远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，包括操纵机构、位置传感器、力传感器、反力模拟机构、功率驱动、控制器，其特征在于：位置传感器和力传感器分别对操纵机构的当前操纵位移和操纵力进行检测，控制器接收位置传感器信号和力传感器信号，同时实现操纵反力的计算、反力模拟控制算法和指令力闭环控制，并将电压控制信号输出给功率驱动模块以实现对操纵反力的模拟。本发明在不基于远程操纵系统执行机构的前提下，通过对操纵机构反力模拟控制算法的设计，即可实现对包括任意幅值摩擦力在内的任意操纵反力的真实模拟。
【专利说明】远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械操纵【技术领域】，具体涉及远程操纵系统操纵反力模拟技术。
【背景技术】
[0002] 远程操纵系统正广泛应用于工业生产与日常生活领域，如远程手术、远程机器人 操纵以及应用在汽车、飞机等交通工具上的线控技术等。远程操纵系统通常包含操纵机构 以及执行机构，操纵机构作为与操纵人员直接互相作用的接口，其除了起到接收操纵人员 的操纵指令作用外，还起到为操纵人员提供必要的操纵反力作用，以增强操纵人员的临场 感觉。
[0003] 操纵机构内部通常装有位置传感器和力（力矩）传感器，以及用以提供操纵反力 的反力模拟机构，反力模拟机构对反力模拟效果的好坏，将直接影响到操纵人员的操纵感 觉；此外，反力模拟机构往往还要求操纵力特性有较好的可调节性，以满足操纵人员不同的 操纵体验。
[0004] 现有远程操纵系统的操纵机构反力模拟方法主要有两种，一种是基于执行机构实 际执行力（力矩）的方法，即通过对反力模拟的控制将实际执行机构的执行力（力矩）复 现出来；另一种是基于模型的计算反力模拟方法，即将操纵机构的操纵位置作为模型的输 入信号，将通过模型计算得到的反力（力矩）作为反力模拟机构的指令力（力矩）。第一种 方法基于实际的执行机构，其对反力模拟的可调节性往往大打折扣，不能实现任意的操纵 力特性模拟；而第二种方法所基于的系统模型中往往包含摩擦模型，对摩擦操纵反力进行 模拟时，由于摩擦模型的非线性特性，常会带来操纵机构的力（力矩）抖动、系统振荡、系统 响应速度慢等问题，给操纵人员的操纵体验带来负面影响。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种能够不需要实际执行机构，仅利用反力模拟机构以及反 力模拟控制算法，来实现对包括任意幅值摩擦力在内的任意操纵力特性的良好模拟。
[0006] 为了达到以上目的，本发明的技术方案是：一种远程操纵系统用操纵反力模拟及 控制系统，包括操纵机构、位置传感器、速度传感器（亦可采用位置传感器信号微分等方式 来替代）、力传感器、反力模拟机构、功率驱动、控制器。位置传感器和力传感器分别对操纵 机构的当前操纵位移和操纵力进行检测，控制器接收位置传感器信号和力传感器信号，同 时实现包括操纵反力的计算、反力模拟控制算法和指令力闭环控制的功能，并将电压控制 信号输出给功率驱动模块以实现对操纵反力的模拟。
[0007] 控制器内部操纵力矩计算模块用以实现操纵力特性的计算功能，将操纵力特性分 解为刚度项和摩擦项，并可通过对可调力特性参数进行修改实现任意形状的操纵力特性， 通过接收到的操纵机构位置信号，输出操纵力的刚度项和摩擦项的计算值。其中，操纵力特 性指操纵机构的操纵力与位置和速度的关系。
[0008] 可调操纵力特性根据距离操纵机构中间位置的远近可分为三个区域：区域1 (操 纵机构总体可操纵距离三分之一以内范围区域）、区域2(操纵机构总体可操纵距离三分之 一至三分之二范围区域）和区域3 (操纵机构总体可操纵距离三分之二以外范围区域）；可 调操纵力特性的计算主要包括分布在这三个区域的七个可调参数，通过对这七个参数的调 整便可以实现任意的操纵力特性，这七个参数主要是：
[0009] ①区域1内的操纵力特性的比例值& :表示区域1内操纵力矩相对于操纵位移的 变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值；
[0010] ②区域1内的操纵力特性的摩擦力值Fi:表示区域1内操纵力矩中的摩擦力值，即 操纵力矩值上限与下限值之差的一半；
[0011] ③区域2内的操纵力特性的比例值K2 :表示区域2内操纵力矩相对于操纵位移的 变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值；
[0012] ④区域3内的操纵力特性的比例值K3:表示区域3内操纵力矩相对于操纵位移的 变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值；
[0013] ⑤区域3内的操纵力特性的摩擦力值F3 :表示区域3内操纵力矩中的摩擦力值，即 操纵力矩值上限与下限值之差的一半；
[0014] ⑥操纵机构远离中间位置过程中的转折位置x2:表示操纵机构逐渐远离中间位置 而进入到区域3的一个转折位置；
[0015] ⑦操纵机构返回中间位置过程中的转折位置Xi :表示操纵机构由远离中间位置的 区域逐渐返回中间位置而进入区域1的一个转折位置。
[0016] 控制器内部的反力模拟控制算法模块的主要功能在于，其接收到操纵机构位置信 号、力信号和设计操纵力信号值，在对系统稳定性能、扰动抑制性能和系统带宽性能进行分 析的基础上，进行控制算法设计，并输出指令力值，实现对包括任意幅值摩擦操作反力在内 的任意操纵力的模拟，主要包括基于摩擦力模型和鲁棒控制的方法（控制方案1)和基于扰 动观测器和零速闭环的方法（控制方案2)。
[0017] 所述的控制方案1 :通过在刚度项操纵力后加校正环节抑制操纵机构返回中位时 产生的抖动现象；通过低通滤波或者其他滤波方法计算得到操纵机构位移速度；基于渐变 型的摩擦力模型以及操纵机构位移速度信号得到期望操纵摩擦力值；通过鲁棒控制器解决 摩擦力模型引起的力抖动、带宽响应以及系统稳定性的矛盾，将校正环节与鲁棒控制器的 输出相加，作为最终的目标指令力值。
[0018] 所述的控制方案2 :通过低通滤波或者其他滤波方法计算得到操纵机构位移速 度；通过比例控制器对目标操纵机构位移速度进行零速控制；根据操纵机构位移速度和力 传感器信号进行基于扰动观测器方法的力补偿计算；通过操纵机构位置信号，结合设计的 操纵力特性，计算出反力模拟机构输出反力的上下限，并送入限幅环节；限幅环节的输出作 为最终的目标指令力值。
[0019] 由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果是：本发明在不基于远程操纵执行 机构的前提下，通过对操纵机构的反力模拟机构以及反力模拟控制算法的设计，即可实现 对包括任意幅值摩擦力在内的任意操纵反力的真实模拟，从而在降低系统成本的同时增加 了反力模拟系统的灵活性和适用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本发明实施例远程操纵系统用操纵反力模拟系统的结构示意图。
[0021] 图2是本发明实施例汽车线控转向系统方向盘操纵反力模拟系统的结构示意图。 [0022]图3是任意可调操纵力特性原理图。
[0023]图4是基于摩擦力模型和鲁棒控制的反力模拟控制算法框图。
[0024] 图5是加入校正环节前后的系统开环bode图。
[0025] 图6是基于操纵机构位移速度的渐变型摩擦力模型原理图。
[0026] 图7是广义被控对象搭建和鲁棒控制器求解框图。
[0027] 图8是基于扰动观测器和零速闭环控制的反力模拟控制算法框图。
[0028] 图9是基于扰动观测器和零速闭环控制的反力模拟控制算法的具体实现图。
[0029] 图10是系统模型发生摄动时对系统开环bode图影响的分析图。
[0030] 图11是由驾驶员操纵得到的方向盘转角信号图。
[0031] 图12是基于摩擦力模型和鲁棒控制得到的不同设计摩擦力幅值情况下方向盘操 纵摩擦力矩模拟效果图。
[0032] 图13是基于扰动观测器和零速闭环控制得到的不同设计摩擦力幅值情况下方向 盘操纵摩擦力矩模拟效果图。
[0033] 图14是基于摩擦力模型和鲁棒控制得到的设计目标力特性实现效果图。
[0034] 图15是基于扰动观测器和零速闭环控制得到的设计目标力特性实现效果图。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图所示实施例对本发明在汽车线控转向技术上的应用作进一步的说 明，以帮助该领域的技术人员进一步理解该发明。应当指出的是，该发明所应用领域不局 限于汽车线控转向技术，还可应用于如虚拟手术、机器人远程操纵等其他领域的远程操纵 系统。例如在虚拟手术领域，通过对真实手术场景的模拟，借助一定的触觉、视觉交互装置， 实现医生在虚拟环境下进行手术模拟和手术培训等，其实施方法为：一方面传感器测量手 术刀真实的运动和力信息，另一方面通过力反馈执行机构将手术刀的力信息传递给外科医 生，从而增强医生的操纵触觉感，而对力反馈信息的模拟则可以使用本发明所描述的技术 方案；在机器人远程操纵领域，如排爆机器人，其用于协助排爆人员对可疑物进行处置或销 毁，避免不必要的人员伤亡，其实施方法为：一方面视觉传感器和排爆机器人机械臂力传感 器测量排爆现场的信息，并通过无线通信反馈给排爆专家，另一方面排爆专家通过操纵机 构来对机器人进行远程操纵，并通过力反馈机构感知排爆现场的触觉信息，为进一步的排 爆策略提供依据，而力反馈机构对触觉信息的模拟则可以使用本发明所描述的技术方案。 以下对本发明在汽车线控转向技术上的应用作进一步的详细说明。
[0036] 如图1所示，本发明是一种远程操纵系统用操纵反力模拟系统及控制方法，包括 操纵机构、位置传感器、速度传感器（亦可采用位置传感器信号微分等方式来替代）、力传 感器、反力模拟机构、功率驱动、控制器。位置传感器和力传感器分别对操纵机构的当前操 纵位移和操纵力进行检测，控制器接收位置传感器信号和力传感器信号，同时实现包括操 纵反力的计算、反力模拟控制算法和指令力闭环控制的功能，并将电压控制信号输出给功 率驱动模块以实现对操纵反力的模拟。
[0037] 如图2所示，是该发明在汽车线控转向系统反力模拟系统及控制方法中的应用示 意图，包括方向盘1、转向管柱2、角度传感器3、力矩传感器4(可选）、反力电机5、功率驱动 器6、电流传感器7和控制器，方向盘通过转向管柱与反力电机同轴相连，角度传感器安装 到转向管柱，控制器接收角度传感器采集到的方向盘操纵角度，根据已设计的方向盘操纵 力特性计算出当前的方向盘操纵力矩，将计算得到的方向盘操纵力矩信息解耦为刚度项和 摩擦项，送入反力模拟控制模块，反力模拟控制算法对所要实现的刚度项力矩和摩擦项力 矩进行控制实现并计算出送入电流闭环控制模块的目标电流值，电流闭环控制模块通过电 机驱动模块及其内部的电流传感器对此目标电流值进行闭环控制，从而实现对方向盘不同 操纵角度下操纵反力感觉的模拟。
[0038] 如图3所示，为任意可调操纵力特性设计示意图，方向盘操纵力由刚度项和摩擦 项组成，并由转向时的转折角度e:和回正时的转折角度e2将操纵力特性分为3个区域， 即区域1(-0:与之间的区域）、区域2(0 :与02之间以及_02与_01之间的区域） 和区域3 (大于0 2与小于-0 2之间的区域），每个区域具有两个力特性设计参数：刚度项 系数K和摩擦力（矩）F，刚度项系数为操纵力矩相对于操纵机构位置的变化率，及操纵力对 操纵机构位置的偏导数值，摩擦力（矩）为设计操纵力矩值上限与下限值之差的一半；最终 设计力特性可分解为刚度项和摩擦力矩项，并由相应参数计算得到，计算公式如下：
【权利要求】
1. 一种远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，包括操纵机构、位置传感器、力传感 器、反力模拟机构、功率驱动、控制器，其特征在于：位置传感器和力传感器分别对操纵机构 的当前操纵位移和操纵力进行检测，控制器接收位置传感器信号和力传感器信号，同时实 现操纵反力的计算、反力模拟控制算法和指令力闭环控制，并将电压控制信号输出给功率 驱动模块以实现对操纵反力的模拟。
2. 根据权利要求1所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所 述控制器的操纵反力的计算包括：将操纵力特性分解为刚度项和摩擦项，并可通过对可调 操纵力特性的参数进行修改实现任意形状的操纵力特性，通过接收到的操纵机构位置信 号，输出操纵力的刚度项和摩擦项的计算值；其中，操纵力特性指操纵机构的操纵力与位置 的关系。
3. 根据权利要求2所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所 述可调操纵力特性的参数是指：可调操纵力特性根据距离操纵机构中间位置的远近可分为 三个区域：区域（1)、区域⑵和区域（3); 其中：区域（1)是操纵机构总体可操纵距离三分之一以内范围区域；区域（2)是指操 纵机构总体可操纵距离三分之一至三分之二范围区域；区域（3)是指操纵机构总体可操纵 距离三分之二以外范围区域； 可调操纵力特性的计算包括分布在这三个区域的七个可调参数，通过对这七个参数的 调整便可以实现任意的操纵力特性。
4. 根据权利要求3所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所 述七个参数包括： ① 区域⑴内的操纵力特性的比例值I :表示区域⑴内操纵力矩相对于操纵位移的 变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值； ② 区域（1)内的操纵力特性的摩擦力值Fi :表示区域（1)内操纵力矩中的摩擦力值，即 操纵力矩值上限与下限值之差的一半； ③ 区域⑵内的操纵力特性的比例值K2:表示区域⑵内操纵力矩相对于操纵位移的 变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值； ④ 区域（3)内的操纵力特性的比例值K3:表示区域⑶内操纵力矩相对于操纵位移的 变化率，即操纵力矩对方向盘角度的偏导数值； ⑤ 区域（3)内的操纵力特性的摩擦力值F3 :表示区域（3)内操纵力矩中的摩擦力值，即 操纵力矩值上限与下限值之差的一半； ⑥ 操纵机构远离中间位置过程中的转折位置x2 :表示操纵机构逐渐远离中间位置而进 入到区域（3)的一个转折位置； ⑦ 操纵机构返回中间位置过程中的转折位置Xl :表示操纵机构由远离中间位置的区域 逐渐返回中间位置而进入区域（1)的一个转折位置。
5. 根据权利要求1所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所 述控制器的反力模拟控制算法，包括：其接收到操纵机构位置信号、力信号和设计操纵力信 号值，在对系统稳定性能、扰动抑制性能和系统带宽性能进行分析的基础上，进行反力控制 算法设计，并输出指令力值，实现对包括任意幅值摩擦操作反力在内的任意操纵力的模拟。
6. 根据权利要求5所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所 述控制器的反力控制算法设计，包括：通过在刚度项操纵力输出端串联校正环节来抑制操 纵机构返回中位时产生的抖动现象；通过低通滤波或者其他滤波方法计算得到操纵机构位 移速度；基于渐变型的摩擦力模型以及操纵机构位移速度信号得到期望操纵摩擦力值；通 过鲁棒控制器解决摩擦力模型引起的力抖动、带宽响应以及系统稳定性的矛盾，将校正环 节与鲁棒控制器的输出相加，作为最终的目标指令力值。
7.根据权利要求5所述的远程操纵系统用操纵反力模拟及控制系统，其特征在于：所 述控制器的反力控制算法设计，包括：通过低通滤波或者其他滤波方法计算得到操纵机构 位移速度；通过比例控制器对目标操纵机构位移速度进行零速控制；根据操纵机构位移速 度和力传感器信号进行基于扰动观测器方法的力补偿计算；通过操纵机构位置信号，结合 设计的操纵力特性，计算出反力模拟机构输出反力的上下限，并送入限幅环节；限幅环节的 输出作为最终的目标指令力值。
【文档编号】B62D6/00GK104401393SQ201410558814
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】陈慧, 李琪 申请人:同济大学