近年来，随着空间探测、机器人远程手术和海底勘探等领域的应用，遥操作系统受到了人们的广泛关注。在典型的遥操作系统中，操作者根据视觉或力反馈对主端机械臂施加力，并将主端机械臂的运动作为控制指令发送给从端机械臂。从机械臂通过跟踪主机械臂的运动来执行操作任务，并将环境力反馈给主端操作者。在遥操作系统中，信息的交互是通过网络进行的。在遥操作系统的主从端跟踪控制中，速度测量是提供反馈信息的必要条件。然而，测量出的速度信息易受环境噪声影响，进而影响控制性能。此外，由于主从端距离较远，通信易受到干扰，使得操作者发送命令与从端机械臂执行命令的时间之间存在延迟，进而导致整个闭环系统的不稳定。

为此，本文基于浸入与不变流形思想设计了遥操作系统速度观测器，并建立了指数收敛条件。和现有非线性速度观测器相比，本文的观测器可以消除速度上界精确已知的假设，并解析的给出观测器中的函数。进一步，利用观测器的估计速度，本文设计了遥操作系统从端力矩反馈控制算法。基于构造的Lyapunov-Krasovskii泛函，建立了容许的最大时延值与控制器参数的关系。

燕山大学闫敬教授团队针对遥操作系统在速度信号不可测和时变通信时延情况下的主从端实时跟踪问题，提出了一种解决方案。研究成果发表于IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica 2023年第十卷第二期：X. Yang, J. Yan, C. C. Hua, and X. P. Guan, “Position measurement based slave torque feedback control for teleoperation systems with time-varying communication delays,” IEEE/CAA J. Autom. Sinica, vol. 10, no. 2, pp. 388–402, Feb. 2023. doi: 10.1109/JAS.2022.106076

首先，基于浸入与不变流形思想设计了速度观测器，并建立了关节位置与观测状态之间的线性关系，避免了求解偏微分方程。同时，利用中值定理分离观测误差项，使得观测器中所有函数都可以解析表示。该速度观测器通过3自由度Phantom Premium 1.5HF机械臂进行实验验证，效果如图1所示。可以看出，本文所设计的速度观测器具有较好的抗噪声能力。

图1 速度观测器实验验证结果

进一步利用估计得速度信息，设计了遥操作系统从端力矩反馈控制器。系统框图如图2所示。

图2 系统框图

基于构造的Lyapunov-Krasovskii泛函，建立了容许的最大时延值与控制器参数的关系，给出了遥操作系统主从端渐近跟踪稳定性判据。系统控制性能如图3所示。

图3 控制器实验验证结果

在未来，我们将研究模型参数未知下的遥操作系统速度观测器设计问题，同时，如何解决复杂网络环境下的遥操作系统协同控制也是未来需要考虑的方向。

杨晛，燕山大学副教授、博士生导师，河北省优青、教育厅青年拔尖人才。2016年获得燕山大学控制科学与工程博士学位；研究领域包括网络化遥操作系统、水下网络物理系统和非线性控制。

闫敬，教授、博士生导师，主要从事水下网络系统定位、组网与协同控制等研究。入选国家优青，河北省杰青。目前是IEEE Senior Member、中国自动化学会高级会员，担任国际期刊IEEE Trans. Intelligent Transportation Systems、IET Control Theory & Applications 以及Wireless Networks编委、IEEE/CAA JAS与《水下无人系统学报》青年编委、《控制理论与应用》客座编委。

华长春，燕山大学教授、博士生导师，现任电气工程学院院长。“国家杰出青年科学基金”获得者，“长江学者特聘教授”，国家万人计划专家。研究成果获国家自然科学二等奖1项，教育部自然科学一等奖3项，河北省自然科学一等奖1项，河北省科技进步一等奖1项。

关新平，上海交通大学讲席教授，现任电子信息与电气工程学院院长。“国家杰出青年科学基金”获得者，“长江学者特聘教授”，“国家百千万人才工程”国家级人才，IEEE Fellow；上海市领军人才，上海市优秀学术带头人。

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