遠程遙控裝載機的延時補償控制研究

朱本龍，沈少恒，李強，黃歡

（1.221111 江蘇省 徐州市 徐州市檢驗檢測中心；2.221116 江蘇省 徐州市 江蘇師范大學 電氣工程及自動化學院）

0 引言

裝載機作為最常見的工程機械之一，被廣泛應用于工程建設、礦石開采等領域[1]。傳統的裝載機由駕駛員駕駛，在惡劣的工作環境下，不僅增加駕駛員的操作難度，還可能對身體健康造成重大影響，甚至危及人身安全。隨著技術的發展，工程機械的智能化、信息化已成為新的發展方向[2]。通過計算機網絡遠程控制裝載機，可以極大提高工作效率，有效地規避風險，確保工人的安全。然而，在基于計算機網絡的遠程控制系統中，傳輸延時是一個無法回避的問題，會極大降低系統的穩定性。如何盡可能消除延時帶來的影響，是目前需要研究和解決的問題[3]。

很多學者針對工程車輛的遠程遙控、延時補償等問題做了相關研究。劉學良等[4]設計了一種針對挖掘機的遠程控制系統，該系統通過遙控艙實現對挖掘機的遠程無線控制及對工作現場的監聽監視；溫時豪[5]深入分析了電動挖掘機的參數與性能，設計了基于無線通信的挖掘機遠程控制系統，但是，以上系統沒有考慮延時補償的問題；高達輝[6]對CAN總線通信延時與丟幀補償進行了深入研究，提出一種分布式補償方法，并將該方法應用到混合動力挖掘機的電動回轉系統中，該方法比較復雜，實現成本較高。本文設計了一套針對裝載機的延時補償控制系統，相比以上研究成果，具有結構簡單、成本較低等優點。

1 系統總體結構設計

本系統在遠程遙控過程中，通過安裝在車輛上的攝像機記錄工作環境的實時影像，運用無線局域網傳輸實時影像數據，控制端通過以太網接收數據。操作人員可在控制端發送命令，實現對裝載機的實時控制，或者根據實際需求對裝載機鏟斗末端的位姿軌跡進行規劃，實現裝載機自動操控。

實時視頻數據在網絡上傳輸都有延時，無論是網絡在正常狀態下的常態延時，還是由于網絡擁塞、設備故障等原因導致的突發延時，都會降低控制系統的穩定性。為了解決這一問題，首先需要實時、準確地測量出延時時間，并在控制系統中對測得的延時進行補償。因此，擬采用精準時間協議（Precise Time Protocol，PTP）對系統延時進行精準計算，利用Smith 補償器進行延時補償，并通過仿真驗證系統的可行性。

2 網絡延時測量

2.1 PTP 簡介

PTP 是根據IEEE1588v2 標準提出的高精度時間同步協議，可以精確計算網絡延時并實現10 ns級精度的時間同步[7]。PTP 同步原理如圖1 所示。

圖1 PTP 同步原理Fig.1 Synchronization principle of PTP

圖1 中包含4 種報文，同步報文（Sync），跟隨報文（Follow_up），延遲請求報文（Delay_req），延期請求響應報文（Delay_resp）[8]。同步機制下報文的收發流程為：（1）從主時鐘發出Sync 報文，同時記錄下Sync 報文離開主時鐘的精確發送時間t1。Sync 報文可以攜帶發送時間信息，也可以不攜帶，因為Sync 報文攜帶的發送時間不是精確的；（2）Follow_up 報文將精確發送時間t1封裝發送給從時鐘，與Sync 報文攜帶的發送時間相比，Follow_up 攜帶的發送時間是精確的；（3）從時鐘記錄下Sync報文到達從時鐘的精確時間t2；（4）在從時鐘發出Delay_req 報文的同時記錄下精確發送時間t3；（5）主時鐘記錄下Delay_req 報文到達主時鐘的精確時間t4；（6）主時鐘發出攜帶精準時間戳信息t4 的Delay_resp 報文給從時鐘。

2.2 延時的計算

在系統中指定一個主時鐘，用offset表示主從時鐘之間的偏差值，用delay表示網絡延時，即報文在傳輸過程中的延時，表達式分別為

式中：t1，t2，t3，t4——上一節提到的時間戳信息。

3 Smith 延時補償控制

根據上節測量的延時時間，本文選用PID 控制器進行反饋控制，使等效二連桿的末端跟蹤給定的期望軌跡。采用Smith 補償器進行時間補償，實現系統的穩定。帶純滯后環節的控制系統如圖2 所示。

圖2 帶純滯后環節的控制系統Fig.2 Control system with pure hysteresis

圖2 中：R（s），Y（s）——控制系統的輸入與輸出；D（s），Gp（s）——控制器與被控對象的傳遞函數；e-τs——時滯因子，表示被控對象的純滯后環節。

該控制系統的傳遞函數為

由式（2）可以得到系統的特征方程

其中的延時環節會影響系統的穩定性，進而影響整個控制系統的性能。因此，為了提高系統的穩定性，應盡可能消除純滯后帶來的不利影響。

Smith 補償控制是一種專門針對純滯后系統的預估補償控制方案，其基本思路：通過在純滯后控制系統中引入的一個預估補償環節，消除閉環特征方程中的純滯后項，從而提高控制質量[9]。Smith預估補償系統如圖3 所示，并聯在D（s）上的就是Smith 預估器。

圖3 Smith 預估器控制系統結構圖Fig.3 Block diagram of Smith predictor control system

圖3 中虛線方框中的部分作為控制器，其傳遞函數為

經Smith 預估器補償后系統的閉環傳遞函數為

由式（5）可知，補償后系統的閉環特征方程中不再含有純滯后項，系統性能可以得到顯著提升[9]。

4 裝載機的建模

選用HT-25J 多功能裝載機作為研究對象，將裝載機的鏟斗和動臂等效成一個二連桿機械臂[10]。本文在MATLAB 環境中對等效的機械臂模型進行運動學建模與動力學建模。

4.1 D-H 參數法建模

運動學建模是研究機械臂控制方法和軌跡規劃的重要環節[11]。一般采用D-H 參數法進行運動學建模，即在等效二連桿的每個關節上建立一個空間坐標系，通過齊次坐標變換建立2 個不同空間坐標系的變換關系[12]。建立的二連桿的D-H 模型如圖4 所示。圖4 中，設固定基座為連桿0，其與連桿1 的連接處為關節1；連桿1 與連桿2 的連接處為關節2；連桿2 的末端為關節3。在關節1 處建立基坐標系和1 號坐標系；在關節2 處建立2 號坐標系；在關節3 處建立3 號坐標系[13]。根據建立的機器人連桿坐標系，可以獲得二連桿的D-H 參數表，如表1 所示。

表1 D-H 模型參數Tab.1 D-H model parameters

圖4 二連桿機械臂的D-H 模型Fig.4 D-H Model of two-link arm

表1 中：θ1——關節1 轉角；θ2——關節2 轉角；L1——桿1 的長度；L2——桿2 的長度。

通過正運動學解算，求得二連桿的末端坐標為

與正運動學相反，逆運動學是根據已知末端位姿求關節的變量。圖4 中，由二連桿的末端點向y軸做垂線，并與基坐標系的原點相連，構成一個直角三角形，其邊長分別為X、Y、L0，設該直角三角形左上角為θ0，則

其中，末端點（x，y）的取值分別為X和-Y。根據式（6）可得

將式（8）左右兩邊同時平方后相加得

聯立式（7）、式（9）得

最終求得

同理可求出θ1+θ2，進而求出θ2：

4.2 動力學建模

利用拉格朗日法[14]，對等效二連桿進行動力學建模，建立輸入力矩與關節角度之間的聯系，其動力學方程為

5 系統仿真結果

首先在OPNET 上進行網絡模擬仿真，得到具體的延時時間，然后通過Simulink 進行控制系統仿真，具體過程如下：

（1）網絡環境仿真

在OPNET 上的網絡仿真分為3 個階段，第1階段為網絡拓撲結構設計，OPNET 網絡域設置攝像頭視覺節點，通過無線局域網將這些節點連接到服務器，服務器再通過有限局域網傳到客戶端；第2 階段為通訊協議設置，攝像頭捕捉的視頻采用MPEG-4 標準編碼，應用層采用FTP 協議，傳輸層采用UDP 協議，網絡層采用IP 協議，無線局域網采用的是IEEE802.11 協議。同時，應用PTP 協議使這層網絡的所有設備都與該時鐘保持同步；第3 階段為模擬仿真，在已經加入PTP 協議的無線局域網中模擬網絡擁塞，通過帶寬配置和設置多個節點數增加網絡負載。通過一系列實驗，在保證沒有數據丟失的情況下帶寬配置為1 Mbps，設置10 個移動站時測得的延時約10 ms。

（2）控制系統的仿真

通過Simulink 建立PID 控制器模塊、動力系統仿真模塊以及延時補償模塊，并與上文建立的等效二連桿模型相結合，共同構成完整的仿真系統，系統的基本結構如圖5 所示。

圖5 控制系統的基本結構Fig.5 Structural diagram of control system

仿真中給定的二連桿末端路徑是半徑為0.5 m的圓弧，將軌跡限制在一個平面內，因此末端位置的橫坐標和縱坐標均按余弦規律變化。將逆運動學解算后得到的關節角作為給定輸入到PID 控制器模塊中。動力學仿真模塊是一個非線性系統模型，而本文的Smith 預估器是針對線性模型的，因此將Smith 預估器中的系統模型近似成慣性環節和比例環節的串聯，延時時間設為10 ms。通過手動調節Smith 預估器的參數，使系統達到穩定，最終在預估器中慣性時間常數為0.04 s，比例放大倍數為0.001，仿真結果如圖6 所示。

圖6 運行結果對比Fig.6 Comparison of control systems

本次仿真僅顯示了機械臂末端在橫坐標上的取值隨時間的變化情況，圖6（a）是不加Smith 預估器時的運行結果，可以看出網絡延時使得系統不穩定；圖6（b）是加入Smith 預估器后的結果，經過大約100 s 的調整時間，系統保持在一個較為平穩的狀態，此時期望值與實際值基本重合，Smith預估器取得了良好的效果。

6 結語

本文設計了裝載機的遠程控制及延時補償系統，通過仿真結果可以看出，Smith 預估補償取得了良好效果。該系統具有結構簡單且成本低廉的優點，在實際工作中可以極大地降低操作難度，節約成本。該方法存在的主要問題是補償器的參數需要根據不同的控制對象手動調節。此外，在實際系統中的控制效果需要進一步驗證。