[发明专利]反步有限时间双边遥操作控制方法及计算机可读存储介质

说明书

反步有限时间双边遥操作控制方法及计算机可读存储介质，方法为：S1、对n自由度的双边遥操作控制机器人系统建立不考虑重力项的双边遥操作动力学模型；分别对主从端执行S2至S6：S2、提取机器人的关节位置变量并进行变量替换，建立状态变量方程；定义状态变量方程中待定的虚拟切换控制器；S3、基于状态变量方程提取待稳定系统；S4、选取第一Lyapunov函数以稳定待稳定系统；S5、对第一Lyapunov函数求导并根据求导结果定义非奇异积分终端滑模面；S6、选取第二Lyapunov函数以计算状态变量在滑模面滑动阶段的收敛时间；S7、构建双边控制器，以使非滑动模态于有限时间内到达非奇异积分终端滑模面；S8、估计状态变量收敛时间的上限。

技术领域

本发明涉及控制技术领域，具体涉及一种基于HJI理论的反步有限时间双边遥操作控制方法以及一种计算机可读存储介质。

背景技术

机器人遥操作技术是指操作人员监视和控制远方机器人完成各种任务的技术。目前，受限于人工智能的发展水平，机器人在面对大多数复杂任务时自主完成任务的程度不佳。为了保证任务完成度，遥操作在机器人控制模式中不可或缺。此外，在一些人类无法触碰甚至一些危及人类健康或生命安全的环境下，遥操作技术被广泛应用。

遥操作技术有预测控制、遥操作编程技术和双边控制三种控制模式。双边控制方法中，主端和从端都在一个控制回路中，两者之间相互作用，通过设计控制算法克服通信时延的影响(相关技术可参考《空间机器人遥操作双边遥控制技术研究》-邓启文)。一个典型的双边控制系统包含以下五个环节：操作员、主端机器人、主从端通信链路、从端机器人和环境。

双边遥操作中最主要的是通信时延影响下的系统稳定性问题，特别是远距离遥操作任务重，通信时延将严重影响系统性能，甚至导致闭环系统失稳。为保证遥操作系统的闭环稳定性，基于无源性的双边控制方法被许多学者研究和讨论，比较经典的包括散射变换法和波向量法。此外，文献《Delay-dependent stability criteria of teleoperationsystems with asymmetric time-varying delays》中基于H_∞鲁棒控制理论在最优框架下对变时延问题进行了研究，事实上，遥操作的时延动态特性十分复杂，既包括固定时延分量也包含随机分量，特别是跳变的随机分量将导致信息难以获取和测量。这类抖动时延将严重影响闭环系统稳定性，然而上述方法难以解决抖动时延问题。

双边控制器在时延下的动态性能是双边遥操作系统的另一个重要指标。动态性能包括跟踪速度(响应时间)和稳态跟踪误差。针对这一问题，文献《Synchronization ofbilateral teleoperators with time delay》设计了一种位置跟踪控制器实现了双边协同误差的渐近收敛。文献《Bilateral control of teleoperation systems with timedelay》提出的方法实现了主从端误差的有界性，并显式地给出了误差与控制器参数的关系。上述方法实现了渐近控制，即状态变量在时间趋于无穷时的收敛。然而，渐近控制难以达到实际任务的要求。事实上，实际任务中更需要一种有限时间收敛且收敛时间可控的控制方法。

发明内容

本发明的主要目的是基于HJI理论，提出一种反步有限时间双边遥操作控制方法，该控制方法能够实现主从端机器人机械臂的相对位置误差及速度误差在有限时间内收敛且收敛时间可控，以解决现有技术在很长时间内才能使跟踪误差趋近于零的问题。

本发明为达上述目的所提供的技术方案如下：

一种反步有限时间双边遥操作控制方法，包括以下步骤

S1、对于n自由度的双边遥操作控制机器人系统，建立其不考虑重力项的双边遥操作动力学模型；其中，n为正整数；

分别对所述双边遥操作动力学模型的主端和从端执行以下步骤S2至S6：