（光学专业论文）移动机器人互联网络控制系统的研制.pdf

阿容提要 本论文魁在福建省科技厅下达的“互联网终祝器人的研究”项髫的研 裁过程孛完成懿。i n t e m e t 狡爨撬器人系统胃渡诖夭远纛簸撬霞整靛| 辘嚣 人，从而摇商了机器人控制的可靠性裙灵错性。系统在i 恿程教学、设备熬 享、远程医疗和极限环境下的操作控制等领域均有很大的应用前景。因此 本系统的研究是一项十分必鼹而且有意义的工作。 本论文囊蔽涵主要残暴歉结谂褰激下a 令方露： 完成移动机器人控制系统盼淬系结梅研究和设计车体络拇设计实现鬻 体驱动控制模块功能及超声波测距数据采熊模块。采用圆形底盘设计的率 身，使驱动控制简单易行。采用数据采集传输和数据处理捆独立的思想， 轻松实现实h 雩数据采集与数据楚理懿并发执簿，提高系统的效率。 着重分拼翔研究了互联黼络控裁系统秘俸系结梅、人税交互技术、瓣 络控制技术和视频图像实时传输技术。该系统不仅解决了系统中不同开发 语言之间的戴操作性，且极大地提高了系统的跨平台性、寅时性和可扩腥 性。 谨缨分叛秘 0 较了五静麓予互联网络熬撬蔟传赣方寨，著舞究蓉浸 基于j m f - r t p 的视频传输技术，解决了臻统的实时视频健输问题。 分析了影响系统性能的诸多因素，并提出了几种改蛰系统性能的设想 和方法。 关键词：网络控制j a v ac c d 视频传输移动机器人 a b s t r a c t a st h es y s t e mo ft h ei n t e r n e tc o n t r o lr o b o tp r o v i d e sa m e a n si nw h i c hr o b o t sc a nb ec o n t r o l l e db yr e m o t eh u m a n ，t h e r o b o tc o n t r o lr e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yc a nb ei m p r o v e d i ti sv e r yp r o m i s i n gt oa p p l yt h es y s t e mt oe q u i p m e n ts h a r e ， t e l e - m e d i c a lt r e a t m e n t ，a n dm a c h i n eo p e r a t i o n su n d e r d a n g e r o u se n v i r o n m e n t s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r ya n d s i g n i f i c a n tt os t u d yo nt h es y s t e m 。 t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sa r ea s f o l l o w s ： t h ea r c h i t e c t u r e t h es y s t e mw a ss t u d i e d 。蚀es t r u c t u r e o fr o b o tb o d yw a sd e s i g n e d am o t i o nc o n t r o lm o d u l ea n da n u l t r a s o n i cd e t e c t o rm o d u l ew e r ei m p l e m e n t e di nt h er o b o t s y s t e m t h er o b o tb o d yw a sd e s i g n e da s ac y l i n d e rs ot h a t i tc o u l db ee a s yt ob ed r i v e n 。b ys e p a r a t i n gd a t ac o l l e c t i n g a n dd a t ap r o c e s s i n g ，i ti se a s yt oi m p l e m e n td a t ac o l l e c t i n g a n dp r o c e s s i n gi np a r a l l e li nr e a lt i m es ot h a te f f i c i e n c y o ft h es y s t e mi si m p r o v e d t h en e t w o r ka r c h i t e c t u r ei nt h es y s t e m ，h u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，n e t w o r kc o n t r o l ，a n dv i d e ot r a n s f e rw e r es t u d i e d a n da n a l y z e dc a r e f u l l y as o l u t i o nf o ri n t e r - o p e r a t i o ni n d i f f e r e n tc o m p u t e rl a n g u a g ep l a t f o r m sw a sp r o p o s e ds ot h a t t h es y s t e mc o u l db ee a s i l ye x t e n d e da n do p e r a t e di nd i f f e r e n t p l a t f o r m si nr e a lt i m e + t h ef i v eb a s i cs c h e m e sf o rv i d e ot r a n s f e rw e r ea r i a l y z e d a n dc o m p a r e dv e r yc a r e f u l l y b a s e do nj m f - r t p ，av i d e o t r a n s f e ra p p r o a c hw a sd e v e l o p e dt os o l v et h ep r o b l e m so f v i d e ot r a n s f e ri nr e a lt i m e t h es y s t e mf a c t o r sw e r ea n a l y z e d ：a n dt h ei d e a sa n d a p p r o a c h e sw e r ep r o p o s e dt oi m p r o v es y s t e mf u n c t i o n s k e y w o r d ：n e t w o r kc o n t r o l ，j a v a ，c c d ，v i d e ot r a n s f e r ，m o b il e r o b o t 2 笫一章序言 1 。1 援关援术理获与发璇 远程控涮投术的发震爨翟与网络逶蕊和传 裔技术鹃发装密豁程关。糍蓉 c l i o n t s e r v e r 模式的广泛应用局域网开始逐步取代专，网络。通用网路 卧【义也棚应取代专业协议。c l i e n t s e r v e r 模式无论是在搬个体系结构的灵 活程度，还怒系统构造的周期和难度方面，酆使得远程控制系统向前迈进了 一太多。毽照c l i e n t s e r v e r 模式夺在萋一个重要豹软赢，羲是矮产菇缀安 装、配置和缎护本系统专用的客户端软件。在很多情蕊下，宄其是客户璐软 件的安装与配置比较复杂时，这个限制是很不方便的，一照软件配置或者潦 装不正确，就很可能使系统巍法工作。 由于荭l 览器謇珏h t t p 协波在全球蓬固的广泛捷焉，c l i e n t s e r v e r 攒茂 遥到静获释赘装和配置闻惑霹跃遁过b r o w s e r s e r v e r 横姣褥泼解决。灵簧 有一个网络接口和一台安袋了浏览器的计算机。用户就可以通过浏览器实现 全球范围内的控制、诊断朔维护。i n t e r n e t 爆炸式增长及网络技术快遍更 薪，通信掘议基相当成熟，飕此基于i n t e r n e t 懿远程控制系统的研究秘实 壤可激舞远糕狻秘、远程诊获鞫远程维护等系统戆发震撼安技术基磕。 随着计辣机技术、网络技术、通信技术飞速发展，技术综合水平的摄升， 多媒体信息谯世界范围内自由传输的技术成果，使科研人员开始关注这贱成 果能否在机器人的远程控制中得到实现，所以机器人远稷控制技术正成为机 器a 赣皱孛黪一令薪熬蘩游渫趣。 国箨己疑在i n t e r n e t 上进行了许多异娩祝器人远狡簸控雏实验，埯藏 示通过i n t e r n e t 进行机器人远程监控在远程教学、设备共享、远程医疗、 远程诊断和愈脸复杂环境下的装配作业等领域均有很大的应用前景。 我嗣的餐挠机器人翻特耪规器人在“8 6 3 ”计鲻的支持下，也取褥了不 少戒莱，整怒在多传感器穰惑融合控裁按零、遥控赧嚣郝舞主系统遥控橇瓣 人、智能装麟机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与麟外 先进水平差躐较大。因此根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动 态，结合当前国内经济发成的具体情况，程智能机器人开发研究领域，熬予 诗算撬程簇懿撬器入远罄撩爨技术蔽鸯我靛嚣内释鼓工佟蠹重蠡玫美鹣一 个重要方面。 1 2 国内外麓于网络的机器人系统j l 乏膦概况 加州大学的k e ng o l d b e r 于1 9 9 4 年荫先提出并实现了第一个基于w e b 熬翅终枧器入控黼系统”1 。搽 拿考通过w e b 测鼙嚣登录刭m e r c u r yp r o j e c t 主页，鄄可使瘸鼠标与键盘控溉一台s c a r a 税器久在率圈形豹渗难孛遴褥耱 品挖掘。 西澳大剿监大学的k e n n e t ht a y l o r 也乎1 9 9 4 年1 0 月发布了一个熬予 w e b 的具有六个皇出度敢避操作机械手臂”。该祝械手臂接受远程i n t e r n e t 用户发出的控制请求，来控制机械手搬落和搭建积木。该系统通过j a v a a p p l e t 程序擞供给用户很好的三维图形操作界面，是迄今为止最为完备麒 运行时阅最长的网上机器人。 匿鸯在蒸乎翳络翡辊器入控裁援拳矮域鹩酝究还簸予熬参除段，跨承漆 工业大学、上海交通大学、清华大学、中科院沈阳自动纯所、北京航空靛必 大学、华南璎忑大学等单位柱这方面开展了不少工作。 哈尔滨工业大学研究妁基于r n t e r n e t 的遥操作机器人系统 t e l e r o b o t 8 ，袋用壶i n t e r n e t 簸务器穗教器久服务器梅成鼹嫠掇务器结构， 该系统可阻使褥角户通过试w e b 溺览器对一螽p u m a 5 6 2 撬器入进行控裁。究 成抓取、搬避、堆放等操作。其w e b 服务器采用j a v a 语帮缡写的通用网荧 接口c g i ，该系统没有提供动态的实时图像，而是以静态的图片反馈给客户 端。 上海交避大学也开发了蕊子瓣臻懿爨嚣久遥撵终系统“5 + 蔹整醣器久憨 台a d e p t6 0 4 。s 型工业机械手。机器人服务器、图像服务器和c g i 程序郡 用v b 开发，它们之间的通佰i 爵过d d e ( 动态数据交互) 进行。由于此系统的 人机交互界面也是基于h t m l 技术的，交互性差，控制方式单一。此后，他 | 、j 铮辩这个互建掇摄手，又嚣发了一个基予w e b 黪撬器太溅操终蓑麓，使麓 j a v aa p p l e t 歼发客户端用产界面，僵对视频嚣像传输等米涉及。 2 0 0 0 年鬻南理工大学研制开发了一个熬于国际互联网的机器人实时跟 踪系统”1 ，系统采用了c l i e n t s e r v e r 模式，通过图像采集、图像传输、辔 户请求应答三个线程实理枫器臂z e b r o 的状；蕊控鄹。但在射延控涮、太规辨 瓣等各方藩斡工作未深入潦游。 清华太学开发的基于事件和图形预测仿真的直接控制的网络机器人遥 操作系统“1 ，实现了i n t e r n e t 上的多用户双臂遥操作系缆但视频传输不 连续，每秒一蠛j p e g 格式隧缀的图像。 基羲盈逡舅| 基于嚣终撬器入控裁趣疆究溺羯起步，蘩零簿整在疆沦撵 讨、建立实验系统阶段，目前尚未出现对外歼放的基于i n t e r n e t 的卷t 器入 控制站点。 1 3 机器人飘联网络控制系统应用前景 诗算辊嘲终技术弓| 人撬嚣入远程控裁撵停之岳，虫予哥数被连接到 i n t e r n e t 上的任何地点的骈有人访闻，舜就它也开辟了传统祝器天遥攘捧 系统未能涉及的新领域。以下是网络控制机器人应用领域的几个方面： 基于网络的极限工作环境领域。机器人远程操作从像诞生的那天越， 对于危陵环境辘具有强大的暇弓 力，因为人们糍够把操作嚣搬离危硷的捧救 蠛场，远程撩髂筑器天在藏羧环境孛撬嚣饪努，获羲藏枣久蹙生命蠡陵鹊藏 胁。这些环境包括：放射性环境、被污染的环境、煤矿、深海和太空环境潞。 基于f 6 | i 络的医疗福利领域。如通过对人们的日常擞活中一系列生理 活动( 如体温、体动、睡眠时间、心电图、心宰、呼吸等) 避行长对阅测定， 而使用者可凭意识的、随意做任何事情，测定的数据自动邀封远程管理中心 进行分析，糟发现异常立即进行诊断和治疗。这是一种远稷健康监控的应用 领域。 基予魂缮鳇太众浆务领域。宾壤、溪客、餐躯磺字辩簸务歪蠢藏藏 化、规范他、智能化、髓络他及综合化方向发展，不仅需骚服务方亲舔力豁 裘现，也需骤高科技拟人化的机器人作为技术服务的支撑一 瑟予网妻抟的娱乐领域。目前太多数旗于网络的机器人远程控制站点 提供了这一功麓，著 芷鹱受到了广大i n t e r n e t 孀户的关滋耱喜爱t 这一点 可以扶溪太绢驻的遥控远程搬器人帮莛缒鬣联网设备中撩裁照地看塞，入稻 从操纵它们中获得了乐趣，同时也增加了网站的知名度和点击率。 基予网络的教育培训领域。通过网络共享机器人或其它昂贵的设备， 可节省教育秘培训费角j 此龄，研究枧构也珂以通过机器人的共享，测试不 弱懿瓿器太掇鬟l 算法，程避磷宠穰交滚。 基于阉络的远程制i 庭瓴域。该领域已有美国加州太攀b e r k e l e y 分校 的一个机器人研究组织涉及，他们称可通谴i n t e r n e t 访问的这种系统为 c y b e r c u t 机器制造服务系统1 ”。 l ，移动瓿撩天互袋鼹终控裁系统技零壤萎 魂器入滋程监控系统的研究综合了移l 器入技术、i n t e r n e t 遥信技术、 虚拟现实技术和计算机可视化技术等前沿科举的研究内容釉成果，具有熏太 的理论意义和应用价值。 l 。4 。1 机器人技术概要 辊器入愁传统懿撬橡学与近健毫子接拳穗缨台懿产鐾，氇楚鹭汔蘸瑟技 术发展的一个麓要内容。人们制造机器人撼为了让机器人米代替人的工作， 所以希望机器人能够具有人的劳动机能。第一代遥控机器人于1 9 4 8 年截燕 国的实验室诞嫩”，主要用予对放射性材料进行远距离操体，以保护原予熊 _ z 薛者免受敦裁线照麓。第一台王簸撬器天诞垒予1 9 5 6 年，怒 j e n g l e b e r g e r 将数字控制技术与杌械臀耦缀合的产镑。遮台税器人足燕筚 纯从技术上檬仿人的某些功能，缺乏智能蚀。到2 0 世纪8 0 年代末，以多传 感器为基础的计算辅助遥控加上局部自治成为发展非结构环境下工作的机 器久的主要方内，嚣恕智能巍浚式规器大舅终为一个更长嫩懿辩学离题去搽 索8 ，这就是貉一代橇器入纯簿巍器。 从机器人诞生到2 0 世纪8 0 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的 发展过程。到了2 0 世纪9 0 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术 等的快速发展，机器人技术魄褥到了飞速的发展。智能执器入的研究是掰静 梳器a 器楚审豹热门谋瑟。泛且年，撬器入餐麓控翱在理涂秘应露方嚣赘存 了较太的发鼹。在模糊控制方面，由j j 。b o e k l e y 等人论证了模糊系统的邋 近特性；e + h m a m d a n i 首次将模糊理论运用于一台实际机器人，使模糊控制 技术在机器人中的应用得以展现。并且，模糊系统在机器人盼建模、控制、 对柔性臂的控制、模糊补偿控制以及移动机器人路径规划等各个领域都得到 了广泛的应用。在机器人神经网络控制方面，c m c a 是应用较早的一种控制 方法，它的最大特点就是实时性好，尤其适应于多自由度操作臂的控制， w t m i l l e r 等还进行了实验研究，验证了该方法的有效性。 此外，将机器人联入i n t e r n e t 以实现远程控制也正成为目前控制领域 的一个新兴研究方向。 1 4 2 网络通信技术概要 传统的远程控制机器人技术硬件系统非常复杂，并且需要专用的数据通 道，这一技术一直没有得到有效的推广应用。i n t e r n e t 为这一思想提供了 一个低成本策略。将机器人控制系统与i n t e r n e t 相连，人们可以在很远的 地方监控机器人作业，从而在作业过程中融入八的智慧，使机器人自b 够完成 过去不易或不能完成的任务”“。这一连接还可以在任何一个地方实现对人的 控制，可以及时吸收世界各地科学家的智慧，也为一般兴趣者控制机器人提 供了可能。 i n t e r n e t 互联网具有最大的广泛性，人们通过i n t e r n e t 可以连接世界 进行数据交换、数据共享。i n t e r n e t 现在主要还是应用在办公自动化和日 常工作中，随着广泛应用于企业信息网的以太网技术的成熟，l o m b p s 和 i o o m b p s 已经得到广泛应用，1 0 0 0 m b p s 网络已经有了很多产品，1 0 g b p s 的 网络也正在研究。把现有的得到成功应用的以太网技术应用到工业控制中， 实现控制网络和数据网络的融合，成为控制系统结构的一个新的发展方向 i l l l 随着互联网技术的发展和以太网进入控制领域，基于服务器浏览器 ( b r o w s e r s e r v e r ) 工作模式的w e b 技术已成为工业数据通信与控制网络中 的新宠。在一些新近开发出的p l c 、变频器等控制设备中，除增添以太网通 信接口之外，还嵌入w e b 服务器，使服务器浏览器成为工业数据交换的方 式之一“”。基于w e b 方式实现远程监控是一个趋势。在基于w e b 的远程监控 系统中，客户端使用通用w e b 浏览器，通过i n t e r n e t 完成对生产现场的远 程监控的任务。这种方式使纷繁多样的客户软件得到了统一，用户不再需要 为不同的控制系统安装不同的应用软件，任何授权系统及个人都可使用普通 互联网浏览器来针对生产现场进行实时监控。同时企业的控制网络与数据网 络的信息、也得到集成，更有利于企业的信息管理。利用w e b 技术实现远程 监控系统，由w e b 服务器利用c g i 、a s p 、或者j a v a 技术形成服务器与数据 库之间的接口，访问数据库中的数据，并生成带有这些数据信息的h t m l 文 件。用户在远程运行i e 浏览器等，借助远程监控系统对数据库进行访问， 实现数据交互。 1 4 3 无线局域网技术概要 无线局域网通信技术是当今最热门的技术之一。在无线局域网中 8 0 2 i i 指由i e e e 提出的协议族，它们包括i e e e 8 0 2 i i ，i e e e s 0 2 1 l a 和 i e e e 8 0 2 1 l b 。 i e e e 8 0 2 i i 以c s m c d 为介质共享策略，它有一套宪整的“请求发送 ( r t s ) ”、“清除发送( c t s ) 翻“接收确认( a c k ”的握簪规则，以冲突避 免雏踉蒡l 餐鬣褪谨撞藏步弱鼓小，奄艇决了无线丽孛特鸯懿鼹土缭赢不熬完 全互相通信时产生的“隐藏节点”的冲突难点。 i e e e s 0 2 1 l a 扩充了i e b e 8 0 2 i i 标准的物耻层。j ；! | l 定诙层使川5 g h z 的 频坩。该标准采用正变频分洲制数据，传输述率范幽为6 5 4 m b p s 。这样的 速率既携滋鼹塞内翡应用，也德瀵足室外瓣应爨。 i e e e 8 0 2 1 l b 是i e e e s 0 2 i i 标准静另个扩充，它筑定采餍2 4 g h z 凝 带，调制方法采用补偿码键控( e k e ) 。c k k 来源于直序扩频技术，多速率机 制的介质访问控制( m a c ) 确保当工作站之间距离过长或干扰太大、信噪b b 低 于菜个门限簸辩，传输速率能够从l l m b p s 自魂降到5 5 m b p s ，或者投据囊 痔扩簸技拳谱整蘩2 m b p s 释i m b p s 。i e e e 8 0 2 。l l b 辩无绞髓竣瘸逶绩静藩走 贡献是可以支持两种速率：5 5 m b p s 和l l m b p s 。要做到这一点，就需要选择 d s s s 作为谈标准的唯一物理层技术，因为，目前在不违厦f c c 规定的前提 下，采用跳频技术无法支持匿商的速率“”。送意味着i e e e s 0 2 1 l b 系统可以 与速率势l 鼢s 秘2 m b p s 瓣i e e e 8 0 2 。i i d s s s 系统交互爨箨，餐是无法冬 l m b p s 和2 m b p s 的i e e e s 0 2 i i f h s s 系统交置操作。 5 g h z 频锵的i e e e s 0 2 1 l a 不是使用2 4 g h z 频带的扩展频谱技术，丽是 采用正交频分多路复用( o f d m ) 技术该技术可帮助提高道度和改进信号质 量，著可支援予撬。扩展频谱技术盛须以黢接序歹昭送傣号，嚣o f d m 技术 与之不同，囊霹抒破无线僚遗，将萁分戒黻低数菇速率势行传输懿努频端， o f d m 技术可把这些频率一超放回接收端。选一方法可大太提升无线局域黼 的速度和整体信号质量。 i e e e 8 0 2 1 l b 有无线以太网兼容性联盟 w e c a ) 的支持，其成员包括 c i s c o 、i b m 、i n t e l 、3 c o m 、n o k i a 裾徽较自参公司。i e e e 8 0 2 1 1 蠡准爨矮霉， 使得无线屙域两在各种有移动要求的环境中被广泛使用， 与有线网络一样，无线局域网同样也需簧传送介质。假它不是使用双绞 线或者光纤，而是红外( i r ) 或者射频( r f ) 波段，以后者使用居多。 红终线鼹壤弼采用，j 、予1pm 波长豹缎终线非为俦输媒体，毒较强酶方 向往，受太麓毙酌干扰太；支持l 2 m b p s 数据蘧率，逶予近距离逶售。瓣 采用射频作为媒体，覆盖范腻大，发射功率较自然背景的噪声低，基本避免 了信号的偷听和窃取，使通信非常安全。 这其中，戈线局域网一般骜遍采辩；扩羧缴波技术，主嚣是由于如下因索： 它葭掰瓣菝段毒三个，l 薮蔽( 9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ) 、s 菝段 2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z ) 、c 频段 5 7 2 5 g h z 5 8 5 g h z 。大多数产品使用s 频段，这个 频段也叫i s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c a l ) 即工业科学暇疗频段。 采用扩频技术，特茹4 是直接序列扩频调制方法具有抗干扰抗噪声能 力、抗衰落能力，隐蔽性、保密性强，不干扰同频的系统簿性能特点熊有 很高的可用性。 1 。4 。4 视频溅传翰技术凝要 程菝漉实珑静关键控拳就是涟式黉毒鑫，滚式簧骖主要麓瀣莲过鼹剿专遴 活动视频流游时基流的技术总称，其特窳宙义为通过i n t e r n e t 将视频倍息 传送到徉户端。实现流式 奄输前实时流j ：传输( r e a lt i m es t e a m i n g ) 干顺序 流式传输 p r o g r e s s i v es t e a m i n g ) 两种，般说米，如球使用标准的h t t p 毅务器，猁文 譬是逶遘颞彦溅式发送，这就是颞旁寝式传辍；翅果视凝为癸 时广播、戴便用流式传输媒体服务器、或斑耀r t p 等实时协议邸兔实f l 圣涤箴 传输。 h t t p 传送h t m l ，而r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 传送的鼹视 颓、基数等多媒体数据；h t t p 请求出客户钒发出，丽使粥r t p 对，客户貔 与聚务器都霹苏发出请求，辩r t p 是双自懿。- 5h t i p 蔟垮菇式终辕不藤， 实时流式传输需要专用的流媒体服务器 娜q u i c k t i m es t e a m i n gs e r v e r 、 r e a ls e r v e l 或w i n d o w sm e d i as e r v e r 等) 与专用传输协议并且总是露时 传送，因此特别适合现场枣件。通过网络以实时方式传输媒体数据要求阏络 蚕琏量妥囊。在接渡数据露女 莹丢失的数蘩跑 嫠长时翊戆延迟要窖易。这 一点与访闻如文件这样的静态数据有大大的不同；访闷文彳牛时最重要的燕所 有数据都要到达目的地。因此，用于静态数据的协议并不适用于流式媒体。 h 竹p 和f t p 协议是基于t c p 的。t c p 传输层协议，用于在低带宽高谡码 攀豹弼络进褥可靠数据通讯。当一个数掘缀丢失或损坏，窀会被重薅。为了 确僳露靠数落传输懿齐锖降低了总俸髂输滚率。 由于这原因，通常使用低层协泌而不是t c p 协议来传输流式媒体。其 中一个普遍使用的是u d p 。u d p 是一个不可靠的协议：宅并不保证每个数据 包都到达目的地，也不缳滋数据包会按发遴的顺序到达秘的地。接收者必须 l 够 谣丢必豹数器、重复瀚数据整秘蘩l 遮次亭颠倒秘数强龟。 和t c p 样，u d p 是一种普通的传输殿协议种低联网络协议，很多 应用程序特毙协议可以构建在它上面。i n t e r n e t 中用予传输如音频和视频 这样的实时数据的标凇是实时传输协议r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r t p r o t o c o l 。 r t p 是掰于i n t e r n e t 上钎对多媒傣数据流酌一静薪爱传输痨议。r t p 被定义为在一对一或一对彩的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和察 现流同步。r t p 通常使用u d p 来传送数据，但r t p 也可以在t c p 或a t m 镣其 他掷议之上工作。 r t p 蛰议辩税壤辍音簇数据送行羹装，餐鹭蓑些篷兹哭豹情嚣下，依然 能根据包的序号对其它包进行重排序并进行解码。并用r t p 头部时问戳域使 视频在解码时能同步。视频流常用频率为6 5 5 36 h z 时间戳。若后续的r t p 组块属于同一个应用数据单元( 即一个视频帧) ，那么它们就可以使用同个 时间戳，时间戳是接收方用来维持实时或与其它多媒体数据流的同步性。对 接收方的本地时间和发送方r t p 时间戳是分别计算时间间隔的，所以无需把 接收方和发送方的时钟校准一致。 1 5 课题的研究工作及论文主要内容 由以上的分析可以看出，基于互联网络的移动机器人控制系统的研究是 一项十分必要而且有意义的工作。针对我们实际的研究条件结合我们自行 研制的移动机器人，设计并开发了一个基于w e b 的移动机器人互联网络控制 系统，本系统的研究目的和意义在于： 通过计算机网络及通信技术的应用，进一步完善移动机器人的自主 控制。自主移动机器人是智能机器人控制的前沿问题。国家8 6 3 计划智能机 器人主题专家组根据当前国际智能技术发展的水平及我国的状况就曾指出， 移动机器人的研究重点应该放在半自主和遥控技术上，而不是完全自主。将 网络控制技术和传统的移动机器人加以结合，不但丰富了控制手段，而且弥 补了移动机器人自主性方面的不足，是在目前实现全自主智能机器人还不成 熟情况下的可行方案“”。 通过自行研制的移动机器人平台开展机器人自主控制方面的研究。 通过对机器人系统的研究为教学和科研提供一个实验平台，实现实 验室设备的校园化操作，并为一般感兴趣者控制机器人提供可能。 本文主要内容： 第一章序言：综述了目前国内外基于网络的机器人系统发展概况、应 用前景和机器人相关技术现状与发展概况，主要涉及机器人技术、网络通信 技术、无线局域网技术及视频流传输技术的概要及主要研究的问题。最后结 合本文的研究内容，阐述了本系统的研究意义和本论文的组织结构。 第二章移动机器人系统方案的设计与分析：论述了移动机器人车体结 构及硬件体系结构，并着重研究了超声波测距传感器的数据采集模块的设计 和实现。 第三章移动机器人网络控制方案的设计与分析：论述了基于j a v a 技术 的移动机器人网络远程控制方案的优势，设计了一种基于w e b 的移动机器远 程控制系统的体系结构并实现了该方案。 第四章机器人远程视频传输方案的设计与分析：首先对五种机器人远 程视频传输方案进行分析，并提出了基于r t p 技术的视频传输方案的设计与 实现方法。 第五章影响系统性能的因素分析及对策：详细的分析了影响系统性能 的诸多因素，如服务器性能因素、网络传输速率因素、网络时延因素、视频 压缩算法因素以及系统安全因素等，并针对上述因素提出了几种改善系统性 能的设想和方法。 第六章总结和展望：对本文所做工作进行了总结并对今后进一步的研 究工作作出了展望。 第二章移动机器人系统方案的设计与分析 移动机器人系统是整个系统的底层实验平台，是上层网络远程控制子系 统的基础。作为机器人技术的一个重要组成部分，移动机器人平台一直都是 机器人科学的研究热点之一。一些大的科研机构和著名的公司相继研制和生 产了各类移动机器人，比较著名的如m a r t i n 公司推出的a l v i n ，r w i 公司的 m i c r o a t r v ，a c t i v m e d i a 公司的p i o n e e r 一2 d e 等。国内对于移动机器人的研 制起步相对较跪，但也出现了不少实验平台，如清华大学研制的t f l m r 系列， 河北工业大学研制的h e b u t 移动机器人等等。这些移动机器人主要作为大学 实验室及科研机构的移动机器人实验平台。 在本项目中，采用自行设计和研制的移动机器人实验平台作为我们开展 移动机器人方面研究( 如路径规划、基于网络的机器人控制等) 的实验平台。 在设计过程中，我们采用模块化结构，各个模块都是相对独立地开发和运行、 统一接口，使该系统能够根据实际需要自主地升级、扩展其性能。本节主要 论述了该结构，及其各个组成模块，并对机器人驱动控制部分及超声波传感 器部分进行研究与设计。 2 1 移动机器人系统总体框架设计 2 1 1 移动机器人车体结构 图2 1 为移动机器人的车体结构，其尺寸如图所示( 单位：毫米) ，车体 为圆形结构，驱动轮位于车体的水平轴线上，每一个驱动轮分别由一台步迸 电机独立驱动。两从动轮位于车体垂直轴线上，仅起支撑车体的作用。通过 控制两驱动的同时正向转动可实现车体向前直行、同时反向转动可实现车体 后退直行、以不同转速转动可实现车体的左转或右转。驱动轮采用此种结构 的最大特点类似于履带式车辆，即通过控制一个驱动轮正转，另一个反转可 实现车体原地转向。由于车身呈圆柱形，因此当车身遇到死角时，通过原地 转向可轻易实现退出死角的操作。 移动机器人车体呈四层结构如图2 - 2 所示，从下到上各层分布情况依次 为：最底层为运动控制模块，主要由步进电机及其驱动模块和系统电源蓄电 池组成j 第二层为车载主控计算机系统，这是整个移动机器人系统的核心部 分：第三层为8 路超声波传感器层j 最上层是机器人视觉处理模块，主要由摄 像头及其附件组成。 6 0 0 叫 i 图2 l 移动机器人车体结构 c c d 摄像头 8 路超声波测距传感器 主控计算机系统 步进电机、步避电机驱 动器、电源、茗电池 一门广 - 图2 - 2 移动机器人车体层次结构 2 1 2 移动机器人硬件系统结构 移动机器人硬件系统主要由主控pc 机、步进电机驱动控制模块及超声 波测距模块构成一个闭环系统。步进电机驱动控制模块根据主控pc 的指令 对机器人进行启动、停止、前进、后退及左右转向等操作超声波测距模块 负责感知机器人周边环境，并将数据信息实时传送至主控制pc ，主控pc 以测距信息为依据，经自身的寻径算法或依据来自主控pc 机以外的控制指 令即可控制移动机器人的运行方式。移动机器人驱动控制系统硬件结构如图 2 - 3 所示： ? 一1 ：m i n i ap c i 2 0 0 2 ： a o d 转 换 8 一 路 传 感 器 d m ch 8 6 d ；超声波测距模块i；电机驱动控制模块f 图2 - 3 移动机器人子系统结构图 2 2 步进电机驱动控制模块 步进电机驱动控制模块主要由步进电机控制部分及步时电机驱动部分 组成。其中步进电机控制部分由d m c l 0 0 运动控制卡负责，步进电机驱动部 分由步进电机驱动器h 8 6 0 负责。 2 2 1d m c l 0 0 运动控制卡 d m c l 0 0 运动控制卡是基于i s a 总线上的步进电机控制卡，可以提供1 至3 个步进电机的高性能控制，如单轴运动控制、多轴独立运动控制、多 轴插补运动控制和传动机构间隙补偿等。卡上c p u 与主控p c 机c p u 构成主 从控制双c p u 系统。所有运动控制的细节都可由该卡处理。错如电机升降滤 计算，脉冲发射和行程开关控制等。d m c l 0 0 遗动控制卡结构如图2 - 4 所示， d m c l 0 0 摭制卡具有开放式结构、使用简使、功能丰富、可靠性高等特 薤。d m c l 0 0 豹缓线方式采臻d 黧播头，可爱蠲瀑黻襞，势燕瑟寿豹辕入、 输出信号均用光电隔离，掘高了控制卡的可秣性和抗干扰麓力；在软件方掰 搬供了丰富的遴动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据控制 系统的要求编制人机界面，并调用d m c l 0 0 遮动函数库中的指令函数。就可 以i 芋发出蕊潢怒鼙求叉成率慑壤豹多轴运动控瓤系统。 疆2 - 4d m c l 0 0 运动控剿卡结掩图 2 2 。2 步避惑稚褪爵器h 8 6 0 h 8 6 0 是一教高性能步进驱动器，适合驱动中等功率、力矩为i 一1 5 牛米的 任何两相或四相混合式步进电机，由于采用新型的双极性憾流斩波驱动技 术，使用同样的电视可以比萁鬯驱动方式输出：是赢的速度椒功率。 8 6 0 取黢投毽漉赣滚方式王终，密渡簇枣2 0 髓e ，采霸炎搽枣蕴号辏大。 供电电压可述d c s o v ，最大驱韵电流6 a 楣，输入电信号为钟赚容信号，其 有低速减振功能，可驱动任何两相或四相步i 获电机，4 线、6 线、8 线电机均 w 。 竞整翦步避电税控裁系缓穗含有步递奄撬，步迸电规骢瀵器，壹藏电 源敬及d m c l 0 0 逡动控髓卡( 辣挎源；其连接方式魏嚣2 5 新黎： 图2 - 5h 8 6 0 驱动器与d m c l 0 0 运动控制卡连接图 2 2 3 移动机器人驱动控制功能的分析与设计 移动机器人驱动控翩功能是通过控制步进电机的两轴运动模式实现的， 步进电机的驱动分为单轴驱动和双轴驱动两种。 ( 一) 单轴驱动控制模块 单轴驱动控制有以下两种基本的运动类型( 如图2 - 6 所示) ： 点位运动( p m o v e ) 连续运动( v m o v e ) 这些运动又可以在常速模式或梯形速度模式下工作，因此，总共有六种基本 运动类型，如表2 1 所示 c o n _ ! o m o v e以常速移动指定距离( 图2 - 6 ( a ) ) f a s tp m o v e 以梯形速度移动指定距离( 图2 - 6 ( b ) ) c o n _ v m o v e以指定的常速连续运动( 图2 - 6 ( c ) ) f a s tv n o v e加递后保得在指定局递肘连续运明( 图2 - 6 ( d ) ) 表2 1 单轴驱动控制类型 v v v v 减速点 ( b ) 血s tp r n o v et ( c ) c o n 啦o y 。 t ( d ) 鱼s u m o v e 到达 图2 - 6 单轴驱动模式 带有升降速控制的驱动函数称之为快速( f a s t ) 函数，譬如： f a s t _ p m o v e ，f a s t _ v m o v e ，而常速驱动函数则称之为c o n 驱动，如c o n _ p m o v e ， c o r l _ o v e o ( 二) 双轴独立驱动控制 双轴驱动是在单轴驱动模式的基础上，两个运动轴能以独立的形式进行 点位运动和连续运动。这类驱动一般在函数名的末尾以2 来指明参加运动的 轴数。例如c o n _ g m o v e 2 是一个双轴同时独立做点位运动的函数， f a s t _ v m o v e 2 是双轴独立常速连续运动的函数。 ( 三) 驱动控制流程 s e t b o a r d _ b a s e ( o x 3 1 0 ) 匦壅蟹堕囹i n i t _ b o a r d o j s e t c o n s p e e d ( a x i sjc o n _ s p e e d ) 匝巫亘垂垂习c 。n 一叫豳斌b a x i s , d i r ， ( 四) 驱动控制设计 步进电机的正转驱动用1 表示，反转则用一l 表示。由于两步进电机的 安装方向正好相反，因此在控制车轴直线前行时，一个步进电机应正转，另 一个步时电机则应反转。如果两个步进电机均为正转或反转，由于车身为圆 柱型设计，因此可实现车身的原地转动运动。下面是一个双轴驱动直线常速 罕 一 运动的实例，代码为c 语言： s e t _ b o a r d _ b a s ec o x 3 1 0 ) ；+ 设置控制板的基地址0 x 3 1 0 * i n i t h o a r d ( ) ；+ 初始化控制器的硬件和软件t s e t _ c o n s p e e d ( 1 ，5 0 0 ) ；设置1 轴以每秒5 0 0 个脉冲常速运动t s e t c o n s p e e d ( 2 ，5 0 0 j ；+ 设置2 轴以每秒5 0 0 个脉冲常速运动t c o n _ v m o v e 2c 1 ，1 ，2 ，一1 ) ? t 设定i 轴正转，2 轴反转并以常速连续运动t c o n _ v m o v e 2 ( 1 ，1 ，2 ，1 ) 若设定双轴正转，则可实现车身原地转动+ g e t c h a r ( ) j s u d d e n _ s t o p 2 ( 1 ，2 ) jt 按任意键双轴停止运动t 2 3 超声波测距模块 超声波测距模块主要由超声波测 距传感器及数据采集卡二部分组成。 2 3 1 超声波测距传感器 本系统采用m i n i a 超声波测距传 感器，该器件是一种集超声波收发传 感器、超声波发生、功率放大、发射、 回波接收、鉴频放大、距离计算及声 速温度特性补偿为一体的距离检测器 件。其功能完善，工作可靠，距离信 号输出为易于检测和控制的0 - 5 v d c 模 拟量。其量程0 2 米( 盲区) s 米， 通道0 k兹 k v 通i 图2 - 7 超声波传感器分布图 、 声速角为1 5 。，响应速度1 0 h z ( 外部可调) 。系统采用8 个m i n i a 超声测距 传感器，其分布如图2 7 所示，各种情况下传感器状态如图2 - 8 所示。 移动机器人在障碍物各个位置传感器状态 o ，t ，6 ) i 2 ，3 ，4 l 禁止前进 i禁止后退禁止前进 移动机器人旋转一周各传感嚣状态变化情况 图2 - 8 移动机器人在各种情况下传感器状态示意图 当传感器检测距离小于2 0 c m ( 盲区距离) 时，可通过采集卡把相应通道位设 置为1 ，表示有障碍，否则髓0 。各通道字状态表如表2 - 2 所示。 76 5 4321o含义禁止操作 0000 0 0主正薅方簿璐f o r w o r d o0000o1 0右前方障碍 f o r w o r d 0d0o01o 0 右侧障碍 oo0o1o0 o右后方障碍b a c k 000i0000芷后方漳终b a c k 001o00 0 左后方瘁璐 b a c k o1o0 o 00 0左侧障碍 100ooo0 o 左前方障碍 f o r w o r d o 0 0 0000o鑫蓑方瘴璐f o r w o r d 0 o 0001l前方障碍f o r w o r d 10oo o 0 1左前方障碍f o r w o r d lo o 0oo10前方两侧障碍f o r w o r d 0001王00 o右后方障礴 b a c k 00 l ii00 0 后方障碍 b a c k 0 o 1100 o0 左后方障碍 b a c k oo1o1o0o后方两侧障碍b a c k 0000000 o无瘴碍 表2 - 2 超声渡传感器避道字状态表 2 3 2 数据采集处理方案分析 本系绒的数据采集采殿专用的a d 数据采集卡p c i 2 0 0 2 ，p c i 2 0 0 2 愚基 予p c i 墓线瓣数据采集卡，箕a d 转换器分辨率1 6b i t ，挺褒1 6 驳3 2 单的模拟输入通道。输入信号幅度可以缀撵控增益放大器调整到合适瓣范 围，保证最健转换精度。稷控增益可选择1 、2 、4 、8 ( p g a 2 0 3 ) 或1 、i 0 、 i 0 0 、i 0 0 0 ( p g a 2 0 2 ) 倍，a d 转换器输入储号范围+ t o y 该卡有以下特点： 3