[发明专利]一种基于终端滑模的遥操作系统干扰有限时间补偿方法

说明书

本发明公开了一种基于终端滑模的遥操作系统干扰有限时间补偿方法，包括分别选取主机器人和从机器人组成遥操作系统，并分别测量主机器人和从机器人的系统参数，在线测量主机器人和从机器人的关机位置信息，并利用鲁棒精确差分器得到主机器人和从机器人的关节速度信息，设计基于终端滑模的有限时间干扰观测器，并反馈至主机器人和从机器人的控制器设计中，利用李雅普诺夫方程给出干扰观测器参数取值范围。本发明解决了现有干扰观测器观测速度慢且能力有限的问题，克服了参数不确定性和未知干扰对遥操作系统的影响，提高了系统的抗干扰性能。简化了控制器设计,更利于在工程实际中应用。

技术领域

本发明涉及遥操作系统控制领域，尤其涉及一种基于终端滑模的遥操作系统干扰有限时间补偿方法。

背景技术

遥操作系统主要由操作者、主机器人、网络信息传输通道、从机器人和远端的外界工作环境组成。其工作模式大致可描述为：操作者操作本地主机器人，并将主机器人的位置、速度等信息通过网络等传输媒介传送给从机器人，从机器人按照接收到的主机器人的位置和速度信息，在特定环境下模拟主机器人的行为从而完成各种工作，同时从机器人的工作状态将反馈至主端操作者，便于操作者根据从机器人的运动状态做出正确的决策。目前，遥操作系统的控制面临很大的挑战，一方面由于机器人本身为复杂的非线性系统，另一方面遥操作系统大多应用于复杂的人类无法或不适合接触的环境如海底探测，外空探测和危险环境救援等场景。系统的强非线性以及外界复杂未知的工作环境带来了系统的不确定和外界干扰。在大多数情况下可以将系统不确定以及外界干扰统一看作系统存在的强干扰。强干扰的存在给遥操作系统的控制性能带来了致命的影响。因此迫切需要提出新的系统干扰补偿策略，从而保证遥操作系统在恶劣工作环境下的高精度稳定工作。

针对系统的强干扰，基于滑模的干扰观测器设计提供了很好的补偿效果。而终端滑模的出现，不但保留了传统线性滑模的优点，另外其抗干扰性更强，系统收敛更快，精度更高，而且能提供有限时间收敛。但是典型的基于滑模的干扰观测器当初观测误差较大时，其观测速度将大大降低，因此增加了控制器设计负担。较差的干扰观测器性能会导致整个系统的不稳定，给遥操作系统的实际应用带来很大的障碍。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种观测速度快、能力强、克服参数不确定性和未知干扰对遥操作系统影响的基于终端滑模的遥操作系统干扰有限时间补偿方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括主机器人和从机器人，包括如下步骤：

步骤1，分别选取主机器人和从机器人并通过网络相连组成遥操作系统，再分别测量主、从机器人的系统参数，并利用力传感器测量操作者施加的力和外界环境施加的力。

步骤2，实时测量主机器人和从机器人的机械臂位置信息，利用鲁棒精确差分器有限时间内得到主机器人和从机器人的机械臂速度信息；

步骤3，基于所测量的关节位置和所重构的关节速度信息，设计基于终端滑模的系统干扰观测器；

步骤4，利用李雅普诺夫(Lyapunov)方程给出干扰观测器参数取值范围，进而根据实际应用对系统收敛时间的要求来确定干扰观测器参数，将干扰观测器的观测值反馈到控制器设计中，实现对遥操作系统干扰的有限时间在线补偿。

进一步的，所述步骤1中主、从机器人的系统参数包括：机械臂的长度信息和质量信息，以及根据机械臂的长度和质量信息分别计算出的主机器人和从机器人的惯性矩阵、哥氏力、离心力矩阵和重力项。利用力传感器测量操作者施加到主机器人的力F_h和外界环境施加到从端机器人的力F_e。

进一步的，所述步骤2中，基于主机器人和从机器人的系统机械臂关节位置信息，利用鲁棒精确差分器分别得到主、从机器人的机械臂速度信息；

鲁棒精确差分器设计如下