摘要-- 第一章緒論1.1遙操作機器人的意義遙操作機器人(Teleoperation)是一種完成比較復雜操作的遠距離操作系統。它由操作者、主端機器人子系統、通信環節、從端機器人子系統和工作環境組成。主端機器人將操作者的控制指令發出，經過通信環節傳遞給從端機器人，然后由從端作用于環境。從端和環境的相關信息則經由上述環節返還到操作者，使操作者有身臨其境的感覺，從而有效完成操作任務。“遙操作”不同于“遙控”，由于“遙操作”屬于遠距離操作，因此遙操作機器人必須能夠把遠端的工作信息反饋給操作者，也就是說，“遙操作”必須具備“知覺反饋”能力。事實上，遙操作技術就是一種“橋梁”，它彌平了操作者與被操作物體在物理空間上的鴻溝，通過將人與實驗終端構成一個閉合的控制回路,跨越空間距離而最終實現了人類能力的延伸。隨著科技的發展進步，人類的探索領域不斷拓展。但是，在許多極端環境下，人類無法直接開展工作。比如，在空間和深海環境進行探索時，受目前技術條件的限制，人類還不能輕易到達；在高空、核及生化環境開展作業時，由于這些環境有害人體健康，人類不能直接進入；在煤礦、建設以及軍事戰場等惡劣環境中，隨時會有危險發生，人類應盡量減少在這些環境中的存在。在以上這些情況下，人們希望能夠在安全的環境中，通過遠程控制，完成極端環境下的工作。此外，隨著互聯網技術在日常生產和生活中的深入發展，人們也希望通過互聯網，遠程操作彼端事物的動作和行為，打破空間的阻礙，使人類的能力得以延伸。因此，遙操作技術應運而生。將操作者作用于主端的命令和行為傳遞到遠端，進而實現對遠端事物的操作和控制，這就是遙操作技術的特點。其優越性就在于，可以極大地提高操作者的安全性和工作效率，降低成本，更高效合理地利用人力和物質資源，實現多方協調作業、遠程監護、遙規劃和控制以及遠程信息（如感知）互動等[1]。事實上，在早期我國科技工作者一般把“遙操作”稱為“遙科學”。但是所謂“遙科學”并不具備它作為“科學”所應有的哲學范疇，僅僅是一種特殊的操作模式。也就是說，“遙科學”事實上只是一種技術應有，是一種基于特殊操作模式的技術應用。因此，我國目前都把這種技術稱為“遙操作”，而基本不再講“遙科學”。1.2遙操作機器人的發展上世紀四十年代，Fermi領導他的團隊在Argonne國家實驗室進行核試驗，設計了一套用于處理核廢料的主從式遙操作機器人系統[2]。這標志著遙操作機器人的誕生。遙操作機器人自誕生至今，已經有60多年的歷史。它的技術發展歷程大致可以分為兩個階段：第一階段表現為驅動方式的進步，從機械聯動到電動伺服，遙操作機器人最終確定了雙向力反饋主從操作的模式，這一階段的遙操作機器人主要應用于航天領域及核工業；第二階段表現為控制方式的進步，隨著計算機技術、控制理論、人工智能以及通信技術的飛速發展，機器人技術與它們相互融合，最終產生了計算機輔助遙操作，即第二代遙操作技術。90年代以后，機器人技術開始與其它領域交叉。特別是機器人與計算機、通信和網絡的交叉，產生了基于Internet的機器人控制技術。這一技術的深入發展給遙操作機器人的研究注入了嶄新的活力。近年來，遙操作機器人的應用越來越廣泛，在空間探索領域更是大顯身手。上世紀九十年代，德國研制了空間機器人ROTEX，地面工作人員和空間站內的宇航員都可以操作ROTEX，這是人類歷史上第一個空間遙操作機器人。2000年日本國家空間研究所(NASDA)通過遙操作，對人造衛星上的機器人進行了控制。2004年美國國家航空和宇宙航行局(NASA)相繼發射了“勇氣號”和“機遇號”火星車，它們登陸火星后，在火星表面開展了多項探測活動并傳回火星表面的照片。2005美國CoordinatedScience實驗室開發出半自主人機協作多機器人登月探測遙操作系統，該系統可以實現操作者在地月之間的雙向遙操作。運用這套系統，操作者甚至能夠控制機器人建設月球基地，挖掘月球巖石。2011年，美國在國際空間站的“命運”號實驗艙安裝了機器人Robonaut2。它能夠以2m/s的速度移動手臂，單臂可以在有重力條件下以任何姿態承擔20磅負載。它的兩只手臂各長0.8米，各具有7個自由度，其中腕部有2個自由度。每只手有12個自由度，其中拇指4個自由度，食指和中指各3個自由度，無名指和小指各1個自由度，每根手指可以產生大約5磅的抓力。如今，將虛擬現實技術運用于遙操作機器人，已經成為遙操作機器人研究的焦點課題。虛擬現實（VR）是一種多傳感融合的多媒體集成計算機系統，它可以創建和體驗虛擬世界。人們可以利用該計算機系統生成某種虛擬環境，操作者借助系統中的各種傳感器，就可以“投入”到該環境中，實現操作者與環境的直接自然交互。在英法俄三國聯合完成的一項遙操作實驗中，Java和Java3D技術被用來建立三維虛擬環境，操作者可以通過Web方式遠程訪問遙操作機器人，運用數據手套控制機器人運動。我國非常重視遙操作機器人技術的研究開發。1986年，我國制定了國家高技術發展計劃，即863計劃。智能機器人主題作為自動化領域的一個項目被列入863劃，從此，我國開始了對遙操作機器人技術的研究。經過科技工作者三十多年的艱苦奮斗，我國的遙操作機器人技術從跟蹤世界先進水平起步，已經發展到實現獨立自主地創新研發，在空間、海洋、教學等領域都取得了廣泛的研究成果。清華大學開發的基于視覺臨場感的機器人遙操作系統，既可以通過人機交互協調控制實現對機器人的監控遙操作，又允許機器人基于傳感器對高層控制規劃進行修正[3]。中科院沈陽自動化研究所研制了主從異構的監控遙操作系統[4]，哈爾濱工業大學開發了空間機器人共享系統[5]，北京航空航天大學開發了基于Internet的遙操作系統[6]，南開大學開發了基于互聯網的主從式遙操作平臺[7]，上海交通大學開發了基于Web的機器人遙操作系統[8]，國防科技大學開發了基于虛擬現實技術的監控式大時延機器人系統[9]，華南理工大學開發了基于國際互聯網的機器人實時跟蹤系統[10]，東南大學開發了力覺臨場感遙操作系統[11]。這些成就說明了我國在遙操作機器人領域取得的進展。1.3遙操作機器人的系統結構模型遙操作機器人事實上是一個結構龐大而松散的系統。因此，提出一個系統模型對遙操作機器人功能的實現有著重要意義。目前比較有代表性的系統結構模型有：NASREM遙操作控制系統結構模型、基于Agent的結構模型、混雜控制結構模型、采樣控制結構模型等。1.3.1NASREM系統結構模型該模型由美國國家宇航局（NASA）和美國國家標準局（NIST）在1987年聯合公布。它是為具有多個機器人的航天器復雜環境設計的，是遙操作機器人系統模型的典型代表。這一系統模型具有三個模塊，每個模塊分六個層次，具體結構如圖1-1：SenseSenseActionGlobalMemoryMapsObjectListsVariablesEvaluationProgramFilesOperatorInterfaceG6M6H6G5M5H5G4M4H4G3M3H3G2M2H2G1M1H1Goal圖1-1NASREM控制系統結構模型如圖1-1所示：在三個模塊中，H模塊是任務分解模塊，M模塊是環境狀態建模模塊，G模塊是傳感器處理模塊。這些模塊有機結合，構成了一個完整的遙操作機器人系統。1.3.2基于Agent的系統結構模型Agent技術來自于人工智能技術的發展，以往應用在智能機器人中。當人們把這一技術運用于遙操作機器人系統時，便產生了基于Agent的系統結構模型。這一模型更多應用于網絡遙操作機器人系統，它由五層體系組成，分別是：交互層，主控層，網絡層，從端控制層，物理層。如圖1-2所示：交互層實現操作者和Agent之間的交互；主控層對交互層傳來的信息進行融合決策、規劃、分解，然后產生對從端機器人的控制命令；網絡層根據網絡協議進行傳輸；從端控制層根據主端命令完成完成任務；物理層是機器人系統與外部環境。交互層交互層主控層網絡層從端控制層物理層交互Agent主控Agent機器人系統n從端Agentn從端Agent2機器人系統2網絡協議從端Agent1機器人系統1操作者其它Agent圖1-2基于Agent的系統結構模型1.3.3混雜系統結構模型混雜系統結構模型由離散事件、接口和連續動態三部分組成。離散事件部分包括對象的離散狀態、對混雜對象的事件驅動、混雜對象的狀態轉換函數等；接口部分的事件生成器將連續變量轉化為離散變量，執行器將離散變量轉換為受控對象的輸入信號；連續動態部分由機器人系統的連續動力學方程描述。系統模型的結構圖如1-3所示。圖1-3混雜系統結構模型1.3.4采樣控制模型圖1-4采樣控制模型采樣控制模型是在計算機控制系統的基礎上發展起來的，它主要用于網絡遙操作機器人。如圖1-4所示，該模型由命令層（主要包括命令發生器）、本地控制層（主要包括本地控制器）、網絡層（主從端的雙向通訊）、遠端控制層（主要包括遠程控制器）和物理層（機器人系統）組成。在本地，命令產生器將命令傳送給本地控制器，本地控制器以時鐘Clock1為周期，采樣命令產生器產生的命令和通過網絡傳送來的遠程機器人的狀態，生成控制命令并通過網絡發送給遠程控制器；遠程控制器以時鐘Clock2為周期，采樣本地控制器的控制命令并通過網絡發送機器人狀態給本地控制器。但是，經典的采樣控制結構有許多假設在遙操作機器人領域中不成立，因此采樣控制結構還需要進一步探索新的模型體系，來適應遙操作機器人的需求。1.4遙操作機器人的數學模型遙操作機器人的數學模型是在系統模型的基礎上建立起來的。有了遙操作機器人的數學模型，我們就可以分析系統的穩定性、動態性能，研究建立遙操作機器人的控制方法，對系統進行仿真模擬。目前比較有代表性的數學模型有：形式化模型、混雜系統模型、雙端口網絡模型、采樣系統模型等。形式化模型基于遙操作機器人的Agent系統結構模型建立，該模型一般由通信模塊、知識庫模塊、過程處理模塊、感知模塊、效應器模塊組成。混雜系統模型通常應用于連續信號（如運動、力等）和離散信號（如狀態邏輯切換等）同時存在的網絡遙操作系統中。到目前為止，這一系統還沒有統一的標準。一般來說，連續時間過程一般用微分方程表示，離散時間過程一般用差分方程表示，而邏輯或決策過程則用有限自動機或更一般的離散事件系統表示。雙端口網絡模型將遙操作機器人系統等效成電路系統，運用雙端口電路模型為機器人建模，通過電路理論來分析遙操作機器人系統的穩定性、動態性能、控制方法等。采樣系統模型為遙操作機器人建立一個離散的采樣模型，使用離散的控制方法來分析研究系統的各方面性能。1.5遙操作機器人的時延控制在遙操作機器人系統中，主端和從端相距遙遠，二者依靠通信環節進行信息傳輸。由于電磁波的傳輸速度以及信號收發處理等方面的局限性，遙操作機器人系統存在時延，而且往往較大，不能忽略。比如，在空間遙操作領域，天地時延平均小于3秒，延遲時間在5秒以內的概率大于95%，平均抖動在0.357ms至20.45ms之間。除了距離的原因會造成時延外，大容量信息的壓縮/復現、編碼/解碼及信息載波傳輸帶寬的限度都會造成時延。這些時延會給遙操作系統的“知覺”感受和操作性能帶來極大影響[12]。為了提高操作性能，人們逐漸向系統中增加以力反饋為主的信息反饋，最后形成了雙向力反饋遙操作機器人系統（bilateralteleoperation）。然而，由于存在較大的時延，原本穩定的雙向力反饋遙操作機器人可能失去穩定性。因此，遙操作機器人控制方法研究的核心問題，就是如何克服時延對系統性能的影響。下面對目前流行的幾種遙操作機器人時延控制方法進行簡要介紹：1.5.1基于電路理論的無源控制方法這種方法由Raju在1989年首先提出。他將遙操作系統與電路網絡進行類比，用二端口網絡理論分析遙操作系統[13]。通過分析發現，通信時延造成了信號傳輸線的有源性，這就是導致系統不穩定的原因。只有改造主從端之間的通信環節，使其具有無源傳輸線特性，才能從根本上確保系統的穩定性。基于這種方法，學者們提出的控制方法主要有散射方法和波變量方法。1.5.2基于現代控制理論的方法加拿大多倫多大學的Strassberg和Goldembeng等人利用現代控制理論中的李雅普諾夫穩定性判據分析遙操作系統的穩定性[14]。Lawrence提出了“無緣距離”和“透明距離”等概念。Leung和Francis等人利用這些概念的綜合評價法設計遙操作系統[15]。1.5.3基于虛擬現實技術的控制方法基于電路的理論，在長時延的情況下，不能在保證穩定性的同時又具有良好的操作性。而現代控制理論又不甚完善，這使基于現代控制理論的方法有很多問題不能解決。因此，許多研究者轉向了虛擬現實技術，他們將這項技術應用于遙操作機器人的控制。借助各種傳感設備，操作者“進入”到計算機創造的遠端環境中,這樣操作者能夠產生身臨其境的感覺，非常自然地操縱遠端機器人。這種方法在克服了時延對系統穩定性影響的同時，具備很好的操作性能。1.5.4基于事件的控制方法如果遙操作系統的時延過大或者不可預測地隨即產生，那么傳統控制方法很難達到預期控制效果。因此，中科院沈陽自動化研究所的席寧等人提出了基于事件的控制方法[16][17]。與傳統的以時間為參變量的方法不同，這種方法引入一個隨控制過程的進行而實時更新的參變量。系統的理想輸出是此參量的函數，在系統運行的過程中，系統的目標輸出值被規劃器實時修正。因此，系統的運動規劃過程變為實時過程，具有自適應特性，可以得到優良的控制效果。時間對整個控制過程的影響在這里被巧妙地回避，該方法可以應用于具有不確定時延的遙操作系統中。1.6本文主要研究內容通過對遙操作機器人系統的介紹，本文闡述了設計遙操作機器人時延控制器的原因。本文將建立一個基于二端口網絡的遙操作機器人模型，運用波變量的方法來保證系統傳輸環節的無源性，進而確保系統的穩定性。本文的主要工作如下：主要敘述遙操作機器人系統的研究背景和研究意義，講述遙操作機器人的發展歷程，簡要介紹目前流行的遙操作機器人控制方法。介紹二端口網絡理論，基于二端口網絡建立遙操作機器人系統的數學模型。介紹無源控制理論，在遙操作機器人系統二端口網絡模型的基礎上，首先運用無源性方法對系統的穩定性進行分析，然后再運用波變量方法對系統進行無源化矯正。介紹透明性概念，用于描述遙操作機器人系統的控制效果。在前面各章分析和設計的基礎上，設計遙操作機器人系統的總體控制結構，建立框圖模型，為仿真模擬做準備。運用Matlab軟件的Simulink工具包搭建遙操作機器人的系統模型，進行仿真模擬，驗證控制算法。第二章遙操作機器人的動力學模型和數學模型第二章遙操作機器人的動力學模型和數學模型2.1二端口網絡理論111'22'I1I2I2U1U2I1圖2-1二端口網絡如圖2-1所示，如果有兩對端子滿足端口條件，即對于所有時間t，從端子1流入方框的電流等于從端子1'流出的電流；同時，從端子2流入方框的電流等于從端子2'流出的電流，這種電路稱為二端口網絡[18]。用二端口概念分析電路時，只需考慮二端口處電流、電壓之間的關系，這種關系可以通過一些參數表示，而決定這些參數的只有二端口本身的組成元件及它們的連接方式。如果確定了表征這個二端口的參數，那么當一個端口的電壓或者電流發生變化時，就可以非常容易地找出另一個端口上的電壓和電流。二端口的參數可以用四種矩陣表征，分別為Z、Y、H和T，它們之間可以相互轉化。在遙操作機器人的研究中，經常使用二端口網絡的H參數（即二端口的混合參數）來表征機器人模型的特性。二端口網絡的H參數矩陣表達式如下：2.2遙操作機器人的體系結構vvsdvmvmvsFeFsFmdFh操作者主端機器人通信環節從端機器人工作環境圖2-2遙操作機器人體系結構遙操作機器人系統由操作者、主端機器人、通信環節、從端機器人和工作環境組成。這里研究一個雙邊力反饋遙操作機器人系統。為了簡單，本文僅研究只有一個自由度的機器人。可以得到如圖2-2所示的體系結構框圖。為了建立遙操作機器人各個環節的動力學模型，作出如下假設：假設1：從端機器人與工作環境中的物體接觸且該物體沒有發生形變時的位移為零；假設2：從端機器人的質量包含工作環境中所接觸物體的質量；假設3：操作者對主端機器人施加的力與主端機器人本身的動態特性無關；假設4：只考慮從端機器人與工作環境中所接觸物體相接觸的動態特性。如此，建立遙操作機器人系統各個環節的動力學方程如下：EQ\o\ac(○,1)操作者與主端機器人相互作用的動力學模型：（2.1）EQ\o\ac(○,2)從端機器人與工作環境相互作用的動力學模型：（2.2）EQ\o\ac(○,3)工作環境的動力學模型：（2.3）以上就是遙操作機器人系統各環節的動力學模型。其中F和V都是時間t的函數。Fh是操作者施加的力，由操作者根據感覺給出；Fmd是從端反饋回主端的力；Fs是從端機器人施加的力，它由從端機器人內部的控制算法決定；Fe是環境與從端機器人之間的作用力。Vm是主端機器人的運動速度，VS是從端機器人的運動速度。Mm和Ms分別是主從端機器人的質量系數；Bm和Bs分別是主從端機器人的慣性系數；Me、Be和Ke分別是工作環境的質量、阻尼和彈性系數。此外，對從端機器人采用PI控制算法，可以得到從端機器人內力Fs的表達式：（2.4）Ps和Ks分別是控制器的阻尼系數和剛性系數。環境通信環節從端主端操作者Vm+Fh環境通信環節從端主端操作者Vm+Fh-Vm+Fmd-Vsd+Fs-+Fe-Vs圖2-3遙操作機器人的等效二端口網絡美國學者Anderson和Spong指出，將遙操作機器人系統與機械和電力系統類比，就可以把遙操作系統看作一個二端口網絡[19]。如圖2-3所示，主端、通信環節和從端都是一個二端口網絡，操作者和環境則是一端口網絡。根據二端口網絡的相關理論，遙操作系統的每一個二端口子系統都可以用H參數矩陣表征：（2.5）方程（2.5）是二端口網絡H參數矩陣的拉氏變換形式，二端口網絡的特性只與其混合參數矩陣H有關。只要對H參數矩陣進行分析，就可以知曉這個二端口網絡是否穩定。在后面的章節中，我們將運用無源性理論對遙操作機器人的穩定性進行分析。首先，不加說明地給出幾種電路系統中的無源性元件，用以建立遙操作機器人的電路等效模型。圖2-4主要的無源元件根據電路理論，圖2-4所畫電路元件都是無源的，對遙操作機器人建模時，也將利用這些無源元件：慣性元件M：對應著主從端機器人的質量，輸入輸出關系如下：（2.6）它與圖2-4（a）對應。剛性元件K：對應著反饋或者環境剛性，輸入輸出關系如下：（2.7）它與圖2-4（b）對應。阻尼元件B：對應速度反饋或者粘滯摩擦，輸入輸出關系如下：（2.8）它與圖2-4（c）對應。變換元件n：對應著機械系統中的齒輪傳動比等比例關系，輸入輸出關系如下：（2.9）它與圖2-4（d）對應。線性二端口傳輸介質：對應這系統中有時滯的傳輸介質，對應圖2-4（e）根據遙操作機器人的動力學模型和二端口網絡等效原理，可以畫出遙操作機器人的等效電路模型：FFhZm時延ZsZcZeFmdFsFe++++VmVsdVs圖2-5遙操作機器人的等效電路模型其中，Zm和Zs分別是主從端機器人的等效阻抗，Zc表示從端控制器的等效阻抗，Ze表示環境阻抗。在后面的分析中將看到，這個遙操作機器人的等效電路模型是不穩定的，不能直接進行控制。不穩定的原因在于傳輸環節的時延，由于時延的存在，傳輸環節不具有無源性，因此是不穩定的。因此需要對傳輸環節進行改造，使其具有無源性，保證系統的穩定。2.4本章小結本章簡要介紹了二端口網絡理論。二端口網絡理論原本用于描述電路系統，但是遙操作機器人與電路有相似性，可以把它等效成一個電路系統。這樣，遙操作機器人中的力和速度就可以轉化為電壓和電流，主從端以及環境都可以轉化為電路系統中的阻抗。在建立起遙操作機器人系統的二端口網絡模型之后，就可以運用電路理論來分析遙操作機器人的穩定性。第三章遙操作機器人的穩定性分析與設計第三章遙操作機器人的穩定性分析與設計3.1無源性理論本章將基于無源性理論來分析遙操作機器人的穩定性。所以，接下來首先將對無源性理論進行介紹，然后對遙操作機器人進行穩定性分析并指出它不穩定原因，最后通過一定的設計改造使系統重獲穩定。無源性理論是用于分析電路系統穩定性的理論。但是，在前面的章節中，遙操作機器人的二端口模型已經被建立起來，也就是說遙操作機器人系統已經被等效成電路系統。所以，無源性理論可以被用來分析遙操作機器人系統的穩定性。下面給出無源性理論的相關定義和它的穩定性判據：定義3.1.1：對于如圖2-1所示的獨立二端口網絡，如果它是無源的，那么當且僅當注入端口的電流I（t）和橫跨端口的電壓U（t）存在如下關系時成立：（3.1）這個二端口網絡在初始條件下沒有能量存貯。式（3.1）表明這個二端口網絡只消耗能量，不增加能量。如果一個二端口網絡是無損的，那么當且僅當有如下關系時成立：（3.2）無源性從能量的角度揭示了系統的穩定特性。如果一個系統是無源的，那么這個系統只消耗能量而不產生能量。從輸入輸出的角度來看，這個系統就是穩定的。1'1'I1U1I122'I2I2U2A133'I3I3U3B圖3-1二端口網絡串聯的情況為了更好地理解二端口網絡無源性的條件，再分析一下多個二端口網絡串聯的情況。如圖3-1所示，兩個二端口網絡串聯在一起。如果整個系統無源，那么當且僅當注入端口的電流I（t）和橫跨端口的電壓U（t）存在如下關系時成立：（3.3）式（3.3）有助于更好的理解二端口網絡無源性的概念：整個系統無源不一定說明組成系統的每一個子系統都是無源的，但是由無源的子系統串聯而成的系統一定是無源的。定義3.1.2：散射算子S：定義為：在一個雙端口網絡中，散射矩陣可以用混合矩陣H（S）來表示：（3.4）同時：（3.5）將（3.4）和（3.5）聯立，就可以得到：（3.6）S就是二端口網絡的散射算子，式（3.6）表明它可以用二端口網絡的混合參數矩陣H（s）表示。運用散射算子可以非常方便地分析二端口網絡的無源性。定理3.1.1：一個二端口網絡是無源的，當且僅當其散射算子S（s）滿足也即：（3.7）證明：如果，那么，這就說明。這也就明確地給出了：（3.8）即（3.9）即系統是無源的。3.2遙操作機器人的穩定性分析從無源性的角度角度來分析，只要系統具有無源性，那么這個系統就是穩定的。同時，無源的子系統串聯或并聯所組成的系統仍然無源[1]。因此，利用無源性理論來分析系統的穩定性，就是要分析組成整個系統的各個子系統是否無源。如果某一部分具有無源性，那么它就是穩定的，否則就要通過一些處理使之具有無源性。對于如圖2-3所示的雙邊遙操作機器人而言，主從端機器人都是具有無源性的，因此它們都是穩定的系統，不穩定因素由通信環節的時延產生。首先分析一下沒有時延存在時的情況。如果通信環節沒有時延，那么主端機器人的運動速度Vm將直接傳遞到從端，即Vsd（t）=Vm（t）；同理，從端控制器產生的力Fs也將直接反饋回主端，即Fmd（t）=Fs（t）。很顯然，在沒有通信時延的情況下，系統是無源的，具有穩定性。接下來考慮通信環節存在時延的情況，本文僅分析具有固定時延T的遙操作機器人。考慮圖2-3的模型，由于通信時延T的存在，則有Vsd（t）=Vm（t-T），Fmd（t）=Fs（t-T）。進行拉式變換后，將其表示成混合矩陣的形式有：（3.10）（3.11）根據定義3.1.2，散射算子S的形式如下：（3.12）根據定理3.1.1：也即：。可見散射算子S是無界的，因此通信環節不具有無源性，不穩定。3.3基于波變量的矯正方法無源控制理論雖然可以分析遙操作機器人的穩定性，并指出不穩定的原因，但是還沒有直接給出保證系統無源的方法。為此，學者們引入了波變量方法。該方法通過為通信環節設計一個矯正模塊，使其具有無源性。波變量方法由Niemeyer和Slotine最先提出[20]。所謂波變量，就是在通信環節的兩端分別加入一些相互關聯的阻抗模塊，構成波變量控制器。如果從能量流動的角度來考慮通信環節，那么通信環節這個二端口的總功率為：（3.13）這個等式后半部分中的Ul、Vl、Ur、Vr就是所引入的波變量。經過矯正后通信環節的結構框圖如下所示：FFlFrVrVlFsVsdFmdVm--b通信介質圖3-2引入波變量控制器后的通信環節引入的波變量用等式的形式可以表示如下：（3.14）因此，圖3-2整體所表示的就是一個新的通信環節，這個通信環節不僅僅發生信號的延時，經過延時之后的信號還要經過一次改造，以保證系統的無源性。經過改造后的信號可以用Vl、Fr等表示：（3.15）通信環節經過改造后，便具有了無源傳輸線的特性。對于這個新的通信模塊，可以得出它H參數二端口模型：（3.16）因此有根據定義3.1.2有（3.17）因此有，根據定理3.1.1，改造后的通信環節是無源的。這樣，通過引入波變量，就得到了一個具有無源傳輸線特性的通信環節。這個新的通信環節用波變量來代替原先的功率變量，不論時延T有多大，都可以保證整個遙操作機器人系統的穩定性。3.4阻抗匹配在自然界的系統中，波在接口處和終止端會發生反射。與之類似，使用波變量方法控制遙操作機器人時，在主端和從端，同樣會發生波反射[20]。這種反射會影響遙操作機器人的控制效果。為了避免反射對控制效果產生的不利影響，需要想辦法消除這種反射。波反射產生在通信環節和引入的波變量控制器之間，這種現象由波變量控制器的特點產生。由于波變量控制器將速度和力信號聯系在了一起，也就是說波變量控制器把前向通道和反饋通道聯系在了一起，所以這里產生了波反射現象。根據式（3.14）和（3.15）可以得到如下等式：（3.18）從公式（3.18）可以看出，每當波Fl和Vr到來時，都會有波Vl和Fr反射回去。波反射不包含任何有用的信息，而且要經過長時間的往復反射才能消失，這就會對整體控制產生干擾，影響控制效果。為了避免波反射，就要對波變量控制器進行阻抗相匹配設計。本文采用在波變量控制器外附加阻抗的方式，附加的阻抗應該直接與系統中的力信號和速度信號相關聯。Slotine在論文中指出，用b表示附加阻抗，如果它滿足以下條件，那么波反射將被完全消除：，（3.19）通過在通信環節外附加阻抗的方式來消除波的反射，加入阻抗匹配后的新通信環節結構圖如下：FFsFs*波變量FlVlVrFr波變量通信環節FmdFmd*VmVm*VsdVsd*圖3-3進行阻抗匹配后的通信環節利用圖3-3所示的結構，可以消除波反射的干擾，達到滿意的控制效果。3.5透明性問題3.5.1透明性的定義對于遙操作機器人系統而言，除了要保證系統的穩定性之外，還要使系統具有良好的操作性。透明性這一概念就是用于描述遙操作系統可操作性的重要指標。透明性是指遙操作機器人系統具有臨場感。所謂臨場感技術（Telepresence）是指以人為中心，通過各種傳感器將遠地機器人與環境的交互信息（包括視覺、力覺、觸覺、聽覺、運動覺等）實時地反饋給本地操作者（人），使操作者產生身臨其境的感受，從而實現對機器人帶感覺的控制，完成作業任務[21]。臨場感技術包括視覺臨場感和力覺臨場感。文本主要考慮在具有力覺臨場感的情況下，主從機器人之間的力和速度跟蹤問題，以及本地操作者對遠端環境的感知問題。遙操作機器人主要用于危險、惡劣或者人類無法到達的環境中。同時由于操作任務的復雜性，機器人尚不具備獨自處理和完成任務的智能，因此還需要操作者的指導。操作者的操縱質量與對遠地環境力覺信息的獲取能力密切相關。因此，現在雙向力反饋控制被廣泛應用在遙操作機器人系統中，可以使操作者對返回的力覺信息具有臨場感[22]。如果從端機器人的力感知信息經過通信時延傳遞給主端操作者后，操作者能夠感覺到從端受力的真實情況（即操作者具有臨場感），那么操作者就可以準確實時地處理從端機器人的操作任務。在這里，具有這種特征的系統就被稱為具有“透明性”的遙操作機器人系統。但是，遙操作機器人的操作性能有好壞之分，也就是說，對它的透明性不能僅僅做定性的分析，還應該進行定量分析。“透明性”所描述的正是遙操作機器人所具有的臨場感的程度。下面給出透明性的具體定義：結合遙操作機器人的系統模型和動力學模型，做如下定義：操作者感知到的阻抗：（3.20）環境阻抗：（3.21）定義3.5.1[23]：假設在頻域中，操作者“感知”的阻抗可以被定義為式（3.20）形式。那么如果滿足式（3.22），就可以說這個遙操作機器人系統是完全透明的。（3.22）這就說明，在一個透明的遙操作機器人系統中，操作者能夠在主端獲得從端與環境直接作用的力感覺信息。當從端與環境接觸時，環境與從端的作用力為Fe，環境阻抗為Ze，則有Fe=ZeVe。如果從端能夠在速度和位置上對主端實現完全跟蹤（即Vs=Vm,Xs=Xm），那么由Zh=Ze就能得出Fh=Fe。說明這個遙操作系統具有完全的透明性。但是在實際系統中，不可能實現完全的透明性，這就需要對控制器進行適當的設計來保證系統良好的透明性。3.5.2時延對透明性的影響從透明性的定義可以看出，當操作者感知的阻抗Zh等于從端的環境阻抗Ze時，遙操作機器人系統具有完全的透明性。由此，可以給出遙操作機器人系統透明性的定量評價指標[24]：（3.23）（3.24）其中Wmax是系統的最大工作帶寬。P越小，則說明系統的透明性越好，當P=0時系統的透明性最好，處于完全的臨場感狀態。當通訊環節存在時間延時T時，操作者感知到的阻抗可表示為：可以看出，通信時延造成了環境阻抗傳遞過程中質量、阻尼和剛度的嚴重非線性失真。系統的透明性指標可以表示為：從上式可以看出，存在通信時延時，遙操作機器人系統的透明性不僅和時間延遲的大小有關，而且還和系統的帶寬有關。對于最大工作帶寬Wmax一定的系統，隨著時延的增大，系統的透明性以周期的形式降低，當T→kπ/2Wmax，系統的透明性最差[22]。綜合本章所述內容，系統的穩定性和透明性是遙操作機器人系統最重要的兩個指標。穩定性保證了系統是可控制的，透明性描述了系統操作性能的好壞。穩定性和透明性是一對矛盾著的對立統一的概念，只要過分強調了穩定性，透明性必然受到影響，同樣，如果過分強調透明性，系統的穩定性又會變差。所以在遙操作機器人的設計中，需要要綜合考慮系統穩定性和透明性的要求，設計出合理適中的遙操作機器人系統。3.6本章小結本章介紹了無源性理論，基于該理論分析了具有大時延的遙操作機器人系統不穩定的原因，并給出了解決不穩定的方法——波變量方法。由于時延的存在，通信環節原本的無源性被改變，成為一個有源傳輸線。而造成整個系統不穩定的原因，就在于通信環節的有源性。因此，通過波變量方法的矯正，通信環節重新具有了無源性，保證了系統的穩定。此外，為了定量地描述系統的操作性能，引入透明性的概念；為了獲得更好的控制效果，對波變量進行了改造，通過引入一些相互關聯的阻抗，消除了波反射，改善了操作性能。第四章遙操作機器人的總體控制設計第四章遙操作機器人的總體控制設計在前面的章節中，已經分析了遙操作機器人系統的體系結構模型、動力學模型，為遙操作機器人系統建立了基于二端口網絡的等效模型，又運用無源性理論分析了遙操作機器人系統的穩定性，指出系統不穩定的原因在于通信環節的有源性，它由通信環節的時延產生，最后又給出了改造通信環節使其重新成為無源傳輸線的辦法。本章將在前面分析的基礎上，對遙操作機器人進行總體控制設計。4.1遙操作機器人的控制器設計根據遙操作機器人的動力學方程（2.1）—（2.3），重寫如下：（4.1）（4.2）（4.3）這三個方程分別是遙操作機器人主端、從端以及環境的動力學模型。其中Mm和Ms分別是主從端機器人的質量系數；Bm和Bs分別是主從端機器人的慣性系數；Me、Be和Ke分別是工作環境的質量、阻尼和彈性系數。對從端機器人，我們采用PID算法進行控制。PID控制算法是在控制領域中經常使用的一種算法，它由比例（P）、積分（I）以及微分（D）三部分組成：比例（P）控制器比例控制是一種最簡單的控制規律，相應的傳遞函數為：式中，Kp稱為控制器的比例增益。在控制系統中使用比例控制器，只要被調量偏離給定值，控制器就能及時地產生一個與偏差成比例的控制信號作用于受控系統來消除偏差，由于比例控制的這種及時控制作用，故在實際控制系統中通常都含有比例控制環節。比例積分（PI）控制器比例積分控制是在比例控制的基礎上再引入一個積分控制項。相應的比例控制器時域中的輸入輸出關系為：將上式進行拉式變換則可得，比例積分控制器的傳遞函數為：式中，Ti稱作積分常數，它的倒數1/Ti稱為積分速度。可以消除偏差是積分控制器的特點。只要有偏差，控制器輸出就不斷地變化；偏差存在的時間越長，輸出的變換量就越大；當輸入偏差信號為零時，其輸出就不再變化而維持在某一恒值上，故積分控制作用的特點就是力圖消除穩態誤差。但是積分控制作用也有一定的缺點。它的控制作用是隨時間逐步積累的，動作比較遲緩，對系統暫態特性不利。因此積分環節通常不單獨使用，而要與其它環節配合使用。比例積分微分（PID）控制器如果在上述PI控制器中再引入一個微分控制環節，便構成了比例+積分+微分控制器。這一控制器規律的輸入輸出表達式為：相應的PID控制器傳遞函數為：其中，Ti稱為微分時間常數。微分控制能在偏差信號出現或變化的瞬間，立即根據變化的趨勢產生超前的“預見”調節作用，以加快系統調節速度，改善系統的暫態性能。在遙操作機器人系統中，由于時延的存在以及操作任務的實際特點，從端機器人的運動是比較緩慢的，對它的暫態特性沒有過高的要求，只要能夠消除穩態誤差就可以了。因此，可以選用PI控制算法來對從端機器人進行控制。于是就可以得到從端機器人控制器的數學模型為式（2.4）的形式，重寫如下：（4.4）其中Ps和Ks分別是控制器的阻尼系數和剛性系數。4.2遙操作機器人的總體控制結構有了遙操作機器人各部分的數學模型后，就可以著手設計系統的總體結構。現在將式（4.1）—（4.4）依次進行拉式變換，可以得到：（4.5）（4.6）（4.7）（4.8）根據以上各式可以得到遙操作機器人系統各部分的傳遞函數，據此，可以得到遙操作機器人系統的總體控制框圖：圖4-1遙操作機器人的控制框圖圖中的通信環節可以使用經過波變量改造后的通信環節：FFlFrVrVlFsVsdFmdVm--b通信介質圖4-2經過波變量改造后的通信環節當然，為了獲得更好的控制效果，在這里采用經過阻抗匹配后的波變量通信環節，這種通信環節是可以消除波反射的。在后面章節的仿真模擬中，我們將看到，通信環節經過阻抗匹配消除了波反射后，整個系統的控制效果確實得到了改善。FFsFs*波變量FlVlVrFr波變量通信環節FmdFmd*VmVm*VsdVsd*圖4-3經過阻抗匹配后消除了波反射的通信環節4.3本章小結本章設計了遙操作機器人的總體控制結構。在控制器的設計上，采用PI控制；在總體結構上，遵循前面各章提出的數學模型和動力學模型，對通信環節用波變量方法進行改造，并將這些模型進行拉式變換。最后，將這些變換后的模型組合成控制框圖，為下面的仿真做好準備。第五章系統仿真實驗第五章系統仿真實驗使用Matlab軟件的Simulink工具包搭建系統模型，對遙操作機器人系統進行模擬，驗證波變量方法是否能夠很好的控制具有時延的遙操作系統。本文只分析具有固定時延的情況。5.1對波變量方法的驗證首先搭建一個運用了波變量的通信環節，主端和從端都用方波發生器來模擬作用力。這個模型被用來驗證波變量方法是否可以保證通信環節的穩定性。系統結構圖如下：圖5-1經波變量改造后的通信環節仿真模型在圖5-1中，兩個方波發生器分別模擬主端和從端的作用力，使用50%的占空比，兩個示波器分別顯示力跟蹤和速度跟蹤結果。兩個示波器的波形如圖5-2和圖5-3所示。在這個簡單的系統中，方波發生器被用來模擬主從端受到的力，雖然并不真實，但是通過這個系統，可以驗證經過波變量改造的通信環節是否穩定。圖5-2和圖5-3分別顯示速度和力的跟蹤結果，從曲線的走勢來看，波變量被引入后，通信環節確實具有無源性，整個系統是穩定的。通過這個最簡單的系統，波變量方法的正確性得到了驗證。接下來，更加真實的遙操作機器人系統仿真模型將被搭建，并進行仿真驗證。圖5-2力跟蹤結果圖5-3速度跟蹤結果5.2更加真實的遙操作機器人仿真模型一個更加真實的遙操作機器人系統應該建立在主從端、環境、以及控制器的數學模型之上。圖5-4就是一個更加真實的遙操作機器人仿真模型。在這個仿真模型中，正弦波信號發生器被用來模擬主端操作者施加的力，然后根據公式（4.5）—（4.8）分別為主從端機器人、從端控制器以及從端環境建立傳遞函數模型，并運用波變量方法改造通信環節。在這個系統中并沒有消除波反射，所以在下面的波形中可以看到，力和速度的跟蹤效果不甚理想，有一定波動。圖5-4更加真實的遙操作機器人系統仿真模型圖5-5力跟蹤結果這是一個比較真實的系統模型，這個模型很完整而且有阻抗匹配更加合理的波變量。但是仔細觀察波形，仍然可以發現，雖然系統對力和速度的趨勢可以做出穩定的跟蹤，但是跟蹤效果不甚理想，有不小的波動，尤其是速度跟蹤結果的波動更大。前面的章節已經說明，直接使用不經改造的波變量會產生波反射，影響控制效果。仿真結果中力和速度的波動，就是波反射造成的，這個結果很好地驗證了前面章節中對波反射所作的理論分析。在下面一節中，將在這個模型的基礎上，建立一個消除了波反射的系統模型，以獲得更好的控制效果。圖5-6速度跟蹤結果5.3消除了波反射的遙操作機器人仿真模型在這本節中，上一小節中的波變量環節將被改造，建立起一個消除了波反射的系統仿真模型，以獲得更好的控制效果。圖5-7消除了波反射的遙操作機器人系統仿真模型這個模型對波變量環節進行了改造，在波變量的前后分別加入兩個阻抗。這兩個阻抗經過合適的匹配，可以消除波反射。為了對控制效果進行全面的驗證，正弦波發生器的頻率將被改變，分別在兩種頻率下進行仿真驗證。給定正弦波發生器10Hz的頻率，結果如下：圖5-9速度跟蹤結果（10Hz）圖5-8力跟蹤結果（10Hz）從跟蹤結果圖可以看出，整個系統在低頻率（10Hz）的情況下，可以對主端給定的速度和從端反饋的力進行穩定的跟蹤，沒有波動，效果比較理想，達到了遙操作機器人的控制性能要求。當給定信號的頻率提高到50Hz時，整個遙操作系統的控制效果就沒有在低頻率下理想。但是考慮到遙操作機器人的實際使用環境（如空間、深海、遠程醫療等），一般不會出現頻率如此之高的情況。所以，這一小節中設計的遙操作機器人模型是合適的，可以使用。給定正弦波發生器50Hz的頻率，結果如下：圖5-9速度跟蹤結果（50Hz）圖5-10力跟蹤結果（50Hz）總結總結遙操作機器人系統是人類實現自身能力延伸的工具。在遙操作機器人的幫助下，人類不用親臨現場，就可以完成一些極端環境中的工作。但是，由于操作者和從端機器人距離遙遠，控制和反饋信號在通信環節的傳輸中有很大的延遲。大時延會給系統的控制效果帶來不利影響，甚至會造成整個系統的不穩定。因此，時延控制器的設計，是遙操作機器人研究的重點領域。本文基于對遙操作機器人系統傳輸時延的分析，采用無源控制算法和波變量方法對遙操作機器人系統進行控制設計，通過仿真軟件對算法進行驗證。主要進行了如下工作：（1）介紹遙操作機器人的發展歷程、國內外研究現狀以及目前流行的時延控制方法。在此基礎上，分析遙操作機器人系統產生時延的原因以及時延產生的影響。遙操作機器人系統的時延主要產生于通信環節，由于本地操作者和遠端機器人在空間上相距遙遠，電磁波的傳輸速度有局限性，所以信號在通信環節會產生很大的時延。大時延的存在會影響系統的穩定性和控制效果。（2）基于電路的二端口網絡模型，建立了遙操作機器人系統的數學模型和動力學模型。在遙操作機器人模型的基礎上，本文運用無源性方法，詳細分析了時延影響遙操作機器人穩定性和控制效果的原因。大時延破壞了通信環節的無源性，使通信環節成為一個有源傳輸線，而通信環節的有源性就是造成系統不穩定的根本原因。在這一分析的基礎上，運用波變量方法對遙操作機器人系統進行控制算法設計。經過波變量改造后的通信環節重新具有了無源性，系統獲得穩定。此外，為了使穩定的系統有更好的控制效果，又對波變量進行改造，消除了波反射。（3）運用Matlab仿真軟件對控制算法進行驗證。在仿真中，本文分別對三種情況進行了驗證。仿真結果表明，波變量方法確實可以保證具有大時延的遙操作機器人系統的穩定性；運用波變量方法設計的遙操作機器人系統是穩定可控的，但是跟蹤結果有一定波動；在改造了波變量、消除波反射以后，遙操作機器人系統獲得理想的控制效果。參考文獻參考文獻景興建，網絡遙操作機器人系統穩定性分析和規劃方法研究[D]，中國科學院沈陽自動化研究所博士論文，2005.R.Goertz,andR.Thompson.“Electronicallycontrolledmanipulator”.Nucleonics,12(11):46-47,Nov.1954.徐旭明，葉榛，陶品，等，基于視覺臨場感的機器人遙操作系統[J]，高技術通訊，2000，10(3)：57-60．戴炬，異機構遙控主從手的雙向力反映[J]，控制理論與應用，1996，13：259-261．郭舫舫，趙杰，蔡鶴皋，一個基于阻抗矩陣的雙向力反應遙操作系統模型[J]，機電工程，1998，(2)：43-44．游松，基于國際互聯網的遙操作機器人系統的研究[D]，北京航空航天大學博士學位論文，2000：1-18．馬宏鵬，安剛，趙新，等，基于互聯網的機器人遙操作系統平臺[J]，自動化與儀表，2000，15(6)：3-7．任昊星，翁海華，楊楊，等，基于Web的機器人遙操作的研究與實現[J]，計算機工程，1999，25(5)：64-65．韋慶，李杰，基于事件反饋的機器人監控技術及其在大時延遙操作中的應用[C]，空間機器人及遙科學技術研討會論文集，1999：307-313．吳國釗，傅雪冬，裴海龍，基于Internet的機器人實時跟蹤系統[J]，機器人技術與應用，2000，(1)：24-26．丁希侖，李海濤，解玉文，等，基于Internet的擬人雙臂機器人遙操作系統的研究[J]，高技術通訊，2006，16(8)：808-812．W.R.Ferrell.“Remotemanipulationwithtransmissiondelay”.IEEEtrans.HumanFactorsinElectronics,HFE-6,No.1,1965.RajuG.“Designissuein2-portnetworksmodelsofbilateralremotemanipulation”[J].IEEETransonAuto-Control,1989,34(3):1316-1321.StrassbrgY,GoldenbergAA,MillsTK.“Anewcontrolschemeforbilateralteleoperatingsystem:lyapunovstabilityanalysis”[A].ProcoftheIEEEIntConfonRobandAuto[C].Nice,France,1992:837-842.LawrenceDA.“Stabilityandtransparencyinbilateralteleoperation”[J].IEEETrans.onRob.andAuto.,1993,9(5):624-637.ElhaggI,XiNing,LiuYunHui.“Real-timecontrolofinternetbasedteleoperationwithforcereflection”.In:ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.SanFrancisco,CA:2000,3284-3289.XiN,TarnTJ.“Actionsynchronizationandcontrolofinternetbasedteleroboticsystems”.In:ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.Detroit,Michigan:1999.2964-2969.邱關源，羅先覺，電路（第五版）高等教育出版社，2006,5(2009重印)：418-419．AndersonRJ,SpongMW.“BilateralControlofTeleoperatorsWithTimeDelay”[J].IEEETransactionsonAutomationControl.1989,34(4):494-501.G.Niemeyer,andJ.J.E.Slotine.“StableAdaptiveTeleoperation”[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,16(1):152-162,1991.劉寒冰，趙丁選，臨場感遙操作機器人綜述[J]，技術應用，2004(1)：42-45．宋娟，網絡遙操作機器人的時延控制[D]，吉林大學碩士論文，2009．MinyanShiGang,HongLiuandJ.HunterDowns.“AdaptivecontrolofTele-operationSystems”[J].Proceedingofthe38thConferenceonDecision&Control.Phoenix,Arizona李琳輝，大時延主從遙操作系統雙向控制與共享控制[D]，吉林大學碩士論文，2005．致謝致謝基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統最佳啟停自校正（STR）調節器單片機控制的二級倒立擺系統的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監測系統基于32位嵌入式單片機系統的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養診斷專家系統的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統研究與開發基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發基于單片機的液壓動力系統狀態監測儀開發模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統開發基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統單片機系統軟件構件開發的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統用于單片機系統的MMC卡文件系統研制基于單片機的時控和計數系統性能優化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監測系統基于單片機網絡的振動信號的采集系統基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統基于單片機的控制系統在PLC虛擬教學實驗中的