关键词：
中国聚变工程实验堆
遥操作
主从双边控制
共享控制
分布式控制系统
摘要：
中国聚变工程实验堆(CFETR)是我国聚变能发展版图中的重要的一环,而遥操作(Remote Handling,RH)作为其中重要技术挑战,亟待有效解决。现阶段完全自主的智能机器人难以在短期内实现有效应用,因此基于“人在回路”的主从遥操作技术仍然是目前聚变装置维护的主要手段。主从控制结合人类的感知决策能力与自动化系统的精确执行能力,能够充分发挥各自优势。然而,由于核聚变技术发展的历史较短,遥操作技术应用研究相对有限,传统的主从控制过度依赖操作人员,导致效率低下,且在复杂、狭小的聚变真空室内维护作业时,安全性难以保障。为应对这些挑战,本研究面向CFETR遥操作维护需求,开展了分布式实时控制系统和基于力反馈主从双边控制技术研究。并为了进一步提升系统的作业效率与安全性,提出了基于控制器局部自主的共享控制策略。论文主要研究内容如下:
为实现主从遥操作分布式控制系统的集成,并降低系统时延对遥操作的影响,提出了一种基于OROCOS的分布式实时控制系统设计方法。首先,通过分析遥操作系统设备的控制需求,对设备控制器组件进行标准化设计,并引入Xenomai对底层Linux操作系统进行实时性增强,以提升系统实时响应和任务调度能力。针对系统的分布式架构和实时通信要求,采用Fast DDS作为通信中间件,通过其松散耦合的数据分发机制实现大数据传输,并通过服务质量(QoS)机制确保消息的可靠传输。然后在此基础上,完成了主从控制系统的设计。最后,通过Linux/Xenomai实时性基准测试和OROCOS组件性能评估,对系统的综合性能进行了验证。实验结果表明系统性能稳定,节点实时性和通信实时性良好,能够满足遥操作机器人及主从控制系统的高实时性控制需求,为后续开展主从双边控制研究奠定了基础。
为实现沉浸式主从遥操作,使操作者能够真实感知机器人与环境的交互,开展了基于位置同步主从双边力反馈控制算法研究。首先,基于运动学建模,分析了主端控制设备和从端执行设备的工作空间。针对两者在结构上的显著差异,提出了一种基于离合机制的增量式空间映射方法,建立了主端操作空间与机械臂工作空间之间的转换关系,从而实现了操作员在操作和视觉控制逻辑上的一致性。为准确再现从端环境交互力,采用了基于位置/力控制策略,并研究了力/力矩传感器的参数标定和重力补偿算法。此外,为实现对主端控制输入路径的跟随,进一步分析了系统的渐进稳定性、跟随误差和奇异点规避等问题。最后,通过瓦片安装和拆卸等模拟实验,验证了所设计主从系统控制策略的有效性。
为避免从端机械臂在动态交互过程中产生过大的接触力变化,并保障主从作业过程的平稳性,提出了一种基于切换控制的位置/柔顺混合双边遥操作策略。该方法能够在位置控制模式和柔顺控制之间实现平稳的切换。当交互力低于设定阈值时,采用位置同步控制以确保主从控制的一致性;一旦交互力超过阈值,系统将自动切换到柔顺控制机制,以避免交互力过大。通过设定与固定目标和运动目标交互案例,分析了机械臂在不同阶段下的运动状态。此外,基于等效电路替代原理和无源性理论,分析了系统的稳定性,并通过仿真和实验操作验证了所提方法的有效性。
针对聚变真空室内部狭小空间中防止机械臂与环境发生碰撞的问题,基于非线性模型预测控制(NMPC)设计了一种共享自主控制器。该控制器通过辅助遥操作,与操作员协同完成维护任务,有效提升作业的安全性和效率。在控制过程中,NMPC控制器根据操作输入轨迹最小化与控制输出的偏差,同时在满足安全约束的前提下,通过预测未来状态,利用滚动时域规划器实时求解当前最优控制指令,从而动态调整机械臂的运动路径,确保其在复杂环境中的安全运行。为验证NMPC自主控制器在CFETR遥操作维护中的实际效果,基于Coppeliasim搭建了半实物模拟维护场景,开展了模拟主从维护操作实验,验证了算法的有效性。
本研究围绕聚变装置主从遥操作维护的核心问题,结合CFETR遥操作系统维护需求和真空室结构特点,深入开展了基于主从双边共享力反馈控制策略研究,显著提升了主从遥操作系统的安全性、稳定性和操作效率。这些研究成果为未来聚变装置遥操作维护提供了可靠的技术支撑,具有重要的现实意义和应用价值。
