广义波变量遥操作系统的透明性分析

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1、万方数据第29卷第2期2008年3月字航学报Journa／ofAstronauticsV01．29No．2March2008广义波变量遥操作系统的透明性分析张永林1’2，(1．东南大学仪器科学与工程学院，南京210096；2．宋爱国1江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江212003)摘要：分析了基于广义波变量的力反馈遥操作系统的透明性，推导了实现系统透明遥操作的最小波反射准则和严格阻抗匹配准则。理论分析和数字仿真均表明：广义波变量遥操作系统的透明性是一个与输入频率相关的特性；同一组参数在不同的输入频率下，系统的透明性不同；当系统输入频率增高时，透明降低。严格阻抗匹

2、配的波变量遥操作系统在相应的输入频率下，透明度高于最小波反射的波变量遥操作系统；而后者对输入频率的敏感程度则低于前者。关键词：遥操作；时延；广义波变量；透明性中图分类号：TP24：TPl8文献标识码：A文章编号：1000．1328(2008)02．0688．060引言“神州”系列载人飞船的成功发射和回收，标志着我国的空间开发进入了一个新的阶段。但由宇航员去完成所有的空间任务是不经济和十分危险的，遥操作机器人正好可以弥补这些缺点。近年来，美国、欧洲、日本等国家对大时延遥操作展开了大规模的研究和实验，其中比较有代表性的是欧洲航天局(ESA)的ROTEX实验、日本国家

3、太空发展署(NAS．DA)的ETS2VII卫星实验。由地面的操作员控制空间遥操作机器人完成作业任务所面临的一个关键问题是通讯线路中的时间延迟。地面站与卫星轨道上的空间机器人之间的通讯时延约为3—6秒⋯。而对原本稳定的力反馈遥操作系统而言，即使是很小的时延也有可能导致整个系统不稳定心】。为了解决这个问题，人们提出了各种遥操作控制方法。1991年，Niemeyer和Slotine基于无源性理论，从能量传递的角度出发，提出了波变量的概念，并通过波变换的方法推导出了一种无源控制算法¨3。此后，波变量法一直是遥操作研究的一个热点，并成为保证系统对任意时延稳定的一种重要方法

4、H‘1引。基于无源性理论，只要保证遥操作系统主从端的无源性，遥操作控制系统的设计就可以基于波变量来进行。不管系统的传输时延大小和性质如何，基于波变量法均可以保证系统的稳定性。但从无源性的定义看，它对系统的稳定性来说是十分保守的。过分要求系统的稳定性，必然使系统的透明性降低‘刮。对于常见的力反馈双向遥操作系统而言，要提高系统的操作性能，即透明性，就是要在保持从端位置跟踪的基础上，尽可能提高力反馈性能，使操作者能真实地感知从端机器人与环境的接触力。传统的波控制器只有一个可调参数：波阻抗b。调节此参数将同时影响主从端位置跟踪和力反馈性能。2004年，Tanner和Ni

5、emeyer对传统的波变换进行了推广[12l，使用b。和b，两个独立的波阻抗对速度信号和力信号分别进行标定。保持b。不变可以保持主从端的位置跟踪特性，根据具体任务和环境，对b，进行在线调节以提高系统的操作性能。然而，Tanner和Niemeyer并没有对基于广义波变量的遥操作系统的透明性作定量的分析。此前，Lawrence曾对一般的双向遥操作系统的稳定性和透明性作了定性和定量的分析比o，但并没有对基于波变量的大时延力反馈遥操作系统作详细的分析。本文对基于广义波变量的大时延力反馈空间遥操作系统的透明性作了详细的定量分析，推导了实现系统透明遥操作的最小波反射准则和严

6、格阻抗匹配准则，并对二者进行了分析比较和数字仿真。收稿日期：2007-03．23；修回日期：2007-08．28基金项目：国家863高技术研究发展计角J(2006AA042246，2002AA742048)；国家自然科学金(60475034)万方数据第2期张永林等：广义波变量遥操作系统的透明性分析689l广义波变量广义波变量的定义如下m1：Ⅱ垒俘+去F㈩口垒√≥重一去，式中，6l称为速度波阻抗，6，称为力波阻抗，二者可以分别对速度和力信号进行独立的调节。通讯环节的总体有效波阻抗定义为：b盯垒√6tb，(2)遥操作系统的功率流也相应地作如下推广：P=露7F=√鲁(

7、丢“r“一号秽r口)(3)式(1)定义的功率变量到波变量的变换(戈，F)一(“，t，)是可逆的，其逆变换为：露：击2b(“+t，)，=√鲁(Ⅱ一∥)(4)~／tYz由上式可以看出，速度和力的调节是独立的，只要保持b。不变，对b，的任何改变都不影响稳态位置跟踪。变换(1)、(4)对应的传输模块如图1所示。(a)主端(a)m栅site(b)从端Co)slavesite图1广义波变量Fig．1GeneralizedWflV@variables2系统透明性分析典型的基于广义波变量的力反馈空间遥操作系统(单自由度)93-端口模型如图2所示。图中，Z。为主机器人阻抗，e为从

8、端控制器阻抗，Z。为从机