具有通讯时延的双边遥操作系统设计与仿真

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摘要随着人类对太空的不断探索，以及远程医疗的兴起，使得遥操作机器人的需求在逐渐增大。研发遥操作机器人技术已经成为目前机器人领域中的一大热潮。而双边控制方法作为遥操作技术的重要控制方式，有着不可取代的地位。目前，通讯时延在遥操作技术应用发展的过程中，仍然是不可避免的，不仅会延迟了主从端信息反馈的速度，还可能破坏系统的稳定性。本文首先着重讨论了具有通讯时延的双边遥操作系统，并设计了一类控制器。然后利用李雅普诺夫方法推断出系统的稳定性准则，以线性矩阵不等式（LMI）的形式给出。再根据给出的 LMI编写程序，推断出最大时延。最后，使用Simulink 搭建模型并通过仿真来验证控制器有效性。43119

毕业论文关键词遥操作机器人, 双边控制, 通讯时延, LMI，李雅普诺夫方法, Simulink，仿真

Title Design and Simulation of a Bilateral Teleoperation System with Communication Delay

Abstract With human beings’ constant exploration of space, as well as the rise of telemedicine, the demand for teleoperation-robots is gradually increasing. Research and development of teleoperation-robot technology has become a major upsurge in the field of robotics. The bilateral control method, as an important control method of teleoperation technology, is of great importance. At present, the communication delay in the application and development of teleoperation technology, is still inevitable, not only will slow down the speed of the information feedback from the master and slave, but also may destroy the stability of the system. In this paper, we first discuss the bilateral teleoperation system with communication delay, and design a kind of controller. With the help of the Lyapunov–Krasovskii methodology, the stability criteria can be obtained and given in the form of linear matrix inequality (LMI). According to the given LMI program, the maximum time delay is then calculated. Finally, the model is built by simulink. The simulation is used to verify the controller’s effectiveness.

Keywords Teleoperation-robot, Bilateral Control, Communication Delay, LMI, The Lyapunov–Krasovskii methodology, Simulink, Simulation

1绪论..1

1.1研究背景及意义...1

1.1.1研究背景..1

1.1.2研究意义..1

1.2研究现状...1

1.2.1遥操作研究现状..2

1.2.2双边遥操作研究现状..2

1.2.3双边控制存在的问题及研究方向..3

1.3本文主要研究内容与组织结构.4

1.3.1研究内容..4

1.3.2组织结构..5

2预备知识6

2.1双边遥操作系统.6

2.2系统模型.6

2.3机器人系统性质.7

3控制器设计及稳定性证明8

3.1控制器设计.8

3.2稳定性证明.9

3.3Matlab的LMI工具箱的使用..13

4基于Matlab的仿真及分析15

4.1模型搭建思路...15

4.2基于Matlab的仿真结果及分析.17

结论..32

致谢..33

参考文献..34

1 绪论 1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景全球第一台机器人诞生以后，机器人相关的技术便如同雨后春笋般不断涌现。当今时代，机器人技术融合了大量学科体系，为民事、军事和医疗等领域技术的发展提供着强有力的帮助[10]。然而机器人的智能化发展方向受到这个时代科学的限制，在今后能够预见到的一段时间内，完全自主智能的机器人技术是难以实现的。所以，有学者从八十年代后期开始就提出将机器人发展方向由完全自主智能向半自主智能方向发展-优尔`文~论^文.网www.youerw.com。遥操作就是在半自主智能发展方向上应运而生的技术。无人控制机器人作为完全自主智能机器人，其关键性技术就是要能够在与环境的接触中，能够实时传感器上的信息，并自主处理这些信息，然后产生一个适合的动作去完成目标任务。相比无人控制的机器人系统，有人控制机器人系统是将上述传感器中的信息加以处后并送给操作者，由人类操作者代替机器人来决定接下来产生的动作，从而能够更好地完成目标任务[7]。