[发明专利]基于渲染力的环境模型更新算法

说明书

技术领域

本发明涉及力反馈遥操作技术中的环境模型更新方法，是基于渲染力的环境模型更新算法。

背景技术

在基于模型的遥操作系统中，通过在线辨识得到的从端环境参数不断反馈到主端用于修正主端预测环境模型。然而由于主端预测力的计算直接依赖于环境模型参数，直接对模型参数进行“切换”式的更新会导致“模型跳跃”效应，即预测力的突变会影响操作者的正常操作和从端对主端指令的执行，甚至破坏系统的安全性和稳定性。

例如，由于从端相对于主端的滞后性，当主端的指令位置导致从端机械臂末端会与从端环境发生接触时，实际从端机械臂末端还没有与环境发生接触。此时，主端控制器通过预测环境模型中的接触动力学模型和主端当前位置计算出一个预测的反馈力，并通过力反馈设备进行力觉渲染传递给人手。而接触力的计算是基于预测环境模型中的环境刚度参数的。当从端发生实际接触之后，参数辨识得到的实际环境刚度会反馈到主端用于修正预测模型。而如果从端反馈的实际环境刚度明显大于环境刚度的初始值，就会导致计算得到的预测力的突然增大。如果操作者无法控制突然增大的接触力，就会导致主端位置发生较大突变甚至震荡，给操作者带来冲击，破坏主端人机交互的稳定性。而且主端位置的突变同时会传递到从端，导致从端机械臂位置跟随主端发生突变，也破坏了遥操作从端的稳定性。

通常采用模型更新算法来控制模型参数的更新，从而减小主端的突变力，提高系统稳定性。现有的模型更新算法包括较为保守的无能量算法和无源性算法，和较为常用的渐进更新算法。但是这些方法都还存在各自的问题，例如更新效率低，对突变力的控制效果不稳定等。

发明内容

本发明在环境模型更新的研究中，首先实验验证模型跳跃效应对操作的影响，然后比较分析了最新的三种模型更新算法。在此基础上，提出了一种新的基于渲染力调节的模型更新算法。比较分析和实验验证都说明提出的算法优于现有算法，显著改善了模型更新的效果。

本发明采用以下技术方案，步骤包括：

步骤一、将正常操作中主端位置变化导致的预测力变化与突变力分离，不限制正常运动导致的预测力的较快变化。记f_ex，t为设定的t时刻操作者预期力，将f_p，t与f_ex，t的差值记为t时刻的扰动力f_ab，t，输出渲染力为f_m，t。算法描述如下：

f_ab,t＝f_p,t-f_ex,t(3)

f_m,t＝f_ex,t+SAT(f_ab,t)(4)

其中SAT(f_ab,t)为饱和函数，将f_ab限制到采样周期ΔT内的最大变化量以内。

步骤二、将f_ex,t限制于保持不变或变化量与距离成正比的范围内，并取接近f_p,t的值。存在参数更新时，f_m,t随时间趋于f_p,t，在趋近过程中，如果主端运动导致的力变化与趋近方向一致，由于对于操作者是可感知的，令加速趋近过程。如果与f_ex,t-f_m,t-1异号，即趋近方向相反，则不对Δx_t进行响应。由于在运动过程中接触力保持不变对于操作者是容易控制的，这种处理方式在保持系统稳定的前提下加快了f_m,t到f_p,t的趋近速度，即加快了模型更新速度。

当不存在参数更新时，f_ex,t中包含了运动导致的预测力变化，使得f_m,t＝f_ex,t，即该算法完全不影响无参数更新过程中的正常力变化。

同时，在任意时刻扰动力f_ab的取值小于预先规定的保证了模型更新过程中，系统处于可控状态。由于直接对输出渲染力进行控制，该算法能够处理系统能量减少的情况。例如在计算得到的接触力突然减小时，能够使渲染的接触力逐渐降低，给予了操作者充足的反应时间，避免了不期望的位置波动。

步骤三、定义和分别为t时刻合理期望力的最大值和最小值：

则更新过程中t时刻的突变力为：