论文摘要
随着科技的发展和人类对太空探索的深入,遥操作技术作为空间机器人的一种重要控制方式,将发挥越来越重要的作用。遥操作有三种方式:预测控制、遥编程控制、双边控制。双边控制由于具有可应用于非结构化、未知从端环境的优点,成为近年来研究的热点。在时延力反馈双边控制系统中,根据主端操作者获取反馈力的方式的不同,将双边控制区分为全闭环方式和半闭环方式。本文针对空间在轨监测任务需求,采用半闭环方式构建力反馈双边控制系统。如何通过定量的评估函数有效地度量双边遥操作系统的操作性能,最终根据环境要求的性能改善双边遥操作系统,使其达到最优工作性能,是一个极具理论价值与现实意义的课题。在前人的研究中,时延力反馈双边控制系统的操作性能指标被概括为稳定性、透明性和跟踪性。透明性和跟踪性是借用电路理论中的阻抗概念定义的,缺乏直观性,定量度量也比较困难。针对现有性能度量指标的不足,本文提出一种综合度量指标,并定义了其度量公式,其特点是容易理解,简单实用。然后根据提出的综合度量指标度量评价了无源性和绝对稳定性两种双边控制方法,结果证明了绝对稳定性的双边控制方法明显优于无源性的方法。作者基于绝对稳定性的控制方法设计了半闭环双边控制器,最后通过半闭环双边控制系统实验验证了系统的稳定性,并根据实验结果综合分析了该系统的操作性能。通过建立的半闭环力反馈双边控制系统模型,本文基于绝对稳定性理论得到保证系统稳定的参数约束方程,设计了双边控制器,分别在单边时延1、4、6秒时进行了仿真实验,运用综合度量指标分析了实验结果,得到系统时延对系统性能的影响规律,为大时延情况下的双边控制器设计提供了指导。在保证系统稳定的基础上进一步研究系统的操作性能,分析了系统输入频率、系统时延与系统性能之间的影响规律,在系统时延增大的情况下,输入频率必须降低,才能保证系统操作性能良好。根据双边控制系统工作原理,搭建了半实物仿真实验系统,包括硬件设计、软件的编写、双边控制算法的设计和时延的模拟。分别在系统单边时延为1、4、6秒的情况下进行实验,验证了系统的稳定性和操作性能。通过分析不同时延下的实验曲线,验证了提出的双边遥操作系统综合度量指标的合理性,最后,本文对所设计系统的性能进行了优化研究。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 课题的提出及意义1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状1.2.2 国内研究现状1.3 双边控制研究综述1.3.1 双边控制综述1.3.2 双边控制存在的问题及研究方向1.3.2.1 双边控制存在的问题1.3.2.2 双边控制未来的研究方向1.4 本文主要研究内容和章节安排1.4.1 本文主要研究内容1.4.2 本文章节安排第二章 双边遥操作系统性能度量指标研究2.1 引言2.2 双边遥操作系统性能度量指标回顾2.2.1 基于阻抗理论的性能度量指标2.2.1.1 稳定性2.2.1.2 透明性2.2.1.3 跟踪性2.2.1.4 基于阻抗理论的性能度量指标分析2.2.2 基于频域理论的性能度量指标2.2.2.1 稳定性2.2.2.2 透明性2.2.2.3 跟踪性2.2.2.4 基于频域理论的性能度量指标分析2.2.3 相位差指标2.2.3.1 相位差指标含义2.2.3.2 相位差指标分析2.3 综合性度量指标2.4 本章小结第三章 双边遥操作系统控制方法研究3.1 基于无源性的双边控制方法3.1.1 基于无源性的双边控制方法回顾3.1.2 运用综合度量指标分析其操作性能3.1.2.1 基于阻抗理论的性能度量指标分析其操作性能3.1.2.2 基于频域理论的性能度量指标分析器操作性能3.1.2.3 利用相位差指标分析其操作性能3.1.2.4 利用综合度量指标分析其操作性能3.2 基于绝对稳定性的双边控制方法3.2.1 基于绝对稳定性的双边控制方法回顾3.2.2 运用综合度量指标分析其操作性能3.2.2.1 基于阻抗理论的性能度量指标分析其操作性能3.2.2.2 基于频域理论的性能度量指标分析其操作性能3.2.2.3 利用相位差指标分析其操作性能3.2.2.4 利用综合度量指标分析其操作性能3.3 两种控制方法的比较3.4 本章小结第四章 半闭环双边控制系统设计与分析4.1 引言4.2 半闭环双边控制系统的设计4.3 运用综合度量指标分析系统的操作性能4.4 本章小结第五章 空间遥操作主从双边系统实验研究5.1 引言5.2 实验平台的搭建5.2.1 硬件设计5.2.1.1 主手5.2.1.2 从手5.2.2 软件设计5.3 实验数据分析5.3.1 主从/双边控制实验及其原理5.3.2 主从方式下实验结果与分析5.3.2.1 主从方式下实验结果5.3.2.2 运用综合度量指标分析实验结果5.3.3 双边方式下实验结果与分析5.3.3.1 双边方式下实验结果5.3.3.2 运用综合度量指标分析实验结果5.4 运用综合度量指标进行系统性能优化研究5.5 本章小结第六章 总结与展望6.1 全文总结6.2 研究展望致谢参考文献作者学习期间取得的学术成果
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