具有通讯时延的双边遥操作系统设计与仿真(2)
1.1.2 研究意义 遥操作技术是当前机器人科学发展领域中最热门、最有难度的方向之一，它是多门学科智慧的结晶，涉及计算机、人工智能、控制工程等领域[3]。在一些危险恶劣的环境中，人类接触是有生命危险的，遥操作技术可以帮助人类摆脱这方面的困扰[2]。遥操作机器人系统不仅可以满足高科技领域的需求（如空间探索、海洋开发以及原子能应用），而且还可以广泛地应用于军事领域（如战场扫雷、救护）和民事领域（如远程医疗、教育） 。 遥操作系统能够极大程度地保证人类操作者的安全，同时节俭成本，更高效合理地利用劳动资源，实现多方协调作业等[6]。
1.2 研究现状 机器人的发展为人类探索自然提供了一个强大的工具，但是鉴于目前传感与控制等技术方面的限制，完全自主智能化的机器人的出现仍然需要很长的时间。由于外太空环境的复杂性，航天员不可能长时间地呆在外太空。空间机器人的出现为这个问题的解决提供了方案，航天员可以通过遥操作系统控制空间机器人来执行各种难以完成以及不方便完成的任务。 五十年来，在各国科学家们的大力研究下，遥操作技术迅速地发展起来了，得到了全球各国的强烈的反响。 1.2.1 遥操作研究现状 全世界第一个在空间遥操作技术方面取得一定成就的国家是美国， 其标志性事件是1967年美国的 Surveyor III 登陆器在月球的成功登陆。两年后，在有时延的情况下前苏联第一次成功地从地面站实现了远程遥操作在月球上面的空间机器人[12]。七年后，美国成功完成对火星的登陆探索[11]。这些人类对太空领域的探索，技术虽然还很粗糙，但是为今后的遥操作技术的飞跃提供了一个良好的开端和引导。随着七十年代开始的计算机的广泛应用，再加上九十年代的互联网高速发展，在遥操作的发展历程中，计算机扮演了重要的角色，网络和计算机技术的发展共同推动着遥操作技术的大力发展。 我国空间遥操作技术的研发起步时间相比于国外就比较晚了。 1993年，我国有关部门才将遥操作技术选入“863”高科技研究计划。目前各大高校和研究所是我国遥操作技术的主要研究场所，影响比较大的是具有临场感遥操作机器人[4]。与国外相比，我国的遥操作发展任重而道远。 1.2.2 双边遥操作研究现状 双边控制有着特殊的控制效果，深受广大学者的青睐，是遥操作技术的一种典型形式。双边控制方法将主从端机器人建立在一个控制回路中，两者之间互相影响，通过软件编程的方式设计控制算法可以模拟通讯时延对系统的影响。在过去的五十年里，大量学者从不同的角度出发，提出了多种双边控制方法，保证具有时延的双边控制系统稳定 [15]。以下是几种主要的控制方法。 (1)基于无源性理论的双边控制方法 1989 年，Raju 在利用双端口网络分析遥操作系统时，发现了通讯子系统的有源性会造成遥操作系统不稳定 [32]。此后研究中，双端口网络的无源性成为该领域研究系统稳定性的重要方法。文献[13]中指出，无源性理论是电网络理论上的一个重要的分支，该理论表明无源系统一定是稳定的。即使将若干个无源系统串、并联， 得到的系统一定还是具有无源性[13]。