利用混杂Petri网对基于事件的机器人遥操作系统建模研究.pdf

文章编号?2?2?2?利用混杂网对基于事件的机器人遥操作系统建模研究王清阳 席 宁 王越超?中国科学院沈阳自动化所一室 沈阳?摘 要?针对采用基于事件思想的移动机器人遥操作系统?首次提出以混杂?网作为描述工具进行建模?模型的离散部分利用传统的?网?对应于系统的操作者?连续部分利用重新定义的便于描述微分代数方程的连续?网?对应于位于远端的移动机器人?关键词?混杂?网?基于事件?遥操作系统?建模中图分类号?文献标识码?2?2?2?1 引言?近来?混杂动力学系统在计算机科学!控制理论及机器人学等领域引起越来越多人的关注?并且日趋成为一个新的研究热点?一般而言?一个典型的混杂动力学模型是一个描述带有事件驱动特征的!与连续动力学相互作用的动态系统?是一种更为严格的方法?文献?对此做了很好的概括?在机器人领域中?机器人遥操作被看作是典型的混杂动态系统?客户端位于整个系统的上层?它根据来自机器人的!带有各种参数的条件作出决定?事件?位于远端的机器人服务器则接受决策层的事件作为机器人运动操作的指导?并返回执行后机器人的各种参数?传统的遥操作系统中?由于信息在网络传输中的延迟作用?使得以时间为参考基准量的整个控制与规划系统的各个模块之间形成了一种异步的关系?从而使整个系统变得不稳定?采用了基于事件的思想则能够很好地避开这一缺点?从而获得整个控制系统的稳定性?2 基于事件的规划与控制?该理论是由谈自忠和席宁于?年前后提出的?最初是用于多机器人协作?最近又应用于遥操作和网络机器人控制?其理论的基本点在于引入一个不同于时间的新运动参变量?该变量随控制过程的进行而更新?实时的传感信息是这种更新的依据?系统的理想输出是此参量的函数?在系统运行过程中?通过规划器实时修正系统的目标输出值?使得系统运动规划过程成为实时过程?具有了自适应的特性?更利于得到优良控制效果?这种方法与传统控制方法的控制过程框图如图?所示?在实际应用中选取的新运动参量应为时间的非减函数?例如可以取机器人质心运动路径长度?图?中?的作用是计算的当前值?其更新速度于反馈控制更新速度一样?从而可在不第?卷第?期?年?月机器人?收稿日期?可预测及不可确定事件发生时能快速更改运动规划?避免损失?从图中还可看到一个局部闭环?这是为了实现局部稳定而加的局部负反馈?整个系统的稳定性则由下述定理保证?图?传统控制过程图?图?基于事件的控制方法框图?定理?如果以时间为参数时机器人系统是渐进稳定的?而新的运动参数是时间的非减函数?则系统以为参数时也是渐进稳定的?根据上述定理?只要能使远程系统以时间为参数时作到稳定?在选取了合适的后?稳定性保持不变?一些发展成熟的控制方法因而可被用于遥操作中?同时?以为参变量的时间最优!能量最优控制也能实现?从控制原理上讲?我们原本选取时间为参变量是因为时间的无限流动性和可靠性?时间的精确计量已不是问题?这对控制系统实现同步是有保证的?假如我们能得到一个可准确计量且与被控系统或被控制量有更密切关系的变量?为什么不用呢?所以?可以认为时间和路径都只是统一的控制参变量集的个体?实际控制中应根据需要选取具体变量?3 混杂网?混杂系统由离散事件动态系统?和连续时间动态系统?两部分组成?可以看作是 的控制层?我们分别采用离散?网和连续?网描述和?两部分通过条件?事件接口?相互作用?如图?所示?图?混杂系统结构?限于篇幅?对于离散?网以及连续?网的基本概念部分?本文加以省略仅介绍条件?事件混杂?网的其余部分及其控制?前两部分的相关内容请分别参考?3?1 离散网?略?3?2 连续网?略?3?3 扩展定义1?根据状态使能离散变迁集合的定义?状态使能离散变迁矢量?为全部有效状态使能离散变迁矢量集合?的第个分量为?时表示离散变迁状态使能?反之则为状态禁止?定义2?根据状态使能连续变迁集合的定义?状态使能连续变迁矢量?为全部有效状态使能连续变迁矢量集合?的第个分量为?时表示连续变迁状态使能?反之则为状态禁止?3?4 条件?事件接口接口用于描述和 之间的相互作用?为一个四元组?其中#?为连接离散库所和连续变迁的有向弧集合?采用末端带实心小圆点的直线或弧线表示?#?为连接连续库所和不可控离散变迁的有向弧集合?采用末端带实心小圆圈的直线或弧线表示?#?为定义上的条件集?#?为定义上的条件集?为定义在连续状态空间上的谓词?例如对于不可控离散变迁?对应的连续变量集为?相应的连续状态矢量为?如果谓词?成立?表示内部控制使能?其中表示不可控离散变迁?机 器 人?年?月的连续输入库所集合?即?满足?和反映对 的控制?维控制矢量?反映了?对连续变迁的控制?为全部有效控制矢量集合?的第个分量为?说明连续变迁被执行器控制使能?反之?则被控制禁止?对于离散状态不可控的连续变迁?其总是控制使能的?根据和?可以定义出执行器?执行对 的控制?例如时刻?的离散标识为?从?得到的控制输入为?维内部控制矢量?表示 反馈给的内部控制命令?为全部有效内部控制矢量集合?的第个分量为?表示离散变迁内部控制使能?可控离散变迁总是内部控制使能的?即?其相应的第个分量总为?根据和?可以定义出离散事件产生器?例如时刻?的连续状态为?从?得到的内部控制输入为?由离散和连续?网以及接口三部分组成了混杂?网?即?3?5 受控混杂网给?加上外部控制输入?便构成了受控混杂?网?其中?是一个维控制矢量?作用在每个离散变迁上?为全部有效外部控制矢量集合?的第个分量为?表示离散变迁外部控制使能?反之称为外部控制禁止?不可控离散变迁总是外部控制使能的?即外部控制输入矢量中与不可控离散变迁所对应的分量总为?3?6 受控混杂网运行规则定义?在受控混杂?网中?离散变迁或?变迁集合?如果同时满足状态使能!内部控制使能!外部控制使能?则称该离散变迁?或变迁集合?使能?同时满足状态使能和控制使能的连续变迁?变迁集合?称为使能连续变迁?变迁集合?的变迁触发规则为?使能变迁?无论是离散或连续变迁?立即触发?和?中的令牌不相互转移?4 机器人遥操作系统?机器人遥操作是实现有害或危险环境下作业的有力手段?是遥科学系统的重要组成部分?它研究的主要内容是人类与机器人如何合作?使人类能在远离活动现场的地点?完成和参与现场活动?也就是如何集成和应用遥现?!虚拟现实?2?和遥信?等基础技术?使人类能够远离那些不利于!不允许人类在其中生存和工作的环境?远距离地完成和参与在那些环境中进行的活动?例如?远程拆除放射性设备!远程监控!远程有毒废物处理!核环境中的远程维护和修复等等?机器人遥操作技术正在渗透到人类生活和工作的各个方面?使人类能够异地完成陆!海!空!各种实验室!科研设施!工矿!战场装备和医疗服务等各方面的操作和管理?高水平!高效率地完成各种任务?本文所描述的机器人遥操作系统是由以下几部分组成的?操作者及主端控制器?游戏杆?构成了客户层?移动机器人系统及从端控制器构成了服务器层?客户层与服务器层之间是通过?来连接的?如图?所示?粗略地说?整个过程是由操作者操纵游戏杆通过?控制移动机器人向目标移动?系统的具体运作过程如下?客户端在接收到移动机器人的力反馈?后将它在游戏杆上演示出来?操作者据此感受到移动机器人的运动情况并将游戏杆移动到一个新的位置?然后本地计算机根据这个新位置得到操作者所希望的移动机器人的新的速度设定值?最后将这个设定值发送到互联网上去?移动机器人在接收到操作者所希望的速度设定值之后根据传感器信息以及避碰算法得出移动机器人的实际速度设定值?即?其中?表示同由于机器人与目标之间的距离所产生的虚拟力对应的环境速度设定值?该方程的自变量是关于距离的事件?具体细节见随后的章节?一旦机器人接收到这个实际速度设定值?机器人本体的伺服控制系统就开始执行?一直到实际运动速度与相一致?在这一过程中机器人将关于速度期望值与实际执行速度值之间的误差通过互联网反馈给操作者?通过这种方式操作者能够感知实际的速度跟踪误差?这一过程可通过如下的一组方程?第?卷第?期王清阳等?利用混杂?网对基于事件的机器人遥操作系统建模研究来表达?其中?是常量?是机器人的质量?是实际环境作用力?是机器人内部控制器变量?同样?该方程组的变量是关于距离的事件?具体细节见随后的章节?图?遥操作系统结构?5 遥操作系统模型?尽管我们在上一章讨论了许多基于?的移动机器人的技术细节?但是有一个不可忽略的问题我们必须考虑到?那就是由于信息通过网络传输时不可避免地存在的延迟?乱序?丢包等现象?从系统的稳定性和运行效率角度看?可以说网络遥操作的大部分问题是由于它们造成的?最初?解决时间延迟的方法就是所谓的/走走2停停0策略?但这种方法显然耗时太多?后来的?!?对此进行了更进一步的研究?年代以来?计算机技术!通讯技术及控制技术发展迅速?新的控制方法不断涌现?近年的研究成果具体可分为四类?预测显示?控制!遥编程!双向控制?无源发散理论及波变量理论?!基于事件的规划和控制?预测显示?控制技术要求对位于远端的机器人环境有足够准确地描述?并能够处理不确定事件?对于复杂而不断变化的操作环境来说?要做到上述要求显然是困难的?遥编程技术不要求机器人能处理突发事件及不确定事件?但在如何把握机器人的自主性和操作者的及时介入操作上显得不够灵活?而无源发散理论及波变量理论则仅是从稳定性理论的角度来讨论时延问题?针对网络遥操作问题?基于事件的规划与控制系统所传递的信息是传感器所感知的信息?它仅与机器人当时的任务执行情况有关而与时间无关?这样就巧妙地避开了由于延时所引起的信息传递不准确所带来得问题?该理论具有如下特点?将动作规划和系统控制结合起来使机器人能够根据传感信息处理意外及不确定事件?找到一个描述规划的数学模型?她与最终的目标相关并且可以根据测量值容易而实时地进行修改?找到一种高效的传感信息更新方案?用于将传感测量值以同控制反馈一样地快速传到规划器?基于上述观点?我们利用基于事件的观点来对处于?环境下的遥操作系统进行建模?尽管从原则上说这是一个典型的混杂系统?但是为了和实际情况相符?我们对模型做了如下修改?监控层根据底层传来的反馈力进行逻辑推导?产生相应的速度期望值?然后再发出去?在这一过程中?离散?网处理的是有实际物理意义的值?因为离散库所的标识以及定义在有向弧上的权函数所处理的不应是整数值而是具有元组性质的单元值?为库所号?为要处理的物理对象值?根据状态使能离散变迁集合的定义?状态使能离散变迁矢量?的第个分量不为?时表示离散变迁状态使能?反之则为状态禁止?根据状态使能连续变迁集合的定义?状态使能连续变迁矢量?的第个分量不为?时表示连续变迁状态使能?反之则为状态禁止?传统意义上的条件事件接口起两个作用?过滤器?不断检测底层被控对象的状态?一旦达到所要求的阀便将此信号的使能状态传递给上层?将上层的决策信息传递给底层?在我们的系统里?条件事件接口仅是起数据传递的作用?就象与之对应的实例?一样?被控对象的?网模型类似于?其中我们定义三类变迁函数?机 器 人?年?月?瞬时函数?如果变向量的值在时间是?那么在时间的的值由上式决定?也就是说?在时间?与对应的是?例如加法函数?并且值的传递并不消耗时间?我们通常所用的运算符例如加!减!乘!除等均属此类?注意各种运算符的运算次序?输入时间函数?它产生模型的输入轨迹?在时间?的值给定为?例如?则产生变量的输入轨迹?与之对应的变迁同样不消耗时间?记忆函数?该函数表明它本身具有初始状态?其值必须在运行的开始设定?本质上它有一个由输入变量的轨迹所影响的?决定这些变量轨迹的状态转移函以及一个决定它的输出变量的输出函数?在这里我们仅处理一种记忆函数?积分器函数?即输出是输入的时间积分加上初始状态?表示为?注意?注意?该变迁函数需要处理延时?根据基于事件的思想?我们对原系统做以事件?为自变量的变换?从而得出一组基于事件的被控系统的状态描述方程?变换后的方程组同样适合于?网的描述?在这种情况下?要求有与?中的三个变迁函数相对应的定义?模型的图形表示如图?所示?图?遥操作系统实例的混杂?网模型?根据上述机器人遥操作系统的描述?我们能很容易地建立起它的条件?事件混杂?网模型?利用该模型我们能够模拟对实际系统的控制?使系统中的连续变量的演变方式充分地显示出来?各节点意义如下?连接状态?准备发送?发送后状态?接收到力?所演示的力?获得速度?发送速度值?接收反馈力?演示反馈力?获得速度6 结论及未来工作?本文利用条件?事件混杂?网对基于移动机器人的遥操作系统进行建模?可以说是对遥操作系统进行系统研究的一个崭新的尝试?尤其是对控制方面的研究更是如此?将基于事件的思想引入遥操作系统中不但能够避开网络信息传输延迟的缺点?更重要的是该思想能够保证整个系统的稳定性?但是?我们应该看到?尽管混杂?网从结构及其所特有的性质上很适合对遥操作系统进行研究?其缺点也是很明显的?即对于复杂系统描述缺乏简洁性?这一点对于随后进一步系统研究产生严重阻碍?参考文献?2?)?袁崇义著?网?东南大学出版社?2?2?2?43?李慧峰?基于?网的实时离散事件系统和混杂系统的建模与控制综合研究?西安交通大学博士学位论文?2?2?2?2?2?作者简介?王清阳?2?男?博士生?研究领域?机器人学?信息系统建模与仿真?席 宁?2?男?研究员?研究领域?机器人学?王越超?2?男?研究员?研究领域?机器人学?第?卷第?期王清阳等?利用混杂?网对基于事件的机器人遥操作系统建模研究