DE102011114116B4 - Control network and process for passivation of a control network - Google Patents
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Abstract
Kontroll-Netzwerk umfassend ein Master-System (101), und ein über einen bidirektionalen Kommunikationskanal (103) mit dem Master-System (101) verbundenes Slave-System (102), wobei der Kommunikationskanal (103) eine zeitvariable Übertragungsverzögerung TA von dem Master-System (101) in Richtung Slave-System (102) und eine zeitvariable Übertragungsverzögerung TB von dem Slave-System (102) in Richtung Master-System (101) aufweist, zwischen dem Master-System (101) und dem Kommunikationskanal (103) ein erster Passivitätsregler (104) und zwischen dem Kommunikationskanal (103) und dem Slave-System (102) ein zweiter Passivitätsregler (105) geschaltet ist, und das Master-System (101), das Slave-System (102), der erste Passivitätsregler (104) und der zweite Passivitätsregler (105) derart ausgeführt und eingerichtet sind, dass – durch das Master-System (101) eine Steuergröße xm(t) zur Ansteuerung des Slave-Systems (102) erzeugbar und an den zweiten Passivitätsregler (105) übermittelbar ist, wobei die Steuergröße xm(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TA im Kommunikationskanal (103) als Steuergröße xm(t – TA) von dem zweiten Passivitätsregler (105) empfangen wird, und wobei die Steuergröße xm(t – TA) durch den zweiten Passivitätsregler (105) regelbar ist und als geregelte Steuergröße xsd(t) an das Slave-System (102) übermittelbar ist, und – durch das Slave-System (102) auf Basis der regelbaren Steuergröße xsd(t) eine Antwortgröße fsb(t) berechenbar und/oder eine Antwortgröße fsg(t) messbar und an den ersten Passivitätsregler (104) übermittelbar ist, wobei die Antwortgröße/n fsb(t) und/oder fsg(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TB im Kommunikationskanal (103) als Antwortgrößen fsb(t – TB) und/oder fsg(t – TB) vom ersten Passivitätsregler (104) empfangen wird/werden, und wobei aus der/den Antwortgröße/n fsb(t – TB) und/oder fsg(t – TB) durch den ersten Passivitätsregler (104) eine Antwortgröße fmd(t) erzeugbar und an das Master-System (101) übermittelbar ist, oder – durch das Slave-System (102) zur Ansteuerung des Master-Systems (101) auf Basis eines Slave-Systemzustandes zur Zeit t eine Steuergröße xs(t) erzeugbar und an den ersten Passivitätsregler (104) übermittelbar ist, wobei die Steuergröße xs(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TB im Kommunikationskanal (103) als Steuergröße xs(t – TB) vom ersten Passivitätsregler (104) empfangen wird, und wobei die Steuergröße xs(t – TB) durch den ersten Passivitätsregler (104) regelbar ist und als geregelte Steuergröße xmd(t) an das Master-System (101) übermittelbar ist, und ...Control network comprising a master system (101) and a slave system (102) connected to the master system (101) via a bidirectional communication channel (103), the communication channel (103) having a time-variable transmission delay TA from the master System (101) in the direction of the slave system (102) and a time-variable transmission delay TB from the slave system (102) in the direction of the master system (101), between the master system (101) and the communication channel (103) a first passivity controller (104) and between the communication channel (103) and the slave system (102) a second passivity controller (105) is connected, and the master system (101), the slave system (102), the first passivity controller (104) and the second passivity controller (105) are designed and set up such that - a control variable xm (t) for controlling the slave system (102) can be generated by the master system (101) and sent to the second passivity controller (105) is communicable, whereby the control variable xm (t) is received by the second passivity controller (105) as the control variable xm (t - TA) due to the transmission delay TA in the communication channel (103), and the control variable xm (t - TA) is received by the second passivity controller (105) is controllable and can be transmitted to the slave system (102) as a controlled control variable xsd (t), and - a response variable fsb (t) can be calculated and / or by the slave system (102) on the basis of the controllable control variable xsd (t) a response variable fsg (t) is measurable and can be transmitted to the first passivity controller (104), the response variable / n fsb (t) and / or fsg (t) due to the transmission delay TB in the communication channel (103) as response variables fsb (t-TB ) and / or fsg (t - TB) is / are received by the first passivity controller (104), and from the response variable (s) fsb (t - TB) and / or fsg (t - TB) by the first passivity controller ( 104) a response variable fmd (t) can be generated and transmitted to the master system (101), or - dur ch the slave system (102) for controlling the master system (101) based on a slave system state at time t a control variable xs (t) can be generated and transmitted to the first passivity controller (104), the control variable xs (t ) is received by the first passivity controller (104) as a control variable xs (t - TB) due to the transmission delay TB in the communication channel (103), and the control variable xs (t - TB) can be regulated by the first passivity regulator (104) and as a controlled control variable xmd (t) can be transmitted to the master system (101), and ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Kontroll-Netzwerk umfassend ein Master-System, und ein über einen bi-direktionalen Kommunikationskanal mit dem Master-System verbundenes Slave-System, wobei der Kommunikationskanal eine zeitvariable Übertragungsverzögerung aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Passivierung eines ebensolchen Kontroll-Netzwerks.The invention relates to a control network comprising a master system, and a slave system connected to the master system via a bi-directional communication channel, the communication channel having a time-varying transmission delay. Furthermore, the invention relates to a method for passivation of just such a control network.
Derartige Kontroll-Netzwerke sind im Stand der Technik als so genannte „Telepräsenzsysteme” oder „Virtual-Reality-Systeme” bekannt. Auf Basis solcher Kontroll-Netzwerke kann ein Bediener bspw. mit einer entfernten realen oder simulierten/virtuellen Umgebung interagieren indem der Bediener ein Eingabemittel (bspw. ein Joystick) des Master-Systems manuell bedient. Von dem Eingabemittel werden Steuersignale, insbesondere Positions- und/oder Geschwindigkeitssignale und/oder Kräftesignale erfasst, und zu einem entfernten Slave-System, beispielsweise mit einem Robotermanipulator, gesandt. Das Slave-System interagiert mit der realen/virtuellen Umgebung des Slave-Systems, beispielsweise indem ein reales/virtuelles Objekt auf Basis der empfangenen Steuersignale in der realen/virtuellen Umgebung bewegt wird.Such control networks are known in the art as so-called "telepresence systems" or "virtual reality systems". Based on such control networks, an operator may, for example, interact with a remote real or simulated / virtual environment by manually manipulating an input means (eg, a joystick) of the master system. Control signals, in particular position and / or speed signals and / or force signals are detected by the input means and sent to a remote slave system, for example with a robot manipulator. The slave system interacts with the real / virtual environment of the slave system, for example, by moving a real / virtual object based on the received control signals in the real / virtual environment.
Um dem Bediener einen möglichst realen haptischen Eindruck bei der Handhabung des entfernten Objekts durch das Slave-System zu ermöglichen, werden vom Slave-System Antwort-Signale an das Master-System gesandt (Feedback), die insbesondere mechanische Kräfte angeben, mit denen die Umgebung auf das Slave-System einwirkt. Diese Antwort-Signale werden u. a. dem Eingabemittel zugeleitet, das diese Kräfte dem Bediener vermittelt, indem es bei einer Eingabe des Bedieners den Antwort-Signalen entsprechender Gegenkräfte erzeugt.In order to give the operator the haptic impression that is as real as possible when handling the remote object by the slave system, the slave system sends (feedback) response signals to the master system, which in particular indicate mechanical forces with which the environment acting on the slave system. These response signals are u. a. the input means, which conveys these forces to the operator by generating the response signals corresponding counter forces in an input of the operator.
Für die folgenden Ausführungen wird davon ausgegangen, dass der Leser mit der zur Beschreibung gattungsgemäßer Kontroll-Netzwerke fachüblichen Terminologie und deren Bedeutung, den Darstellungsarten solcher Kontroll-Netzwerke und den mathematischen Methoden zu deren Beschreibung vertraut ist. Auf eine Erläuterung dieser Grundlagen wird daher vorliegend verzichtet.For the following explanations, it is assumed that the reader is familiar with the terminology customary for the description of generic control networks and their meaning, the types of representation of such control networks and the mathematical methods for their description. An explanation of these principles is therefore omitted herein.
Bekanntermaßen ist die Passivierung solcher Kontroll-Netzwerke insbesondere dann eine Herausforderung, wenn es bei der Kommunikation zwischen dem Master-System und dem Slave-System zu zeitvariablen Übertragungsverzögerungen kommt. Solche zeitvariablen Übertragungsverzögerungen treten insbesondere bei einer Kommunikation über große Distanzen (bspw. bei Satelliten-, Radio-Links), bei einer Kommunikation in/über Medien mit langsamen Signalausbreitungsgeschwindigkeiten (bspw. bei Unterwasser Akustik-Links) oder bei einer Kommunikation über Systeme, die inhärente Verzögerung erzeugen (bspw. Internet-Link) auf.As is known, the passivation of such control networks is particularly a challenge when time-variable transmission delays occur in the communication between the master system and the slave system. Such time-variable transmission delays occur in particular in the case of communication over long distances (for example in the case of satellite links, radio links), in communications in / via media with slow signal propagation speeds (eg underwater acoustic links) or in the case of communication via systems which generate inherent delay (eg internet link) on.
Im Stand der Technik, insbesondere aus der
Die
Die
Eine Weiterentwicklung der technischen Lehre der
Weiterhin befasst sich der Artikel von Jee. Hwan Ryu, Jordi Artigas und Carsten Preusche mit dem Titel: „A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay” in Mechatronics, Volume 20 (2010), S. 812–823 mit einem bilateralen Kontrollmechanismus für einen Teleoperator mit einer zeitlich variierenden Kommunikations-Verzögerung.Furthermore, the article is about Jee. Hwan Ryu, Jordi Artigas and Carsten Preusche entitled "A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay" in Mechatronics, Volume 20 (2010), pp. 812-823 with a bilateral control mechanism for a teleoperator with a time-varying communication delay.
Allerdings zeigt sich dass, dass mit den bekannten Verfahren aufgrund von Kausalitätsambiguitäten, bspw. bei der Kraft-Kraft- oder der Position-Position-Architektur bzw. der äquivalenten Geschwindigkeit-Geschwindigkeit-Architektur des Kontroll-Netzwerks, d. h. einer Mehrdeutigkeit bzw. einer „Beziehungslosigkeit” der zwischen dem Master-System und dem Slave-System ausgetauschten Steuer- und Antwortgrößen, bisher keine befriedigenden Passivierungsergebnisse erzielt werden können. Im Stand der Technik gibt es nur die Position/Kraft(berechnet)-Netzwerkarchitektur bzw. Kraft(berechnet)/Position-Netzwerkarchitektur, die keine Kausalambiguität aufweisen und bei denen eine hinreichend gute Passivierung entsprechender Kontroll-Netzwerke erfolgreich gelingt. Alle weiteren Netzwerkarchitekturen sind jedoch von der Kausalitätsambiguität betroffen.However, it turns out that with the known methods due to causality ambiguities, for example in the force-force or the position-position architecture or the equivalent speed-velocity architecture of the control network, d. H. an ambiguity or a "lack of relationship" between the master system and the slave system exchanged control and response variables, so far no satisfactory Passivierungsergebnisse can be achieved. In the prior art, there is only the position / force (calculated) network architecture or force (calculated) / position network architecture, which have no causal ambiguity and in which a sufficiently good passivation of corresponding control networks succeeds successfully. However, all other network architectures are affected by the causality ambiguity.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kontroll-Netzwerk und ein Verfahren zur Passivierung eines ebensolchen Kontrollnetzwerks anzugeben, mit dem insbesondere auch von der oben beschriebenen Kausalitätsambiguität betroffene Netzwerke passivierbar sind.The object of the invention is to provide a control network and a method for passivation of just such a control network, with which in particular affected by the above-described causality ambiguity networks are passivated.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.
Der vorrichtungsgemäße Aspekt der Erfindung ist mit einem Kontroll-Netzwerk umfassend ein Master-System, und ein über einen bi-direktionalen Kommunikationskanal mit dem Master-System verbundenes Slave-System gelöst, wobei der Kommunikationskanal eine zeitvariable Übertragungsverzögerung TA = TA(t) von dem Master-System in Richtung Slave-System und eine zeitvariable Übertragungsverzögerung TB = TB(t) von dem Slave-System in Richtung Master-System aufweist, zwischen dem Master-System und dem Kommunikationskanal ein erster Passivitätsregler und zwischen dem Kommunikationskanal und dem Slave-System ein zweiter Passivitätsregler geschaltet ist.The device according to the invention is achieved with a control network comprising a master system, and a slave system connected to the master system via a bi-directional communication channel, the communication channel having a time-variable transmission delay T A = T A (t) from the master system towards the slave system and a time-varying transmission delay T B = T B (t) from the slave system towards the master system, between the master system and the communication channel a first passivity controller and between the communication channel and a second passivity controller is connected to the slave system.
Erfindungsgemäß sind das Master-System, das Slave-System, der erste Passivitätsregler und der zweite Passivitätsregler derart ausgeführt und eingerichtet, dass durch das Master-System eine Steuergröße xm(t) zur Ansteuerung des Slave-Systems erzeugbar und an den zweiten Passivitätsregler übermittelbar ist, wobei die Steuergröße xm(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TA im Kommunikationskanal als Steuergröße xm(t – TA) von dem zweiten Passivitätsregler empfangen wird, und wobei die Steuergröße xm(t – TA) durch den zweiten Passivitätsregler regelbar ist und als geregelte Steuergröße xsd(t) an das Slave-System übermittelbar ist, und durch das Slave-System auf Basis der regelbaren Steuergröße xsd(t) eine Antwortgröße fsb(t) berechenbar und/oder eine Antwortgröße fsg(t) messbar und an den ersten Passivitätsregler übermittelbar ist, wobei die Antwortgröße/n fsb(t) und/oder fsg(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TB im Kommunikationskanal als Antwortgröße/n fsb(t – TB) und/oder fsg(t – TB) vom ersten Passivitätsregler empfangen wird/werden, und wobei aus der/den Antwortgröße/n fsb(t – TB) und/oder fsg(t – TB) durch den ersten Passivitätsregler eine geregelte Antwortgröße fmd(t) erzeugbar und an das Master-System übermittelbar ist.According to the invention, the master system, the slave system, the first passivity controller and the second passivity controller are embodied and set up such that a control variable x m (t) can be generated by the master system and transmitted to the second passivity controller for controlling the slave system is, wherein the control quantity x m (t) due to the transmission delay T A in the communication channel as a control variable x m (t - T A ) is received from the second passivity controller, and wherein the control variable x m (t - T A ) by the second passivity controller is controllable and can be transmitted as a controlled control variable x sd (t) to the slave system, and by the slave system based on the controllable control variable x sd (t) a response variable f sb (t) can be calculated and / or a response variable f sg (t) can be measured and communicated to the first passivity controller, wherein the response variable / nf sb (t) and / or f sg (t) due to the transmission delay T B in the comm is received from the first passivity controller as response variable / nf sb (t-T B ) and / or f sg (t-T B ), and where from the response variable / nf sb (t-T B ) and / or f sg (t - T B ) a controlled response variable f md (t) can be generated by the first passivity controller and transmitted to the master system.
Alternativ oder zusätzlich ist durch das Slave-System zur Ansteuerung des Master-Systems auf Basis eines Slave-Systemzustandes zur Zeit t eine Steuergröße xs(t) erzeugbar und an den ersten Passivitätsregler übermittelbar, wobei die Steuergröße xs(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TB im Kommunikationskanal als Steuergröße xs(t – TB) vom ersten Passivitätsregler empfangen wird, und wobei die Steuergröße xs(t – TB) durch den ersten Passivitätsregler regelbar ist und als geregelte Steuergröße xmd(t) an das Master-System übermittelbar ist, und durch das Master-System auf Basis der regelbaren Steuergröße xmd(t) eine Antwortgröße fmb(t) berechenbar und/oder eine Antwortgröße fmg(t) messbar und an den zweiten Passivitätsregler übermittelbar ist, wobei die Antwortgröße/n fmb(t) und/oder fmg(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TA im Kommunikationskanal als Antwortgröße/n fmb(t – TA) und/oder fmg(t – TA) vom zweiten Passivitätsregler empfangen wird/werden, und wobei aus den Antwortgröße/n fmb(t – TA) und/oder fmg(t – TA) durch den zweiten Passivitätsregler eine geregelte Antwortgröße fsd(t) erzeugbar und an das Slave-System übermittelbar ist.Alternatively or additionally, by the slave system for controlling the master system on the basis of a slave system state at time t a control variable x s (t) can be generated and communicated to the first passivity controller, wherein the control variable x s (t) due to the transmission delay T B is received in the communication channel as a control variable x s (t - T B ) from the first passivity controller, and wherein the control variable x s (t - T B ) is controllable by the first passivity controller and as a controlled control variable x md (t) to the master System can be communicated, and by the master system based on the controllable control variable x md (t) a response variable f mb (t) can be calculated and / or a response variable f mg (t) can be measured and transmitted to the second passivity controller, the Response variable / nf mb (t) and / or f mg (t) due to the transmission delay T A in the communication channel as response variable / nf mb (t - T A ) and / or f mg (t - T A ) from the second Passive controller is / are received, and from the response size / nf mb (t - T A ) and / or f mg (t - T A ) by the second passivity controller a controlled response variable f sd (t) can be generated and sent to the slave system is transferable.
Das erfindungsgemäße Kontroll-Netzwerk zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass durch den ersten Passivitätsregler
Das erfindungsgemäße Kontroll-Netzwerk zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass durch den zweiten Passivitätsregler auf Basis eines der Paare: xs(t) und fmb(t – TA), oder xs(t) und fmg(t – TA), oder xm(t – TA) und fsb(t), oder xm(t – TA) und fsg(t) eine Energiegröße E3(t) ermittelbar ist, durch den ersten Passivitätsregler auf Basis eines der Paare: xs(t – TB) und fmb(t), oder xs(t – TB) und fmg(t), oder xm(t) und fsb(t – TA), oder xm(t) und fsg(t – TA) eine Energiegröße E4(t) ermittelbar und über den Kommunikationskanal an den zweiten Passivitätsregler übertragbar ist, wobei die Energiegröße E4(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TA im Kommunikationskanal als Energiegröße E4(t – TA) vom zweiten Passivitätsregler empfangen wird, und durch den zweiten Passivitätsregler die Steuergröße xsd(t) und/oder die Antwortgröße fmd(t) derart ermittelbar ist/sind, dass gilt: E4(t – TA) – E3(t) ≥ 0 für alle Zeiten t.The control network according to the invention is further characterized in that by the second passivity controller based on one of the pairs: x s (t) and f mb (t-T A ), or x s (t) and f mg (t-T A ), or x m (t - T A ) and f sb (t), or x m (t - T A ) and f sg (t) an energy quantity E 3 (t) can be determined by the first passivity controller based one of the pairs: x s (t - T B ) and f mb (t), or x s (t - T B ) and f mg (t), or x m (t) and f sb (t - T A ) , or x m (t) and f sg (t - T A ) an energy quantity E 4 (t) can be determined and transmitted via the communication channel to the second passivity controller, the energy quantity E 4 (t) due to the transmission delay T A in the communication channel is received by the second passivity controller as energy quantity E 4 (t - T A ), and the control variable x sd (t) and / or the response variable f md (t) can be determined by the second passivity controller such that E 4 ( t - T A ) - E 3 (t) ≥ 0 for all times t.
Weiterhin erfindungsgemäß enthalten die Paare:
xm(t) und fsb(t – TB),
xm(t) und fsg(t – TB),
xs(t) und fmb(t – TA),
xs(t) und fmg(t – TA),
xs(t – TB) und fmb(t),
xs(t – TB) und fmg(t),
xm(t – TA) und fsb(t), und
xm(t – TA) und fsg(t)
jeweils zueinander konjugierte Größen. Konjugierte Größe sind vorliegend Größen, zwischen denen eine eindeutige Beziehung, d. h. insbesondere keine Kausalitätsambiguität besteht.Furthermore, according to the invention, the pairs include:
x m (t) and f sb (t - T B ),
x m (t) and f sg (t - T B ),
x s (t) and f mb (t - T A ),
x s (t) and f mg (t - T A ),
x s (t - T B ) and f mb (t),
x s (t - T B ) and f mg (t),
x m (t - T A ) and f sb (t), and
x m (t - T A ) and f sg (t)
in each case conjugate sizes. Conjugated variables in the present case are variables between which there is a clear relationship, ie in particular no causality ambiguity.
Das Kontroll-Netzwerk umfasst somit zumindest ein Master-System, ein Slave-System und einen Kommunikationskanal der das Master-System mit dem Slave-System zur Signal- oder Datenkommunikation verbindet, sowie einen ersten und einen zweiten Passivitätsregler, mittels denen die Passivierung der Kontroll-Netzwerks erfolgt. Die vorgenannten Begriffe „Master-System”, „Slave-System”, „Kommunikationskanal”, und „Passivitätsregler” sind jeweils weitgefasst zu verstehen. Das Master-System umfasst typischerweise ein mechanisches/haptisches Eingabemittel (bspw. einen Joystick), und einen Master-Controller. Der Kommunikationskanal ist insbesondere eine leitungsgebundene Verbindung (bspw. Kabel, Internetverbindung, etc.) oder eine leitungsungebundene Verbindung (Funkverbindung, Datenübermittlung auf optischer oder akustischer Basis) zwischen Master-System und Slave-System. Das Slave System umfasst typischerweise ein Slave-Controller und einen Wirkmechanismus, wie bspw. einen realen oder virtuellen Roboter (Roboterarm etc.), der mit einer realen/virtuellen Umgebung wechselwirkt. Der Slave-Systemzustand zur Zeit t ist insbesondere ein Zustandsparameter, der den Zustand des Wirkmechanismus bspw. eine Position/Geschwindigkeit/Kraft etc. des realen/virtuellen Roboters, angibt.The control network thus comprises at least a master system, a slave system and a communication channel which connects the master system to the slave system for signal or data communication, and a first and a second passivity controller, by means of which the passivation of the control Network takes place. The aforementioned terms "master system", "slave system", "communication channel", and "passivity controller" are each broadly understood. The master system typically includes a mechanical / haptic input means (eg, a joystick), and a master controller. The communication channel is in particular a line-bound connection (eg cable, internet connection, etc.) or a line-unbound connection (radio connection, data transmission on optical or acoustic basis) between the master system and the slave system. The slave system typically includes a slave controller and a mechanism of action, such as a real or virtual robot (robotic arm, etc.) that interacts with a real / virtual environment. In particular, the slave system state at time t is a state parameter indicating the state of the action mechanism, for example, a position / velocity / force, etc. of the real / virtual robot.
Die Passivitätsregler können auf Basis des bekannten „Time Domain Passivity Control”-Ansatzes jeweils einen „Passivity Observer” und einen „Passivity Controller” umfassen. Allerdings sind auch andere dem Fachmann bekannte Passivitätsregler-Auslegungen möglich, die die erfindungsgemäßen Merkmale und Funktionen erfüllen.The passivity controllers can each comprise a "passivity observer" and a "passivity controller" based on the known "time domain passivity control" approach. However, other known in the art Passivitätsregler interpretations are possible that meet the features and functions of the invention.
Bekanntermaßen werden berechnete Antwortgrößen typischerweise in einem Controller des Master-Systems bzw. des Slave-Systems deterministisch berechnet, während gemessene Antwortgrößen eine Wechselwirkung des Master-Systems mit einem Bediener (Eingabe am Mastersystem in das Eingabemittel) bzw. des Slave-Systems mit einer Umgebung berücksichtigen. Damit gehen bei gemessenen Antwortgrößen die mittels entsprechender Sensoren ermittelten Eigenschaften eines weiteren Teilsystems (Bediener/Umgebung) ein, wobei diese Besonderheit bei der Wahl der konjugierten Größen zu berücksichtigen ist.As is known, calculated response quantities are typically calculated deterministically in a controller of the master system or the slave system, while measured response quantities are an interaction of the master system with an operator (input to the master system in the input means) or of the slave system with an environment consider. In the case of measured response quantities, the properties of a further subsystem (operator / environment) determined by means of corresponding sensors are thus included, and this feature must be taken into account when choosing the conjugate variables.
Weiterhin ist bekannt, dass ein Kontroll-Netzwerk dann und nur dann passiv ist, wenn alle Teilnetzwerke des Kontroll-Netzwerkes passiv sind. Dabei werden vorliegend durch die die Relationen: E4(t – TA) – E3(t) ≥ 0 und E2(t – TB) – E1(t) ≥ 0 Bedingungen angegeben, die einen Zustand beschreiben, bei dem im Kommunikationskanal des Kontroll-Netzwerk keine Energienettoproduktion erfolgt.Furthermore, it is known that a control network is passive if and only if all subnetworks of the control network are passive. In the present case, the relations: E 4 (t - T A ) - E 3 (t) ≥ 0 and E 2 (t - T B ) - E 1 (t) ≥ 0 conditions indicating a condition in which no energy net production occurs in the communication channel of the control network.
Mit dem erfindungsgemäßen Kontroll-Netzwerk lassen sich alle denkbaren Netzwerkarchitekturen passivieren, insbesondere folgende Netzwerkarchitekturen:
Das Kontroll-Netzwerk kann dabei ein Telepräsenzsystem oder ein „Virtual Reality” System sein, wobei im ersten Fall eine Interaktion zwischen einem Bediener (am Master-System) und einer entfernt liegenden realen Umgebung und im zweiten Fall eine Interaktion zwischen Bediener und einer virtuellen Umgebung erfolgt.The control network can be a telepresence system or a "virtual reality" system, in the first case an interaction between an operator (at the master system) and a remote real environment and in the second case an interaction between the operator and a virtual environment he follows.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kontroll-Netzwerks zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuergrößen xm(t), xm(t – TA), xsd(t), xs(t), xs(t – TB), und xmd(t) Flussgrößen (engl. „flow”), wie insbesondere erste Zeitableitungen errechneter oder gemessener Positionen oder errechnete oder gemessene Geschwindigkeiten/Drehgeschwindigkeiten sind, und die Antwortgrößen fsb(t), fsb(t – TB), fmd(t), fsg(t), fsg(t – TB), fmb(t), fmb(t – TA), fmd(t), fmg(t), und fmg(t – TA) Potentialgrößen (engl. „effort”), wie insbesondere errechnete oder gemessene mechanische Kräfte sind.A preferred embodiment of the control network according to the invention is characterized in that the control variables x m (t), x m (t - T A ), x sd (t), x s (t), x s (t - T B ), and x md (t) are flow quantities, in particular first time derivatives of calculated or measured positions or calculated or measured speeds / rotational speeds, and the response quantities f sb (t), f sb (t - T B f md (t), f sg (t), f sg (t - T B ), f mb (t), f mb (t - T A ), f md (t), f mg (t), and f mg (t - T A ) are potential values, in particular calculated or measured mechanical forces.
Dem Fachmann sind die Begriff „Flussgröße” und „Potentialgröße” in vorliegendem Zusammenhang bekannt, so dass sich die vorliegende technische Lehre einfach auf eine Vielzahl dem Fachmann bekannter weiterer Flussgrößen/Potentialgrößen anwenden bzw. übertragen lässt.The term "flow size" and "potential size" in the present context are known to the person skilled in the art, so that the present technical teaching can be applied or transferred to a large number of further flow quantities / potential variables known to a person skilled in the art.
Eine alternative bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kontroll-Netzwerks zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuergrößen xm(t), xm(t – TA), xsd(t), xs(t), xs(t – TB), und xmd(t) Potentialgrößen, wie insbesondere errechnete oder gemessene mechanische Kräfte sind, und die Antwortgrößen fsb(t), fsb(t – TB), fmd(t), fsg(t), fsg(t – TB), fmb(t), fmb(t – TA), fmd(t), fmg(t), und fmg(t – TA) Flussgrößen, wie insbesondere erste Zeitableitungen errechneter oder gemessener Positionen oder errechnete oder gemessene Geschwindigkeiten sind.An alternative preferred development of the control network according to the invention is characterized in that the control variables x m (t), x m (t - T A ), x sd (t), x s (t), x s (t - T B ), and x md (t) are potential quantities, such as, in particular, calculated or measured mechanical forces, and the response quantities f sb (t), f sb (t-T B ), f md (t), f sg (t), f sg (t - T B ), f mb (t), f mb (t - T A ), f md (t), f mg (t), and f mg (t - T A ) flow quantities, in particular the first one Time derivatives of calculated or measured positions or calculated or measured speeds are.
Das erfindungsgemäße Kontroll-Netzwerk ermöglicht insbesondere eine Passivierung der die in Tabelle 1 genannten Netzwerkarchitekturen, die in der Spalte „Betroffen von der Kausalitätsambiguität” ein „Ja” aufweisen, was mit in den bisher bekannten Kontroll-Netzwerken nicht möglich war.The control network according to the invention makes it possible, in particular, to passivate the network architectures mentioned in Table 1, which have a "yes" in the column "Affected by the causality ambiguity", which was not possible in the control networks known hitherto.
Der verfahrensgemäße Aspekt der vorliegenden Aufgabe ist gelöst durch ein Verfahren zur Passivierung eines Kontroll-Netzwerks, umfassend ein Master-System, und ein über einen bi-direktionalen Kommunikationskanal mit dem Master-System verbundenes Slave-System, wobei der Kommunikationskanal eine zeitvariable Übertragungsverzögerung TA = TA(t) von dem Master-System in Richtung Slave-System und eine zeitvariable Übertragungsverzögerung TB = TB(t) von dem Slave-System in Richtung Master-System aufweist, zwischen dem Master-System und dem Kommunikationskanal ein erster Passivitätsregler und zwischen dem Kommunikationskanal und dem Slave-System ein zweiter Passivitätsregler geschaltet ist.The procedural aspect of the present invention is achieved by a method for passivating a control network comprising a master system, and a bi-directional one Communication channel with the master system connected slave system, wherein the communication channel a time-variable transmission delay T A = T A (t) from the master system in the direction of the slave system and a time-variable transmission delay T B = T B (t) from the slave System in the direction of the master system, between the master system and the communication channel, a first passivity controller and between the communication channel and the slave system, a second passivity controller is connected.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte: Erzeugen einer Steuergröße xm(t) zur Ansteuerung des Slave-Systems durch das Master-System und Übermitteln der Steuergröße xm(t) an den zweiten Passivitätsregler, wobei die Steuergröße xm(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TA im Kommunikationskanal als Steuergröße xm(t – TA) von dem zweiten Passivitätsregler empfangen wird, und wobei die Steuergröße xm(t – TA) durch den zweiten Passivitätsregler geregelt wird und als geregelte Steuergröße xsd(t) an das Slave-System übermittelt wird, und auf Basis der regelbaren Steuergröße xsd(t) Berechnen einer Antwortgröße fsb(t) und/oder Messen einer Antwortgröße fsg(t) durch das Slave-System und Übermitteln der Antwortgröße/n fsb(t) und/oder fsg(t) an den ersten Passivitätsregler, wobei die Antwortgröße/n fsb(t) und/oder fsg(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TB im Kommunikationskanal als Antwortgröße/n fsb(t – TB) und/oder fsg(t – TB) vom ersten Passivitätsregler empfangen wird, und wobei aus der/den Antwortgröße/n fsb(t – TB) und/oder fsg(t – TB) vom ersten Passivitätsregler eine geregelte Antwortgröße fmd(t) erzeugt und an das Master-System übermittelt wird.The inventive method comprises the following method steps: generating a control variable x m (t) for controlling the slave system by the master system and transmitting the control variable x m (t) to the second passivity controller, wherein the control variable x m (t) due to Transmission delay T A in the communication channel as a control variable x m (t - T A ) is received from the second passivity controller, and wherein the control variable x m (t - T A ) is controlled by the second passivity controller and as a controlled control variable x sd (t) the slave system is transmitted, and based on the controllable control variable x sd (t), calculating a response variable f sb (t) and / or measuring a response variable f sg (t) by the slave system and transmitting the response variable / nf sb ( t) and / or f sg (t) to the first passivity controller, wherein the response variable / nf sb (t) and / or f sg (t) in response to the transmission delay T B in the communication channel / nf sb (t-T B ) and / or f sg (t-T B ) is received by the first passivity controller, and wherein from the response quantity / nf sb (t-T B ) and / or f sg (t-T B ) by the first passivity controller a controlled response variable f md (t) is generated and transmitted to the master system.
Alternativ oder zusätzlich: auf Basis eines Slave-Systemzustandes zur Zeit t Erzeugen einer Steuergröße xs(t) durch das Salve-System und Übermitteln der Steuergröße xs(t) an den ersten Passivitätsregler, wobei die Steuergröße xs(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TB im Kommunikationskanal als Steuergröße xs(t – TB) vom ersten Passivitätsregler empfangen wird, und wobei die Steuergröße xs(t – TB) vom ersten Passivitätsregler geregelt wird und als geregelte Steuergröße xmd(t) an das Master-System übermittelt wird, und auf Basis der geregelten Steuergröße xmd(t) Berechnen einer Antwortgröße fmb(t) und/oder Messen einer Antwortgröße fmg(t) durch das Master-System und Übermitteln der Antwortgröße/n fmb(t) und/oder fmg(t) an den zweiten Passivitätsregler, wobei die Antwortgröße/n fmb(t) und/oder fmg(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TA im Kommunikationskanal als Antwortgröße/n fmb(t – TA) und/oder fmg(t – TA) vom zweiten Passivitätsregler empfangen wird/werden, und wobei aus der/den Antwortgröße fmb(t – TA) und/oder fmg(t – TA) durch den zweiten Passivitätsregler eine geregelte Antwortgröße fsd(t) erzeugt und an das Slave-System übermittelt wird.Alternatively or additionally: on the basis of a slave system state at time t generating a control variable x s (t) by the salvo system and transmitting the control variable x s (t) to the first passivity controller, the control variable x s (t) due to the Transmission delay T B in the communication channel as a control variable x s (t - T B ) is received from the first passivity controller, and wherein the control variable x s (t - T B ) is controlled by the first passivity controller and as a controlled control variable x md (t) to the master System and based on the controlled control variable x md (t) calculating a response variable f mb (t) and / or measuring a response variable f mg (t) by the master system and transmitting the response variable / nf mb (t) and / or f mg (t) to the second passivity controller, wherein the response quantity / nf mb (t) and / or f mg (t) due to the transmission delay T A in the communication channel as response variable / nf mb (t - T A ) and / or f mg (t T A) is received from the second passivity controller / are, and wherein from / to the response size f mb (t - T A) and / or f mg (t - T A) by the second passivity controller a controlled response size f sd (t) and transmitted to the slave system.
Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Verfahrensschritte: auf Basis eines der Paare: xs(t – TB) und fmb(t), oder xs(t – TB) und fmg(t), oder xm(t) und fsb(t – TB), oder xm(t) und fsg(t – TB) Ermitteln einer Energiegröße E1(t) durch den ersten Passivitätsregler, auf Basis eines der Paare: xs(t) und fmb(t – TA), oder xs(t) und fmg(t – TA), oder xm(t – TA) und fsb(t), oder xm(t – TA) und fsg(t) Ermitteln eine Energiegröße E2(t) durch den zweiten Passivitätsregler und Übertragen der Energiegröße E2(t) über den Kommunikationskanal an den ersten Passivitätsregler, wobei die Energiegröße E2(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TB im Kommunikationskanal als Energiegröße E2(t – TB) vom ersten Passivitätsregler empfangen wird, Ermitteln der Steuergröße xmd(t) und/oder der Antwortgröße fmd(t) derart, dass gilt: E2(t – TB) – E1(t) ≥ 0 für alle Zeiten t.Furthermore, the method according to the invention comprises the method steps: based on one of the pairs: x s (t - T B ) and f mb (t), or x s (t - T B ) and f mg (t), or x m (t ) and f sb (t - T B ), or x m (t) and f sg (t - T B ) determining an energy quantity E 1 (t) by the first passivity controller based on one of the pairs: x s (t) and f mb (t - T A ), or x s (t) and f mg (t - T A ), or x m (t - T A ) and f sb (t), or x m (t - T A ) and f sg (t) determine an energy quantity E 2 (t) by the second passivity controller and transmit the energy quantity E 2 (t) via the communication channel to the first passivity controller, wherein the energy quantity E 2 (t) due to the transmission delay T B in Communication channel as the energy quantity E 2 (t - T B ) is received from the first passivity controller, determining the control variable xm d (t) and / or the response variable f md (t) such that E 2 (t - T B ) - E 1 (t) ≥ 0 for all times t.
Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Verfahrensschritte: auf Basis eines der Paare: xs(t) und fmb(t – TA), oder xs(t) und fmg(t – TA), oder xm(t – TA) und fsb(t), oder xm(t – TA) und fsg(t) Ermitteln einer Energiegröße E3(t) durch den zweiten Passivitätsregler, auf Basis eines der Paare: xs(t – TB) und fmb(t), oder xs(t – TB) und fmg(t), oder xm(t) und fsb(t – TA), oder xm(t) und fsg(t – TA) Ermitteln einer Energiegröße E4(t) durch den ersten Passivitätsregler und Übertragen der Energiegröße E4(t) über den Kommunikationskanal an den zweiten Passivitätsregler, wobei die Energiegröße E4(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung TA im Kommunikationskanal als Energiegröße E4(t – TA) vom zweiten Passivitätsregler empfangen wird, und Ermitteln der Steuergröße xsd(t) und/oder der Antwortgröße fmd(t) durch den zweiten Passivitätsregler derart, dass gilt: E4(t – TA) – E3(t) ≥ 0 für alle Zeiten t.Furthermore, the method according to the invention comprises the method steps: based on one of the pairs: x s (t) and f mb (t-T A ), or x s (t) and f mg (t-T A ), or x m (t - T A ) and f sb (t), or x m (t - T A ) and f sg (t) determining an energy quantity E 3 (t) by the second passivity controller, based on one of the pairs: x s (t - T B ) and f mb (t), or x s (t - T B ) and f mg (t), or x m (t) and f sb (t - T A ), or x m (t) and f sg (t - T A ) determining an energy quantity E 4 (t) by the first passivity controller and transmitting the energy quantity E 4 (t) via the communication channel to the second passivity controller, the energy quantity E 4 (t) due to the transmission delay T A im Communication channel as energy quantity E 4 (t - T A ) is received from the second passivity controller, and determining the control variable x sd (t) and / or the response variable f md (t) by the second passivity controller such that E 4 (t - T A) E 3 (t) ≥ 0 for all times t.
Dabei gilt, dass die Paare:
xm(t) und fsb(t – TB),
xm(t) und fsg(t – TB),
xs(t) und fmb(t – TA),
xs(t) und fmg(t – TA),
xs(t – TB) und fmb(t),
xs(t – TB) und fmg(t),
xm(t – TA) und fsb(t), und
xm(t – TA) und fsg(t)
jeweils zueinander konjugierte Größen umfassen.It is true that the pairs:
x m (t) and f sb (t - T B ),
x m (t) and f sg (t - T B ),
x s (t) and f mb (t - T A ),
x s (t) and f mg (t - T A ),
x s (t - T B ) and f mb (t),
x s (t - T B ) and f mg (t),
x m (t - T A ) and f sb (t), and
x m (t - T A ) and f sg (t)
each comprise conjugate sizes.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere eine von der Netzwerkarchitektur unabhängige Passivierung. In particular, the method according to the invention allows a passivation independent of the network architecture.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further advantages, features and details emerge from the following description in which an exemplary embodiment is described with reference to the drawing. Described and / or illustrated features form the subject of the invention, or independently of the claims, either alone or in any meaningful combination, and in particular may additionally be the subject of one or more separate applications. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.
Es zeigt:It shows:
Das Master-System
Weiterhin zeichnet sich das vorliegende Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass durch den ersten Passivitätsregler
Weiterhin zeichnet sich das vorliegende Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass durch den zweiten Passivitätsregler
Die genannten Energien berechnen sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel folgenden konjugierten Größen:
E1(t) ergibt sich aus xm(t), fsg(t – TB),
E2(t) ergibt sich aus xm(t – TA), fsg(t),
E3(t) ergibt sich aus xm(t – TA), fsb(t), und
E4(t) ergibt sich aus xm(t), fsb(t – TA).The energies mentioned in the present embodiment are calculated according to the following conjugate quantities:
E 1 (t) results from x m (t), f sg (t - T B ),
E 2 (t) results from x m (t - T A ), f sg (t),
E 3 (t) is given by x m (t - T A ), f sb (t), and
E 4 (t) results from x m (t), f sb (t - T A ).
Nachfolgend wird an dem Ausführungsbeispiel von
Die im Kommunikationskanal
Dabei sind EM(t) und ES(t) die Port-Energien an der linken und rechten Seite des Kommunikationskanals
Dabei können die Port-Energien jeweils als Summe einer Energie:
Die Passivitätsbedingung für das Kontroll-Netzwerk ergibt sich zu:
Die Gleichung (6) kann nicht direkt angewendet werden, da die Energien EM(t) und ES(t) aufgrund der Übertragungsverzögerung nicht zu selben Zeit vorliegen. Unter Nutzung der Gleichungen (4) und (5) lässt sich Gleichung (6) wie folgt formulieren:
Dabei gilt:
EM2S und ES2M sind ungekoppelte Energieflüsse, die vom Master-System
Die Passivitätsbedingung unter Einbezug der Übertragungsverzögerung lautet vorliegend:
Das bedeutet, dass der Energiefluss, der den Kommunikationskanal
Für einen „Passivity Oberserver” im ersten Passivitätsregler
Für einen „Passivity Oberserver” im zweiten Passivitätsregler
Die Soll-Geschwindigkeit für das Slave-System
Die dissipierte Energie des rechten Passivitätsreglers
Die Soll-Kraft fmd(t) für das Master-System
Die dissipierte Energie des linken Passivitätsregler
Die Passivitätsbedingung wird im Ausführungsbeispiel erfüllt da:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101101
- Master SystemMaster system
- 102102
- Slave-SystemSlave system
- 103103
- Kommunikationskanalcommunication channel
- 104104
- erster Passivitätsreglerfirst passivity regulator
- 105105
- zweiter Passivitätsreglersecond passivity regulator
Claims (10)
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