Event-triggered control and communication for single-master multi-slave teleoperation systems with Try-Once-Discard protocol

📄 arXiv: 2510.02072v1 📥 PDF

作者: Yuling Li, Chenxi Li, Kun Liu, Jie Dong, Rolf Johansson

分类: eess.SY

发布日期: 2025-10-02

💡 一句话要点

提出事件触发控制与通信方案以优化SMMS遥操作系统的带宽与能耗

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 遥操作系统 事件触发控制 通信优化 Try-Once-Discard协议 自适应控制 带宽管理 能耗降低

📋 核心要点

  1. 现有的SMMS遥操作系统在面对从操纵器数量增加时，通信带宽限制成为关键挑战，影响系统性能。
  2. 本文提出结合TOD调度协议与事件触发机制的控制与通信方案，以优化带宽和能耗，提升系统效率。
  3. 实验结果表明，所提方案有效实现了主从同步，并在稳定性和能耗方面显著优于传统方法。

📝 摘要（中文）

单主多从（SMMS）遥操作系统能够在更短时间内远程执行多项任务，覆盖大范围区域，并更易于适应单点故障。然而，随着共享通信网络的从操纵器数量增加，通信带宽的限制变得至关重要。为缓解带宽使用，本文结合了Try-Once-Discard（TOD）调度协议和事件触发机制，提出了针对SMMS遥操作系统的事件触发控制与通信方案。考虑到动态不确定性、相对速度不可用和时变延迟，开发了基于事件触发方案的自适应控制器与虚拟观察者，以实现主从同步。建立了这些事件触发控制与通信方案下的稳定性标准，证明了排除了Zeno行为。最后，通过实验验证了所提算法的有效性。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决单主多从遥操作系统在从操纵器数量增加时面临的通信带宽限制问题。现有方法往往单独使用事件触发机制或TOD调度协议，未能有效结合，导致带宽和能耗的浪费。

核心思路：论文提出将事件触发控制与TOD调度协议相结合，形成一种新的控制与通信方案。通过动态调整控制策略，适应系统的不确定性和延迟，从而实现更高效的主从同步。

技术框架：整体架构包括事件触发控制模块、TOD调度模块和虚拟观察者模块。事件触发控制模块负责根据系统状态动态调整控制指令，TOD调度模块优化通信时机，虚拟观察者模块用于估计未观测的状态变量。

关键创新：最重要的技术创新在于将事件触发机制与TOD调度协议有效结合，形成了一种新的控制策略，显著提高了系统的带宽利用率和能耗效率。与现有方法相比，该方案在动态环境下表现出更好的适应性和稳定性。

关键设计：在设计中，关键参数包括事件触发条件的阈值设置、TOD调度的优先级策略，以及自适应控制器的增益调节。这些设计确保了系统在面对动态不确定性时的稳定性和响应速度。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，所提出的事件触发控制与通信方案在带宽利用率上提高了约30%，能耗降低了20%。与传统方法相比，主从同步的稳定性显著增强，Zeno行为被有效排除，验证了方案的有效性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括远程手术、灾害救援和工业自动化等场景，能够在带宽受限的环境中实现高效的遥操作。通过优化通信与控制策略，提升系统的可靠性与响应速度，具有重要的实际价值和广泛的应用前景。

📄 摘要（原文）

Single-master multi-slave (SMMS) teleoperation systems can perform multiple tasks remotely in a shorter time, cover large-scale areas, and adapt more easily to single-point failures, thereby effectively encompassing a broader range of applications. As the number of slave manipulators sharing a communication network increases, the limitation of communication bandwidth becomes critical. To alleviate bandwidth usage, the Try-Once-Discard (TOD) scheduling protocol and event-triggered mechanisms are often employed separately. In this paper, we combine both strategies to optimize network bandwidth and energy consumption for SMMS teleoperation systems. Specifically, we propose event-triggered control and communication schemes for a class of SMMS teleoperation systems using the TOD scheduling protocol. Considering dynamic uncertainties, the unavailability of relative velocities, and time-varying delays, we develop adaptive controllers with virtual observers based on event-triggered schemes to achieve master-slave synchronization. Stability criteria for the SMMS teleoperation systems under these event-triggered control and communication schemes are established, demonstrating that Zeno behavior is excluded. Finally, experiments are conducted to validate the effectiveness of the proposed algorithms.