遙操作移動(dòng)機(jī)器人在物理空間上可以實(shí)現(xiàn)人類感知能力和行為能力的延伸：在信息層次上將遠(yuǎn)端的移動(dòng)機(jī)器人與操作人員連接在一個(gè)閉環(huán)回路里。實(shí)時(shí)地控制遠(yuǎn)端移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，以最大限度地利用遠(yuǎn)近端的設(shè)備、資源和遙操作者的智力、經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)資源最佳配置，完成特定的任務(wù)。遙操作移動(dòng)機(jī)器人在很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如星際探測(cè)、工業(yè)制造、危險(xiǎn)環(huán)境、服務(wù)行業(yè)以及遠(yuǎn)程教育。其主要的技術(shù)問題有人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程通訊的問題和移動(dòng)機(jī)器人的控制方法。
基于Internet的遙操作是移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要研究和應(yīng)用領(lǐng)域，文獻(xiàn)中的遙操作移動(dòng)機(jī)器人，可以通過Web瀏覽器進(jìn)行遙操作，其缺點(diǎn)是在操作人員使用的遙操作界面中，所提供的控制移動(dòng)機(jī)器人的方式不多，功能單一。文獻(xiàn)中的遙操作移動(dòng)機(jī)器人，其攝像頭并不是安裝在移動(dòng)機(jī)器人本體上，而是用于全場(chǎng)景監(jiān)視，這樣大大限制了遙操作機(jī)器人的活動(dòng)場(chǎng)所。文獻(xiàn)提出移動(dòng)機(jī)器人基于智能體的控制方法，可使移動(dòng)機(jī)器人具有一定的自主功能，但是沒有對(duì)自主控制和遙操作者的控制進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。
針對(duì)上述存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種具有友好人機(jī)界面的基于合作控制的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：人機(jī)界面顯示的內(nèi)容豐富，針對(duì)不同的任務(wù)，環(huán)境提供多種操作方式；通訊方式靈活、組網(wǎng)方便；所采用的基于人機(jī)合作的導(dǎo)航控制可靠、高效。
1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
在遙操作移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中．實(shí)現(xiàn)操作者監(jiān)視、控制遙操作移動(dòng)機(jī)器人的功能模塊是人機(jī)界面。友好的人機(jī)界面應(yīng)該盡可能豐富地顯示移動(dòng)機(jī)器人所處的環(huán)境信息和移動(dòng)機(jī)器人本身的狀態(tài)信息，而且擁有合適的操作方式．讓操作人員能夠輕松、有效地控制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)并完成特定的任務(wù)。
1.1 機(jī)器人端信息顯示界面設(shè)計(jì)
遙操作者主要是根據(jù)顯示在遙操作端的計(jì)算機(jī)上信息來控制移動(dòng)機(jī)器人．為了便于遙操作者的決策和控制，要求所顯示的遠(yuǎn)端移動(dòng)機(jī)器人的狀態(tài)信息和的環(huán)境信息盡量豐富、直觀。
圖1所示為本遙操作移動(dòng)機(jī)器人中人機(jī)界面所顯示的信息：遙操作者可以在界面的左上角看到移動(dòng)機(jī)器人工作環(huán)境的實(shí)時(shí)視頻信息，移動(dòng)機(jī)器人的狀態(tài)信息(包括速度和轉(zhuǎn)角)用儀表盤的方式顯示．移動(dòng)機(jī)器人紅外傳感器的信息用可視化的方式顯示界面的右上角。在界面的頂端，顯示每秒所傳輸圖像的幀數(shù)，能反應(yīng)通訊的狀況是否良好．還顯示了直接控制時(shí)所下達(dá)給移動(dòng)機(jī)器人的速度命令值和轉(zhuǎn)角命令值。
圖1 人機(jī)界面所顯示的信息
1.2 遙控移動(dòng)機(jī)器人的方式
在本遙操作移動(dòng)機(jī)器人的人機(jī)界面中，提供了三種可以控制移動(dòng)機(jī)器人的方法。最簡(jiǎn)單的就是使用鍵盤控制，通過事先設(shè)置的熱鍵．可以方便的控制移動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和原地自轉(zhuǎn)。其次是利用鼠標(biāo)進(jìn)行控制。本文設(shè)計(jì)了一種操作輕松，控制靈活的方法。根據(jù)在遙操作端計(jì)算機(jī)上所顯示的從移動(dòng)機(jī)器人端傳來的視頻信息．遙操作者在視頻顯示窗口中用鼠標(biāo)指定移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)，設(shè)此點(diǎn)為d，根據(jù)鼠標(biāo)的位置信息得到其在視頻圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)記為(x，y)。如圖2所示，CCD攝像機(jī)的成像模型采用tJ,孑L成像模型，像平面的位置可用KCMN平面表示；由于移動(dòng)機(jī)器人是在平面上運(yùn)動(dòng)，所指定的目標(biāo)點(diǎn)也在平面上．因此目標(biāo)點(diǎn)位于世界坐標(biāo)系下的ABCD平面中。記點(diǎn)d在攝像機(jī)坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的成像點(diǎn)為q，其坐標(biāo)記為(r，t)；在世界坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為P，其坐標(biāo)記為(X，Y)。攝像機(jī)坐標(biāo)系中的像平面坐標(biāo)與視頻圖像坐標(biāo)之間為比例關(guān)系，用矩陣M1表示，根據(jù)小孔成像模型，世界坐標(biāo)系下平面ABCD與攝像機(jī)坐標(biāo)系下像平面KLMN的關(guān)系用鳩表示。當(dāng)用鼠標(biāo)點(diǎn)出d時(shí)，其在世界坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)點(diǎn)P的坐標(biāo)(X，Y)通過下式求得：
圖2成像模型
操縱手柄是一種直觀，容易被人接受的人機(jī)交互設(shè)備。工作在直接控制模式時(shí)．對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的行走、轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、后退的運(yùn)動(dòng)控制，都可以使用操縱手柄實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使用操縱手柄控制時(shí)，先采集到操作手柄的位置信息(X，Y)，如圖3所示分，然后采集操作手柄的滑塊信息u。用位置信息控制移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)角．用滑塊信息控制移動(dòng)機(jī)器人的速度。由于從操作手柄采集到的原始信號(hào)噪聲較大，因此采用了式(2)和式(3)的均值濾波，來慮除噪聲。
圖3游戲桿命令示意圖
結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，將線性縮放到[6，130]，結(jié)合位置信息中的y值，利用方程(4)求得移動(dòng)機(jī)器人的速度命令v(單位：cm／s)；得到濾除噪聲后的(X，Y)后，通過方程式(5)求得移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)角命令φ(單位：度)，然后直接將速度命令和轉(zhuǎn)角命令發(fā)送給移動(dòng)機(jī)器人。
2 遠(yuǎn)程通信方式及實(shí)現(xiàn)
在遙操作者和移動(dòng)機(jī)器人之間的信息傳輸既可以采用專用的通訊設(shè)備[61，也可以借助公用通訊網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在，無線通信方式主要有802．11、Bluetooth和HomeRF等，無線局域網(wǎng)LAN802．11技術(shù)在性能、價(jià)格各方面均超過了Bluetooth、HomeRF等技術(shù)。由于Intranet的普及和移動(dòng)機(jī)器人工作方式的要求．在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，通信模塊采用了無線局域網(wǎng)的802．11b技術(shù)。其性能可滿足遙操作移動(dòng)機(jī)器人的通信要求，具有良好的通用性，方便通信網(wǎng)絡(luò)接口的編程實(shí)現(xiàn)。
IEEE 802．11是由IEEE最初制訂的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)系列。是現(xiàn)在使用的最多的無線傳輸協(xié)議，現(xiàn)在市場(chǎng)上的各種無線網(wǎng)卡大多都支持IEEE 802．1lb。任何局域網(wǎng)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)或協(xié)議(如互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議TCP／IP)都可以在符合802．11系列規(guī)范的WLAN上運(yùn)行，這也簡(jiǎn)化了編程實(shí)現(xiàn)，并且增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性和通用性。IEEE 802．1lb的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mbps．也可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱把傳輸率自動(dòng)調(diào)整為5．5Mbps、2Mbps和1Mbps帶寬。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人采集CIF格式(352x288)大小的圖像時(shí)，采用JPEG壓縮，帶寬可以滿足視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?每秒傳輸?shù)膱D像超過10幀)。在無線直線傳播傳輸范圍為室外最大300n1．室內(nèi)有障礙的情況下最大100m。
無線網(wǎng)絡(luò)的基本配備包括無線網(wǎng)卡及AP(Access Point)。AP就如一般有線網(wǎng)絡(luò)的Hub，可以快速且輕易地與已有的Intranet相連，而且可以實(shí)現(xiàn)無縫漫游。利用已有的有線網(wǎng)絡(luò)，在所需要的位置安放足夠的AP，可以在一個(gè)很大的范圍內(nèi)遙操作控制移動(dòng)機(jī)器人，如圖4所示。另外，遙操作計(jì)算機(jī)、AP、移動(dòng)機(jī)器人可以獨(dú)立組網(wǎng)，適合任何地面平坦，移動(dòng)機(jī)器人能運(yùn)動(dòng)的環(huán)境，如圖5所示。
圖4借助Interanet的通訊連接
圖5獨(dú)立的通訊連接
3 人機(jī)合作控制
移動(dòng)機(jī)器人具有多個(gè)子系統(tǒng)，且子系統(tǒng)位于不同的層次上，對(duì)于各個(gè)層次有著不同的控制要求，解決方案有分層的控制方法，基于控制信息融合的方法剛。
在遙操作移動(dòng)機(jī)器人中，移動(dòng)機(jī)器人工作在遙操作者的控制之下，即要使移動(dòng)機(jī)器人準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)遙操作者的意圖，又要求移動(dòng)機(jī)器人具有一定的智能，能適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境和處理突發(fā)事件。為了更好地協(xié)調(diào)遙操作者所發(fā)出的控制命令和移動(dòng)機(jī)器人自身基于環(huán)境信息的自主行為，提出了一種如圖6所示的人機(jī)合作控制方法。
圖6人機(jī)合作控制
針對(duì)不同層次上的各子系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，每個(gè)控制器的輸出都為直接控制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度指令和轉(zhuǎn)角指令。一共設(shè)計(jì)了如下四個(gè)控制器：直接控制器，朝目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制器．視覺導(dǎo)航控制器和紅外避障控制器。
(1)直接控制器接收遙操作者下達(dá)給移動(dòng)機(jī)器人的速度命令和轉(zhuǎn)角命令，以及是否對(duì)移動(dòng)機(jī)器人實(shí)施強(qiáng)行控制，如處于強(qiáng)行控制模式時(shí)。其他控制器的輸出將不起作用；
(2)朝目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制器接收到移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)后，結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)時(shí)的速度和位置，求出機(jī)器人應(yīng)該執(zhí)行的速度和轉(zhuǎn)角：
(3)視覺導(dǎo)航控制器則利用視頻信息處理模塊的輸出，獲知當(dāng)時(shí)的環(huán)境信息，如果滿足視覺導(dǎo)航的規(guī)則，則輸出控制命令：
(4)紅外避障控制器根據(jù)所收到的紅外信息，實(shí)施最優(yōu)的避障措施，發(fā)出對(duì)機(jī)器人的控制命令。
在上述四個(gè)控制器層次之上的合作控制器依據(jù)事先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)和各個(gè)控制器的輸出對(duì)操作者意圖和環(huán)境的匹配程度，選用相應(yīng)控制器的輸出作為整個(gè)控制系統(tǒng)的輸出，并輸出到運(yùn)動(dòng)控制器。
4 具體實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)
本文所用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為自行研制開發(fā)的機(jī)器人AIM(Advanced Intelligent Mobile Robot)．如圖7所示。該移動(dòng)機(jī)器人采用雙輪差速驅(qū)動(dòng)，前面有一無動(dòng)力導(dǎo)向輪。移動(dòng)機(jī)器人本體寬40cm，高49cm，最大長(zhǎng)度40.5cm，裝有一個(gè)彩色CCD攝像機(jī)和9個(gè)紅外傳感器。配有無線網(wǎng)卡，通過AP和遙控端相連。在軟件上采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，視頻信息的采集、壓縮、解壓縮都各自封裝成類，并開辟獨(dú)立的線程；移動(dòng)機(jī)器人的控制、網(wǎng)絡(luò)通訊和傳感器信息的處理。分別用不同的類實(shí)現(xiàn)。
圖7移動(dòng)機(jī)器人AIM
在圖8所示的展示大廳中，A處遙操作控制計(jì)算機(jī)、B處的AP和移動(dòng)機(jī)器人C組成獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一個(gè)未經(jīng)過訓(xùn)練的操作人員(參觀者)在A處可以用游戲桿順利地操作機(jī)器人繞場(chǎng)巡游一圈。
圖8試驗(yàn)1
在圖9所示的辦公室環(huán)境中，整個(gè)樓道長(zhǎng)約80m，寬2m，所進(jìn)出房間門的寬度為0.85m遙操作者在A處可以用鍵盤控制的方式，或鼠標(biāo)控制的方式，或操縱手柄控制的方式控制移動(dòng)機(jī)器人B到達(dá)C處并返回到A處。
圖9試驗(yàn)2
5 結(jié)論
本文主要從人機(jī)界面，主從端通訊，移動(dòng)機(jī)器人的控制方面討論了移動(dòng)機(jī)器人的遙操作控制，提出了一種人機(jī)合作控制的遙操作機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)方法，通過人機(jī)合作將環(huán)境感知、任務(wù)規(guī)劃、命令執(zhí)行實(shí)時(shí)地結(jié)合起來。所設(shè)計(jì)的遙操作移動(dòng)機(jī)器人具有開放的結(jié)構(gòu)，人機(jī)界面內(nèi)容豐富，操作方便，且主從端的通訊組網(wǎng)簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)證明此遙操作機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)可靠、控制靈活．能夠在危險(xiǎn)環(huán)境下遙控作業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮作用。
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本文標(biāo)題：具有友好人機(jī)界面遙操作移動(dòng)機(jī)器人的合作控制
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