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随机时延条件下遥操作机器人系统控制算法研究

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随机时延条件下遥操作机器人系统控制算法研究

作者：温沁南昌大学

学位级别：硕士

为了解决遥操作系统中由于时延与扰动带来的不稳定问题,本文设计了一种连续快速非奇异终端滑模控制与动态补偿切换滤波器相结合的控制算法,使得遥操作机器人系统在有界时延与扰动的情况下快速且稳定地实现轨迹跟踪,具有较好的收敛性与... 详细信息

为了解决遥操作系统中由于时延与扰动带来的不稳定问题,本文设计了一种连续快速非奇异终端滑模控制与动态补偿切换滤波器相结合的控制算法,使得遥操作机器人系统在有界时延与扰动的情况下快速且稳定地实现轨迹跟踪,具有较好的收敛性与鲁棒性。首先,采用了指数积法对主从端机器人进行运动学建模,并根据拉格朗日法对主从端机器人进行了动力学建模,为接下来遥操作机器人系统控制算法的设计奠定了基础。其次,为了解决传统滑模控制中存在的抖震与系统状态不能快速收敛问题,设计了一种连续快速非奇异终端滑模控制算法。然后基于李雅普诺夫定理证明了系统在外部扰动上界已知的情况下能够在有限时间内保持稳定。建立了主从遥操系统仿真平台,仿真实验结果表明在不考虑网络通信时延和存在有界扰动时,该算法能够使得从端机器人快速且稳定地跟踪主端机器人的轨迹。再次,为了解决主从遥操作系统时延导致的系统不稳定问题,设计了一种动态补偿切换滤波器,再结合连续快速非奇异终端滑模控制算法,能够使得主从机器人能够在随机时延和有界扰动下实现稳定的主从轨迹跟踪。基于李雅普诺夫定理,证明了在系统有界随机时延条件下,系统能够全局稳定。仿真实验结果表明,当通信时延为随机时延时,加上动态补偿切换滤波器后,主从轨迹跟踪误差明显减少。最后,搭建了实际的主从遥操作机器人实验平台。操作者在主端控制机器人在平面上运动,从端机器人能够快速准确跟踪。实际实验结果证明加上动态补偿切换滤波器后,主从轨迹跟踪误差的平均值和方差都减少。

关键词：遥操作机器人系统终端滑模控制动态补偿切换滤波器随机时延

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随机时延下无角速度测量的无人机姿态同步

南京邮电大学学报（自然科学版） 2019年第1期39卷 102-110页

作者：乔滟樊春霞南京邮电大学自动化学院江苏南京210023

文中考虑信息传输时延随机发生的情况,采用Bernoulli随机分布描述时延的随机发生,提出了无角速度测量下无人机的姿态同步设计方案。考虑不用角速度作为反馈量,使用基于虚拟系统的方法进行处理,为群中每个无人机设计一个虚拟系统,为各个... 详细信息

文中考虑信息传输时延随机发生的情况,采用Bernoulli随机分布描述时延的随机发生,提出了无角速度测量下无人机的姿态同步设计方案。考虑不用角速度作为反馈量,使用基于虚拟系统的方法进行处理,为群中每个无人机设计一个虚拟系统,为各个无人机生成一个中间姿态参考轨迹,将无人机与之相关联,设计控制输入,使得各个无人机跟踪其相应的虚拟系统,同时所有虚拟系统同步它们的姿态。在固定且无向的通信拓扑下,仿真结果显示在不同时延概率下实现了无人机在无角速度测量下的无主式和主从式姿态同步。

关键词：姿态同步随机时延无角速度测量虚拟系统

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基于事件触发机制的随机时延无人机编队控制

电光与控制 2024年

作者：安述祥宋公飞尹资荣袁群超南京信息工程大学

研究在噪声环境下的无领导者多无人机编队控制问题，采用基于事件触发的策略来降低通信次数和资源浪费。考虑到通信噪声和随机时延的影响，采用Bernoulli随机分布来描述时延发生的随机性。通过构造Lyapunov函数和利用线性矩阵不等式的... 详细信息

研究在噪声环境下的无领导者多无人机编队控制问题，采用基于事件触发的策略来降低通信次数和资源浪费。考虑到通信噪声和随机时延的影响，采用Bernoulli随机分布来描述时延发生的随机性。通过构造Lyapunov函数和利用线性矩阵不等式的分析方法，给出了多无人机系统的稳定性条件，确保无人机在噪声环境和随机时延的影响下能够实现编队控制。利用分布式控制输入和无人机之间的邻居信息，系统能够快速响应和调整，形成期望编队。将算法应用到四旋翼无人机系统中，通过理论分析和仿真实验验证了所提出方法的有效性和正确性。

关键词：多无人机系统编队控制随机时延事件触发

虚假数据注入攻击下信息物理系统动态输出反馈控制

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兰州理工大学学报 2023年第1期49卷 74-82页

作者：祝超群朱怡蓉兰州理工大学电气工程与信息工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学甘肃省工业过程先进控制重点实验室甘肃兰州730050 兰州理工大学电气与控制工程国家级实验教学示范中心甘肃兰州730050

针对受到虚假数据注入攻击的信息物理系统安全控制问题,将虚假数据注入攻击作为一类特殊的外部扰动,提出了一种具有攻击防御能力的H_(∞)动态输出反馈控制策略.首先,考虑虚假数据注入攻击对测量通道与随机时延对通信网络的影响,建立了... 详细信息

针对受到虚假数据注入攻击的信息物理系统安全控制问题,将虚假数据注入攻击作为一类特殊的外部扰动,提出了一种具有攻击防御能力的H_(∞)动态输出反馈控制策略.首先,考虑虚假数据注入攻击对测量通道与随机时延对通信网络的影响,建立了一类具有网络攻击、随机时延和外部扰动等多种约束的闭环系统模型;其次,借助李雅普诺夫稳定性理论推导出攻击下闭环系统渐近稳定的充分条件,并基于线性矩阵不等式技术给出了H_(∞)动态输出反馈控制器的设计方法;最后通过一个仿真算例验证了所述方法的可行性和有效性.

关键词：信息物理系统虚假数据注入攻击随机时延动态输出反馈控制

超大型电机控制系统中时延的影响分析及补偿方法

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海军工程大学学报 2023年第2期35卷 1-9页

作者：聂子玲宋琳艾胜曹美禾李华玉海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室武汉430033

在超大型电机控制系统中,其数字控制系统存在计算时延、采样时延、脉冲宽度调制输出时延、系统死区、滤波时延以及网络传输时延等非理想因素,严重影响了控制系统的动静态性能,甚至可能会导致系统震荡或发散。为此,针对时延的类型、大小... 详细信息

在超大型电机控制系统中,其数字控制系统存在计算时延、采样时延、脉冲宽度调制输出时延、系统死区、滤波时延以及网络传输时延等非理想因素,严重影响了控制系统的动静态性能,甚至可能会导致系统震荡或发散。为此,针对时延的类型、大小及其在控制系统中的定位区别,分析了固定时延和随机时延对控制的影响,总结了目前已有的补偿方法,并对实际工程中的电机控制时延问题研究进行了展望,为后续时延补偿控制的深入研究提供参考。

关键词：超大型电机控制系统固定时延随机时延复矢量控制模型预测控制

随机时延下无线传感网一致性时钟同步方法研究

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随机时延下无线传感网一致性时钟同步方法研究

作者：陈柳清重庆邮电大学

学位级别：硕士

时钟同步是支撑无线传感器网络稳定运行的关键技术之一。作为一种分布式同步机制,一致性同步在节点时钟参数补偿过程中引入一致性算法,通过邻居节点间的信息交互实现整个网络时钟的趋同。一致性时钟同步具有良好的鲁棒性、扩展性以及能... 详细信息

时钟同步是支撑无线传感器网络稳定运行的关键技术之一。作为一种分布式同步机制,一致性同步在节点时钟参数补偿过程中引入一致性算法,通过邻居节点间的信息交互实现整个网络时钟的趋同。一致性时钟同步具有良好的鲁棒性、扩展性以及能简单实现全网同步,于是成为近年来时钟同步领域的研究热点。通信时延是时钟同步所面临的重要挑战,然而,目前大多数一致性时钟同步方法缺乏对通信时延及其分布特点的充分考虑和有效利用,影响了时延条件下一致性同步的性能。针对上述问题,本文对随机时延下的一致性时钟同步方法展开研究。论文的主要工作包括:1.分析无线传感器网络一致性时钟同步相关基础技术,包括一致性时钟同步基础模型、同步报文交互过程中的通信时延影响以及一致性时钟同步的基本分类等。2.针对现有一致性时钟同步未充分关注时延的组成和分布特点等问题,提出基于加权中值的一致性时钟同步算法。在固定时延和有界指数随机时延下,基于数据处理优化方法,根据不同的需求提出两种不同的相对频偏估计方法,其中基于间隔值的加权中值估计法能提高估计精度,基于门限值的加权中值估计方法能降低存储开销。然后将相对频偏的估计值应用于节点的逻辑时钟频偏、相偏的一致性补偿中,实现全网时钟同步。最后通过仿真验证所提一致性时钟同步方法的有效性。3.为进一步提高同步精度,提出基于最大似然估计的一致性时钟同步算法。根据随机时延的分布特点,使用最大似然方法直接对相对频偏和其他未知时钟参数进行联合估计,并将其转化为线性最优化问题。设计迭代法求解时钟参数估计值,降低存储开销与计算开销,再使用平均一致性方法同时补偿节点的同步参数。理论证明并仿真验证同步收敛性。仿真结果表明本文所提的一致性时钟同步算法在时延下能有效收敛,并且同步精度优于其他同类算法。本文通过对时延成分与特点的分析利用,有效提升了一致性时钟同步性能。因此,本文的研究结果对于无线传感器网络的一致性时钟同步具有一定参考价值。

关键词：无线传感器网络时钟同步一致性随机时延相对频偏估计

随机时延网络控制系统的鲁棒H_∞状态反馈控制

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系统工程与电子技术 2011年第9期33卷 2072-2078页

作者：谢德晓黄鹤张登峰王执铨中国电子科技集团公司南京电子工程研究所江苏南京210007 南京理工大学机械工程学院江苏南京210094 南京理工大学自动化学院江苏南京210094

研究了含有双随机时延的不确定网络控制系统的鲁棒H∞状态反馈控制问题。将传感器到控制器和控制器到执行器的网络时延建模为相互独立的连续时间离散状态的马尔可夫随机过程。基于此网络环境,构造时延依赖的控制器,将不确定网络控制系... 详细信息

研究了含有双随机时延的不确定网络控制系统的鲁棒H∞状态反馈控制问题。将传感器到控制器和控制器到执行器的网络时延建模为相互独立的连续时间离散状态的马尔可夫随机过程。基于此网络环境,构造时延依赖的控制器,将不确定网络控制系统转化为马尔可夫跳变系统。通过Lyapunov-Krasovskii泛函方法和新的矩阵不等式技术,给出了系统随机稳定且满足H∞性能的充分条件,并以矩阵不等式形式给出了相应的控制器设计方法。最后,给出了仿真算例,验证了该方法的有效性。

关键词：网络控制系统马尔可夫跳变系统 H∞控制随机时延

基于触觉反馈和表面肌电信号的随机时延夹持器遥操作方法

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机器人 2018年第4期40卷 518-524页

作者：章华涛吴常铖熊鹏文宋爱国中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所江苏南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室江苏南京210042 南京航空航天大学自动化学院江苏南京211106 南昌大学信息工程学院江西南昌330031 东南大学仪器科学与工程学院江苏南京210096

提出了一种基于触觉和表面肌电信号的夹持器抓取力控制遥操作方法.在控制过程中,采用了基于非时间参考的遥操作方法用于消除随机时延对系统稳定性的影响.使用了表面肌电信号作为遥操作控制信号来改善操作者的操控体验.另外,还使用了基... 详细信息

提出了一种基于触觉和表面肌电信号的夹持器抓取力控制遥操作方法.在控制过程中,采用了基于非时间参考的遥操作方法用于消除随机时延对系统稳定性的影响.使用了表面肌电信号作为遥操作控制信号来改善操作者的操控体验.另外,还使用了基于粒子群优化的支持向量回归模型和模糊控制器.实验结果证明,此方法对操作员的用力估计误差约为8.45%,平均跟踪误差约0.6N,可以让操作者更加稳定有效地调节夹持器的夹持力大小.

关键词：随机时延夹持器遥操作表面肌电信号

随机时延网络中一致性时钟同步算法的相位补偿研究

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随机时延网络中一致性时钟同步算法的相位补偿研究

作者：陈干东南大学

学位级别：硕士

近年来,随着微机电系统和无线通信技术的进步,关于无线传感器网络的研究受到了学界的广泛关注。无线传感器网络由一些小型化、低成本、低功耗的节点构成,它们对特定信息进行数据采集,邻居之间相互通信、共同协作完成任务,在环境监测、... 详细信息

近年来,随着微机电系统和无线通信技术的进步,关于无线传感器网络的研究受到了学界的广泛关注。无线传感器网络由一些小型化、低成本、低功耗的节点构成,它们对特定信息进行数据采集,邻居之间相互通信、共同协作完成任务,在环境监测、军事防卫、医疗保健、智能交通等领域中都有重要应用。实现这些应用的一项基础要求就是网络中的所有节点都在统一时间参考下进行信息处理,因此时钟同步是无线传感器网络中最基本、最重要的问题之一。针对LSTS算法的相位估计随时间负方向发散的问题,本文提出了一种新的相位补偿算法,保证了虚拟时钟相位估计的有界性,并分析了该算法下相位估计的平衡点问题,最后通过一系列数值仿真来刻画新算法（LSTS-DC算法）的性能表现。本文的主要工作如下:1.在随机有界时延存在的无线传感器网络中,首先证明了LSTS算法的相位估计在含有单个根节点的拓扑下是有界的,而在含有两个根节点以上的拓扑下随时间负方向发散。接着利用相位估计的一阶差分信息设计了一种新的相位补偿算法,并证明了新算法可以保证相位估计的有界性。最后通过数值仿真进一步说明了新算法的有效性。2.分析了新算法下相位估计的平衡点问题。在有界时延存在的无线传感器网络中,得到了在不同网络拓扑条件下,对应的相位估计平衡点的存在情况。然后在平衡点存在的情况下,通过在平衡点处的状态方程,得到了在特定拓扑结构下时延信息与时延补偿量之间的等式关系。最后通过几组数值仿真验证了所得结论。3.比较了LSTS-DC算法与经典一致性时钟同步算法以及PISync算法的性能表现。在随机有界时延存在的无线传感器网络中,通过一系列数值仿真,发现ATS、WMTS、LSTS和PISync算法的相位估计均发散,其中只有LSTS算法的相位估计误差有界。而相比于这四种算法,本文提出的LSTS-DC算法可以同时保证相位估计和相位估计误差均有界,并且有着更高的同步精度。

关键词：无线传感器网络时钟同步随机时延算法设计平衡点