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双边遥操作系统数据注入攻击检测与控制

双边遥操作系统数据注入攻击检测与控制

作者：蔡传捷南京理工大学

学位级别：硕士

对于双边遥操作系统而言,主从两端信号交互的时效性是最为重要的,故主从两对于双边遥操作系统而言,主从两端信号交互的时效性是最为重要的,故主从两端通过网络通道进行数据包的交互。与此同时,该系统面临着网络攻击的威胁。数据注入攻... 详细信息

对于双边遥操作系统而言,主从两端信号交互的时效性是最为重要的,故主从两对于双边遥操作系统而言,主从两端信号交互的时效性是最为重要的,故主从两端通过网络通道进行数据包的交互。与此同时,该系统面临着网络攻击的威胁。数据注入攻击是一种能破坏系统稳定性且被广泛研究的网络攻击。本文主要针对如何检测双边遥操作系统的数据包是否受到了数据注入攻击、以及当系统被攻击时的控制器设计。本文的研究工作如下:研究了双边遥操作系统中线下最下二乘法的数据注入攻击检测和自适应控制的问题。该线下攻击检测器主要用来保护固定动作不受到网络攻击的影响。受到攻击的数据包将会被丢弃,并用伯努利丢包模型来描述网络通道中受攻击数据包和网络丢包。通过设计自适应控制器保证主从两端动作的同步性。利用李亚普洛夫分析方法给出在数据注入攻击下系统的稳定性条件,通过仿真展现该控制策略的有效性。分析了双边遥操作系统中线上数据注入攻击检测器和控制的问题。线上数据注入攻击检测器是卡方检测构成的,确保系统不会接受任何错误的数据包。在主从两端的数据包进行交互之时,系统标记每个发送出去的数据包,同时在接受数据包时,依据检验标记是否和预期的结果相同来判断系统是否受到攻击。伯努利丢包模型来描述系统中的数据包是否受到攻击。未受到攻击的数据包将应用到PD控制器当中,并用给出了该系统达到全局渐进稳定的条件。上述分别提出了线上和线下的数据注入攻击检测器,在这基础之上设计了PD控制器,给出了当系统受到攻击时PD控制比例增益和阻尼增益的设计方法。当攻击检测器将受到攻击的数据包丢弃时,这两种控制策略较好的保持主从两端的同步。通过李亚普洛夫函数的方法证明了控制策略能确保系统处于稳定状态。最后,通过仿真展现了与传统的PD控制器上的不同。

关键词：双边遥操作数据注入攻击稳定性攻击检测器

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双边遥操作系统操作性能度量频域指标

宇航学报 2011年第4期32卷 823-828页

作者：侯志林韦庆韩大鹏安宏雷国防科技大学机电工程与自动化学院长沙410073 国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

在双边遥操作控制系统的设计中,如何分析和评价遥操作系统的操作性能是一个至关重要的问题。利用频域分析方法,引入了一种新的遥操作系统操作性能度量指标,运用该指标分析了Anderson无源性遥操作系统的操作性能,并针对单边时延条件下的... 详细信息

在双边遥操作控制系统的设计中,如何分析和评价遥操作系统的操作性能是一个至关重要的问题。利用频域分析方法,引入了一种新的遥操作系统操作性能度量指标,运用该指标分析了Anderson无源性遥操作系统的操作性能,并针对单边时延条件下的双边控制系统,获得了系统透明性与系统单边时延以及系统跟踪性与系统单边时延之间的关系曲线,解释了Anderson方法为什么只适用于时延不大于1s的系统,并验证了所提度量指标的合理性和有效性。

关键词：双边遥操作频域透明性跟踪性 Anderson算法

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面向远程超声的双边遥操作系统仿真研究

面向远程超声的双边遥操作系统仿真研究

作者：邓亚茹电子科技大学

学位级别：硕士

自双边遥操作系统被提出以来,由于其能够克服空间距离的阻碍,已经被应用于很多领域,例如医疗、工业、太空探险、深海作业等。但是,由于双边遥操作系统中存在的时延,导致了系统的不稳定性,并且影响其跟踪效果,因此,多年来,研究者们对于... 详细信息

自双边遥操作系统被提出以来,由于其能够克服空间距离的阻碍,已经被应用于很多领域,例如医疗、工业、太空探险、深海作业等。但是,由于双边遥操作系统中存在的时延,导致了系统的不稳定性,并且影响其跟踪效果,因此,多年来,研究者们对于双边遥操作系统的研究从未停止,目前已经发展出许多方法,用来提高系统的稳定性和透明度。本文基于双边遥操作系统在医疗方面的应用,对双边遥操作系统的稳定性和透明度的提升进行了研究。本文的主要贡献如下:(1)研究并总结了双边遥操作系统的基础理论,包括现有的系统建模方法,稳定性与透明度的分析方法,双边遥操作系统的控制结构(二通道结构、三通道结构和四通道结构)以及经典的时延补偿算法(波变量及其相关算法以及时域无源算法)。在此基础上选取了波变量算法与三通道控制结构进行改进。(2)提出了一种基于三通道控制结构的波变量补偿结构,在传统波变方法的基础上引入了两个补偿项,用来补偿传统波变量算法中的偏置项,提升系统的透明度。并且,为了保持系统的无源性,又在系统中引入了两个能量储存器来控制补偿项的开启与关闭,最后通过仿真实验验证了该带能量储存器的三通道波变量补偿结构不仅能补偿系统通信通道中存在的时延,保持系统的稳定性,而且能够提升系统的透明度。(3)考虑了在远程超声诊断过程中,病人体表因为呼吸、心跳等内脏的生理运动产生的周期或准周期运动干扰,会对双边遥操作系统的透明度造成的影响,选择了准周期运动干扰中较难补偿的的心跳运动进行了补偿,同时也证明了该补偿方法在其他人体表面运动干扰下的可行性。进行了心脏运动的建模,搭建了运动补偿系统,使用了双卡尔曼滤波器对测量的心脏数据中的噪声和时延进行了补偿,最后通过仿真实验验证了带能量储存器的三通道波变量补偿结构在环境端具有跳动心脏运动干扰时,经过运动补偿也能在保持稳定性的情况下提高透明度。

关键词：双边遥操作三通道波变量补偿运动补偿双卡尔曼滤波

基于切换控制策略的柔性机械臂双边遥操作控制研究

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基于切换控制策略的柔性机械臂双边遥操作控制研究

作者：黄启霖哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着柔性机械臂研究的深入,其在远程医疗、核工业、航空航天等领域都有广泛的应用。而在这类领域中,为了减少由于未知危险环境对人类产生的伤害以及现阶段在全自主机器人的设计上有一定的不足,会引入遥操作技术。遥操作技术能够... 详细信息

近年来,随着柔性机械臂研究的深入,其在远程医疗、核工业、航空航天等领域都有广泛的应用。而在这类领域中,为了减少由于未知危险环境对人类产生的伤害以及现阶段在全自主机器人的设计上有一定的不足,会引入遥操作技术。遥操作技术能够使人类的智能决策融入到机器人的协同控制上,以此来完成人机协同形式的远程操控任务。由于柔性机械臂自身的柔性以及柔性机械臂遥操作系统从端环境的不可预知性,采用遥操作的方式来控制柔性机械臂时,会造成到系统的不稳定性以及降低透明性,因此本文在此背景下,对解决由于环境变化对遥操作系统产生的问题展开相关分析和研究。针对这类问题,本文基于切换控制策略设计一种柔性机械臂双边遥操作系统。首先,设计柔性机械臂遥操作系统整体架构,并且分别对主端机器人和从端机器人进行动力学建模。其次,根据无源性理论对遥操作系统环境端进行有源性分析,得出由于环境刚度的变化会引起环境端的有源性溢出问题,从而对遥操作系统的稳定性和透明性产生影响。针对这个问题,本文提出一种柔性机械臂与环境交互模型的估计算法,在估计环境刚度时,为了提高估计的准确度,先对柔性机械臂中关节的柔性进行分析,然后设计出一种能够实时准确地估算出环境刚度的刚度估计器。然后,根据机械臂与不同环境接触的特性,将遥操作系统在进行任务时,根据环境刚度将系统分为三种不同模态,分别为自由运动模态、柔性接触模态和刚性接触模态。再分别设计系统处在这三种模态下系统的控制器,由此来保证遥操作系统的稳定性和透明性,并且设计一种能够根据环境的变换,动态切换控制模式的切换策略。通过Lyapunov函数确定控制律参数的范围,由此保证系统全局的稳定性。最后,通过力反馈设备Geomagic Touch和UR3e柔性机械臂,搭建遥操作系统实物实验平台,利用该实验平台验证本文提出的基于切换控制策略的遥操作控制方法的有效性。并根据不同的从端环境刚度,设计一系列遥操作系统与环境接触的实验,对本文提出的控制方法与传统遥操作控制方法进行对比。实验结果表明,本文提出的控制方法能够使遥操作系统在环境刚度变化时能够同时保证稳定性和透明性。

关键词：柔性机械臂双边遥操作刚度估计切换控制策略

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基于波变量补偿的双边遥操作预测控制研究

基于波变量补偿的双边遥操作预测控制研究

作者：曹龙哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在人类远距离的对核工业、航空航天、深海探索、远程医疗等领域进行作业操作中,双边遥操作技术起到越来越重要的作用。可以帮助人类远离高危的工作,缩短人类与远端环境的距离,将人类的智能与观察扩展到远端。在遥操作中增加力反馈可以... 详细信息

在人类远距离的对核工业、航空航天、深海探索、远程医疗等领域进行作业操作中,双边遥操作技术起到越来越重要的作用。可以帮助人类远离高危的工作,缩短人类与远端环境的距离,将人类的智能与观察扩展到远端。在遥操作中增加力反馈可以提高操纵者的感知能力,以便提升完成任务的效率。通讯环节的时延会使带有力反馈的双边遥操作系统处于不稳定的状态,而无源理论的波变量方法可以通过无源性的角度使系统稳定。本文基于无源理论的波变量方法,对大时延下带有力反馈的双边遥操作控制系统展开相应的分析与研究。本文从控制理论上分析了遥操作双边控制系统不稳定的原因,无源理论的波变量方法从能量流动的角度解决了时延问题。在此基础上提出了波变量补偿的改进结构,解决了由于波反射问题引起的扰动项,从而减小信息传输误差、提升跟随效果。通过研究预测波变量的预测机理和控制结构,并且利用补偿波变量的控制思想,对预测波变量的方法进行了改进和优化,解决了波变量结构特有的反射问题,从而进一步的提升遥操作的透明性。对于双边遥操作系统的控制结构,本文在无源理论分析的基础上,对所设计的无源控制方法进行Simulink仿真,验证所设计结构的有效性。对不同双边遥操作控制结构的仿真结果对比分析,考察结果出现的原因与结构的关系,利用补偿波变量思路来改进预测波变量中存在的干扰项,从而提升系统的透明性和综合性能。为从实际中验证控制结构的有效性,本文通过搭建双边遥操作控制系统实验平台,对基于补偿结构的预测波变量进行了实物算法验证。实验结果表明本文提出的基于补偿结构的预测波变量在保证系统稳定的前提下,主从端可以有更加优秀的透明性和跟随性。

关键词：双边遥操作补偿波变量时延稳定性透明性

基于波变量法的足式机器人双边遥操作控制研究

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基于波变量法的足式机器人双边遥操作控制研究

作者：于波哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

足式机器人可以代替人类进入到危险的环境中工作,在足式机器人中,六足机器人具有更高的稳定性及承载能力,使其在灾难救援等领域得到了广泛应用。但是六足机器人在复杂工况中工作时存在诸多未知因素,单纯的依靠机器人自身智能控制算法势... 详细信息

足式机器人可以代替人类进入到危险的环境中工作,在足式机器人中,六足机器人具有更高的稳定性及承载能力,使其在灾难救援等领域得到了广泛应用。但是六足机器人在复杂工况中工作时存在诸多未知因素,单纯的依靠机器人自身智能控制算法势必无法较好地完成工作任务。本文以六足机器人操控系统作为研究对象,为了使机器人能够更好地完成特殊任务,采用遥操作技术将人的决策能力引入到操控系统中,但远距离的操控引起了不可避免的通信时延,时延的存在严重影响了系统的稳定性与透明性。目前,如何保证时延条件下远程遥操作系统的稳定性、提高系统的跟踪性仍是较难解决的问题。针对遥操作系统中的通信时延问题,本文基于波变量时延补偿控制算法设计了四通道结构的六足机器人双边遥操作控制系统,然而波变量法处理变时延时,一方面会降低系统的跟踪性,另一方面无法时刻保证通信环节的无源性。针对变时延条件下六足机器人步行操作任务主从端跟踪性较差问题,提出了波阻抗在线调整策略,并设计了波阻抗在线更新规则,该策略以四通道架构下的速度跟踪为基础,由时延预估器对通信时延预估,根据估计的结果对波阻抗实时更新。此外,六足机器人工作在复杂的环境中,环境端的无源性可能无法被保证,为了补偿通信环节溢出的有源性能量以及环境端潜在的有源能量,本文结合时域无源性控制（Time-Domain Passivity Control,TDPC）方法,基于无源性观测器（Passivity Observer,PO）建立通信环节和环境端有源性能量的统一表达形式,基于无源性控制器（Passivity Controller,PC）对溢出的有源性能量进行综合消耗,并采用绝对稳定性定理为控制器选择合适的控制律参数。最后,基于主端力反馈手柄和从端Vortex动力学虚拟仿真软件共同搭建的半物理仿真实验系统进行实验验证。实验结果表明,本文所提出的变波阻抗控制结合时域无源性控制架构与传统架构相比,系统的跟踪性得到了明显的提高,同时保证了各端口的无源性,验证了系统的可行性。

关键词：六足机器人双边遥操作时延波变量时域无源性控制

多移动机器人双边遥操作系统中反馈力信息设计与研究

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东南大学学报（自然科学版） 2017年第1期47卷 50-55页

作者：张颖宋光明孙慧玉韦中宋爱国东南大学仪器科学与工程学院南京210096

为了研究在多移动机器人双边遥操作系统中反馈力对机器人运动性能的影响,设计了一种一对多的遥操作系统半物理仿真平台.同时基于主从端之间速度偏差与障碍物排斥力设计了2种不同的反馈力.在该双边遥操作系统中,主端操作员通过力反馈人... 详细信息

为了研究在多移动机器人双边遥操作系统中反馈力对机器人运动性能的影响,设计了一种一对多的遥操作系统半物理仿真平台.同时基于主从端之间速度偏差与障碍物排斥力设计了2种不同的反馈力.在该双边遥操作系统中,主端操作员通过力反馈人机交互设备控制从端多机器人系统的平均速度,从端机器人系统能够响应主端操作员的命令,同时操作员可以借助反馈力感知从端多机器人系统的运动状态.半物理实验结果表明,相比于没有力反馈信息的遥操作系统,多机器人系统的运动性能得到了提高;相比基于障碍物排斥力设计的反馈力,基于主从端速度不匹配设计的反馈力,更有利于从端的多机器人系统避障、跟踪参考轨迹以及主端给出的参考速度.

关键词：双边遥操作多机器人反馈力编队

基于扰动观测器的时延双边遥操作系统鲁棒阻抗控制

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机械工程学报 2012年第21期48卷 15-21页

作者：郭语孙志峻南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

时延以及不确定性等因素容易造成双边遥操作系统操作性能差,甚至不稳定等问题。为了解决这一问题,针对主、从端不同的任务特点,提出一种新的双边遥操作系统控制结构。由于主端在实现力反馈时易受扰动影响,设计一种非线性扰动观测器用于... 详细信息

时延以及不确定性等因素容易造成双边遥操作系统操作性能差,甚至不稳定等问题。为了解决这一问题,针对主、从端不同的任务特点,提出一种新的双边遥操作系统控制结构。由于主端在实现力反馈时易受扰动影响,设计一种非线性扰动观测器用于扰动的在线估计并进行补偿;从端采用基于滑模的阻抗控制以保证精确的位置跟踪和与环境的期望交互。利用Liewellyn绝对稳定准则推导出时延下保证系统稳定性的条件以及参数选取依据。在建立的单自由度遥操作系统试验平台上进行了试验研究,结果表明本文所提方法能够在保证系统鲁棒性的条件下有效提高操作性能。

关键词：双边遥操作扰动观测器绝对稳定准则阻抗控制时延

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波域预测三通道时延双边遥操作

吉林大学学报（工学版） 2011年第4期41卷 1096-1101页

作者：于振中闫继宏赵杰高永生陈志峰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 江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室江苏无锡214122

针对波变量方法应用于时延遥操作系统透明性差的问题,提出了将波变量方法与预测技术及三通道遥操作系统结构相结合,在保证时延系统稳定性的基础上提高其透明性。针对主端无力传感器的遥操作系统,建立了一种三通道遥操作双边控制结构,并... 详细信息

针对波变量方法应用于时延遥操作系统透明性差的问题,提出了将波变量方法与预测技术及三通道遥操作系统结构相结合,在保证时延系统稳定性的基础上提高其透明性。针对主端无力传感器的遥操作系统,建立了一种三通道遥操作双边控制结构,并根据理想透明性条件分析了三通道控制结构的参数选择方法。为了将波变量方法应用于三通道结构,通过合理的力/速度信息组合将三通道结构分割成二端口模型并对此二端口模型的输入输出信息进行了波变换。在主端的波域加上预测器,进一步提高系统的透明性,并设计能量综合器来保证预测器的无源性。最后,从理论上分析了本文方法的透明性和稳定性并进行了实验验证,结果表明:在一定条件下,本文方法能够保证时延系统的稳定性,并具有较好的透明性。

关键词：自动控制技术系统工程三通道遥操作波域预测双边遥操作透明性能量综合器