人即受控對象、控制器、傳感機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)組成，執(zhí)行機構(gòu)的輸入端還設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的輸出端依次串接執(zhí)行機構(gòu)、遙操作機器人、傳感機構(gòu)后并 聯(lián)于控制器的兩端，信號發(fā)生器的輸出端接數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的輸入端，其中n為自然數(shù)。
所述的遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于包括如下步驟
(l)分別為n條信道設置時延與丟包和的上界、，i= 1、 2、 3…n，并比較數(shù)據(jù) 緩沖區(qū)記錄的系統(tǒng)運行的當前時間與最近收到的控制輸入的時間戳的差t，其中、為第i 條信道的時延與丟包和的上界； (2)當所述遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)則系統(tǒng)運行終止；當t〈、，則 不進行信道及控制器切換，并利用當前信道控制器控制遙操作機器人，否則，轉(zhuǎn)入步驟 (3); (3)當G、，則檢查下一個信道控制器的工作狀態(tài)； (4)當下一個信道控制器忙，則檢查下一個信道控制器的工作狀態(tài)，返回步驟 (3); (5)當下一個信道控制器空閑，則信號發(fā)生器發(fā)送驅(qū)動信號至該信道控制器，為 遙操作機器人傳輸控制輸入； (6)比較當前時間與最近收到的控制輸入的時間戳的差t，若t〈、，轉(zhuǎn)入步驟 (2)，若G、，則轉(zhuǎn)入步驟(3)。 遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，當遙操作機器人從兩個 信道即信道1和信道2收到控制輸入，實際可用的控制輸入描述為
u(t) = P KlX(ikh)+(l-P )K2x(j!h) (1) 其中tG [p(ikh+Tk)+(1-P)(jlh+0l)，p(ik+ih+Tk+i)+(1-P)(jwh+0i+i))，調(diào)節(jié)參
數(shù)P的取值原則為
1
當前控制輸入由信道l傳輸 — 當前控制輸入由信道2傳輸
》，jwh為傳感器的采樣時刻，Tk， Tk
+1為信道2上網(wǎng)絡誘導時延及丟包的和;
i為信道l上網(wǎng)絡誘導時
定義T (t) = t-ikh， O (t) 且jkh，丄h， jk
延及丟包的和，Op o
二t-丄h，則 u(t) = P KlX(t- t (t))+(l- P )K2x(t- o (t)) (2) 式子(2)中所示即為遙操作機器人實際可用的控制輸入。 本發(fā)明本發(fā)明的優(yōu)點在于l.通過對空閑信道的充分利用，實現(xiàn)丟包補償并相 應地改善系統(tǒng)性能，該發(fā)明對網(wǎng)絡信道數(shù)據(jù)傳輸中斷的情況尤為有效；2.可以避免基于 預測控制及基于估計的方法所導致的預測或估計誤差。 本發(fā)明在以遙操作機器人實際運行為背景的基礎上，提出了一個新穎的基于網(wǎng) 絡信道共享的丟包補償裝置及方法，可在較大程度上改善遙操作機器人系統(tǒng)的控制性 能，效果良好，具有實際應用和推廣價值。 與基于單通信通道的方法相比，對空閑通信通道的共享可以補償時延及丟包的 負面影響。同時，該方法可以避免基于預測控制及基于估計的方法所導致的預測或估計 誤差。當網(wǎng)絡傳輸中斷時，與基于預測及線性估計的方法相比，基于信道共享的補償方 法可以保證系統(tǒng)具有更大的容許丟包數(shù)，更小的H①范數(shù)界。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖。
圖3是實施例中外部擾動示意圖。 圖4是實施例中無丟包補償?shù)臋C器人運動軌跡及速度仿真曲線。
圖5是本發(fā)明實施例中機器人運動軌跡及速度仿真曲線。
具體實施例方式
現(xiàn)依據(jù)附圖，對本發(fā)明做進一步的描述。 如圖1所示，遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)，其特征在于由n條并聯(lián)的結(jié)構(gòu)相同 的信道和信號發(fā)生器組成，信號發(fā)生器的輸出端分別接n條信道的輸入端；其中每條信 道都由遙操作機器人即受控對象、控制器、傳感機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)組成，執(zhí)行機構(gòu)的輸入 端還設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的輸出端依次串接執(zhí)行機構(gòu)、遙操作機器人、傳感機 構(gòu)后并聯(lián)于控制器的兩端，信號發(fā)生器的輸出端接數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的輸入端，其中n為自然 數(shù)。 系統(tǒng)中的傳感機構(gòu)收集的是遙操作機器人從開始工作到結(jié)束運行的整個時間段 的狀態(tài)信息，包括機器人運動軌跡及速度等，同時也包括風速，電磁干擾等對遙操作機 器人系統(tǒng)影響比較大的外部因素，數(shù)據(jù)以一定的間隔時間采集一次，以毫秒為單位。傳 感機構(gòu)采樣到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送到控制器，控制器生成控制輸入并傳輸?shù)綀?zhí)行機構(gòu)， 執(zhí)行機構(gòu)將收到的控制信號作用于遙操作機器人。在執(zhí)行機構(gòu)端加入信號發(fā)生器及數(shù)據(jù) 緩沖區(qū)，向空閑信道發(fā)送的驅(qū)動信號由硬件信號發(fā)生器來產(chǎn)生，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于記錄系 統(tǒng)運行的當前時間與最近收到的控制輸入的時間戳的差t。 下面，給出具有信道11 = 2共享的遙操作機器人系統(tǒng)的模型，并基于得到的模型 給出控制器選擇算法，從而實現(xiàn)對空閑信道的充分利用并補償時延及丟包的負面影響。
1.對具有信道共享的遙操作機器人系統(tǒng)建模。 考慮遙操作機器人系統(tǒng)狀態(tài)方程(3)，若遙操作機器人從兩個信道收到控制輸 入，設h表示采樣周期長度，ikh，丄h， ik+1h， JV》為傳感器的采樣時刻，Tk， 0l， ik+1，
Tw分別為基于ikh，丄h， ik+1h， jwh時刻的對象狀態(tài)所得到的控制輸入的網(wǎng)絡傳輸時延及
丟包的和，則實際可用的控制輸入描述為
u(t) = P KlX(ikh)+(l- P )K2x(j!h) (6) 其中t G [ p (ikh+ t k)+(l- P )()》+ o i)，P (ik+1h+ t k+1)+(l- P )(j1+1h+ t 1+1))，且t-ikh
=t (t)《t M， t-ikh- t k = a (t)《a M，調(diào)節(jié)參數(shù)P的取值原則為
f 1 當前控制輸入由信道l傳輸
l0 當前控制輸入由信道2傳輸
定義t (t) = t-ikh，o (t) = t-丄h，貝U
u(t) = P KlX(t- t (t))+(l- P )K2x(t- o (t)) (7)
相應的，系統(tǒng)(3)可以寫為<formula>formula see original document page 6</formula> 如系統(tǒng)(8)所示，當一個信道的數(shù)據(jù)傳輸中斷時，控制器仍可以從其它的信道收 到最新的控制輸入，從而改善遙操作機器人系統(tǒng)的性能。
2.設計最優(yōu)控制器增益Kp K2。 通過定義合適的Lyapunov函數(shù)，并利用線性矩陣不等式及自由加權矩陣技術， 可以設計出具有信道共享的機器人系統(tǒng)的最優(yōu)控制器增益&， K2。
3.發(fā)送控制信號至執(zhí)行機構(gòu)。 對于(8)中給出的遙操作機器人系統(tǒng)，底層傳感器完成遙操作機器人參數(shù)的采
集，各傳感器的信號經(jīng)過阻抗變換和放大得到相應的電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過通信
網(wǎng)絡傳輸至控制主機，控制主機根據(jù)輸入的遙操作機器人參數(shù)數(shù)據(jù)，利用得到的最優(yōu)控
制器增益K" K2及狀態(tài)反饋控制算法產(chǎn)生控制信號并輸出相應的控制量，通過串行口將
控制信號送入執(zhí)行機構(gòu)。 4.將控制輸入作用于受控對象。 如圖2所示，在執(zhí)行機構(gòu)端加入一數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，記錄系統(tǒng)運行的當前時間與最 近收到的控制輸入的時間戳的差t，并按以下算法實現(xiàn)信道選擇，從而將控制輸入作用于 受控對象，完成對機器人系統(tǒng)運動軌跡、速度及運動方向等的控制。具體的信道選擇算 法如下 (1)分別為信道1及信道2設置時延與丟包和的上界t， o，并比較系統(tǒng)運行的 當前時間與最近收到的控制輸入的時間戳的差t。 (2)檢查系統(tǒng)是否達到穩(wěn)態(tài)，若達到穩(wěn)態(tài)則轉(zhuǎn)入步驟(6)。若t < t或t < o ， 則不進行信道及控制器切換，利用當前控制器及當前信道控制遙操作機器人，否則，轉(zhuǎn) 入步驟(3)。 (3)若t^t，檢查控制器2的工作狀態(tài)，若控制器2忙，不進行控制器切換并繼 續(xù)等待信道l傳輸控制輸入，若控制器2空閑，信號發(fā)生器發(fā)送驅(qū)動信號至控制器2以便 驅(qū)動信道2及控制器2進入工作狀態(tài)，并為遙操作機器人傳輸控制輸入。
(4)若Go，檢查控制器l的工作狀態(tài)，若控制器1忙，不進行控制器切換并繼 續(xù)等待信道2傳輸控制輸入，若控制器l空閑，信號發(fā)生器發(fā)送驅(qū)動信號至信道1及控制 器l，以便使它們進入工作狀態(tài)，并為遙操作機器人傳輸控制輸入。 (5)比較當前時間與最近收到的控制輸入的時間戳的差t，若t〈 t或t〈 o，轉(zhuǎn) 入步驟(2)，否則，轉(zhuǎn)入步驟(3)。
(6)系統(tǒng)運行終止。 當遙操作機器人系統(tǒng)中發(fā)生長時延、丟包及數(shù)據(jù)傳輸中斷時，上面給出的控制 器及信道自動切換算法可以保證受控對象收到較新的控制輸入，從而保證系統(tǒng)具有較好 的控制效果。
實施例 為了驗證本發(fā)明的效果，利用Matlab軟件編程進行了仿真實驗。對遙操作機器 人系統(tǒng)進行仿真時，在系統(tǒng)中加入圖3所示的外部干擾信號，圖4和圖5分別給出了采用本發(fā)明前后在噪聲抑制，偏移量方面的仿真曲線圖。如圖4所示，橫坐標為時間t(單位
秒)，Xl， X2為機器人運動軌跡及前進速度，Z為被調(diào)輸出。從圖中可以看出，當不考慮
機器人系統(tǒng)的信道共享，且信道數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生中斷時，系統(tǒng)無法達到穩(wěn)定。 圖5為采用本發(fā)明后的仿真曲線，圖中橫坐標及&， x2， z的含義與圖4相同。
由兩圖比較可以看出，采用本發(fā)明后，系統(tǒng)可以在較短時間內(nèi)達到穩(wěn)定，且具有較好的
抗干擾性能。 從以上仿真圖可以看出，本發(fā)明在遙操作機器人系統(tǒng)噪聲抑制，偏移量等方面 有很好的控制效果，為遙操作機器人高精度控制提供了新的技術基礎。
權利要求
一種遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)，其特征在于由n條并聯(lián)的結(jié)構(gòu)相同的信道和信號發(fā)生器組成，信號發(fā)生器的輸出端分別接n條信道的輸入端；其中每條信道都由遙操作機器人即受控對象、控制器、傳感機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)組成，執(zhí)行機構(gòu)的輸入端還設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的輸出端依次串接執(zhí)行機構(gòu)、遙操作機器人、傳感機構(gòu)后并聯(lián)于控制器的兩端，信號發(fā)生器的輸出端接數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的輸入端，其中n為自然數(shù)。
2. —種基于權利要求1所述的遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于包 括如下步驟(1) 分別為n條信道設置時延與丟包和的上界、，i=l、 2、 3…n，并比較數(shù)據(jù)緩沖 區(qū)記錄的系統(tǒng)運行的當前時間與最近收到的控制輸入的時間戳的差t，其中、為第i條信 道的時延與丟包和的上界；(2) 當所述遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)則系統(tǒng)運行終止；當t < A i，則不進 行信道及控制器切換，并利用當前信道控制器控制遙操作機器人，否則，轉(zhuǎn)入步驟(3);(3) 當G A i，則檢查下一個信道控制器的工作狀態(tài)；(4) 當下一個信道控制器忙，則檢查下一個信道控制器的工作狀態(tài)，返回步驟(3);(5) 當下一個信道控制器空閑，則信號發(fā)生器發(fā)送驅(qū)動信號至該信道控制器，為遙操作機器人傳輸控制輸入；(6) 比較當前時間與最近收到的控制輸入的時間戳的差t，若t〈、，轉(zhuǎn)入步驟(2)， 若G、，則轉(zhuǎn)入步驟(3)。
3. 如權利要求2所述的遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，當遙操 作機器人從兩個信道即信道1和信道2收到控制輸入，實際可用的控制輸入描述為u(t)= PKp(ikh)+(l-P)K2X, (1)其中t G [ p (ikh+ t k)+(l- P )(JM o D， P (ik+1h+ t k+1)+(l- P )(i1+1h+ o 1+1))，調(diào)節(jié)參數(shù)P 的取值原則為<formula>formula see original document page 2</formula>且ikh，丄h， ik+1h， jV力為傳感器的采樣時刻，Tk， Tw為信道l上網(wǎng)絡誘導時延及丟包的和，0P 為信道2上網(wǎng)絡誘導時延及丟包的和；定義T(t) = t-ikh， 0(t)=t-丄h，則u(t) = P KlX(t- t (t))+(l- P )K2x(t- o (t)) (2)式子(2)中所示即為遙操作機器人實際可用的控制輸入。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種遙操作機器人丟包補償系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，本發(fā)明系統(tǒng)由受控對象(遙操作機器人)，傳感機構(gòu)，控制器，執(zhí)行機構(gòu)、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及通信網(wǎng)絡組成。本發(fā)明所述方法如下執(zhí)行機構(gòu)計算系統(tǒng)當前時間與最近收到的控制輸入的時間戳的差并暫存于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；若得到的時間差大于預設的閾值，信號發(fā)生器發(fā)送驅(qū)動信號至空閑網(wǎng)絡信道并驅(qū)動其工作，否則直接把最近收到的控制輸入作用于遙操作機器人。通過對空閑網(wǎng)絡信道的充分利用，大大降低了網(wǎng)絡時延及數(shù)據(jù)包丟失的負面影響并提高了遙操作機器人系統(tǒng)的抗干擾性能。該發(fā)明效果良好，具有實際應用和推廣價值。
文檔編號H04L29/06GK101692180SQ200910145179
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月13日 優(yōu)先權日2009年10月13日
發(fā)明者曾慶軍, 王天寶, 王玉龍 申請人:江蘇科技大學