（机械电子工程专业论文）基于wlan的移动机器人远程控制系统研究.pdf

摘要 论文题穗：基于w l h n 的移动机器人远程控制系统研究 学科专娥：机械电子工程 研究生：付二寅 指导教帮：傅卫平教授 摘要 签名： 签名； 随蔚光线网络通俗技术和移动机器人远程掇制相关理论的发展，基于无线网络通倍的 移动机器人远程控制技术成为一个热门的研究和应用领域。它在重工业、农业及服务性行 鲎露富纛傻焉馥筐，农鏊内箨都鸯广泛懿应震秘需求。霆筵，本文缝合实验设备嚣舔凌， 从提高远程控制系统的实时性出发构建无线局域网，设计一个基于无线局域网的移动机器 人远程控制系统。 营瓷，本文建立遴攫控制系绞戆基本模型势分辑其摇关链蕤因素帮远稷控制模式；弱 时分析笼线网络通信的相关理论和备种无线网络技术并总绐光线局域两的基本属性和笼 线网络拄制的技术要求；在此基础上，进一步研究无线网络通信的工作模溅及其软件实现 方法，弗着重应用套接字进行网络通信编程工馋。结会上述分析和具体实验条件，确定了 逶霜予本谦惩貔移动梳器久运释撩铡系统懿翼搭方案。 其次，基于具体方案，以移动机器人为控制对象，建立一套移动机器人远程无线掇制 系统，总体设计远程控制系统的硬件和软件结构；同时在作为服务器端的移动机器人和作 为客户麓貔上位瓠之翊稳建无线局城阙；在该嚣线逶建网终瓣墓疆上，重蠡鼹远程无线控 制系统巾的数据发送、数据接收、谮音传输、图像传输、入工控制等软彳牛模块进行代码编 写和软件集成工作。 最髅，为了验证上述远程控制累统豹可行饿，本文设计一个远程无线控制自动导航小 车运送王僻静实验。褒鑫动导靛，j 、攀把数控鸯鞋王带淘生产豹王俘搬运蜀秘鼷1 0 0 米耋蠢黪 物流车间的过程中，利用在自动导航小车和位予物流车间的客户端之间构建的无线局域 网，客户端通过图像的无线传输远程监控小车的= e 作状态，通过数据或语落指令的无线传 辕运程接n d , 车。经实验，本瀑题设诗魏基于纛线弱蠛廷豹移动爨器入远程控制系统达爨 了设计的基本要求，夜有限范围内能够实现远程控制系统的窳时性、可靠髋和稳定性要求； 而且客户端和服务器端应用程序界面友好、操作容易，形成了移动机器人远程无线控制系 统躬雏形，为以后系统扩展和软秽拜发建立了平台。 关键谲：移动梳嚣入遮程整锱；冤线局域网；鬃接字透信；燹线传输 簿 。垒里! 堡垒旺 t i t l e ：r e s e a r c ho nm o b i l er o b o t sr e m o t ec o n t r o l s y s t e mb a s e do nw 队n m a j o r ：m a c h i n e r ye l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：e r y i nf u s i g n a t u r e ：纽白照 s u p e r v s 甜p 蜕w e p i n g 刚 s - g n a t 啪：卓堕商 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm o b i l e r o b o t sr e m o t ec o n t r o lt h e o r y , t h em o b i l er o b o t ，si c m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nb e c o m e sap o p u l a rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nf i e l d a n dt h i st e c h n o l o g yh a sg r e a t 聪s ev a l u ei ni n d u s t r y 、a g r i c u l t u r ea n ds e r v i c ei n d u s t r ya n dh a sw i d e s p r e a du s ea n dd e m a n d 鲑 h o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，i tb u l l d su pw l a nb a s e do u i m p r o v i n gt h er e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i co fr e m o t ec o n t r o la n dd e s i g n st h em o b i l er o b o t sr e m o t e w i r e l e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e do nw 乙a ni nt h et h e s i s 。 f i r s t l y , i tb u i l d su pt h eb a s i cm o d e lo fr e m o t ec o n t r o la n da n a l y z e st h ec o r r e l a t i v e p e r f o r m a n c ef a c t o r sa n dm o d e so fr e m o t ec o n t r 0 1 a tt h es a m et i m ei ts t u d i e st h ec o r r e l a t i v e t h e o r yo ft h ew i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n da l lk i n d so fw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g i e s a n ds u m m a r i z e st h eb a s i ca t t r i b u t e so fw l a na n dt e c h n o l o g yr e q u e s t so fw i r e l e s sn e t w o r k c o n t r 0 1 o nt h eb u s i co fa n s i y t i c a lr e s u l t s ，i tf u r t h e r l ys t u d i e dt h ew o r k i n gm o d e la n ds o f t w a r e i m p l e m e n tm e t h o d so ft h ew i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，a n di ts t u d i e sm a i n l ys o c k e t p r o g r a m m i n go fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea b o v e m e n t i o n e da n a l y s e sa n dt h e s p e c i f i ce x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，i te s t a b l i s h st h ec o n c r e t es c h e m eo ft h em o b i l er o b o t sr e m o t e c o n t r o ls y s t e ma d a p t i n gt ot h et a s ki nt h i st h e s i s s e c o n d l y , b a s e do nt h ec o n c r e t es c h e 辩e 。i ts e t su pas u i to fr e m o t ew i r e l e s sc o n t r o ls y s t e m u s i n gt h em o b i l er o b o ta st h ec o n t r o l l e do b j e c ta n dd e s i g n st h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r e s t r u c t u r eo ft h es y s t e m a tt h es a m et i m ei tb u i l d su 口w l a nb e t w e e nm o b i l er o b o tr e g a r d e da s s e l v e ra n du p p e rc o m p u t e rr e g a r d e da sc l i e n t 。b a s e do nt h ew l a n 。i ts t u d i e sc o m p i l i n gc o d e a n ds o f t w a r ei n t e g r a t i o no fs o m es o f t w a r em o d u l e si nt h er e m o t ec o n t r o ls y s t e m ，s u c ha s d a t a - s e n d i n g 、d a t a - r e c e i v i n g 、v o i c el f a n s m i s s i o n 、i m a g et r a n s m i s s i o n 、m a n u a lc o n t r o le t c l a s t l y , i no r d e rt ov e r i f yt h ea b o v e - m e n t i o n e dr e m o t ec o n t r o ls y s t e m sf e a s i b i l i t y , i td o e s a ne x p e r i m e n t0 nr e m o t ec o n t r o l l i n ga g v c a r r y i n gw o r k p i e c e s d u r i n gt h ec o u l s eo fa g v c a r r y i n gw o r k p i e c e sf r o mn cm a c h i n i n gw o r k s h o pt ol o g i s t i c sw o r k s h o pb e i n g1 0 0m e t e r a w a yf r o mn cm a c h i n i n gw o r k s h o p ，d e p e n d i n go l lw l a nc o n s t r u c t e db e t w e e na g va n d c l i e n tl y i n gi na u t o m a t e dl o g i s t i c sw o r k s h o p ，c l i e n tr e m o t e l ym o n i t o r sa g vb yt r a n s m i t t i n g i m a g ew i r e l e s s l ya n dc o n t r o i sa g vb vt r a n s m i t t i n gd a t ao rv o i c ei n s t r u c t i o n sw i r e l e s s l y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h em o b i l er o b o t sw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e di n t h i s t h e s i sr e a c h e st h ed e s i g nr e q u e s t sb a s i c a l l ya n dc a ni m p l e m e n tt h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c 、 s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fr e m o t ec o n t r o ls y s t e mt os o m ee x t e n t ；t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e so fc l i e n ta n ds e r v e ra r ef r i e n d l ya n do p e r a t e de a s i l y ；i tc a nb er e g a r d e da st h e r u d i m e n to ft h er o b o t sr e m o t ew i r e l e s sc o n t r o ls y s t e ma n da sp l a f f o r mf o rs y s t e me x t e n s i o n a l l ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tj nf u t a r e k e y w o r d s ：r e m o t em o b i l er o b o tc o n t r o l ；w l a n ；s o c k e tc o m m u n i c a t i o n ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n h 独剑性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 举论文及其相关炎料若有不实之处，由本人承疆一切襁关责任 论文佟者签名：! 刁三! 童滞y 月三g 曜 学位论文使用授权声明 本人一蕴删! j 三煎在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论艾的答辩，并 墨经强西安理工大学申请博士硕学位。本人作为学位论文著作税拥有者，同意授权 砥安理i 夫学据有学像论文的部分使熊权，都：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 窜刷敝秽电予版学位谂文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存璐究生主交的 学位论文，珂_ l 互c 椽学位论文的全部或郏分癌容编a 有关数据瘁逃行检索；2 ) 为教学和 科研黩的，学校w 以将公开的学位沦文或锯密盛豹学位论文作为资料在毽书馆、资辩室 等场所或在校鞫网上供校肉师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或郝分内容的公布( 包括刊登) 授权诬安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文径解密后，适用本授权说明) 论定作者签名：身兰! 篁2 导师签名：2 雌霸z 驹 摹一章绪论 1 绪论 。1 雩l 害 机器人远程控制技术的研究歼始于2 0 世纪6 0 年代1 ，随着在空间、海洋及危险作 业领域的搽索和开发，国外一些学者开始致力予机器人远程控制的研究。远程控制的机器 入操露鬻帮秘器久系统轭够在恁险耀境下工露，麴处瑾孩龟旗鼙懿菝毒手瞧貔矮疆及孩惫嬉 的维护；又能够在人力不可及的范围内完成特意的任务，如程海洋里勘探矿物、能源，在 太空的勰际探索等。荧国太空总署( n a s a ) 的火星探险计划怒最著名的星际探索项目“， 兹矗荚藏1 6 年瓣翊遴行嫒捌，共鸯6 0 0 名精英簸天辩学家投入。n a s a 火星搽验诗划子 2 0 0 4 荦分别派出第二代孪生兄弟火星车“勇气号”( s p i r i t ) 和“机遇号”( o p p o r t u n i t y ) 在 美国西部时间2 0 0 4 年1 月3 日和2 4 日先后登陆火星，如图l 一1 “所示，它们分别谯火 星表瑟不同区域进彳亍探索并发回大鼙珍贵照片。 圈1 1 “勇气号”和“机遇号” f i g 1 - 1 s p i r i t a n d “o p p o r t u n i t y 在这些棼境孛，移凌凝器久搽终霉完成瓣系歹| l 撵韭秘嘏器久静导簸是遂过建蘸控 制端的远程控制实现的“1 。在地面对空间移动机器入或海底移动机器入进行的远程控制楚 通过无线电波的通讯方式实现的“。在危险环境工作的机器人的远程控制疑基于专门通信 线路的”1 。基于无线跑通讯的移动枫器人远程撩制存在着明鼹鲍对延，邋鬻在2 3 秒， 有静甚黧达6 移，这辨时延翦存纛举仅会降低淼作往麓，丽辩也会造成数摆丢失等阐题。 另外，“无线技沭成为下一代网络通信技术的最大推动力“这一观点已在业界达 曲安理工火学硕士学位论文 成共识。第三代移动通信系统主要解决系统应用中的便易性、多媒体业务、个性化综合服 务等问题，使用户能够在任何地点、任何时闯使用移动终端在不网无线嘲络系统 h j 实现个 入通信。除具备传统的语音服务卿，第三代移动通信系统应提供基于高速数据佟输能力的 多媒体服务业务，能够为不同职业、不同环境和不同消费层次的用户提供满足需求的个憔 纯服务。无线逶倍为入类社会带来了深刻的影响，丽且这种影响还会继续，没有几个发嘲 能够用这样的方式使整个世界“变小“。 诧矫，箍着无线射频技术的发震和冤线数攒传输协议的撬蒲拜，符潮是i e e e 8 0 2 1 1 标准的发展，无线局域网( w l n ) 技术已同臻成熟，其传输速率、通信距离也在不断增加， 黥够满蹩诸多场合静应鬻需求。现在，美国已有柏豹企照采糯无线髑域网轴。近年采 光线局域网的传输速率和稳定性得到提黼，使得它在机器人远程控制领域也得到广泛廒 掰，麸蠢藿予无线弼络遴信静梳嚣入远耧控涮技术已成为入稍豹蒸门磷究方向。 1 2 课题研究背景翻意义 1 2 1 研究背最 疆着久类对巍然赛静试i i ； 秘梳嚣入淑司领域豹不鼗扩大，不褥避免滋褒一些相对院较 恶劣的工作环境，有的甚至是有毒! 比如，火山探险、深海探密、空间探索，军枣场地巡 遴、篌察、整撬，在垒甥、纯学、孩试验场建佟妲、喷潦等。熊泠豹环境，对搽捧久受赫 人身安全和身心懈康造成极大危害，有时甚至导致死亡。因此很多在该环境下对现场工作 极器入豹控裁方式已姨传统懿瑗绣控涮方式发震翻远程控麓方式珏。 另外，随着现代电子技术、计算机软硬件技术、人工智能技术及自动控制技术的飞速 发震，鑫燕式移动壤器入黢鬏瑟懑；宅是一个对羚赛巧缓毫疫瑟液豹警麓系统，够按照 预先给定的任务指令，根据己知的地图信息做出全局路径规划，并在行进中不断感知周围 熬鼹部琢境售惑，塞主鲍檄基各秘决繁，自魂避开障碍秘，萼l 导爨隽安全行驶燮攒定旋缮 标，执行骤求的动作和操作；它岛固定式机械手相比具有更广阔的运动空间，更强的灵活 健“。帮便如此，在工终环壤棚黠复杂秘工作经务超对繁重豹翘题瑟藏，自主式移动褫 器人仍显力不从心。 同时，除对攀规器入的远程控制外，多撬器入协终熨是搬嚣入远程按剃技术瓣重要墩 用。可见，机器入远程控制不仅怒工作环境、任务的需要，而且可通过远程控制实现人机 协作来提离机器入自身的蟹自肇水平，达到共同解决闻题的曩的。这也是嚣内乡 极嚣人技术 的明显发展趋势。 在国内，智能机器人和特耪机器人农“8 6 3 ”计划的支持下取得了举少成果；其孛最 为突出的跫水下移动机器入，6 0 0 0 米水下无缆移动机器入的成槊居世界领先水平，还开 发出直接遥控机器人、双髓协调控制移动机器人、爬壁移动机器人、管邋移动机器入等机 乖 | ；在移动机器入视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的歼发应用上开联了不少互作，有 了一定的发展基础。但是柱多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、 2 第一章绪论 智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大， 需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品， 以期在不远的将来我国在该领域立足于世界先进行列之中”1 。 国际上，机器人技术更是先进。机械结构向模块化、可重构化发展、器件集成度提高、 控制柜同见小巧“1 ；机器人控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、 网络化，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性；机器人中的传感器作用日益重 要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力 觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行 环境建模及决策控制，多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用；虚拟现实技 术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置 身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人| 9 1 0 故此，当代机器人远程控制系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者 与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能 机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上第一代火星车“旅居者”( 或叫 “索杰纳”) 移动机器人就是这种系统成功应用的最著名实例 9 3 。 1 2 2 研究意义 ， 综上，纵然机器人有一定程度的智能化和自主化，但是任务的繁杂性和环境的复杂性 及体积、重量等硬件要求对机器人的限制，使机器人的工作能力受到一定程度的限制，导 致有时它对问题的解决不尽如人意。为此，可借助计算机的强大功能，必要时利用机器人 远程控制技术通过人对机器人工作状态的远程控制实现人机协调工作，完成诸如传感信息 处理、路径规划、图像处理等运算，从而减轻机器人的工作负担，提高机器人的智能水平， 达到共同解决问题的目的。可见，机器人远程控制技术的研究是非常有必要的。 此外，现代通信技术飞速发展，已在各个领域发挥着重要作用，不论政治、经济，还 是人们日常生活等方面都显得日益重要。通信已成为信息时代社会发展和经济活动的生命 线。人们对通信的需求不断提高，希望打破不同地域或客观条件的制约，能够实现“任何 人( w h o e v e r ) 在任何时候( w h e n e v e r ) 的任何地方( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何 方式( w h a t e v e r ) 的通信“”的目标。因此，无线通信特别是移动通信技术得到充分发展， 尤其是无线局域网( w i a 顺时应势，为实现对机器人的无线远程控制打开方便之门。 同时，在人工对机器人进行远程控制时，考虑到机器人特别是移动机器人工作环境和 其广阔运动空间，考虑到通信技术特别是无线通信技术的成熟应用，考虑到经济性、方便 性和可行性，在机器人与外部通信方式选择上，无线通信成为机器人所必须具备的通信方 式p o j 。故此，有关机器人的无线通信技术亦成为人们研究的热门话题。 总之，随着科学与技术的发展，机器人的应用领域也不断扩大。目前，机器人不仅应 用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航 空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中；而且随着 3 鼢安理工犬学硕士学位论殳 人类生活水平的提离及文化生活的嗣益丰富多彩，未来各种专娩服务机器入和家庭用消费 机器人将不断贴近人类生活，其市场将繁荣兴眨”1 。 弼时，随着枫器入的广泛应阁，基于无线网络通信的移动税器入远程控制技术也将广 泛成用于上述行业，如工业上危险地区的标本采样和故障处理，国防上无人驾驶战车等： 魏外军事应耀领域，移动机器入被寄予替代入类酝动飘幸予某些嗣常性与稳险性军事任务麴 厚望，如军潦场地巡逻、侦察、般视及在生物、化学和核试验场地作业等；另外随着人口 老化和工俸、生活节奏的加快，入类在服务性行业遥切需要助筝，无论建家庭、医院，还 是在宾馆、商场，都有机器人远程控制技术的用武之地；还有随着科教必国战略的实施和 教育教学事泣的发袋，特翻在实验场掰，还有2 0 0 8 年的奥运赛场及舀鬻交通事务等诲多 方磷都为机器人远程控制技术提供大量的应用空间。 露凳，枫器入远程控翻技术豹研究藕应用对入类玺溺大有裤益，特掰是基予无线瓣络 通信的机器人远程控制拽术的研究更是寓有意义和使用价值。 。3 国内外研究现状 1 3 ，l 国内现状 如今，豳内该方面技术飞速发展。如哈尔滨正业大学利用无线局域网技术进行无线通 菇，戏珐实现久黠h i t - i f 型金鑫主是球移动辊器久豹羧铡帮葵澜多媒体嫠患豹传输“”； 合肥中国科学技术大学利用无线收发模块f r r 3 0 0 0 进行无线通信，成功蜜现了1 0 台f 1 8 0 夺受足球移动毫莲爨久裁的足球魄赛。海尔集溪予2 0 0 0 年投产遮彳亍戆开发区立俸仓痒审， 9 台a g v 组成个柔性的库内国动搬运系统，利用每台a g v 上配置的无线通讯电台实 藏鼹它爨盼运程监控，成功建完成了每必2 3 4 0 0 令窭入痒货物及零部转瓣搬运程务。 此外，2 0 0 1 年1 1 月，中国第一台蛇形移动机器人程国防科技大学研制成功，标志蓿 我圈梗器人磷铡技零又取得了耨瓣突破。这条长l 。2 米、蹇径0 + 0 6 米、攫1 8 公厅豹蛇形 机器入，能像蛇一样扭动身躯，程平地上、草丛中或水里运动自主、进退自如。安装在头 部驰视频监视器，能在运动孛把麓方景象透过无线透信实时俦露簸控孛心，可褒恶劣的战 场环境中执行侦察任务，可在废墟中寻找伤员，还可以执行水中攻击、爆破等侄务l i e | 。 1 3 。2 国外现状 图外该方面技术遥遥领先，特别是美国和日本处于顶尖水平。美国利用移动机器人代 替美溪大兵好赴伊拉克，遥控捂挥该“廷耱”避行险境作战，惩量避免入员伤亡。2 0 0 3 年3 月3 0 网，一个i 机器人公司制造的“背负式机器人”用于远距离寻找企图隐藏在农 堑串心建筑物受酶敌久圭兵；嚣死天，在1 0 1 空海爨豹工程褥为入遂主义救援芎予动清瑾魏 道之前，它被用来远距离检查留猩机场的设备。在这两次行动中，“背负式机器人”的操 缀爨健矮无线电遥 鍪器搽级极器入运动势控涮摄像懿，梭实在建筑物内怒否有蔽久士兵绫 在机场上是甭有隐蔽爆炸装置或地雷。这螬移动机器人能够灵活地越过绒绕过障碍物，守 4 第一章绪论 装备有遥控红外和日光摄像机，操纵员能够接近洞、房i 日j 或机场，远离检查隐蔽爆炸装置、 地雷、武器隐藏处或敌人士兵而自处在安全距离之外 1 7 1 。 1 9 9 3 年，美国发生韦科庄园教案，为弄清教徒们的活动，联邦调查局使用两种机器 人。一种是r c m o t e c 公司的a n d r o s v a 型和a n d r o sm a r k v i a 型移动机器人，另一种是r s t 公司研制的s t v 移动机器人。s t v 是一辆6 轮遥控车，采用无线电及光缆通信。车上有 一个可升高到4 5 米的支架，上面装有彩色立体摄像机、昼用瞄准具、微光夜视瞄具、双 耳音频探测器、化学探测器、卫星定位系统、目标跟踪用的i ； 视红外传感器等。该车仅需 一名操作人员，遥控距离达1 0 公里。在这次行动中共出动3 台s t v ，操作人员遥控机器 人行驶到距庄园5 4 8 米的地方停下，升起车上支架，利用摄像机和红外探测器向窗内窥探， 联邦调查局的官员们围着荧光屏观察传感器发回的图像，把屋罩的情况看得一清二楚“”。 图1 - - 2 “火星科学实验室” f i g 1 - 2m a r ss c i e n c el a b 另外，美国将于2 0 0 9 年1 2 月向火星发射名叫“火星科学实验室”( m s l ) 的第三代火 星车，如图1 - - 2 伽1 所示，它将于2 0 1 0 年1 0 月抵达目的地；它重达6 0 0 公斤，长度是“勇 气号”和“机遇号”的2 倍多，携载这辆火星车的整个飞船总重达3 吨，造价9 亿美元， 其能源供应将依靠核能；高大的轮子使它行动很快，能够在坡度为6 0 度的斜坡上正常行 驶；在电子导航设备的引导下，它就可以开到科学家感兴趣的地方工作 2 1 e 可见，人们对第三代火星车的远程控制水平又一次发生质的改变，基本上是随心所欲； 当然这些是建立在无线通信的基础上，那时无线通信系统具有更高的实时性和稳定性，机 器人的远程控制技术更加成熟。 纵观国内外该领域的众多成功案例，基于无线通信的移动机器人远程控制技术的应用 已经相当成熟；同时进一步提高远程控制系统的实时性、稳定性和可靠性一直是所有设计 者的最终目标。本文正是要在现今所有软硬件条件的基础上，立足于提高设计系统的实时 性、稳定性和可靠性；如在数据指令控制的基础上增加语音指令的控制，进一步提高系统 5 西安理工太学硕士学位论戈 的可靠性；又如爆可能增加网络的带宽，进一步提高系统的实时性等。 。毒课题研究目的秘内容 1 4 。1 研究目的 在现有设备的基础上，通过本课题的研究，构建移动机器人和计算机( 或移动机器入) 剃无线瞬络通信平台，在该平台上通过豳像、语齿、数字等信感的无线传输，从两远程控 制移动机器人的工作状态，实现入机协调工作，接同完成复杂环境下的繁重任务；当然相 对较简单溅不断熬复的工作，可以傲一个自主工作模块，上位机只需调用该模块让移动枧 器入自主工作即可，而入工不必过多参与，直到移动机器人报警或图像湿示有溺难为成。 详细讲，在任务相对繁重和环境相对复杂的情况下，例如在一个陌艇环境中开展搜索 和拯救工作，移动机器入要用所携带c c d 把自身所处工作环境以图像的方式邋过无线溺 络通信平螽传输绘客户端，从而远程监控移动机器人的工作状态并根据所获图像信息进行 决策，然簌戳语啻或数据指令酌方式通j 建无线蹲络通信乎台传输给移动机器入，从而远程 控制移动机器人的工作并减轻移动机器人的自主工作负担，实现人机协作，达到共同解决 移动辊器入新面褊的复杂闯题的褡豹。巍入杌闽协调工俸时，信号无线传输的实时性要求 高，传输延迟尽量小，同时在移动机器人设备和p c 机制进行实验，验证该方案的可行性。 1 ，4 2 研究内容 f 1 ) 分掇国内外程关文献资料和文档，了群翻走铃巍嚣人的发展历史秘发袋趋势，砖 国内外移幼机器人技术的发展状况进行概述，对当前移动机器人远程控制系统的发展状况 进行分柝，提出无线网络通信环境下移动枧嚣人远程控铡的设想。 ( 2 ) 建立远程控制系统的基本模型并对其进行全面分析：同时从经济、方便、可靠、 稳定、实用的角度出发，选择合逡的无线网络通傣技术及其通信标准构建无线嬲终通信平 台，从而保证远程控制系统的实时性、稳定性和可靠性；在此基础上，深入分析并确立适 用子本文的网络通信工作模型及其软件编程方法：根据上述分柝，结合实验条传，进一步 确立基予上述设想的移动机器入远程控制系统的最初方案。 ( 3 ) 根据上述方案，研究实现网络通傣所需的t c p i p 协议和s o c k e t 通信原理，利用 s o c k e t 在v c + + 诺亩环境下进行软件编稷，设计发好合理的入机界面，歼发基予无线两通 信的移动机器人远程控制系统的应用程序，并对编程中的具体细节提出解决方法。 阳以移动机器久a g v 为控铺对象，构建基于无线网络通信的移动机器入远程控制系 统的硬件环境并分析远程控制系统的软件结构；同时利用v c + + 6 0 编程工具所开发的应 用程痔，实践并验证基予无线溺络通信静移动税嚣入远程控翻系统豹可行往，扶而检验对 移动机器人a g v 的远程控制功能。 6 第二章慧统整体方案的分析和确定 2 系统整体方案的分析和确定 2 1 引言 远竣控制最以通萤秘阙终技术为基础兹一门先避援寒，委邂惫逶信_ 稳霹终技本黪发震 使得远程控制技术得以快速发展。然而，随着控制系统规模的不断扩大，现场环境越来越 复杂，鬟簧蕴控貔嚣挺越柬越多襻纯，瓣驱动嚣和鼹户接墨鹣翥求越寒越裹，闲瓣簸控系 统的结构也变得越来越艇杂和分散化并且要求集成网络中的不同平静，传统的远程控制方 法已不能逶应系统接癸缕擒豹分敷纯嚣求。因就，睫饕诗募搬矮终成本鹃醛低和其功戆豹 闩益强大，远程控制系统已开始倾向予使用计算机网络系统2 2 | 2 3 1 0 基予w l a n 嚣移动壤器入远程控铡系统除涉及掇器人系统原有的规城、电子、控裁 嫜技术领域外，还涉及网络通信、图像处理、信息无线传输等众多技术领域。远程控制系 统总体功能的篓；现，需要 芡靠器部分技术子系统的相踅协调鞭配。爨她，要慰基于w l a n 的移动机器人远程控制系统开展研究，就需要从总体结构上对系统有全面认识。本章就是 拄兹面设想的基础上，以陕西省机械制造装备震点实骏室豹移动机器入a g v 为控制对象， 远程无线控制a g v 在数控加工率问和物流车间之间避送工件的工件；在金黼分析移动机 器入远瑕控制系统基本模型并比较和i 整择各通信方式及其标准、各网络通信模型及其编程 方法的基础上，最终确立基于w l a n 的移动机器人近程控制系统的其体方案。 2 。2 移动枧器人远程控制系统分析 2 2 1 远程控制系统基本模型 典型的远程控制系统一般可分为远程监控终端、远程信怠传输部分、现场设备簸测与 控制端三部分啪。各部分协作实现对现场设备的远程控制，其基本模挺如图2 1 “7 所示。 一1 控制信息 一 控制信息 一 l 远程监控r _ 叫远程信息r 一一- 1 现场监测与i 幽褫瑶虿”l 必褒猫f o 型堂j 圈2 1j 毽程控制系统基本模型 f i g 2 - 1b a s i cm o d e l o fr e m o t ec o n t r o ls y s t e m a 远程麟控终端 远程蕊燕终端莛震户与瑗场设备遴行交纛懿界蘸。麸瑗熬角度来看，主要包括远槎设 铸状态的终端显示、控制命令及参数的输入、对命令参数和状态数据进行必鼷的处理以及 蒸缝搡雩譬。蜜予徽橇徐梅繇廉，溺子远程j ；矗控豹谤冀揆霹谈远离工圣筝篪琢，蠢盈基予诗算 机的远程控制终端软件发展迅速，计算机成为远程监控终端系统的主要操作平台。 b 。远程籍塞黄赣 远程信息传输部分作为远程控制的信息传输通道，进行释类控制信息的传输。传输的 强弱裁怒终现场鹩设备状态镶怠尽快豹传 鑫到薤控瀵，镬操终入受逶过对现场谖蚕状态靛 7 西蝣理工太学硕士擘位论文 了解，决定下一步的措施( 比如通过信息传输部分发出控制命令等) ；另外还需疆将监控 端的控制信息传输到现场的控制主机，以便对设铸进行按制。视频图像在某些远程监控_ 呶 用中超很重要的作用，而潮像信息量大、传输的质量要求高，辩通信线路有一宓的要求。 目前，一般采用将视频音频信号和数据信号分开传递，使它们占用不同的通道、波段或频 段。一个通信系统邋常出通信介质、通信协议、通信软件、硬释系统等缀成，表2 1 “7 所示列出了信息传输部分可采用的一些现有的网络标准。 表2 一l 网络通信辫l 稽关协议 t a b 2 * 1n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dr e l a t i v ep r o t o c o l 物理舟囊双绞线、翊轴逛缆、走纤，微波、红井线、电话线 底胺协议8 0 2 系列、a t m 、i s d n 、x d s l 基奉应用协议t c p i p 、i p x s p x ，p p p 高级通信协议 h 1 r p 、f 仲，d c o m 弼络撵停系统 w m d o w s ，u n i x 、l i n u x c 现场设备搬测与控制端 现场设备箍溅与控制璃是壹接对工幸箬现场静互佟设蓊进行赣溪l 和控制懿鄢分，主要铙 务是根据远程监控终端的控制指令对工作设备进行控制，同时监测工作设备的状态并作必 要豹分辑，褥褥这些状态遥涎传输逶道反馈到远程筮控薅。瑗场簸溺与羧铡端实舔是一个 计算机控制系统，怒以计算机为中心的集现场控制、管理、数据采集、图像传输为一体的 控剩系统。 2 2 2 远程控制的分类 a 根据通信平台进 彳分类 ( 1 ) 局域网中的远程般控 弱域两远程盗控系统是由一个菔控服务器程序和多个工作站程序组成。系统蒹实现硒 域网远程监控，主要内容包括网络控制和网络数据传送两个方磁。整个系统采用客户机 服务器戆工作模式。癌客户税端实现对工俸站操作的监控和对服务器进行命令请求与命令 执彳亍；由服务器端实现对工作站的协调与指挥。系统中，在工作站上永久驻留一个客户桃 程净来受责簸控工作站的运行及与服务器阀的数据交流井执行暇务器程序的命令批。 ( 2 ) 基于w e b 的远程j i 鑫控 基于w e b 豹远程箍控系统是瑷w e b 律为通僚平台酌箍控系统，一觳分为3 个子系统： 现场峪测与控制系统( 简称现场层予系统) 、数据存储与转发子系统( 简称中间层予系统) 、 客户蠕数据接 殳与命令发送予系统( 以下餐称客户子系绕) 。现场予系统负责采集器瑰场控 制节点的运行状况数据，经过汇总、预处理后传递给中间层子系统，它也接收中间层子系 统转发来静羧翻命令，对命令遴毒亍解拆、验证，然螽采敬据应静动俸；审溺层予系统是一 个中介系统，一般由w e b 服务器和实时数据库服务器组成；客户子系统是用户_ 赢接与之 8 g - 章系统整体方案的分析和确定 交互的部分，它接收用户的输入，从中间层子系统获取监测数攒或向熬发送控制命令汹。 f 3 ) 基予i n t e r n e t 的远程数控 目前的企业信息网络一般通过现场控制网络、企业内网( i n t r a n e t ) 和i n t e m e t 三网含一 把分布予各局部现场共盟独立宠残特定功能的诗算枧、控铡器现场设锯等互联起来，它适 应企业，主产经营的功能分布和地域分布的特点，是一种能够达到资源藏享、协同工作、远 程监控、远程管理等目的的全分布式网络系统，是i n t e r a c t 技术、数据库技术、t c p i p 网 络通讯技术、浏览器技术发展的产物1 2 s | e b 根据控制方式进行分类 ( 1 ) 保持挺的远稷监控 在不断的提高本身错能化水乎、提嬲设备对突发事件的应对能力和系统的锫捧性的情 况下，远程监控端仅仅淘设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，监 控设备只对设备进行监视，在必溪对对设备进移干预。这种模式可实现远程设餐的无人控 制。可疲瘸予熊险环境藕人力不能瓢运的遣方铸睹h ”。 ( 2 ) 完成粼的远稷监控 远獠监控系统仅仅尚设备控镪系绕发出控制命令，褥由设备自主的完成这个命令，远 程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完成任务盾向远程监控系统报告。设 备的搡俸控翎宠全壶奉缝透行，设备在本邃操侉入员静蕴控下宪成任务辑h ”。 ( 3 ) 完全型的远稔监控 设铸的奉楚控翻系统仅仅掩麓设备豹执行橇祷，全部的攥作控翻睦l ：远程簸控系统完 成。这种方式设备的控制系统和设备是分离的，而在设备控制系统内信号的传递速度饕求 穰离，撩潮系统簸够立袤辩瑗场送行反旋，要求逶最线路高速掰靠。这耪控制方式爱予一 些特殊的行业蝴1 嚣1 。 秘汲撬交互豹逡程薤整 设蓊在本地操作人员和远稷监控系统的协同控制下工作，鼠往往在远程监控系统的指 撵下工份，瑟蠹零缝搡弦入受黠设备遴行控副秘缝护王律。在强务戆执行过程巾，露瓣意 建立连接，进行设备之间和人员之间的交互，设备的状态信息可随时在远程酸控端采集。 鉴予叛上怼远程控铡系统基本模型秘远程挖期摸式豹分撬，缝合羧铡怼象a g v 豹- r 作任务和工作环境以及对a g v 近程无线控制的考虑，本文要设计的移动机器人远程控制 系统采鼷述基零模型弗选择綦子是域瓣豹、入援交叠戆远程控剃模式1 2 7 1 1 8 | 。 2 2 3 影响远程控制系统性能的因素 移动税器入远程控涮系统襁步认识，两实辩性、可靠性和稳定佳蹙影响远禚控制系统 快速、准确、稳定、可靠运行的主要性能因素阱，下面分析各具体性能因索。 穗实爵馕 实时性是影响远程控制系统工作连续性的一个重要性能指标。如果由于控制时延蹲各 秘滠霾，傻褥盏羧舞l 户发送翡控裁命令誉能立甏馒设备产生俸麓，亏l 超设备动律蠹冬不连续， 9 辫安理工大学硕士学位论文 影响控制系统的谁常工作。同时，设备的一些状态信息不能及时反馈给用户，必然引起用 户在判断现场设蘩运行时出现偏蕉。这魑都可以导致远程控制系统性能的不可攘。 一个系统的袋时性通常采用“响应时问”来描述。晌应时f h j f ，r r ) 是指某一系统对输入 做出响应所需的时间。响应时间越短，标志着系统的实时性越好。计算公式见2 1 、2 2 。 t r = 印+ 豇+ 豫+ 瑟( 2 1 ) t t = d v q( 2 2 ) 式中：奄卜数据传输静系统的预处理时间，由传输双方的数据交换方式决定 t t 传输时间，由传输数掇量d 和网络传输速度v q 决定 强一传输终端处联数据的作异j 时阙，由佟输双方的数据交换方式决定 t - o 一通信初始化时间，由采用的通信协议的性能决定 在远程控皋系统中，需要传输的数据有多耱，僵主癸是反馈酌设备状态数攒和用户的 控制命令这两种数据，它们的处理时i 日j 和传输时自j 对实时性产生主要影响。无线通信网络 懿物理结梅决定了其茬翻系统静控裁对遁不可滂除，在系统设诗时只熊考虑零董减小嫡艇 时间。由戏2 - 1 知，减小t r 的途径有减小t p 、d 、t a 、t c ，增大v q 。 对予处理嚣季溺来说，受处理系统帮侮溺系统豹硬箨冬较 睾影淘，困褥只要合理豹浚计 和选择硬件与软件都可减短该时间。此外优化的系统结构如b s ，c s ，高效的数据读霹 羧零懿o d b c 等瞧麓提糍较传鲶理缝戆，降低釉、强。 对于传输时间t t 来说，是系统实时性关键因素，由于v q 已由借助通道的带宽决定， 选翅合理豹瓣终黪输秘议，残熬装编程技术麴s o c k e t 、d c o m 等，霉大大减夺传输数摆餐 和初始化时间。如果传输系统属于专用的远程通道，那么传输介质的选择将是决定性