遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統的製作方法
2023-06-10 08:14:51 3
遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統，包括操縱機構、位置傳感器、力傳感器、反力模擬機構、功率驅動、控制器，其特徵在於：位置傳感器和力傳感器分別對操縱機構的當前操縱位移和操縱力進行檢測，控制器接收位置傳感器信號和力傳感器信號，同時實現操縱反力的計算、反力模擬控制算法和指令力閉環控制，並將電壓控制信號輸出給功率驅動模塊以實現對操縱反力的模擬。本發明在不基於遠程操縱系統執行機構的前提下，通過對操縱機構反力模擬控制算法的設計，即可實現對包括任意幅值摩擦力在內的任意操縱反力的真實模擬。
【專利說明】遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統
【技術領域】
[0001] 本發明屬於機械操縱【技術領域】，具體涉及遠程操縱系統操縱反力模擬技術。
【背景技術】
[0002] 遠程操縱系統正廣泛應用於工業生產與日常生活領域，如遠程手術、遠程機器人 操縱以及應用在汽車、飛機等交通工具上的線控技術等。遠程操縱系統通常包含操縱機構 以及執行機構，操縱機構作為與操縱人員直接互相作用的接口，其除了起到接收操縱人員 的操縱指令作用外，還起到為操縱人員提供必要的操縱反力作用，以增強操縱人員的臨場 感覺。
[0003] 操縱機構內部通常裝有位置傳感器和力（力矩）傳感器，以及用以提供操縱反力 的反力模擬機構，反力模擬機構對反力模擬效果的好壞，將直接影響到操縱人員的操縱感 覺；此外，反力模擬機構往往還要求操縱力特性有較好的可調節性，以滿足操縱人員不同的 操縱體驗。
[0004] 現有遠程操縱系統的操縱機構反力模擬方法主要有兩種，一種是基於執行機構實 際執行力（力矩）的方法，即通過對反力模擬的控制將實際執行機構的執行力（力矩）復 現出來；另一種是基於模型的計算反力模擬方法，即將操縱機構的操縱位置作為模型的輸 入信號，將通過模型計算得到的反力（力矩）作為反力模擬機構的指令力（力矩）。第一種 方法基於實際的執行機構，其對反力模擬的可調節性往往大打折扣，不能實現任意的操縱 力特性模擬；而第二種方法所基於的系統模型中往往包含摩擦模型，對摩擦操縱反力進行 模擬時，由於摩擦模型的非線性特性，常會帶來操縱機構的力（力矩）抖動、系統振蕩、系統 響應速度慢等問題，給操縱人員的操縱體驗帶來負面影響。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種能夠不需要實際執行機構，僅利用反力模擬機構以及反 力模擬控制算法，來實現對包括任意幅值摩擦力在內的任意操縱力特性的良好模擬。
[0006] 為了達到以上目的，本發明的技術方案是：一種遠程操縱系統用操縱反力模擬及 控制系統，包括操縱機構、位置傳感器、速度傳感器（亦可採用位置傳感器信號微分等方式 來替代）、力傳感器、反力模擬機構、功率驅動、控制器。位置傳感器和力傳感器分別對操縱 機構的當前操縱位移和操縱力進行檢測，控制器接收位置傳感器信號和力傳感器信號，同 時實現包括操縱反力的計算、反力模擬控制算法和指令力閉環控制的功能，並將電壓控制 信號輸出給功率驅動模塊以實現對操縱反力的模擬。
[0007] 控制器內部操縱力矩計算模塊用以實現操縱力特性的計算功能，將操縱力特性分 解為剛度項和摩擦項，並可通過對可調力特性參數進行修改實現任意形狀的操縱力特性， 通過接收到的操縱機構位置信號，輸出操縱力的剛度項和摩擦項的計算值。其中，操縱力特 性指操縱機構的操縱力與位置和速度的關係。
[0008] 可調操縱力特性根據距離操縱機構中間位置的遠近可分為三個區域：區域1 (操 縱機構總體可操縱距離三分之一以內範圍區域）、區域2(操縱機構總體可操縱距離三分之 一至三分之二範圍區域）和區域3 (操縱機構總體可操縱距離三分之二以外範圍區域）；可 調操縱力特性的計算主要包括分布在這三個區域的七個可調參數，通過對這七個參數的調 整便可以實現任意的操縱力特性，這七個參數主要是：
[0009] ①區域1內的操縱力特性的比例值& :表示區域1內操縱力矩相對於操縱位移的 變化率，即操縱力矩對方向盤角度的偏導數值；
[0010] ②區域1內的操縱力特性的摩擦力值Fi:表示區域1內操縱力矩中的摩擦力值，即 操縱力矩值上限與下限值之差的一半；
[0011] ③區域2內的操縱力特性的比例值K2 :表示區域2內操縱力矩相對於操縱位移的 變化率，即操縱力矩對方向盤角度的偏導數值；
[0012] ④區域3內的操縱力特性的比例值K3:表示區域3內操縱力矩相對於操縱位移的 變化率，即操縱力矩對方向盤角度的偏導數值；
[0013] ⑤區域3內的操縱力特性的摩擦力值F3 :表示區域3內操縱力矩中的摩擦力值，即 操縱力矩值上限與下限值之差的一半；
[0014] ⑥操縱機構遠離中間位置過程中的轉折位置x2:表示操縱機構逐漸遠離中間位置 而進入到區域3的一個轉折位置；
[0015] ⑦操縱機構返回中間位置過程中的轉折位置Xi :表示操縱機構由遠離中間位置的 區域逐漸返回中間位置而進入區域1的一個轉折位置。
[0016] 控制器內部的反力模擬控制算法模塊的主要功能在於，其接收到操縱機構位置信 號、力信號和設計操縱力信號值，在對系統穩定性能、擾動抑制性能和系統帶寬性能進行分 析的基礎上，進行控制算法設計，並輸出指令力值，實現對包括任意幅值摩擦操作反力在內 的任意操縱力的模擬，主要包括基於摩擦力模型和魯棒控制的方法（控制方案1)和基於擾 動觀測器和零速閉環的方法（控制方案2)。
[0017] 所述的控制方案1 :通過在剛度項操縱力後加校正環節抑制操縱機構返回中位時 產生的抖動現象；通過低通濾波或者其他濾波方法計算得到操縱機構位移速度；基於漸變 型的摩擦力模型以及操縱機構位移速度信號得到期望操縱摩擦力值；通過魯棒控制器解決 摩擦力模型引起的力抖動、帶寬響應以及系統穩定性的矛盾，將校正環節與魯棒控制器的 輸出相加，作為最終的目標指令力值。
[0018] 所述的控制方案2 :通過低通濾波或者其他濾波方法計算得到操縱機構位移速 度；通過比例控制器對目標操縱機構位移速度進行零速控制；根據操縱機構位移速度和力 傳感器信號進行基於擾動觀測器方法的力補償計算；通過操縱機構位置信號，結合設計的 操縱力特性，計算出反力模擬機構輸出反力的上下限，並送入限幅環節；限幅環節的輸出作 為最終的目標指令力值。
[0019] 由於採用了以上技術方案，本發明的有益效果是：本發明在不基於遠程操縱執行 機構的前提下，通過對操縱機構的反力模擬機構以及反力模擬控制算法的設計，即可實現 對包括任意幅值摩擦力在內的任意操縱反力的真實模擬，從而在降低系統成本的同時增加 了反力模擬系統的靈活性和適用範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明實施例遠程操縱系統用操縱反力模擬系統的結構示意圖。
[0021] 圖2是本發明實施例汽車線控轉向系統方向盤操縱反力模擬系統的結構示意圖。 [0022]圖3是任意可調操縱力特性原理圖。
[0023]圖4是基於摩擦力模型和魯棒控制的反力模擬控制算法框圖。
[0024] 圖5是加入校正環節前後的系統開環bode圖。
[0025] 圖6是基於操縱機構位移速度的漸變型摩擦力模型原理圖。
[0026] 圖7是廣義被控對象搭建和魯棒控制器求解框圖。
[0027] 圖8是基於擾動觀測器和零速閉環控制的反力模擬控制算法框圖。
[0028] 圖9是基於擾動觀測器和零速閉環控制的反力模擬控制算法的具體實現圖。
[0029] 圖10是系統模型發生攝動時對系統開環bode圖影響的分析圖。
[0030] 圖11是由駕駛員操縱得到的方向盤轉角信號圖。
[0031] 圖12是基於摩擦力模型和魯棒控制得到的不同設計摩擦力幅值情況下方向盤操 縱摩擦力矩模擬效果圖。
[0032] 圖13是基於擾動觀測器和零速閉環控制得到的不同設計摩擦力幅值情況下方向 盤操縱摩擦力矩模擬效果圖。
[0033] 圖14是基於摩擦力模型和魯棒控制得到的設計目標力特性實現效果圖。
[0034] 圖15是基於擾動觀測器和零速閉環控制得到的設計目標力特性實現效果圖。
【具體實施方式】
[0035]以下結合附圖所示實施例對本發明在汽車線控轉向技術上的應用作進一步的說 明，以幫助該領域的技術人員進一步理解該發明。應當指出的是，該發明所應用領域不局 限於汽車線控轉向技術，還可應用於如虛擬手術、機器人遠程操縱等其他領域的遠程操縱 系統。例如在虛擬手術領域，通過對真實手術場景的模擬，藉助一定的觸覺、視覺交互裝置， 實現醫生在虛擬環境下進行手術模擬和手術培訓等，其實施方法為：一方面傳感器測量手 術刀真實的運動和力信息，另一方面通過力反饋執行機構將手術刀的力信息傳遞給外科醫 生，從而增強醫生的操縱觸覺感，而對力反饋信息的模擬則可以使用本發明所描述的技術 方案；在機器人遠程操縱領域，如排爆機器人，其用於協助排爆人員對可疑物進行處置或銷 毀，避免不必要的人員傷亡，其實施方法為：一方面視覺傳感器和排爆機器人機械臂力傳感 器測量排爆現場的信息，並通過無線通信反饋給排爆專家，另一方面排爆專家通過操縱機 構來對機器人進行遠程操縱，並通過力反饋機構感知排爆現場的觸覺信息，為進一步的排 爆策略提供依據，而力反饋機構對觸覺信息的模擬則可以使用本發明所描述的技術方案。 以下對本發明在汽車線控轉向技術上的應用作進一步的詳細說明。
[0036] 如圖1所示，本發明是一種遠程操縱系統用操縱反力模擬系統及控制方法，包括 操縱機構、位置傳感器、速度傳感器（亦可採用位置傳感器信號微分等方式來替代）、力傳 感器、反力模擬機構、功率驅動、控制器。位置傳感器和力傳感器分別對操縱機構的當前操 縱位移和操縱力進行檢測，控制器接收位置傳感器信號和力傳感器信號，同時實現包括操 縱反力的計算、反力模擬控制算法和指令力閉環控制的功能，並將電壓控制信號輸出給功 率驅動模塊以實現對操縱反力的模擬。
[0037] 如圖2所示，是該發明在汽車線控轉向系統反力模擬系統及控制方法中的應用示 意圖，包括方向盤1、轉向管柱2、角度傳感器3、力矩傳感器4(可選）、反力電機5、功率驅動 器6、電流傳感器7和控制器，方向盤通過轉向管柱與反力電機同軸相連，角度傳感器安裝 到轉向管柱，控制器接收角度傳感器採集到的方向盤操縱角度，根據已設計的方向盤操縱 力特性計算出當前的方向盤操縱力矩，將計算得到的方向盤操縱力矩信息解耦為剛度項和 摩擦項，送入反力模擬控制模塊，反力模擬控制算法對所要實現的剛度項力矩和摩擦項力 矩進行控制實現並計算出送入電流閉環控制模塊的目標電流值，電流閉環控制模塊通過電 機驅動模塊及其內部的電流傳感器對此目標電流值進行閉環控制，從而實現對方向盤不同 操縱角度下操縱反力感覺的模擬。
[0038] 如圖3所示，為任意可調操縱力特性設計示意圖，方向盤操縱力由剛度項和摩擦 項組成，並由轉向時的轉折角度e:和回正時的轉折角度e2將操縱力特性分為3個區域， 即區域1(-0:與之間的區域）、區域2(0 :與02之間以及_02與_01之間的區域） 和區域3 (大於0 2與小於-0 2之間的區域），每個區域具有兩個力特性設計參數：剛度項 係數K和摩擦力（矩）F，剛度項係數為操縱力矩相對於操縱機構位置的變化率，及操縱力對 操縱機構位置的偏導數值，摩擦力（矩）為設計操縱力矩值上限與下限值之差的一半；最終 設計力特性可分解為剛度項和摩擦力矩項，並由相應參數計算得到，計算公式如下：
【權利要求】
1. 一種遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統，包括操縱機構、位置傳感器、力傳感 器、反力模擬機構、功率驅動、控制器，其特徵在於：位置傳感器和力傳感器分別對操縱機構 的當前操縱位移和操縱力進行檢測，控制器接收位置傳感器信號和力傳感器信號，同時實 現操縱反力的計算、反力模擬控制算法和指令力閉環控制，並將電壓控制信號輸出給功率 驅動模塊以實現對操縱反力的模擬。
2. 根據權利要求1所述的遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統，其特徵在於：所 述控制器的操縱反力的計算包括：將操縱力特性分解為剛度項和摩擦項，並可通過對可調 操縱力特性的參數進行修改實現任意形狀的操縱力特性，通過接收到的操縱機構位置信 號，輸出操縱力的剛度項和摩擦項的計算值；其中，操縱力特性指操縱機構的操縱力與位置 的關係。
3. 根據權利要求2所述的遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統，其特徵在於：所 述可調操縱力特性的參數是指：可調操縱力特性根據距離操縱機構中間位置的遠近可分為 三個區域：區域（1)、區域⑵和區域（3); 其中：區域（1)是操縱機構總體可操縱距離三分之一以內範圍區域；區域（2)是指操 縱機構總體可操縱距離三分之一至三分之二範圍區域；區域（3)是指操縱機構總體可操縱 距離三分之二以外範圍區域； 可調操縱力特性的計算包括分布在這三個區域的七個可調參數，通過對這七個參數的 調整便可以實現任意的操縱力特性。
4. 根據權利要求3所述的遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統，其特徵在於：所 述七個參數包括： ① 區域⑴內的操縱力特性的比例值I :表示區域⑴內操縱力矩相對於操縱位移的 變化率，即操縱力矩對方向盤角度的偏導數值； ② 區域（1)內的操縱力特性的摩擦力值Fi :表示區域（1)內操縱力矩中的摩擦力值，即 操縱力矩值上限與下限值之差的一半； ③ 區域⑵內的操縱力特性的比例值K2:表示區域⑵內操縱力矩相對於操縱位移的 變化率，即操縱力矩對方向盤角度的偏導數值； ④ 區域（3)內的操縱力特性的比例值K3:表示區域⑶內操縱力矩相對於操縱位移的 變化率，即操縱力矩對方向盤角度的偏導數值； ⑤ 區域（3)內的操縱力特性的摩擦力值F3 :表示區域（3)內操縱力矩中的摩擦力值，即 操縱力矩值上限與下限值之差的一半； ⑥ 操縱機構遠離中間位置過程中的轉折位置x2 :表示操縱機構逐漸遠離中間位置而進 入到區域（3)的一個轉折位置； ⑦ 操縱機構返回中間位置過程中的轉折位置Xl :表示操縱機構由遠離中間位置的區域 逐漸返回中間位置而進入區域（1)的一個轉折位置。
5. 根據權利要求1所述的遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統，其特徵在於：所 述控制器的反力模擬控制算法，包括：其接收到操縱機構位置信號、力信號和設計操縱力信 號值，在對系統穩定性能、擾動抑制性能和系統帶寬性能進行分析的基礎上，進行反力控制 算法設計，並輸出指令力值，實現對包括任意幅值摩擦操作反力在內的任意操縱力的模擬。
6. 根據權利要求5所述的遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統，其特徵在於：所 述控制器的反力控制算法設計，包括：通過在剛度項操縱力輸出端串聯校正環節來抑制操 縱機構返回中位時產生的抖動現象；通過低通濾波或者其他濾波方法計算得到操縱機構位 移速度；基於漸變型的摩擦力模型以及操縱機構位移速度信號得到期望操縱摩擦力值；通 過魯棒控制器解決摩擦力模型引起的力抖動、帶寬響應以及系統穩定性的矛盾，將校正環 節與魯棒控制器的輸出相加，作為最終的目標指令力值。
7.根據權利要求5所述的遠程操縱系統用操縱反力模擬及控制系統，其特徵在於：所 述控制器的反力控制算法設計，包括：通過低通濾波或者其他濾波方法計算得到操縱機構 位移速度；通過比例控制器對目標操縱機構位移速度進行零速控制；根據操縱機構位移速 度和力傳感器信號進行基於擾動觀測器方法的力補償計算；通過操縱機構位置信號，結合 設計的操縱力特性，計算出反力模擬機構輸出反力的上下限，並送入限幅環節；限幅環節的 輸出作為最終的目標指令力值。
【文檔編號】B62D6/00GK104401393SQ201410558814
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】陳慧, 李琪 申請人:同濟大學