随机时延条件下遥操作机器人系统控制算法研究

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为了解决遥操作系统中由于时延与扰动带来的不稳定问题,本文设计了一种连续快速非奇异终端滑模控制与动态补偿切换滤波器相结合的控制算法,使得遥操作机器人系统在有界时延与扰动的情况下快速且稳定地实现轨迹跟踪,具有较好的收敛性与鲁棒性。首先,采用了指数积法对主从端机器人进行运动学建模,并根据拉格朗日法对主从端机器人进行了动力学建模,为接下来遥操作机器人系统控制算法的设计奠定了基础。其次,为了解决传统滑模控制中存在的抖震与系统状态不能快速收敛问题,设计了一种连续快速非奇异终端滑模控制算法。然后基于李雅普诺夫定理证明了系统在外部扰动上界已知的情况下能够在有限时间内保持稳定。建立了主从遥操系统仿真平台,仿真实验结果表明在不考虑网络通信时延和存在有界扰动时,该算法能够使得从端机器人快速且稳定地跟踪主端机器人的轨迹。再次,为了解决主从遥操作系统时延导致的系统不稳定问题,设计了一种动态补偿切换滤波器,再结合连续快速非奇异终端滑模控制算法,能够使得主从机器人能够在随机时延和有界扰动下实现稳定的主从轨迹跟踪。基于李雅普诺夫定理,证明了在系统有界随机时延条件下,系统能够全局稳定。仿真实验结果表明,当通信时延为随机时延时,加上动态补偿切换滤波器后,主从轨迹跟踪误差明显减少。最后,搭建了实际的主从遥操作机器人实验平台。操作者在主端控制机器人在平面上运动,从端机器人能够快速准确跟踪。实际实验结果证明加上动态补偿切换滤波器后,主从轨迹跟踪误差的平均值和方差都减少。
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