调度协议影响下的单主多从遥操作系统建模与控制

The interactive multilateral teleoperation technology is widely used in space exploration, remote rescue, and so on, and has always been a frontier and hot topic of robotics research. The communication data in multilateral teleoperation systems is rich and complex, however, the communication bandwidth is limited, therefore, it is necessary to reasonably schedule communication resources, and analyze and design the teleoperation system based on the scheduling protocols. Considering the discrete data transmitting with time-varying sampling intervals and communication delays in the communication network, the modeling and the control design of single-master-multiple-slaves (SMMS) teleoperation systems with multiple mobile manipulators as slaves under scheduling communication are investigated. Firstly, the modeling of teleoperation systems with different scheduling protocols is considered. Secondly, the bilateral stable control of SMMS teleoperation systems is investigated, including the synchronization problem of SMMS teleoperation systems based on parameter estimation error without persistence of excitation, the distributed collaborative control strategy design for SMMS teleoperation systems based on the estimated operating objects, and stability analysis of the closed-loop systems. Finally, the transient performance improvement based on the prescribed tracking performance is investigated, in which the performance-optimized control is proposed under the constraint of the performance function. The existing results of the project and the subsequent research results will provide a theoretical basis and technical support for teleoperation technology with complex applications, and it is also expected to promote the research progress in the field of nonlinear delayed system control.

交互式多边遥操作技术在太空探索、远程救援等领域应用广泛，一直是机器人学研究的前沿和热点。多边遥操作通信数据存在丰富性和复杂性，而通信带宽有限，因此有必要对通信资源进行合理的调度并基于调度协议来分析和设计遥操作系统。本项目以移动机械臂作为从机器人的单主多从遥操作系统为对象，考虑通信网络进行离散信息传输时的变采样间隔、时变传输时延等特点，研究带宽受限情况下基于不同调度协议的系统建模和控制问题：1）不同调度协议下遥操作系统的锯齿形时滞系统模型的建立；2）不同调度协议下的系统双向稳定控制，包括弱激励条件下基于参数误差信息学习的主从同步控制策略设计、基于操作对象估计的协作控制策略设计和相应闭环控制系统的稳定性分析；3）基于预定义性能的系统瞬态性能提高，提出预定义性能约束下的优化控制策略。本项目已有结果以及后续研究成果将为复杂应用下的遥操作技术提供理论基础和技术支撑，推进非线性时滞系统控制研究进展。

网络化遥操作机器人系统可以解决在极端/危险环境下的远距离操作问题，为太空探索、远程救援等提供理论研究基础和关键技术支持。通信网络中通信带宽的有限性要求对通信资源进行合理的调度并基于调度协议来分析和设计遥操作系统。本项目考虑调度协议影响下的网络化单主多从遥操作系统，以其稳定协作完成操作任务为目标，从系统建模、系统稳定控制、系统瞬态性能提高三个方面展开了研究：（1）研究了调度协议影响下的单主多从遥操作系统的建模问题，融合网络参数、机器人的非完整约束以及力作用关系，提出了具有锯齿形时滞的遥操作机器人系统模型；（2）研究了调度协议影响下的单主多从遥操作系统的稳定控制，提出了弱激励条件下的基于参数信息学习的自适应控制方法和调度协议影响下的基于神经网络的多移动机械臂协作/合作控制方法，并进一步研究了事件触发机制下的系统控制和分析问题，提出了调度协议影响下的遥操作机器人系统的事件触发控制策略，同时，为分析调度协议影响下的遥操作系统的稳定性，建立了一套基于非连续Lyapunov技术的遥操作系统稳定性分析方法，给出了不同控制作用下的融合网络参数、控制增益的联合设计条件；（3）研究了单主多从遥操作系统的瞬态性能提高问题，提出了遥操作系统的预定义性能控制方法，同时考虑系统运行中可能出现故障的应用场景，提出了预定义性能约束下的遥操作机器人系统/网络化机器人系统的鲁棒性容错控制策略；（4）搭建了全实物/半实物遥操作机器人平台，并基于实验平台完成了理论成果的应用验证。本项目的顺利开展在一定程度上丰富和发展了非线性时滞系统的控制理论，为危险环境下的遥操作系统救援提供了理论和技术支撑。