劉冬雨，劉 宏，黃龍飛

(1.中國空間技術(shù)研究院 北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心，北京 100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

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基于Smith預(yù)測(cè)控制的空間機(jī)器人遙操作研究*

劉冬雨1，2，劉 宏2，黃龍飛1

(1.中國空間技術(shù)研究院 北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心，北京 100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

基于無源性理論分析機(jī)器人時(shí)延雙向遙操作不穩(wěn)定的原因.為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，提出一個(gè)結(jié)合Smith預(yù)測(cè)控制與在線修正環(huán)境參數(shù)的控制策略.針對(duì)機(jī)器人接觸性操作任務(wù)中環(huán)境模型參數(shù)的辨識(shí)，通過拉彈簧試驗(yàn)給出了在線辨識(shí)方法，并對(duì)提出控制策略的穩(wěn)定性和透明性進(jìn)行仿真分析.完成了機(jī)器人在時(shí)延條件下拉彈簧遙操作試驗(yàn)，結(jié)果表明在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中所提出的方法可以提供操作者較好的透明性.

空間機(jī)器人；在軌服務(wù)；雙向遙操作；預(yù)測(cè)控制；在線辨識(shí).

0 引 言

空間飛行器在軌服務(wù)、空間站組裝建造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等任務(wù)中，空間機(jī)器人的作用越來越重要，它可以替代航天員出艙活動(dòng)，自主或通過地面遙操作完成危險(xiǎn)任務(wù)，從而減小航天員出艙活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，降低任務(wù)成本并提高效率.隨著國際空間站、ETS-VII和軌道快車等項(xiàng)目相繼發(fā)射，空間機(jī)器人已成為開發(fā)利用空間資源的重要技術(shù)手段.

國內(nèi)外專家對(duì)空間機(jī)器人雙向遙操作進(jìn)行了大量研究和分析.根據(jù)前沿研究[1-3]成果，本文從時(shí)延造成機(jī)器人雙向遙操作不穩(wěn)定的原因開展分析，提出一個(gè)基于Smith預(yù)測(cè)控制器的雙向遙操作控制策略.這種控制策略與以犧牲遙操作透明性為代價(jià)換取遙操作控制系統(tǒng)穩(wěn)定性不同，其兼顧了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與操作任務(wù)的透明性，在二者間獲得了良好的折中.建立基于Smith預(yù)測(cè)力反饋的控制結(jié)構(gòu)需要對(duì)機(jī)器人操作環(huán)境獲取先驗(yàn)信息，因此本文建立了接觸任務(wù)的環(huán)境模型，并給出環(huán)境參數(shù)辨識(shí)方法.通過仿真驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)遙操作透明性進(jìn)行了分析.最后通過機(jī)器人遙操作拉彈簧試驗(yàn)驗(yàn)證了基于預(yù)測(cè)力反饋的機(jī)器人雙向遙操作方法的有效性.

1 機(jī)器人時(shí)延雙向遙操作的困難

時(shí)間延遲主要產(chǎn)生于機(jī)器人雙向遙操作系統(tǒng)地面控制器和在軌機(jī)器人本體間的通信環(huán)節(jié)(含處理環(huán)節(jié)).很短的時(shí)延都會(huì)造成整個(gè)天地系統(tǒng)的不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定的原因不依賴于控制器和機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)，全部歸結(jié)于地面與在軌機(jī)器人間的時(shí)延[2].

如圖1所示，采用無源性理論，以一個(gè)二端口單元描述機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的通信環(huán)節(jié).通信環(huán)節(jié)的左端連接地面控制器，通信環(huán)節(jié)的右端連接在軌機(jī)器人本體.地面對(duì)機(jī)器人控制指令的速度通過通信環(huán)節(jié)傳給在軌機(jī)器人；在軌機(jī)器人與環(huán)境間的操作力通過通信環(huán)節(jié)反饋到地面，作為地面操作人員的反饋力信號(hào).

圖1 空間機(jī)器人通信環(huán)節(jié)Fig.1 Space manipulator communication segment

通信環(huán)節(jié)中的機(jī)器人各關(guān)節(jié)相互獨(dú)立，本文從單自由度系統(tǒng)開展分析.系統(tǒng)的總功率為

(1)

式中，T為通信環(huán)節(jié)的時(shí)延，帶下標(biāo)m的為地面變量，帶下標(biāo)s的為在軌機(jī)器人變量，b為特征阻抗.

定義能量函數(shù)E和功率耗散函數(shù)Pdiss如下：

(2)

(3)

可以將式(1)寫成儲(chǔ)存能量變化率的形式

(4)

2 空間機(jī)器人系統(tǒng)建模

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

如圖 2所示，機(jī)器人具有6個(gè)自由度，采用與文獻(xiàn)[4]相同的坐標(biāo)系建立D-H坐標(biāo)系.

圖2 空間機(jī)器人D-H坐標(biāo)系Fig.2 Space manipulator D-H reference frame

(5)

式中cθi=cosθi，sθi=sinθi，cαi-1=cosαi-1、sαi-1=sinαi-1.

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)描述了機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度和機(jī)器人末端位姿的變換關(guān)系，如式(6)所示：

(6)

2.2 操作環(huán)境模型及參數(shù)辨識(shí)

機(jī)器人與環(huán)境的碰撞采用二階模型描述機(jī)器人平穩(wěn)操作階段的環(huán)境動(dòng)力學(xué)，如式(7)所示：

(7)

二階模型只含有3個(gè)時(shí)變參數(shù)，模型結(jié)構(gòu)固定.辨識(shí)參數(shù)為me、be、ke.采取離線辨識(shí)方式建立操作環(huán)境與機(jī)器人間的平穩(wěn)接觸初值作為環(huán)境的先驗(yàn)信息.

環(huán)境參數(shù)在線辨識(shí)使用最小二乘參數(shù)估計(jì)遞推算法，估計(jì)值由上一時(shí)刻的估計(jì)值加修正項(xiàng)組成：

(8)

(9)

3 基于Smith預(yù)測(cè)補(bǔ)償和在線辨識(shí)的雙向遙操作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)有3個(gè)假設(shè)：(1)機(jī)器人模型充分精確；(2)通信時(shí)延已知；(3)結(jié)構(gòu)化的接觸環(huán)境.

3.1 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過本文第2節(jié)分析，在軌機(jī)器人系統(tǒng)Gp(s)具有純時(shí)延環(huán)節(jié)，如式(10)所示：

Gp(s)=G0(s)e-Ts

(10)

圖3 基于Smith預(yù)測(cè)和在線辨識(shí)的雙向遙操作系統(tǒng)控制框圖Fig.3 Bilateral teleoperation control system diagram based Smith control and identification on line

空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)在地面控制站建立兩個(gè)對(duì)在軌機(jī)器人的預(yù)測(cè)模型，其中一個(gè)預(yù)測(cè)模型增加了上行鏈路和遙測(cè)鏈路的時(shí)延，采用有時(shí)延環(huán)節(jié)的預(yù)測(cè)模型回路與在軌機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行比較.利用預(yù)測(cè)模型補(bǔ)償時(shí)延影響，同時(shí)經(jīng)過在線辨識(shí)修正環(huán)境模型誤差.地面控制站預(yù)測(cè)模型無時(shí)延環(huán)節(jié)，這個(gè)模型作為遙操作系統(tǒng)的主端給操作者直接的預(yù)測(cè)力反饋.

3.2 穩(wěn)定性分析

(1)理想系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

Smith預(yù)測(cè)補(bǔ)償若準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，即滿足前文的3個(gè)假設(shè)條件，系統(tǒng)穩(wěn)定性可由經(jīng)典控制理論分析.將地面站的控制器簡(jiǎn)化成慣性環(huán)節(jié)，在軌機(jī)器人關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化成慣性環(huán)節(jié)，主端控制器、從端控制器均采用PD控制器.針對(duì)機(jī)器人拉彈簧試驗(yàn)，將環(huán)境模型簡(jiǎn)化成一個(gè)比例環(huán)節(jié).當(dāng)補(bǔ)償完全實(shí)現(xiàn)后，系統(tǒng)Bode圖如圖4所示.系統(tǒng)幅值穿越頻率小于相角穿越頻率，系統(tǒng)穩(wěn)定.通過調(diào)節(jié)PD控制器，可以改善相位、幅值裕度指標(biāo).

(2) 加入擾動(dòng)和在線辨識(shí)算法后的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

圖4 理想系統(tǒng)的伯德圖Fig.4 Bode diagram of ideal system

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result

3.3 透明性分析

(11)

式中Ze為環(huán)境阻抗.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在遙操作機(jī)器人拉彈簧試驗(yàn)中，采用基于Smith預(yù)測(cè)力反饋技術(shù).程序模擬時(shí)延設(shè)定的發(fā)送時(shí)延和反饋時(shí)延均為3.5 s，拉彈簧的試驗(yàn)如圖6所示.主端模擬地面給在軌機(jī)器人發(fā)送位置指令，從端機(jī)器人模擬在軌操作跟蹤地面的位置輸入.從試驗(yàn)的位置跟蹤曲線圖7可以看出，除遙操作主端與從端的靜態(tài)位置偏差外，機(jī)器人可以跟隨位置指令.造成靜態(tài)位置跟蹤偏差的主要原因包括關(guān)節(jié)柔性、間隙和臂桿柔性.

圖6 拉彈簧試驗(yàn)Fig.6 Pulling spring test

圖7 主從端位置跟蹤曲線Fig.7 Master and slave position track curve

主端直接預(yù)測(cè)力的算法如式所示，其實(shí)現(xiàn)了框圖 3的控制方案，利用在線辨識(shí)修正離線剛度辨識(shí)值，最后用經(jīng)過時(shí)延的預(yù)測(cè)力和實(shí)際接觸力的綜合值加以修正.

(12)

主端經(jīng)過7 s的雙向時(shí)延后才能進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的在軌更新，因此圖8中在主端預(yù)測(cè)的從端虛擬接觸力有較大的尖峰，這個(gè)峰值的大小就取決于離線辨識(shí)的精度.圖7在10 s左右主端控制器輸出的位置基本保持不變，說明通過地面操作者的抑制，離線辨識(shí)不準(zhǔn)確的干擾并沒有顯著影響操作人員的效果.10 s后，力跟蹤曲線復(fù)現(xiàn)較好實(shí)現(xiàn).

圖8 主從端力跟蹤曲線Fig.8 Master and slave force track curve

5 結(jié) 論

Smith預(yù)測(cè)控制結(jié)合在線環(huán)境辨識(shí)的機(jī)器人遙操作策略實(shí)現(xiàn)了時(shí)延雙向遙操作從端接觸力較好的預(yù)測(cè)，在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中可以較好的完成維護(hù)任務(wù)；同時(shí)能夠克服時(shí)延影響，使得操作者力臨場(chǎng)感得到補(bǔ)償，提供操作者較好的操作透明性.

提高對(duì)環(huán)境的離線辨識(shí)精度，將進(jìn)一步提高操作性能，使空間機(jī)器人系統(tǒng)遙操作更為可靠.

[1] 孫富春,吳鳳鴿,劉華平.面向在軌服務(wù)遙操作技術(shù)的研究與展望[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用.2008,1(34):33-37. SUN F C, WU F G, LIU H P. Research and Prospects for Tele-Operation in On—Orbit Servicing[J]. Aerospace Control and Application, 2008, 1(34):33-37.

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Space Manipulator Based on Smith Predictive Control

LIU Dongyu1，2， LIU Hong2， HUANG Longfei1

(1．InstituteofMannedSpacecraftSystemEngineering,Beijing100094,China；2．StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150080，China)

The reason of the instability of bilateral teleoperation under time delay is analyzed. To guarantee the system stabilization，a control strategy is proposed based on Smith predictor controller and environment parameter online identification. Aiming at parameter identification in contacting operation， a parameter identification method is given combined with drawing spring experiments. The stability of control strategy and transparency of the teleoperation system are simulated. Finally, the drawing spring experiment is tested with time delay， and the validity of the control strategy is proved by the results.

space manipulator; on-orbit servicing; bilateral teleoperation; predict control; on-line identification

*載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究課題(050101).

2015-04-17

TP242.3

A

1674-1579(2015)05-0019-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2015.05.004

劉冬雨(1985—)，男，工程師，研究方向?yàn)榭臻g飛行器總體設(shè)計(jì)、空間機(jī)器人技術(shù)；劉 宏(1966—)，男，博士，教授，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)器人技術(shù)；黃龍飛(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榭臻g飛行器總體設(shè)計(jì).