网络化双边遥操作系统的研究文献综述

 2022-11-17 16:31:48

一、结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写2000字左右的文献综述:

通过网络形成的反馈控制系统,称为网络控制系统[1]。网络控制系统的特征是信息(参考输入、输出、控制输入等)在控制系统组件(传感器、控制器、执行器等)之间的网络交换。系统中的被控对象与控制器以及控制器与驱动器之间是通过一个公共的网络平台连接的,这种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数大大减少、易于拓展、易于维护、高效率及灵活等优点,是未来控制系统的发展模式[2]。由于其强大的实际应用背景,网络化控制系统近年来受到人们的广泛关注,但是和传统的控制系统相比,网络化的通信特点也带来了一些挑战,例如信号传输时滞,数据包丢失,外部干扰等。近年来,人们针对这些网络通信中存在的问题,对通信过程和系统进行了建模,分析以及相关控制问题的探讨,文献[3]对此进行了详细的介绍。

遥操作是指在本地端操作者的控制下能在远端环境中重复操作者在本地端动作的一种远距离控制。如果信息从操作者传送到远程从端机器人,来自远程环境的反馈信号被发送给本地主端机器人,这种遥操作系统称为双边遥操作系统[4]。遥操作是将控制理论、机器人学与通讯技术结合的产物,是近年来机器人技术发展的主要研究方向之一。目前其主要应用场景有:用于医疗的达芬奇机器人、无人机远距离侦察、远程排雷作业以及未知空间及深海探索等领域。遥操作有可能在未来的太空作战中扮演重要的角色,例如远程平台和车辆的建造,维修和操作。远程操纵船载舱外活动的优势非常明显:人员风险大大降低,生命支持需求和设备减少,由于持续可用而降低了物流复杂性,并更有效地利用了宝贵的人力资源[5]。这些优势最终将提高整体安全性和降低空间操作成本。文献[6]详细介绍了遥操作机器人在空间应用方面的最新研究和发展。

在双边遥操作系统采用中网络化的通信方式,会给系统的设计和实现带来了很大的方便,如连接数大大减少,易于扩展和维护等优点。但是,和传统的控制系统相比,会给双边遥操作系统带来了如随机的通信时延,数据包丢失,外部随机干扰,以及系统网络传输过程受传输带宽限制等因素,也给双边遥操作系统稳定性研究引入了诸多不便因素。

在空间应用方面,目前的遥操作系统并不能取代宇航员,来进行远程操纵船载舱外活动。直接操作和遥操作执行相同任务之间的性能差距明显,根据操作任务的难度,任务完成时间是直接操作的几倍到两个数量级大。此外,即使是目前最好的系统也具有“糊涂”的感觉,并且需要操作人员进行大量的训练来安全有效地操作它们。由于信号在较远距离传播引起的较小延迟,或者是由于信号中继,复用和编码/解码引起的较大延迟,空间操作中均会出现显着的通信延迟[7]。为了在空间操作中实现性能较优的双边遥控操作,必须更全面地研究存在的延迟对性能的限制。

由于加入了网络,传统系统中的任务(如控制问题和信号估计问题)应被重新考虑。在过去的十年中,网络控制系统的控制设计问题得到了越来越多的关注[8-11]。在这些工作中,大多数结果是采用周期触发控制方法(也称为时间触发控制)来进行系统建模和分析,这是因为它易于实现和分析。在这种触发方式下,应选择一个固定的采样间隔,来保证在条件最差的情况下(如外部干扰,不确定性和时滞等),系统能达到理想的性能。然而,在实际系统中,最差的情况是很少遇到的。因此,这种触发方式会导致大量不必要的采样信号通过网络进行发送,造成通信带宽的过度占用。这种过度占用可能只会对点到点连接系统产生轻微的影响,但由于网络控制系统的带宽有限,这会对网络控制系统产生很大的影响。

事件触发机制是指仅当系统状态的某些值超过阈值时才对系统进行驱动[12],其提供了一种有效的方法来确定采样操作何时进行,确保了只有真正的“必要”状态信号才会被发送到控制器。因此,发送状态信号的数量相对较少。与时间触发机制相比,采用事件触发的方法具有以下优点[13]:1)控制器只在必要时进行采样,在性质上更接近于人类行为方式;2)传感器的信号释放时间和网络通信的负担的减少;3)控制器的计算成本和传感器、执行器的占用的降低。

文献[14]针对具有外部干扰的线性系统,提出了约束条件为的事件触发机制,其中事件触发器的阈值是常数,得到了保证系统一致有界的判据。文献[15]针对线性和非线性系统,提出了基于耗散不等式的事件触发控制器的设计和实现方法,可以看到所构建的事件触发器依赖于对系统状态的连续监视,以检测当前状态是否超过触发阈值。为了实现这样的事件触发,现有的系统应该进行改造,便导致了事件触发方案实现的复杂性。在这些情况下,自触发方案(即释放时间是通过软件方法决定的)最近被提出,与此前的事件触发方机制相比,自触发方案可以为传感器提供额外的能量节省,并且实现的复杂性也较低。

因此,对于网络化双边遥操作系统,需要选择合适的触发机制才能实现理想的性能。时间触发机制能有效解决时延随机性的影响,而事件触发机制能解决网络传输对带宽的限制问题。通过研究对两种机制下的系统中从操作手对主操作手的跟踪效果,分析比较两种触发机制的优缺点,从而分析在不同应用背景下如何正确选择合适的触发条件,以解决时延不确定性及带宽限制给网络遥操作系统带来的影响,从而完成对不同性能要求下的网络遥操作系统的控制任务。

参考文献:

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