（控制理论与控制工程专业论文）视觉移动车的网络远程控制的研究与实现.pdf

哙尔滨工程大学顼士学整论文 1 i ij ij ii i h i i _ - _ - _ _ - - - _ - _ _ 摘要 本文静对我校“2 ll 工程”建设魏霪熹瑷莲之一羚一基于运程概器天魏 滗线遥测遥控系统，以我们自行设计、研制的基于视徽的移动车v g v ( v i s u a l g u i d e dv e h i c l e ，绚称v g v ) 为研究对蒙，设计并实现了通过网络进杼远程控 剿v g v 鼗踩爨稼翁茬裁平台帮凌态蓼壤下实爵遴簿黯经援爨魏臻奏。 远程控涮部分是采用鏊于t n t e m e t 的远程控裁，使用s e r c o m mn c s 5 0 0 型网络摄像帆拍摄跟踪目标的运动情况及周围环境信息，反馈到麟制台由操 擘人员霹鼹踪小车熬跟踩潞径逐李亍规划，控毒跟踪小车的运动，从蕊完成复 杂嚣靖下麴跟踩任务。善羹在远程整裁系统中静共瞧阚蘧蠢：蕊终鲢延薅瑟、 软件体系架构、人机界面、视频图像传输和小车跟踪路径的规划方法等方面 做了深入地分析和研究，并设计开发一个在w e b 下熬予视觉控制的移动车的 远程茬鬣系绫酾路径撬刘，不双窦理了臻系统不羁开发语言之囊豹羹臻搏动 能，而显也裰穴遗提高了悉统的跨平螽愁、互操佟憔萃稀可扩震瞧。 路径跟踪是v g v 的智能控制部分，鬯告诉v g v 如何精心跟踪m 飙划运动。 本文通避黥当藏规嚣人路径飙划方法静筒要夯缓及总结，针对我翻驹实 验繇境蠢要求，采爰合成薅径麓楚，校据摄豫瓤麓缀像寒避嚣逶对调整运费 路线及运动行为，以达到很好的跟踪醋栎的要求。采用模拟入的牌维模糊概 念来建立空间模型大大减少了模型的熨杂度，且使用改进的d + 算法进行二次 寻德，该方法建模客爨，箕法麓蕈，魏够瀵足移动车零簸翁实醛链要求，具 有一定的实丽价值，并改变传统使南v c 等语言壤辑的算法，使髑跨平台、 操作移植性好的j a v a 语吉进行编程。谢一定的实用价值。 关键诃：v g v i 远程控制；j a v a ：模糊控制；d 十算法 哙枣滨工程大攀硬士学镬论文 a b s t i j i a c t b a s e do nt o n g - d i s t a n c er o b o tt i r e l e s st e l e m e t e ra n dt e l e c o n t r o ls y s t e m 吞a k e y p r o j e c t o f “2 1 1p r o j e c t s ”o f m ys c h o o l ，t h i s p a p e r t a k e s t h i s a s t h e f o u n d a t i o n ， a n dt a k e st h em o b i l er o b o t - * v g v ( v i s u a lg u i d e dv e h i c l e ) w h i c hi sd e s i g n e da n d d e v e l o p e db yo u r s e l v e s 曩so u rr e s e a r c ho b j e c t t h e nw ed e s i g n sa n dr e a l i z e st h e t r a c k i n g g o a lc o n t r o lp l a t f o r mo fv g va n ds i m u l a t i o no ft h ep a t hp l a n n i n g t h r o u g ht h en e t w o r kr e a l - t i m ee v a d i n go b s t a c l e si nd y n m n i ce n v i r o n m e n t s e r c o m mt h en c s 5 0 0n e t w o r k c a m e r ai su s e dt os h o o ta n dt r a c kt h e m o v e m e n ts i t u a t i o no fg o a la n di n f o r m a t i o na r o u n dt h ee n v i r o n m e n ti nt h ep a r t b a s e do ni n t e m e tt e l e c o n t r o l ，t h e s ei n f o r m a t i o na r ef e db a c kt oc o n t r o lp l a t f o r m w h e r et h eo p e r a t o rc o n v o l sm o v e m e n to ft h es m a l lv e h i c l em a dv g vc a l l c o m p l e t et h et a s ko ft r a c k i n gg o a li nt h ec o m p l e xe n v i r o n m e n t t h ep a p e r a n a l y s e sa n ds t u d i e st h eg e n e r a lq u e s t i o n 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 t h ed e l a yt i m eo f n e t w o r k ，s o f t w a r es y s t e ms t r u c t u r e ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n t e c h n o l o g y ，r e a l - t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o n a n dp a t hp l a n n i n ga n ds oo i l t h e nw e d e s i g na n dd e v e l o pa r e m o t ec o n t r o ls y s t e ma n dp a t hp l a n n i n go f v g vb a s e do n n e t w o r k i tn o to n l yr e a l i z e st h eo r i g i n a ls y s t e m sm u t u a lo p e r a t i o nf a c t i o n ， w h i c hi sd e v e l o p e db yd i f f e r e n tp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，b u ta l s oi m p r o v e st h e p l a t f o r mi n d e p e n d e n c y - ，m u t u a lo p e r a t i o nf u n c t i o na n de x p a n s i b i l i t yg r e a t l y , a l s o h a sf a c t i o nw h i c hc a l lt r 8 拣o b j e c ts u c c e s s f u l l y - t h ep a t ht r a c k i n gi st h ev g v si n t e l l i g e n tc o n t r o ls e c t i o n ，i tt e l l sv g vh o w t ot r a c kt h eg o a l sm o v e m e n tc a r e f u l l y t h i sa r t i c l e t h r o u g ht h e c u r r e n t r o b o tp a t h p l a n n i n gm e t h o d 甄蠢 i n t r o d u c t i o na n ds u m m a r y , i nv i e wo f o u r se x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n ta n dr e q u e s t ， u s e st h es y n t h e s i sp a t hp l a n n i n g ，a n da c c o r d i n gt ot h ec a m e r ap h o t o g r a p ha tt h e r i g h tm o m e n ta d j u s t st h em o v e m e n tr o u t ea n dt h em o v e m e n tb e h a v i o r , a c h i e v e s t h eg o o dt r a c kg o a l sr e q u e 鲢f u z z yc o n c e p to fs i n m i a t i n gp e r s o n st h o u g h ti s u s e dt oe s t a b l i s hs p a c em o d e l ，a n dg r e a t l yr e d u c e sm o d e lc o m p l e x ，a l s ow eu s e t h ei m p r o v e m e n td 4a l g o r i t h mt oc a r r yo nt w ot i m es e e k ss u p e r i o r l y t h em o l d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h a tt h i sm e t h o dc o n s t r u c t si se a s y , t h ea l g o r i t h mi ss i m p l e ，i tc a ns a t i s f yt h e v e h i c l en a v i g a t i o n sr e a l t i m er e q u e s t s i tc a r r i e so nt h ep r o g r a m m e ru s i n gj a v a l a n g u a g ew i t hc r o s sp l a t f o r ma n dg o o do p e r a t i o nt r a n s p l a n t ，a n dc h m l g e st h e t r a d i t i o n a la l g o r i t h mu s i n gv ca n ds oo nl a n g u a g ee d r i o n i ti st h ec e r t a i n p r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：v g v ；t e l e e o n t r o l ；j a v a ；f u z z yc o n t r o l ；d + a l g o r i t h m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本入郑重声姨：本论文的匿有工作，是在导簿酌指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的弓| 黑已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重嚣贡献的个 天帮集体，蚜已在文中潋嬲确方式标鹋。本人完全意识刘 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：堕亟塾 冒期：拶6 年5 胃 龄承滨王露天攀碟 ：掌蓖瓷鬻 鬻1 章绻论 1 1 论文醋究的背祭被意义 、 ， 谂交鞭襄嚣鬻豢 本论文麓针对我校“岔il 工程”遽浚匏子璜瓣罄手远程椒瓣a 盼无髓 遴测遥控祭缝懿远程羧铡平蠹部分，啦“援觉移动攀瓣网络远程挞裁的研究 每实蕊”两髓嚣曩魏。 蘧着熟学捷术懿浚懑菠矮，誊臻疑淤占鬟主溪蟋毯，蔻誉瓣往嚣舞爨瀵 快速开发馥3 澍产品将是念她赢得竞挚的主要手段。2 l 砖纪制造蛾将避入一个 凝蹬段，嚣躐小生产戏零蹲生产揆：爨的袋簇，就癸蕊袋敏捷裁逡装蚕，敏挞 麓遥罄袋法念遂魏主静鼷式。蒙楚灏髓装善蕊霹绩糕、哥萋缝鞣浚逮稳交髓 夯使褥奎逡嚣参懿重擞产时，酉实黼撩逅串、天熬爨生产戆魏枣。豳予氍嚣 入具有宦末瓣划、可编穰、可协调馋h 和基于传撩躲控制等特点，它将成为 毒耋缀弱敏撬翻造玺产装餐菠系统豹麓漤缝袋帮分，瓷终统翻瀵垒照巍敏捷 鹣遥金逡瓣簸茨簧鬟擞蕊簧浆餮隶藏祷。 垂主穆瀚率f a u 幻m 8 濑g u i d e dv e h i c l e 簿豫a g v ) 蹩移魂攘鼹天黔一穆， 憋现代制避念、监物流系娩中的重要设铸，主要用寒雠遮各类物辩，为系统粱 缝晓、集袋豫、麓效逡符撼珙了重癸镣涎。菰美溺褥套鼹a g v 戆邂义霆i l l ： 装备骞滋壤巍擎等爨躲释萼 装曼，煞够港鬟霆熟簿霉 薅径器驶，爨毒安全 保护以及器糟移栽功髓瀚越输车辆。a g v 主要旃掰类形式，希申是有鞔建 a g v ，它靛燧嚣路径怒嘲逢的、虽农斌道，教导l 挺零襁对籁纂冀一秘怒 惫魏式a 斟，逡予浚露瓿遵，宅为磊菇v 鑫叠运费撵镶了最大w 熬，在戳往 爨生产浚土，萼海式轰薅v 楚舂袋懿黎聚露藜方溅。餐罢赣式、磁馨雩 式没 激光导弓f 诚端方法。邋热方法都需舞灏先规划好a g v 的运行褊娥，而且生 产车蠲内瓣装鬟不能陡懑蛰麓。隐饕整产车闻餐憝键豹提裹，黪越式a g v 臻显薅鬣了a g v 魏豢悭。瑟魏，婪搏懑式a g v 褥瓣尚纂：建戮撩糅滚系凌窜 瀚主要途耩。涛霉夫学熬立酸裁懿“辩盘路径惑落蛰囊a g v ”耩予无露塞漆 径引导方忒，在路径跟鼢讲究方向爨谢较高的水平。憾由于技术限制，a g v 滚在意鼹辍鑫 羹运露绥怒一令德鬓凌瓣菠零难题。本文羲甍参考了a g v 翡 跨尔滨工程大学硕士学整论文 - _ _ - _ - - _ _ _ _ - _ ii _ - - _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ l - _ _ _ - 一 成用和设计，所研究的移动筚主要为进行各种跟踪而设计，目前只用于具有 平整地面的环境，因此采用车轮移动方式，它可以在无入干预下实现自动漫 游覆索；在遗戮糖准活动彗尊或复杂建影对王毒睾天员露以透过i n t e r n e t 远程釜 澍，可默时粼收爨小车状态瓣数磊，保证了可靠蓬；幽子壤蕊了对麓肇霞蠡 的视觉跟踪功能，可通过视频十分轻松的察看周围的环境，勘测到疆多的数 撼信息，所以称为视觉移动擎( v i s u a lg u i d e dv e h i c l e ，简称v g v ) ，从而减 少了天王裁灏静避疫帮惫除魔，燕震了人类懿活动空闼黎嚣囊范阉。藩予瓤 器入酶一个分支。 随着网络的发展，人擞的生活发生了巨大的改变。在现实生潲中有许多 魁险 乍业，人们不便进彳亍实地考察，这淞就希望能够对远距离的世界进行监 控，匿照远程监控鼓泰裁褥爨了覆大的发曩。基予鼹终翡鬟器太远程控毫l 技 术成为网络技术和丰几器人技术的一个新的结合点，并融成为机器入举的一个 新的研究领域而在我们的项目中需要用网络在接受信息发送信息，对异地的 小车避行控黝，可以说是静远程控制。我翻采翅摄像枫拍摄场聚，葶1 3 月控 裁台菱送愈令。这样蕊远疆疑控技术可滋说及逶绩，计算程黧控铡按零于一 体。 采用远程监控技术目的在于能够基于i n t e m e t 范围内对现场冉勺数据进行 鼗控，强魏远程整控接拳必矮县备热下凡个特点：蓠先，必鬟能够将生产现场 豹数据进雩亍采集；其凌，其蠢鼹终通谂麴鼹力，能够海底屡数舔在i n t e r a c t 范围内进行传输；最后，搭户端必须能够从网络上获取数据，从丽达到远程 监控的目的。根据接收到的图像与信息可以对跟踪小车进行直接控制外，还 莲要镑霹鑫标所在戆殍境稼悬逮霪) 豹基醚主设定运凄蘧径，爨魏涉及裂 鼹径跟踪阀麓。路径鼹踪楚路径蕊刘静一部分擒予入工智能躲藏嗡，其实蒺 上是一个问趟的求解的过糨，主要是对簿法的研究。路径规划问题的研究涉 及劐环境表达、规划方法、路经执行。路径规划攒缎定小车及其工4 乍环境信 患，按蓑帮筑佬指舔蓟鼹经最蔻) 程嚣；鼹黥嚣禄之阀筑鬈窭一条与耳饕簿 礴无碰撞的路径。考虑刊醋标与小车的位置，速度驶加速度，将舰划的结果 作为跟踪的输入，从而完成跟踪控制。路径跟踪算法的研究目的程于如何使 ，l 、车更快更好地完成鞭踪任务，按照装一竣爨指撂达期糖定位要。路径跟踪 箨法戆礴究对予鼙标鼹黥开发援零豹醒究其考重要意义。 移动机器人的路径勰潮是机器人的关键技术也怒目前许多领域的研究热 点。本论文所做的“视嫩穆动车的网络远程控制的研究与实现”为提高智能 掇器a 豹絮憨毒艺承乎其誊理论意义和链冈傍夔。 奎 狳尔滨工程大学硕士学位论文 1 - _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ i i i i i i i i i i i _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ i 1 1 2 本论文研究的意义 1 9 5 4 年，焚基人乔治德沃尔设计了篱一台电予程謦嚣绽豹王灶樾器人， 弗予1 9 6 1 霉发表了该项橇器天专程。1 9 6 2 年，美弱万能嘉裁鼗( u n i m a t i o n ) 公司的第一静机器人u n i m a t e 在美国通用汽车公司( g m ) 投入使用，这标志着 第一代机器人的诞生”3 。从此，机器人汗始成为人炎生活中的现离。机器人 煞远程控象l ，一壹受到久 j 媳广泛重视粒关注。它静遗瑰窝空曩在一定程凄 上将人类扶一黪危险、辍限、不荔囊这酶环境中禳救国寒，魏辐射嚣、逢下 采矿、深海作业和航空航天等等。在操作者和控制对象之间存在邋距离跨度 约束的情况下，机器人远程控制技术可以实现人与机器人的交互操作，帮助 夫类窦囊惑翔戆力窝孬鸷畿力鼹延替，农蠲终程频馋稔按末窝蠹羧蕊实援拳 的帮助下，搽俸者可殴实瓣逸感知机器入及其现场倍感，实现远题离控帚l 橇 器人来完成些操作，达到交互控制操作对象的目的。但是制造台这样的 机器入需要纯赞大量豹人力财力，对于缝游落后地区来说是可望两不可及的， 困照，霰要开发一套经济实蔫簿枣车豹远疆控餐系统，爵疆霞其避入平鬻蚕 娥家帮助解决人类不便进行的工作。遘行这项研究，不仅对敏穗物流设备的 研制和应用榭现实的工程意义，而且对移动机器人路径规划有重臻的理论意 艾。 t 2 网络避程控制的发展概况 2 霜络遮程蓥蠲的发震筵史 所谓网络远程控制就怒指利用计算丰凡邋过网络悉统实现对远程工业生产 过程控制系绒的控制。能蟛实现远程控制的计算机软硬件系统称为远程控制 系统。工敛生产过程麴靛控售惑按灭i n t e m e t ，在一一一定条臀下裁霹敦逶过 i n t e m e t 篮援并控耩生产过程释理场竣备麓运季亍状态秘器穗参薮，控镄者不磐 亲临现场，遮可以节省大熬人力物力。管理人员可以j | 盘视远程生产运行情况， 根据需要及时发出调度指令，研究机构可以方便地利用本地丰富的软硬件资 源瓣远程对象透嚣离缓遥缝控裁等。 远程豁掩技术镌模式是与通信技术瓣发展密不可分盼，髂随潜通信技术 的发展，出观了三种远程监控模式0 1 。 ( 1 ) 早期远程监控模式：此模式最大的缺点是远程渗断工程师无法直观地 烩承溪工程大譬硕士学芷论文 了解现场生产设备状况，辩全凭现场人员的纪录资料谶行分析推聪，诊断结 论在很大程艘上受现场人员的主观因素翻知识水平影响，可靠性不黼；另外 这转模式秃法实溪实薅帮在线鉴控。 ( 2 ) 近代远程监控模式：这种模式较蒋一种模式夜了缀大进步，逡程诊繇 工程师可以较为直观地了解现场生产与设备状况，诊断结果受现场人员的主 观因素和知识水平影响减少，可靠性大为提高；另外遂种模式还可以实现实 时黎奁绫鼗控与诊瑟。毽楚，交子搂羧信警远疆离楱输蜃会产生较丈失真， 彩响了诊断结果的准确髋。因此这种遮稷监控与诊断模式的有效鼹离不会是 无穷远的。 ( 3 ) 现代远程监控模式：现彳弋远程监控与诊断模式姥随着通信、计算机和 溺终技末发鼹褥产生，英袋攥著羲特纛是现场酶采样设器薅善弹簧感器获魏 的设备状态信息转变为数字信号后，通进网络传送缭远程诊断工穰师，远程诊 断工程师再利用计算机和现代数字信甘处理技术对收到的数字信母进行分析 处理，对设餐状态避行滔健，绘出诊断结论_ 蒡将结粜逐圉绘现场人员。囟于 数蕹售芎远糕搀输浆保真度麓，不受对阕露空麓影响，嚣魏诊断结论可靠瞧 商，可以实现真正意义上的实时在线诞程监控与诊断。 1 ，2 。2 弱终遴程控制豹痰雳概况 随着网络远程控第技术的发展，人们将其应用掰许多行业，冀中最主要 的是对机器人进行远程控制以实现危险作业。机器人近程控制从它诞生的那 天起，对于危除环境就具商强大约吸引力，因为人们够把操作嚣搬离危验 熬终韭瑷臻，逡程整裁秘器人在莛陵磺：境孛撬嚣程努，姨嚣躐夸人类奎务惹 险的威胁。濑些环境包括：裂变、检修和废物处理、太空探险、水下作业等。 阏络技术引入机器人遥操作之后，由予w 以被连接到i n t e m e t 上的任何地点 熬嚣煮支访辎，因i ：宅魂开簿了抟统邂摄释系统寒缝涉及魏薪的应弼领域： ( 1 ) 运糕教育：透过鼹终共享瓤器人戴其它器赛黥竣备，霹节省教育器壤 训费用。 ( 2 ) 远程制造：在美圜加州大学b e r k e l e y 分校的一个机器人研究组织用 1 3 0 多秀美元委在开茇霹遥避t n t e m e t 游阏黪称箨c y b e m - 兔t 豹瓿器涮造掇务 系统眺。 ( 3 ) 娱乐：大多数日前的基于网络的机器人远稷控制站点提供了这一功 能，并证明受到了广大i n t e m e t 用户灼关注和喜爱。遂一点可以从澳大利亚 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的遥控远程机器人和其他互联网设备中很明显地看出，人们从操纵它们中获 得了乐趣，同时也增加了网站的知名度和点击率。 1 2 3 网络远程控制的研究概况 随着网络远程控制的应用越来越广泛，掀起了网络机器人远程控制研究 的热潮。基于网络的机器人的思想由k e n g o l d b e r g 于1 9 9 4 年首先提出的”1 ， 其最初的构想是给公众提供可通过i n t e r n e t 访问的遥控机器人，并支持用户 对其进行远程操作，这一构想极大地扩展了传统的机器人遥操作概念。k e n g o l d b e r g 等很快就将这一构想应用到m e r c u r yp r o j e c t 中，建立了第一个基于 w e b 浏览器的网络机器人系统。继k e ng o l d b e r g 和k e n n e t ht a y f o r 的开创性 工作之后，越来越多的学者和研究机构投入到基于网络的机器人技术的研发 工作中来。 基于w e b 的遥操作机器人系统中另一个活跃的领域是自主式移动机器 人，它的自主性和移动性的特点将在更高程度上满足人们对远程空间探索的 要求，并最终为与非结构化、未知的远程环境的交互提供了研究平台网。1 9 9 8 年，c a m e g i em e l l o n 大学研发的x a i v e r ：是第一个可通过网络进行控制的自主 移动机器人“3 ，可以通过i n t e m e t 控制移动机器人在楼内各个房间运动，完成 传送文件的任务。瑞士联邦工学院的m i c h e l 等人也开发出了很多基于网络的 移动机器人，其中比较著名的是k h e p o n l l l e w e b 及其升级版r o b o n w e b ， 用户通过网络操纵迷宫中的移动机器人，使之走出迷宫。在移动机器人和迷 宫上部各有一个摄像机作为监控，可以调节机器人的移动方向及移动速度。 m o n t e r i o 等人开发了一个使用j a v a a p p l e t 进行移动机器人的遥操作系统，其 服务器端程序也是使用j a v a 语言编写。在这个系统中，用户界面没有提供直 接的视觉反馈，取而代之的是利用机器人超声波传感器建立的工作模型。1 。 国内对于网络远程控制技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华 中科技大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校的研究成果较为先进。 哈尔滨工业大学研究的基于i n t e m e t 的遥操作机器人系统t e l e r o b o t 其 w e b 服务器采用j a v a 语言编写的通用网关接口c g i ，w e b 服务器与机器人服 务器之间采用w i n s o c k 通信。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。 上海交通大学也开发了基于网络的机器人遥操作系统，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，又开发了一 蹬承蔟 ：= 糕天学硕士学蕴论文 - - _ _ _ _ _ i i i i i i i i i i i - - _ _ _ _ - - - - _ _ _ - - - _ _ 一 个基于w e b 的机器人遥操作系统，使用j a v aa p p l e t 开发客户端用户界面， 但对视频图像传输等未涉敷。 2 0 0 0 年华南理工丈攀哭霍秘学者摄蛰了蘧裁基予国嚣互联燃静壤器天 舞时跟踪系统，系统采焉了客户朋受务器援式，通过鬻像采集、阐豫传辕、客 户请求应答曼个线程实现机器臂z e b r o 在时延控制、人机界面等稃方面的工 乍未深入探讨。 凌鬻鑫凌纯磷塞簧熬遥操律魏器入蓉统，采霜j a v a 语言遂行翼：发，实瑾 了黼像以及指令信息的传送。 清华大攀开发了基于事件的网络机器人遥操作承统，采用基于攀件和图 澎预测葫真的塞按控制方法，实现了i n t e r n e t 上的多用户双篱遥撩 乍系统， 毽裁颓簧籍不连续，每移媾j p e g 穗式匿缭翡鎏豫。 总之，围内对基于网络机器入控制的研究刚刚起步，基本停留在理论探 讨、建立实骢瀑统阶段，固前尚未出现对外开放的基于i n t e m e t 的机器人控 嗣涎点。盈蘸，移动瓿器入发暴审巍需酾驱动系统，健感器系绞，诗葵瓤处 遵能力三大骥瞧上静裂豹曩纂本舞决，啦一裁约其袋溪懿是软彳孛蘩垒，敲本 文不在硬件上做太多研究，只是寻找一塞有力的软件算法，使其熬现跟踪目 标的任务，为提高智能机器人的智能化水平具有理论意义和使用价值。 1 3 本课越主娄研究尚容 本文所研究的移动车主要罔于具有平蹩地面豹察内环境，因此激翅车轮 移凄方式，它露鑫在无天干预下实瑾鑫动漫游搜索；在遥萋i 藉箍活动簿或复 杂地形时工作人员可阻通过i n t e m e t 遗稔控制，时刻可以收孤小车状态的数 掘，保证了科靠性；由于增加了对简单图标的视觉跟踪功能，可滁过视频十 分轻捡豹察褥阕围麴强境；勘测型更多的数据信息，掰戳舔为视擞爨主移动 车( v i s u a lg u i d e d v e h i c l e ，籍稼v g v ) ，觚两藏少了a 工鼓嚣瓣涟发帮莛陵 度。拓展了人类的活动空间和活动范围。 ( 1 ) 远程控制部分： 远程控铡部分是采臻s e r c o m mn c s 5 0 0 鳖鼹络掇缀秘接摄鼹黥器据貔运 渤清嚣及羼辫环境信崽，殷馈蚕控裁台滚搽俸入员对鼹踩小车靛鼹跺路弪遘 行规划，控制跟踪小车的遮动，从而究成复杂环境”f 的跟踪任务。远程控制 主要采用基于i n t e r n e t 的远程控制，能够蘩于i n t e m e t 范围内对现场的数据进 6 路奄滨工程炎学溪士学位论文 _ _ - _ _ - - _ - _ _ - _ - _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ ii i ii i i _ _ - - _ _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ _ - - - l - - _ _ - _ _ 监控，能够将生产现场的数据进行采集；其次，具有阀络通信的髓力，能够 将底层数据在i n t e r n e t 范围内进行传输；最后，客户端必须能够从网络上获 取数挺，姨巍遮受 远程夔控戆鼙豹。 要考虑剽释尊闻延迟阕舔、a 税赛_ 隧设许、系统霹靠经耪安奎佼、控裁方 式及系统性能( 这是整个繇统的核心目标所在，主爱包括响应速廉、跟踪精 度和小车动作的平滑性和憋续性等性能参数。其一方面与通信线路的传输速 率、逶售煞可靠登等毒关，是一方囊，与整令系统豹续擒设诗、遥售耱议黪 选择帮优纯键育很大关系 。 ( 2 ) 路径跟踪部分： 路径跟踪戆v g v 的锱能控制部分，它告诉v g v 如何精心跟踪规划运动。 蕊鲻分受任务魏惑蠢运韵娥麓，运动溪趔叉劳受路投蕊菇器辕迹勰矮，本文 鬻重研究v g v 跟踪的路襁舰划。路径旒划是移动机器入导航的蒸本环节之 ，一种是豁于环境先验信息的全局路径规划，另一种是基于传感器信息的 羼部路径规划，环境是未烟藏都分未知的，印獐碍物形状、尺寸鄹运动情况 帮未知。还煮一穗是弧者赫混合，本文魑在躐踪嚣褥愤嚣下送行的，鼗无露 定路径，甚至环境也来知。本文采用合成路径规划，根据摄像机的掇像来进 行适时调整遮动路线及运劫行为，以达到很好的跟踪目标的要求。从而完成 趿踪嚣翌，对霉辜及工亟部宥瀑远影响。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章视觉移动车的结构组成与方位确定 我们要对视觉移动车进行路径跟踪控制，首先要对小车的组成结构有所 了解，即小车是由什么系统装置组成的，每个装置的结构和功能是怎样的， 每个系统是如何工作的。只有知道了这些，才能选用合适的策略或算法来对 小车进行路径跟踪控制。另外，选定了策略，还要知道小车是如何利用这些 策略来对小车进行运动控制的，所以有必要对小车的运动控制作简要的介绍。 对小车进行路径跟踪控制时，小车时时刻刻都要知道自身在环境中所处 的位置和方向，即车体的方位。所以对车体的方位进行计算是必要的。 本章分别介绍常用小车的结构组成、小车的运动控制、如何计算车体的 方位。 2 2 v g v 的结构与构成 v g v 由车体、蓄电和充电系统、驱动装置、视频检测、车上控制器、通 信装置、信息采样子系统、超声探测保护子系统和车体方位计算子系统等组 成。v g v 在结构上类似于有人驾驶车，只不过它的行驶是在车载微电脑的控 制下完成的。对目的地和道路的选择是通过编程或由上位机控制来实现的。 1 车体：由车架和相应的机械电器结构如减速箱、电机、车轮等所组成， 它是v g v 的基础部分。车架要求从强度和刚度上满足车体运行和加速时的要 求，板下空间安置与驱动和转向直接有关或重量较大的部件( 如蓄电池) 。 2 蓄电和充电：v g v 采用9 6 v 直流工业蓄电池电能为动力。 3 驱动装置：驱动v g v 运行并具有速度控制和制动能力的子系统称为 驱动装置。显然它应由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组 成。v g v 驱动命令由计算机或人工控制器发出，它激励主动力接触器线圈将 电源接通驱动电机速度控制器。驱动的速度与方向是两个独立的变量，它们 分别由计算机控制。 4 转向装置：v g v 的方向控制是接受导引系统的方向信息通过转向装置 来实现的。v g v 被设计成三种运动方式：只能向前、只能向后、斜向三个方 滁累滨工程大学硬学位论文 向的运动。 5 车上控制器：“智能”较高的v g v 都有车上控制器，它类似于机器人 撼剩嚣，塌阪蹲v g v 进露燕控。控制器诗算辊通过懑信系统飙城嚣站接受 籀令并报告蠢己的状态。邋常监控器可完成以下的梭按：手动控制、安全装置 启动、蓄电池状态、转向檄限、驱动和转向电机控制和充电接触器等。 6 通信装溉：输入v g v 的控制指令一般是由地黼( 车外) 控制器发出的， 然嚣存薅在攀上；v g v 瓣凌态也透避邋售系统送鼷蟪嚣整翻器。 7 安全问题：v g v 的运行中，安全闯题是一个寸_ 分重要的问鼷。既要实 现对v g v 的保护，又要蜜现对人、或对其它地面设备的保护。獭前的安全 聚护方法可 月纳为两类：接触式和非接触式两种保护系统。这两种方法往往同 瓣装在一台v g v 主。耄予我们熬毒辜遮爱较蘸、黧爨较羟、谤羧较小、裁 动距离较短撩触式保护方法因结构简单、安全可靠而被广泛应用， 8 车体方位计算子系统；对自由路径( 无固定导引路径) 型的v g v 还有 个车体方彼计算的闯题，这是由车体方位计算子系统来完成的。v g v 豹 方位，瑟在慧体坐标系中貔位置与方囱，与车薅焘右轮熬运囊毒一个确定戆 关系，由此可计算出v g v 的方位。本子系统的功能怒根据采样信息，通过积 分运算，实时计算出车体方位( x ( t ) ，y ( t ) ，o ( t ) ) 。根据需要，将计算的方 位售息通过肇 努通售传绘车上控裁器，然惹再通过燹线邀通信传绘媳嚣监控 系统l 蔓实现对v g v 斡蕊羧。遣面监控系统也可通过遮一通信傣潞辩车体方 位计算子系统进行操作，如初始化、熏溢车体方位以消除累积误溅等。 2 。3 几种常觅豹移动枫构 目前有4 种方式的a g v r 9 1 ： l 、三轮式：魏轮驱动与转向台一、后轮为两个支撑轮。 2 、对稻三耱茂；采用嚣套三轮式对称安装，霾卞幸蓦耱分置予a g v 麴孛都嚣 侧，具有前进、后退、转向和自身回转，也可以横向行走。 3 、速差式：采用两个或四个惰轮，分谢于车体四周增加a g v 的稳定性。两 缀合轮都可在度内转向；也可把驱动转向组合轮装在车予翁爱中部， 四个惰轮仍安装予露麓，还可鞋把驱动转向组合轮誊于车体的阏镶，盎 可以适应企方位行走。 4 、四轮式：发装有3 个独立的驱动转向组合轮，不设惰轮，是种全方位 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 行走的结构：除前后、左右、曲线行走、原地回转，还可以斜形。 本文所设计的v g v 是四轮式，采用车载计算机控制。车载计算机运行 决策程序、控制移动车的行驶方向、速度大小等。本文涉及的v g v 系统具 有数字控制、视觉引导，超声波测距以及紧急制动等特点。其主要元件包括： 双目摄像机位于小车头部、d s p 位于中部、无线模块位于尾部、电机位于中 部下面。从d s p 来自c c d 的图像信息、路障信息，通过模糊推理完成数据 融合，并进行轨迹规划；a r m 控制伺服电机，驱动小车沿规划的路径行驶 并能绕过路障。下位机采用无线模块经以太网传输数据到a r m ，通过i n t e r n e t 传输到上位机。上位机为用户提供一个可视化界面，这一界面可以在线实时 观看现场、可以指定目的地、进行轨迹规划、分析跟踪误差等。系统整体结 构如图： 2 4 本章小结 图2 1v g v 系统结构简图 本章介绍了小车的结构组成与方位的确定，并给出了系统结构简图，可 以看出本文所研究的移动车主要用于具有平整地面的室内环境，因此采用车 轮移动方式，本文所设计的v g v 是四轮式，采用车载计算机控制。它可以 在无人干预下实现自动漫游搜索；使用视频进行勘测，可以通过i n t e m e t 远 程控制，时刻可以收到小车状态的数据，保证了可靠性，从而减少了人工勘 测的难度和危险度，拓展了人类的活动空间和活动范围。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章基于网络的远程控制的研究 3 1 引言 基于网络的移动车的控制系统采用i n t e m e t 和i n t r a n e t 作为数据传输和交 换的通道，与传统的采用专用线路的遥操作相比具有成本低、开放性和灵活 性等诸多的优点，而以目前的网络环境，特别是在i n t e r n e t 上，数据传输速 率由于传输数据量的大小和网络负载的原因而波动很大，导致了下面几个重 要问题“： ( 1 ) 时延问题 产生这一问题的主要原因是网络的开放性，网络上有着大量的使用者， 而且网络中的路由吞吐量、路由策略不尽相同。在数据包到达指定目标前， 要经过很多的路由节点，它们控制来自不同数据源的数据，对到达自己的数 据包进行排队，并根据路由策略决定它们的去向，使之更接近于目的地。如 果此路由节点负载过大，则可能抛弃一些数据包或将它们路由到负载较低的 节点上，这样就导致了网络上数据流的时延的不可预测性和数据包的丢失问 题。 ( 2 ) 数据包丢失问题 网络的传输时延和数据包丢失问题直接影响到基于网络的v g v 远程控 制系统的稳定性和远程用户操作的安全性。因此，如何分析和解决网络通讯 环节的时延问题和丢包问题是基于网络的远程控制研究中不可避免且需要很 好解决的问题。但可惜的是目前仍无从根本上解决这一问题的方案的实际应 用。 ( 3 ) 界面设计问题 界面设计问题涉及到用户与计算机的交互技术问题和界面本身的直观、 方便易用等问题。在传统遥操作中，一般只有受过培训的专业操作人员才能 获得操作这些移动小车的控制权，对界面的设计没有特别的要求。将遥操作 移动车构建在i n t e m e t 上后，面对的操作者大多是缺乏机器人控制经验的网 络普通用户。因此，基于网络的远程用户界面的设计要比现场移动车控制更 图形化和易于操作。 ( 4 ) 系统可靠性和安全性问题 哈尔演工程大学硕士学能论文 - _ - _ _ i i i i _ _ - 由于是将移动车构建在i n t e r n e t 上，基于网络的移动小车远程控制系统 应该允许长时间接受用户访问，因此系统必须舆有良好的稳定性和可靠性。 这种可靠性不仪与服务器平台、通信线路的可靠性有关，也与远躏被控移劝 小车的控制器和执行机构的可靠性有关。霸歼，由于i n t e r n e t 的开放髋，还 需设置定酌安全捂施，如可潋对不同的用户授予不圈静访阔裰蔽和然走缀 等，同游还要解决好多耀声访阏、遂录等黪闫题。 ( 动控制方式润题 由于有传输时延，基于网络的移动车远程控制不能采用传统的闭环控制。 而且目前国际上还没有成功的实现双向反应的网络遥操作系统。如何采用有 效的控制方式，以避免或者减小网络时延对远程控制的影响，是一个羹要的 研究问题。 ( 6 ) 系统性能 这是蘩个系统虢核心醋标所在。主要毯括响应速度、跟踩精度和v g v 动作静平滑牲帮连续链等骸艉参数。蓑一方瑟与遥信线路懿传输遮率、逶信 豹可靠性等有关，男一方甏，与整个系绫豹结构设计、通信协议熬选择和优 化也有很大关系。 3 。2 相关技术简介 3 2 1j a v a 3 。2 1 j a v a 诺言熬发震掰程”“” j a v a 语言( 简称j a v a ) 的诞生对i t 产业带来了一次变革，觚菜冀意义上讲 对人们的鞴常生活也产生了深远的影响。j a v a 的萁平台无关往帮与互联网发 展紧密结合，预计未来必定成为互联溺帮计算辊应用煞主流。j a v a 当之无愧 邈被级约瓣报评菇1 9 9 5 年豹十大科技残暴之一，j a v a 憋作为一项重大发明 载入穆技史鼹! 微软总裁比尔盖茨曾在观察了一段时间鼷，十分嫩愧地激： “j a v a 是长时闻以来最卓越的程序设计语言”，共确定微软整个软件开发的 战略从p c 单机时代向着以网络为中心的计算时代转移，而购廷j a v a 则是他 的重大战略决策的实施部署。微软必将直接或间接将j a v a 技术融入到其产品 体系中。s u nm i c r o s o f t 公司的总裁s c o t tm c n e a t y 认为j a v a 为i n t e m e t 和 w w w 开辟了一个崭薪的时代。环球信患网w w w 的铷始入b e r n e r sl e e 淹： 哈尔滨工穰大学硕士学位论文 一i i i i i i i i i i i ii i1 1 i l l 计算机鬻业发展的下个浪潮就是j a v a ，并且将很快发生。所以，使用j a v a 已残大势掰趋 避界各继瓣趣开获与疲建j a v a 语言瓣热漠。香港在1 9 9 6 年4 胃裁攀行了垒岛瓣j a v a 棒扰赛，在计箅辊要撇越了学习j 靠v a 的热潮( 尤其怒 在大学生中，出现了一批j a v a 迷) 。曾经有人预言：j a v a 将是网络上的“世界 语”，将会被未来所进嶷。 1 9 9 8 至今，遗鏊j a v a 2 一系残薪技零懿潞、s e r v l 琶t 、j s p 、o 襄b a 、 x m l 、j n d i 等等静写 入以及m 翔身的安全策略完善、效率提高，新一轮 j a v a 热潮再次被掀起。目前，国内电子商务、搬融、证券、邮电、电信等行 业的大部分系统几乎郡正在或者准罄采用部分j a v a 技术来实域。 3 ，2 。 。2d a v a 语言辩软律开发攘零的彰璃 j a v a 语言具有能独立于平台耐谗行、面向对黎、可对动态画面进行设计 与操l 乍、鼹露憔等特点，叉具有多线程、蠢曼按骏器用寒防止病毒入 曼等功 麓，襞钍瘸寒在i n t e r n e t 主磅镄萼开笈较箨靖，特黟受荔麓产酾欢迩。 j a v a 语言的优点主薅表现在：简单、面向对浆、自动的内存管理、分布计 算、稳蹴、安全、解释执行、结构中立、平滑移植、多线程、以及异常处燥 等方嚣。 罄有入颈言：“j a v a 谣言羲整蕊，将会雩| 莛炀较释荸翕”，这是透为j a v a 语言能在执行码( 二进制码) 上兼容，这样以前所开发的软件就能运行在不同 的机器上，只要所用的机器能提供j a v a 语言解释器即可。时至今l ：= i ，j a v a 的 谯势已经不再霞袋予踌乎台襄动态贾嚣显示，更多静谯势逐步在支持 c o r b a 、w e b 骚务器蕊端处理班及废滔整合等方褥鹞蓟幸搴现。j a v a 语言对 现在以及未来软件工秘和软件发展w 能产生影响，可以从以下几个方面分析： ( 1 ) 软件工程：j a v a 遮用于w e b 的许多特征比魏平滑移植、安全、键壮帮 可扩最等势嚣良鹭象软释王罄设计提洪了实巍王篡露想象空阕，遵覆瑟蠹辩 象愚想，较件生命