巡检小车变时延无线遥操作系统的控制研究

论文摘要

遥操作技术拓宽了人类在危险或者恶劣环境下作业的范围,它在很多领域都得到了广泛的应用,是目前机器人领域中比较前沿的热点研究内容。巡检小车作为移动机器人的一个分支,具有道路障碍识别、自动控制和环境检测等功能,便于提取复杂环境的重要信息。巡检小车遥操作系统中引入无线网络技术,不可避免地导致网络通讯时延的产生,对系统的稳定性带来影响,增大系统的控制难度。因此,本文主要研究巡检小车遥操作系统在无线网络环境下的控制方法,其主要工作有以下几个方面:首先,根据巡检小车的运动状态与偏差关系建立其数学模型,并对巡检小车遥操作系统在网络变时延下的稳定性影响进行了分析。其次,通过对无线网络时延进行分析,给出计算网络时延的模型。在此基础上,重点分析平均时延窗口（ADW）的时延预测方法,针对其在网络时延剧烈变化时无法有效预测的不足,提出误差修正预测模型,进而设计了一种改进的ADW预测方法,并对预测结果进行分析。然后,根据典型的小车运动动态响应误差曲线,建立系统动态特性的特征模型。结合仿人智能控制和Smith预估控制的优点,在Smith预估控制的时延补偿作用下,根据巡检小车不同的运动状态,利用开、闭环混合控制来减小网络通讯时延的影响,提出一种有效的HSIC-Smith控制算法。最后,为了解决仿人智能控制器参数难以整定的不足,采用基于模糊控制理论的参数在线整定方法,对系统的误差及误差变化率模糊化处理,利用其变化趋势的模糊信息,对仿人智能控制的参数进行实时调节。通过仿真实验验证表明,文中方法对时延的变化有较好的适应能力,控制系统的稳定性和动态特性均优于PID-Smith预估控制。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及应用
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 遥操作机器人的应用
• 1.2 课题的提出与研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文主要内容及章节安排
• 2 巡检小车数学模型及 Smith 预估控制
• 2.1 运动数学模型
• 2.1.1 系统传递函数的建立
• 2.1.2 直流电机传递函数参数的计算
• 2.2 时延系统一般概念
• 2.3 Smith 预估控制
• 2.3.1 Smith 预估控制的原理
• 2.3.2 Smith 预估控制存在的问题
• 2.3.3 典型的Smith 预估控制改进方案
• 2.4 本章小结
• 3 无线网络时延分析及改进时延辨识器设计
• 3.1 无线网络的特点
• 3.2 无线网络时延分析
• 3.3 无线网络传输时延计算模型
• 3.4 时延的预估方法研究及改进
• 3.4.1 在线时延估计方法——平均时延窗口
• 3.4.2 改进的ADW 时延预测方法
• 3.5 时延预测结果对比
• 3.6 本章小结
• 4 变时延的 HSIC-Smith 控制方案
• 4.1 HSIC 的基本思想
• 4.2 HSIC 的相关概念
• 4.3 HSIC 的优点
• 4.4 HSIC 的设计步骤
• 4.4.1 特征辨识和特征记忆
• 4.4.2 多模态控制选择
• 4.4.3 启发与直觉推理
• 4.5 仿人智能控制的基本算法
• 4.6 巡检小车HSIC-Smith 控制器的设计
• 4.6.1 特征信息源的选取
• 4.6.2 特征辨识
• 4.6.3 多模态控制策略
• 4.7 本章小结
• 5 HSIC-Smith 变时延控制参数整定及实验结果分析
• 5.1 模糊控制的原理
• 5.2 模糊控制的优点
• 5.3 HSIC 参数的在线模糊整定
• 5.3.1 仿人智能控制比例、微分系数在线整定
• 5.3.2 仿人智能控制抑制系数的在线整定
• 5.4 实验验证
• 5.4.1 实验条件
• 5.4.2 时延结果与分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A.作者在攻读学位期间发表的论文目录