基于史密斯估计和参数修正的遥操作控制#蒋再男，樊绍巍*（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨150080）5101520摘要：天地之间较大通讯时延制约了空间机器人双边遥操作的性能。本文提出基于Smith预估和模型修正的空间机器人遥操作方法，通过实时力反馈回路给操作者提供无时延的预测力克服时延对遥操作的影响，利用模型修正回路的递推最小二乘方法对从端模型进行在线参数辨识和模型修正，克服模型不确定影响，保证系统稳定性。在7s双向时延条件下，遥操作仿真系统和拉弹簧遥操作实验验证了该方法的有效性。关键词：空间机器人；遥操作；Smith预估；力反馈；时延中图分类号：TP242.3TeleoperationControlbasedonSimthPredictorandParameterCorrectionJiangZainan,FanShaowei(StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150080)Abstract:Theperformanceofbilateralteleoperationisseriouslyrestrictedbylargetimedelaybetweengroundandspaceforspacerobot.ThecontrolstructurebasedonSmithpredictorandmodelcorrectionisproposedinthispaper.Thepredictiveforceisprovidedbyrealtimeforcefeedbacklooptoovercomethetimedelay.Therecursiveleastsquareisusedtoidentifyandcorrectthemodelofenvironmenttoovercometheuncertainenvironmentinthemodelcorrectionloop,thenthestabilityoftheteleoperationisobtained.Theresultsofteleoperationsimulationsystemandspring-pullingshowtheeffectivenessoftheproposedmethod.Keywords:spacerobot;teleoperation;smithpredictor;forcefeedback;timedelay250引言随着人类探索太空的不断发展，空间机器人将在空间站的在轨维护和科学实验、航天器寿命延长和维护等方面发挥更加重要作用。由于完全自主控制的空间机器人难以实现，因此地面遥操作是空间机器人的一种有效控制方式[1,2]。然而，天地之间较大通讯时延导致操作303540者对远端环境的视觉和力觉感知滞后，严重影响了操作性能。针对视觉感知滞后，图形预测显示能够较好地解决自由空间下时延对视觉感知滞后的影响[3]。对于空间机器人的接触作业，具有力反馈的双边遥操作能够提高接触作业的性能，然而天地通讯时延不仅影响了操作者对远端接触状态的准确感知，还可能会导致控制系统不稳定。基于无源性的双边控制方法利用电网络理论，通过保证传输模块无源性，实现遥操作系统稳定性[4,5]。无源性方法的稳定性是时延无关的，但由于无源性与透明性相互矛盾，该方法操作性能较差，而且时延越大操作性能越差。基于现代控制理论方法对解决通信时延是具有潜在生命力的方法，但由于目前现代控制理论的不完善和系统实现上的困难等原因，对解决遥操作机器人系统的通信时延问题存在着许多实用性困难[6]。基于事件方法通过为系统寻找一个与时间无关或不是时间显函数的参变量(即事件)，控制系统的规划和设计都是基于这个新的事件变量来进行，能够保证遥操作的稳定性，但该方法寻找合适的非时间参变量比较困难[7]。近年来，Smith预估控制被应用到遥操作系统来消除时延的影响[8]，在主端对从端基金项目：教育部博士点基金（20122302120046），中央高校基本科研业务费专项基金（HIT.NSRIF.201168）作者简介：蒋再男，（1982-），男，助理研究员，主要研究方向为空间机器人遥操作。jiangzainan@hit.edu.cn-1-的机器人和环境进行模拟，主端的操作者感受到虚拟环境中的从端机器人所受到的接触力。本文提出基于Smith预估和模型修正的双边遥操作控制方法，通过实时力反馈回路反馈给操作者无时延的预测力，利用模型修正回路的递推最小二乘方法对从端模型进行在线参数455055辨识和模型修正，克服模型不确定影响。最后通过仿真和实验对该方法进行验证。1基于Smith预估的遥操作控制系统基于过程控制中解决时延影响的Smith预估控制的思想，针对结构化环境下空间机器人遥操作系统进行预估补偿，克服时延对遥操作系统影响，建立基于Smith预估和模型修正的双边遥操作系统，如图1所示。其中，Gp(s)为从端（空间机器人与环境）传递函数，Gˆp(s)为从端估计模型。需要说明的是...