Stabilization of delayed teleoperation systems using time domain passivity control

Abstract

It is known that time delay in bilateral teleoperation can drive a system to instability. Time Domain Passivity Control (TDPC) deals with the stabilization of haptic interfaces in teleoperation using the notion of passivity directly in the continuous time variables like force and velocity. In this work, first it is shown that TDPC can be extended to stabilize the time-delayed teleoperation by considering the communication channel as an active component and then, to design passivity controllers for it on master side using a Kalman filter based recursive prediction of slave side energy. However, such a scheme is prone to large corrective impulses generated by passivity controllers as the scheme only comes into effect when the net energy goes negative, while on other time instants it stays out of the control loop in order to provide maximally transparent teleoperation. These impulses degrade the performance of teleoperator. It is thus further proposed, that the derivative of net energy should also be computed in real-time, and as soon as this term becomes negative, indicating a decline in the net energy, the passivity controllers should immediately compensate this active behavior. This forces the system to always dissipate energy and thus stop the occasional accumulation of a large amount of negative energy. In addition to that, parabolic power integration is employed to provide non-linear estimation of net energy in the communication channel.

The above developed approach is then used to stabilize time-varying delays. In order to provide a time-base for the predictor, a first order one-step ahead prediction of RTT (Round Trip Time) is used. Beta distributed and TrueTime network simulator based delays are used to evaluate the system performance. Simulation results are given showing the efficacy of the proposed approach.

Es ist bekannt, dass eine Zeitverzögerung in bilateraler Teleoperation ein System bis zur Instabilität führen kann. Time Domain Passivity Control (TDPC) behandelt die Stabilisierung von haptischen Ein- und Ausgabegeräten mittels der Idee von Passivität (Passivity), bezogen auf die stetigen Zeitvariablen wie Kraft und Geschwindigkeit. In dieser Arbeit wurde zuerst demonstriert, dass die Erweiterung des Konzeptes von TDPC für die Stabilisierung der zeitverzögerten Teleoperation eingesetzt werden kann, falls der Kommunikations-Kanal als ein aktives Bauteil angesehen wird. Anschließend wird ein auf einem rekursiven Kalman-Filter basierender Passivitäts-Controller entwickelt, der die Gesamtenergie des Slavesystems vorhersagt. Durch diese Vorgehensweise werden jedoch große Impulse durch den Passivitäts-Controller erzeugt, weil dieser ausschließlich dann aktiv wird, falls die Energie im Netz negativ wird. Ist die Energie im Netz positiv, ist der Regelkreis nicht aktiv, damit die Übertragung der Signale über das Kommunikationsnetz nicht beeinflusst wird. Diese Impulse können die Funktion eines Teleoperators stark beeinträchtigen. Es wird deshalb vorgeschlagen, die Ableitung der Energie im Netz in Echtzeit zu berechnen, damit, sobald die Ableitung negativ wird, was einen Abfall der Energie andeutet, der Passivitäts-Controller aktiv eingreifen kann, um das Netz wieder zu stabilisieren. Dies erzwingt eine ständige Verminderung der Energie im System, und somit ist das System gegen die zeitweise Akkumulation von großen negativen Energiemengen abgesichert. Darüber hinaus wird eine parabolische Integration eingesetzt, um die nicht-lineare Schätzung der Gesamtenergie im Kommunikations-Kanal zu gewährleisten.

Der oben entwickelte Ansatz wird dazu benutzt, um stochastische Totzeiten zu stabilisieren. Um eine Zeitbasis für die Schätzung der Netzenergie zu erhalten, wird die Rundreisezeit (RTT: Round Trip Time) mit Hilfe eines Prädiktors erster Ordnung geschätzt. Basierend auf der Betaverteilung und einem Programm namens ,,TrueTime network simulator werden Totzeiten benutzt, um die Systemstabilität zu überprüfen. Simulationsergebnisse zeigen die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Verfahrens.