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在遠端影像操作系統之底層控制上,本論文提出了整合 MPC 與 CDOB 及 PDC 切換之網路控制架構,在平均延遲時間 450 ms 的情形下有效地穩定系統,

並在上層控制操作上,設計三項輔助策略克服網路延遲對系統透明度影響,大幅 降低平均循軌誤差且縮短完成時間。

所達成之研究成果整理如下:

1. 解決網路延遲對底層控制系統響應造成之影響 (a) 通訊擾動估測器(CDOB)

通訊擾動估測器不需要網路延遲時間模型,透過將網路延遲效應視 為系統擾動量估測後進行補償,可將系統響應振幅降低 42.4%,但由於 實驗平台之取樣頻率不足造成估測值穩態誤差,進而將其架構簡化改良 消除此穩態誤差,進一步提升穩定度。而系統加入改善的 CDOB 後,

響應之振幅可降低 50.4%、收斂時間提升超過 68%。實驗證明 CDOB 在網路延遲時間劇烈震盪時之性能比 adaptive Smith predictor 較佳。

(b) 模型預測控制器(MPC)

模型預測控制器運用在網路控制系統中,結合 CDOB 估測之輸出 迴授,可有效克服網路延遲對系統響應造成之影響,將收斂時間再提升 28.88%、振幅降低 25.6%且 rise time 亦在合理範圍內,並且可根據系統 模型對迴授進行估測。實驗亦證明 MPC 於網路控制系統中比 PI 控制器 具有更佳之性能。

(c) 估測迴授訊號之權重分配機制

利用 MPC 與 CDOB 估測之迴授響應,選擇迴授訊號的最佳權重分 配,並在迴授資料遺失時切換至只使用 MPC 估測之迴授,進一步將響

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應振幅再降低 8.5%、收斂時間再縮短 66.5%且 rise time 依然在容忍範 圍內。由實驗結果證明本論文提出之整合 MPC 與 CDOB 之權重架構,

比 PI + adaptive Smith predictor、PI + CDOB 與 MPC+ CDOB 具有更佳 響應。

2. 解決網路延遲對上層系統所造成之操作困難 (a) 長距離移動操作

1) 底層採用 MPC+ CDOB 與估測迴授之權重分配網路控制架構,達到 快速且穩定之系統響應

2) 並以兩個影像輔助機制,克服影像延遲造成之操作誤差 i. 虛擬操作點輔助機制:

將3D 降為2D 之虛擬操作點機制,於方形直線循軌中可大 幅降低循軌誤差 98.9%與完成時間 55%,於菱形斜線循軌中亦可降 低循軌誤差 81.9%,但在 Webcam 影像定位誤差時,須另有校正之 機制。

ii. 操作點預測輔助機制:

整體考慮網路延遲與人因特性,改善 Webcam 影像定位誤差,

建立其運動模式,於方形直線循軌中進一步降低循軌誤差 60%與完 成時間 35.7%,於菱形斜線循軌中降低循軌誤差 34.2%。

(b) 短距離移動操作

操作點預測 + 微調切換機制:

1) 由於 PDC 之更快速響應特性,因此底層採用此網路控制架構,進 行微調。

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2) 系統影像操作於需要微調並可容忍震盪時,切換至 PDC 控制架構,

可進一步於方形直線循軌中降低循軌誤差 83.8%、縮短完成時間 39.5%,

於菱形斜線循軌中降低循軌誤差 61.6%。

本論文提出在取樣頻率不足時,CDOB 估測值穩態誤差之改善架構,接著利 用 MPC 之移動時域控制,將兩者之估測迴授進行權重分配,並於資料遺失時切 換權重分配,將系統響應調整至於長距離循軌中最適合操作之表現。最後利用操 作輔助機制針對不同軌跡特性、操作者動態特性與延遲時間,改善循軌誤差並提 升任務完成效率。

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