基于Intrnet的非完整移动机器人遥操作控制

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.64MB 75 页 15积分
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摘要
移动机器人在工业制造、国防以及服务行业具有广阔的应用前景。由于环境
感知、自主定位与导航等技术瓶颈的存在，完全自主的移动机器人在目前还难以
走向实用。采用人机交互的遥操作控制，能有效地解决上述问题。近年来随着轮
式移动机器人在各个领域的广泛应用，机器人的遥操作成为当今机器人研究的热
门课题之一。遥操作机器人（Telerobot）是指在人的操作下能在人难以接近或对人
有害的环境中，完成比较复杂操作的一种远距离操作系统。简而言之，机器人遥
操作系统是典型的人机一体化系统。
本文提出的遥操作系统是基于 Internet 的对远端移动机器人进行实时控制的系
统。它在信息层次上将远端的移动机器人与操作者联系在一起。通过采集移动机
器人上视频、声纳、红外等传感器数据，并对其中的视频数据进行编码压缩以适
应网络传输，然后将这些信息实时地传到客户端。客户端根据这些数据的反馈，
对远端移动机器人下达指令。移动机器人根据所收到的控制指令完成相应的运动。
本系统主要由三大部分组成，远程控制端（客户机端）、Internet、移动机器人（服
务器端）。在此系统中，实现操作者对移动机器人监视、控制的功能模块是客户端
上的人机界面。该界面内容丰富、操作直观，对整个系统的性能至关重要。操作
者主要是通过它实现和服务器端的数据传递与指令发送。
本文中遥操作系统的移动机器人为本课题小组自主研发的非完整移动机器
人，主要是以实验教学为目的，通过手动遥操作实验、在线算法动态加载实验和
网络传输延迟实验，证明此遥操作系统可以实现通过 Internet 对远端的移动机器人
进行实时控制，达到理想的效果。
关键词：遥操作 非完整系统 互联网 移动机器人 视频压缩
ABSTRACT
Mobile robots are used widely in manufacture, national defense and service
industries. Without the new technologies of perception of environment, self-dependent
location and navigation, it is hard for the intelligent autonomous mobile robots to act in
the real world. Applying the teleoperation to mobile robots is a good method to improve
the performance of the mobile robots. In recent years, with the application of the mobile
robots in different regions, the study of teleoperation is becoming one of the most
absorbing problems in robot research. Telerobot means a remote teleoperate control
system that the robot can move in the environment that is harmful to human being or
people can’t approach to, and accomplish series of complicated operation under the
control by operator in remote area. In short, teleoperation system is a typical
man-machine system.
The paper presents a real-time teleoperation system of controlling long-distance
mobile robots based on Internet. Such a system can be used to combine mobile robots
with operator. The date collected from video, sonar and infrared devices on robot can be
compressed to adapt to network transmission and transmitted into the client in real-time.
According to the feedback date, the operator sends command to mobile robot through
Internet. Then, the mobile robot will perform the movement according to the command.
The system is composed of three parts: remote control terminal (client), Internet, and
mobile robot (server). In this system, the operator can supervise and control the mobile
robot on the base of the man-machine interface in client. The man-machine interface
has the characters of various functions and intuitionistic operation and is very important
to the total capability of the teleoperation system. The operator can transmit data and
send the command to mobile robot through it.
In this teleoperation system, the mobile robot is made by ourselves and used for
experiment and teaching. According to manual operation experiments, dynamical
algorithm loaded experiments and Internet time delay experiments, they show that the
teleoperation system can realize real-time remote control, and the desired results were
achieved.
Key Word: teleoperate, nonholonomic system, Internet, mobile robot,
video frequency compress
1
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.................................................................................................................1
§1.1 移动机器人的发展现状...................................................................................1
§1.2 基于 Internet 的机器人遥操作控制技术........................................................ 2
§1.3 基于 Internet 的机器人发展现状.................................................................... 3
§1.4 课题来源和研究内容.......................................................................................4
第二章 非完整移动机器人模型及实验平台.................................................................5
§2.1 移动机器人基本概念.......................................................................................5
§2.2 非完整移动机器人运动学模型.......................................................................7
§2.2.1 非完整移动机器人运动学模型.............................................................7
§2.2.2 非完整移动机器人动力学模型.............................................................8
§2.3 非完整移动机器人实验平台介绍...................................................................8
§2.3.1 移动机器人平台概述.............................................................................8
§2.3.2 移动机器人平台配置.............................................................................8
§2.3.3 移动机器人组成结构...........................................................................10
§2.4 传感器模块.....................................................................................................11
§2.5 本章小结.........................................................................................................12
第三章 服务器端软件实现...........................................................................................13
§3.1 系统软件框架.................................................................................................13
§3.2 多线程架构.....................................................................................................14
§3.3 视频采集和本地显示.....................................................................................16
§3.4 视频数据编解码.............................................................................................18
§3.4.1 H.263 视频编码标准.............................................................................18
§3.4.2 H.263 编译码器总体设计方案.............................................................19
§3.4.3 VFW 介绍..............................................................................................20
§3.4.4 视频压缩管理器...................................................................................21
§3.5 视频数据传输.................................................................................................22
§3.5.1 实时传输协议 RTP .............................................................................. 22
§3.5.2 实时传输控制协议 RTCP ....................................................................25
§3.5.3 RTP 实现............................................................................................... 26
§3.6 红外、声纳数据采集线程.............................................................................28
2
§3.6.1 声纳数据采集.......................................................................................28
§3.6.2 红外数据采集.......................................................................................28
§3.7 电机控制实现.................................................................................................28
§3.8 算法动态加载.................................................................................................29
§3.9 本章小结.........................................................................................................31
第四章 C\S 架构与客户端软件实现............................................................................32
§4.1 Socket 简介 ......................................................................................................32
§4.1.1 Socket 的发展 ........................................................................................32
§4.1.2 Socket 的属性 ........................................................................................33
§4.2 C/S 网络模型 ...................................................................................................34
§4.3 客户端操作.....................................................................................................36
§4.4 本章小结.........................................................................................................39
第五章 非完整移动机器人遥操作实验.......................................................................40
§5.1 问题描述.........................................................................................................40
§5.2 控制律实现.....................................................................................................42
§5.3 程序实现.........................................................................................................45
§5.4 实验数据.........................................................................................................48
§5.5 实验分析.........................................................................................................54
§5.6 网络传输时延实验.........................................................................................54
§5.6.1 网络传输时延的计算模型...................................................................55
§5.6.2 网络传输时延测试...............................................................................56
§5.6.3 测试实验数据分析与结论...................................................................57
§5.7 本章小结.........................................................................................................59
第六章 结论和展望.......................................................................................................61
参考文献.........................................................................................................................63
附录 1..............................................................................................................................67
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................72
致谢.................................................................................................................................73
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 移动机器人的发展现状
自1956 年第一台工业机器人诞生之日起，机器人制造业与机器人学的研究一
直是国内外极为重视的高技术领域，得到了迅速的发展。各式各样的机器人不仅
广泛应用于工业生产和制造部门，而且在深海探测、航空航天、军事作战等极具
危险性的特殊领域中获得了大量应用，并日益渗透到娱乐服务医疗等日常生活领
域。移动机器人作为机器人学中的一个重要分支，早在上世纪 60 年代，就已经开
始研究。斯坦福研究院(SRI)的NilsNlssen 和CharlesRosen 等人，在 1966 年至 1972
年中研制出了取名 Shakey[1]的自主移动机器人，其主要目标是研究复杂环境下机
器人系统的实时控制问题，涉及到任务规划、运动规划与导航、目标识别与定位、
机器视觉、多种传感器信息处理与融合以及系统集成等关键技术。上世纪 70 年代
末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。
特别是在上世纪 80 年代中后期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。如美国的
Hughes 人工智能中心于 1987 年首次进行了移动机器人越野实验[2]，Stanford 大学
的移动机器人能在立体制导系统引导下缓慢步行[3]，这些作为大学实验室及研究机
构的实验平台的移动机器人，促进了移动机器人学在多领域的发展。上世纪 90 年
代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器
人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究，
如由美国 NASA 资助研制的“丹蒂 II”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性
机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人，1994 年在斯泊火山的火山口
中进行了成功的演示。美国 NASA 研制的火星探测机器人索杰纳于 1997 年登上火
星。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样机的研制，命名为 Rocky7，
并在 Lavic 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。此外，在民用方面，
可移动机器人在国外已被广泛用于扫除、割草、室内传送、导言、导游、导购、
室内外清洗和保安巡逻等各个方面。
国内移动机器人的研究起步较晚。大多数研究目前尚处于某个单项研究阶段，
主要研究工作有：1994 年通过鉴定的清华大学智能移动机器人，涉及到基于地图
的全局路径规划、基于传感器信息的局部路径规划、路径规划的仿真、传感数据
信息融合等技术；哈尔滨工业大学研制的轮式智能服务机器人能无缆行走、自动
避障、识别语音并能与人对话、用于服务场合的导游导购等；哈尔滨工业大学研
制的壁面清洗爬壁机器人，可用于瓷砖及玻璃壁面清洗作业，实现了高层建筑清
基于 Internet 的非完整移动机器人遥操作控制
2
洗作业的自动化。
此外，还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和
服务机器人、中国科学院沈阳自动化研究所的自动导引车 AGV 和防爆机器人、中
国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统等。总之，
近年来移动式机器人的研究在国内得到了很大的重视，并且在很多方面都取得了
丰硕成果。
§1.2 基于 Internet 的机器人遥操作控制技术
早在本世纪60年代，国外就有一些专家学者开始致力于机器人远程控制的研
究。那时主要是为了星际探险，例如有时需要在地面上控制空间机械手完成一些
诸如修复空间站、回收卫星等任务。从90年代开始，机器人的研究出现了一些新
的局面，这就是机器人与其他学科和领域的交叉，特别是与计算机、通讯和网络
的交叉。这种交叉的发生将改变机器人研究的局面，基于Internet的机器人控制技
术正是计算机、网络通讯及分布式网络等先进技术与机器人控制技术相交汇的成
果，这一技术的深入发展将给机器人研究注入崭新的活力。
传统的机器人遥操作系统需要建立特殊的操作站，铺设专用线路，硬件设备
极其昂贵，所以其应用范围在一定程度上受到限制。现有的网络设施提供了价格
低廉的通信线路，作为系统框架，大大降低了遥操作系统的硬件成本。并且以
TCP/IP协议作为远程机器人控制系统的标准通信协议，它支持各种格式文件，包
括多媒体图像、视频等，因此可以构造出生动友好的操作界面。使基于web开发的
远程机器人控制系统软件具有良好的可移植性和互用性[4]。所以，基于Internet
的远程控制机器人系统受到了专家学者的广泛关注。
基于Internet的机器人遥操作技术己经成为目前众多领域的研究和工程技术人
员关注的热点。它综合了机器人控制、网络通讯、图像压缩和实时传输、虚拟现
实等多个领域的知识，近些年来在科学研究、工业生产、远程医疗、远程教育中
得到了快速发展和应用。开展基于Internet的机器人遥操作研究具有深远的意义，
具有十分广阔的应用前景，因此，在短短的几年间就得到了飞速的发展[5]。
遥操作系统能将人所在的主端命令和行为传到并作用在远端，实现对远端环
境的期望操作和控制，可极大地提高操作者的安全性和工作效率，减少成本，更
高效合理地利用人力资源，实现多方协调作业等，尤其是如今将互联网作为遥操
作系统的信号传输媒介，即网络遥操作系统，系统的低成本、高效率、易维护性、
可重构性等特点将更加明显[4]。基于Internet的遥操作机器人的实现不仅可以满足高
技术领域的发展，如空间探索（卫星的修理，空间站的维护，月球、火星等行星
第一章 绪论
3
的勘探）和海洋的开发（海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修理，海洋钻井平
台维护，海底考古等）以及原子能应用，而且可以广泛地应用于军事领域（战场、
防化、扫雷、救护等）和民用领域（远程医疗、远程教育、远程科学试验、娱乐
等）。
§1.3 基于 Internet 的机器人发展现状
西澳大利亚大学开发了一个机器人手臂遥操作系统，操作者通过 Internet 给手
臂发布命令，来挖掘和灌溉在它视野内的植物，随着机器人手臂完成一项项操作，
基于 Java 的界面就显示给操作者一幅幅场景的图片。
英国布拉德大学的“Robotic Telescope”，一个基于 WWW（World Wide Web 的
简称，译为万维网或全球网，是指在 Internet 网上以超文本为基础形成的信息网。
它为用户提供了一个可以轻松驾驭的图形化界面，用户通过它可以查阅 Internet 上
的信息资源。)的展示网上交互的机器人系统；英国曼彻斯特大学的“Forty Two”，
是一个基于 Internet 的移动机器人遥操作系统[6]；日本名古屋大学的一个基于
Internet 的遥操作系统提供远程参观访问[7]；加拿大的 Ryerson 科技大学的”Max”，
是一个基于无线网络的移动机器人的遥操作系统[8]。
随着研究的深入，科研人员越来越关注自主式移动机器人在结构化和非结构
化环境下的导航、避障等问题，这标志着第二代遥操作机器人系统开发的开始，
典型的代表是美国卡内基－梅隆大学的“Xavier”，Xavier 是世界上第一个基于
Internet 的自主式移动机器人。它接受操作者的命令，穿梭在办公室和教室之间，
一边行走，一边回传给操作者一些图片和场景[9]。Xavier 可以智能地处理一些本地
的运动规划，但还不能智能到接受像“运行到某某地点”类似的高级命令。
其它的移动机器人遥操作系统还有瑞士的“Khep-On-The-Web”，操作者控制的
是在迷宫中运行的一个小移动机器人。它可以使操作者在机器人本身视点视频和
外部视点视频之间切换，来监控机器人的运行和发布指令[10]。由德国波恩大学和
美国卡内基—梅隆大学合作的博物馆导游机器人采纳了前人一些成功的经验。由
基于 Web 界面控制的两个机器人，Rhino[11]和Minerva[12]，分别运行在位于波恩的
德国博物馆和位于美国华盛顿特区的 Smithsonian 国家历史博物馆，承担为游人导
引的作用。控制界面可以提供给操作者即时的与机器人交互的反馈信息，并同时
可以接受几个操作者的指令[12]。
遥操作加部分自主操作的控制方式对智能机器人从实验室走向实用也起着重
要作用，最好的例子就是美国 NASA 的空间机器人 Sojanor，其工作环境的非结构
化和不确定性，要求机器人不仅具有行走能力，而且还要具有对外界的感知能力
基于 Internet 的非完整移动机器人遥操作控制
4
和局部的自主规划能力。
我国虽然起步比较晚，但全国各个高校和科研机构已经开展了这方面的研究
工作，并取得了一定的成绩。中科院沈阳自动化研究所研制的主从异构的监控式
遥操作系统[13]；哈尔滨工业大学开发的空间机器人共享系统[14]；北京航空航天大
学的基于 Internet 的遥操作系统；南开大学的基于互联网主从式遥操作平台；上海
交通大学的基于 Web 的机器人遥操作系统[15]；国防科技大学的基于 VR 技术的监
控式大延时机器人系统[16]；华南理工大学的基于国际互联网的机器人实时跟踪系
统[17]等。并且自从 863 计划，将临场感遥操作机器人技术作为智能机器人主体的
关键技术开展研究以来，也取得了可喜的成果。
§1.4 课题来源和研究内容
本论文的研究内容源于国家自然科学基金(60474009)“基于视觉伺服反馈的非
完整系统镇定”、上海市教育委员会科研项目(F07zz90)和上海市曙光计划(05SG48)
“非完整运动学系统的鲁棒镇定”。
本论文的研究内容主要是基于 Internet 的非完整移动机器人遥操作控制。
根据移动机器人受到的约束条件的不同，移动机器人可分为完整约束和非完
整约束两种。本课题将以自主研发的非完整移动机器人为研究对象，通过 Internet
上的客户端与移动机器人间的通信，实时采集融合机器人多传感器数据，对机器
人实施遥操作控制。
作者完成的主要工作：
1、参与课题组自主开发符合非完整模型的移动机器人，查阅学习国内外移动
机器人遥操作的研究成果。
2、给出质心与几何中心不重合的非完整移动机器人运动学模型及其控制算
法，给出该非完整移动机器人航迹推算方法。
3、熟悉相应的网络协议及数据、无线通信技术，学习图像处理视频编解码相
关知识。
4、规划遥操作系统软件架构及实施方案。
5、以自主研发的非完整移动机器人为实验平台，独立编写机器人遥操作控制
系统软件，在该平台上实现对非完整移动机器人的遥操作控制并实现机器人控制
算法的动态在线加载。
摘要：

摘要移动机器人在工业制造、国防以及服务行业具有广阔的应用前景。由于环境感知、自主定位与导航等技术瓶颈的存在，完全自主的移动机器人在目前还难以走向实用。采用人机交互的遥操作控制，能有效地解决上述问题。近年来随着轮式移动机器人在各个领域的广泛应用，机器人的遥操作成为当今机器人研究的热门课题之一。遥操作机器人（Telerobot）是指在人的操作下能在人难以接近或对人有害的环境中，完成比较复杂操作的一种远距离操作系统。简而言之，机器人遥操作系统是典型的人机一体化系统。本文提出的遥操作系统是基于Internet的对远端移动机器人进行实时控制的系统。它在信息层次上将远端的移动机器人与操作者联系在一起。通过...

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