（通信与信息系统专业论文）基于internet的远程控制机器人系统研究与设计.pdf

摘要 摘要 基于i n t e m e t 的远程控制机器人系统结合了传统的机器人控制技术和先进的 网络通信技术。它可以被应用于危险环境下的远程作业、远程医疗、远程教学、 远程监护以及传统生产模式的改造等众多方面，具有广阔的应用前景。因此，基 于i n t e n l e t 的远程控制机器人系统的研究成为当今世界的一个前沿课题和热门问 题。 本文围绕基于i n t e m e t 的远程控制机器人系统这一主题进行了以下方面的研 究工作。第一章阐述了本课题的研究背景及意义，同时就目前国内外在基于 i n t e 加e t 的远程控制机器人系统方面的研究现状做了介绍，并分析了网络控制机 器人的关键技术以及目前用于解决此技术问题所提出的方法，基于以上的分析提 出了本课题的研究内容。第二章主要对基于i n t e m e t 的远程控制机器人系统进行 了整体规划，并在功能需求分析的基础上提出了智能化、透明开放、以人为本的 设计思路。第三章设计与实现了网络控制机器人系统的c s 模式的i n t e m e t 网络 通信程序。第四章设计并实现了基于i n t e m e t 的网络控制机器人的控制模块和现 场服务器之间的无线通信。并且根据系统的实际情况选择了具体的通信方案，然 后针对选用的无线通信模块n i 心2 4 e 1 完成了硬件和软件设计，包括电路图、通 信协议、控制算法以及程序实现，最后还对系统的性能在理论和实验上进行了评 估和测试，证明了系统的可用性。第五章主要阐述了本系统除采用机器人视频图 像的实时编解码外，还采用了虚拟现实的方法，直观的将控制对象的位置和姿态 等信息直观胸显示给操作者，增强了控制系统的临场感。第六章主要是根据本系 统的情况制定了适合于本系统的访问控制策略，为了实现用户登入验证程序对用 户的合法性进行验证，以及确定用户的权限，文中在s u a lc + + 中设计实现了 a d o 数据库访问技术。然后根据网络通信的原理，实现了服务器端的程序设计。 本系统为基于网络的远程控制机器人研究提供了一个真实的实验环境，并为 相关技术的研究提供了一个理想的平台。文中还总结了该平台的优缺点，并探讨 了今后的研究方向。 关键词：互联网，机器人，远程控制，无线通信系统，访问控制 a b s t r i c t a b s t r a c t t h ei n t e m e t - b a s e dr e m o t ec o n t r o ir o b o ts v s t e mc o m b i n e st r a d i t i o n a lr o b o t c o n t r d lt e c h n o l o g ya n da d v a n c e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c l m o l 0 2 y i tc a nb eu s e d i n r r 磁n yf i e l d s ， s u c ha s w o r k i n g i n d a n g e r o u se r l v i r o 啪e n t ，t e l e m e d i c i n e ， l o n g d i s t a n c ee d u c a t i o n ，t e l e m o n i t o r i n ga n dt h ea l t e m a t i o no ft h et r a d i t i o n a lm o d e s o fm a n u f a c t u r i n g ，a n ds oo n t h e r e f 0 r e ，t h er e s e a r c ho fi n t e m e t i b a s e dr e m o t ec o n t r o l r o b o ts y s t e mb e c o m e sal e a d i n ge d g ei s s u e sa n dh o tt o p i c si nm ew o r l d i i la c c o r d a n c ew i t ht h es u b i e c to f “i n t e m e t - b a s e dr e m o t ec o m r o lr o b o ts v s t e m ”， t h i sa l t i c l ed i d t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e a r ei n t r o d u c e di nt h ef i r s tc h a p t e r w h i l ep r o v i d i n ga th o m ea n da b r o a do nt l l e i n t e m e t b a s e dr e m o t ec o n t r o lr o b o ts y s t e mo fr e s e a r c hd o n eo n 也es t a t u sq u o 。b y a n a l y z i n gt h ek e yt e c l l i l o l o g yo fn e t 、v o r kc o n t r o lr o b o ta r l dm e t h o d sa r eu s e dt o r e s o i v et h et e c l u l o l o g yp r o b l e m s ，w ep r o m o t et h er e s e a r c hc o n t e n to ft h j si s s u e c h a p t e ri ig i v e sa no v e r a l lp l a r m i n gf o r 也ei 嫩e m e t - b a s e dr e m o t ec o n t r o lr o b o t s y s t e m ，a n do n 也eb a s i so ff u n c t i o n a ld e m a n da n a l y s i s 、v eb r i n gf o n a r d t 1 1 e i n t e l l i g e n t ，t r a n s p a r e n ta n do p e n i n gu p ，p e o p l e o r i e n t e dd e s i g ni d e a s c h a p t e ri i i d e s i g i l sa n di m p l e m e n t st h ei n t e r n e tc o m m u n i c a t i o np r o g r a mo ft h en e t w o r kc o n t r o l r o b o ts v s t e mo fc sm o d e l t h ew i r e l e s sc o n l m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r 0 1 m o d u l eo fi m e m e t - b a s e dn e t w o r kc o n t r o lr o b o ta n do n s i t es e r v e ri sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e di nc h a p t e ri va n di na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t n a ls i t u a t i o no ft h i ss y s t e m w ec h o o s eas p e c i f i cc o m m u n i c a t i o ns c h e m e s ，a n dt h e nc o m p l e t et h eh a r d w a r ea n d s o r 、) 帽睇d e s i 2 no ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l en r f 2 4 e1 ，i n c l u d i n gc i r c u i t d i a g r 锄，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，a i g o r i m m sa n dc o m p u t e rp r o g r a m s a n di nt h e e n d ，t h ep e r f i o r m a n c eo ft h i ss y s t e mi nt h e o r ya n de x p e r i m e n ti sa s s e s s e da n dt e s t e d w h i c hp r o v e st h es y s t e ma v a i l a b i l i t y c h a p t e rvn o to n l yi l l u s t r a t e st h er e a l t i m e v i d e oi m a g ec o d e c s ，b u ta l s og i v e st h em e t h o do fv i r t u a lr e a l i t y t h ep o s i t i o na n d g e s t u r e so ft h ec o n t r o l l e do b j e c ta r ed i s p l a y e dt ot h eo p e r a t o ri n t u i t i v e l y ，e n h a n c i n g t h et e l e p r e s e n c eo ft h ec o n t r o ls y s t c m a c c o r d i n gt ot h es y s t e mi n s t a n c e ，t h ea c c e s s c o n t r 0 is t r a t e g yo ft h es y s t e mi sd e v e l o p e di nc h a p t e rv i i no r d e rt oa c h i e v eu s e r s s i g ni nt h ev e r i f l c a t i o np r o c e s st ov e r i f yt h el e g i t i m a c yo fu s e r sa n dd e t e r m i n et h e u s e r sp e m l i s s i o n ， t h et e x td e s i g n sa 1 1 di m p l e m e n t st h ea d 0d a t a b a s ea c c e s s t e c l m o i o g yi nv i s u a lc + + b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fn e t w o r kc o m m u n i c a t j o n s ，t h e s e r v e rp r o g r a mi sp r o g n u 啪e d t h i ss y s t e mp r o v i d e sar e a lt e s te n v i r o n m e n ta n da ni d e a lp l a t f o r mo fr e l a t e d t e c h n o l o g ys t u d yf o ri n t e m e t b a s e dr e m o t ec o n t r o lr o b o tr e s e a r c h t h ep a p e ra l s o s u m su pt h ea d v a j l t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fm ep l a t f b n i l ，a n de x p l o r e st h ed i r e c t i o n o f6 m er e s e a r c h k e yw b r d s ：i n t e m e t ，1 e l e m b o t i c s ，w i r c l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a c c e s sc o n t r o l i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：幽 作者签名：! ：竺_ i 2 一，矿莎年乡月；f 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本文研究的背景、目的及意义 信息技术是当今高新技术发展中的主流技术之一，它的发展对其它技术的发 展产生了极大的影响。机器人技术借助信息技术而发展，同时机器人技术也会对 信息技术的发展产生推动作用。网络控制机器人这一新概念的提出以及利用先进 的网络通信技术发展网络控制机器人就是很有说服力的例子，这两者的结合是必 然的发展趋势。 随着机器人技术和网络技术的发展，国内外越来越多的科研力量将注意力投 向了网络机器人这一新兴的交叉学科，其中集成的网络技术、通信技术、嵌入式 系统的开发技术以及智能控制的技术都是极具应用和发展前景的。本系统的研发 塑选才，除了可以继续原来进行的嵌入式系统开发和无线通信方面的研究工作之 外，还可以将前期内容在网络环境下进行纵深研究，充分汲取国内外先进的研究 经验和研究成果，并在此基础上开发基于网络的机器人远程控制系统的体系结构 和设计方案，整合和共享现有的资源，为后面的机器人技术、网络技术和视频压 缩等技术的研究提供一个相对开放的实验平台。 研究基于i n t e m e t 网络控制机器人的主要意义在于： ( 1 ) 利用网络实现对移动机器人的控制，是增强移动机器人与人之间的交互性 的一种手段，实现网络控制机器人也是机器人发展的一个方向； ( 2 )就目前移动机器人的发展水平来讲，要对移动机器人实现完全的自主控制 是有一定困难的，即使如今世界上最先进的机器人，它所能独立完成任务 的能力与入的能力相比还是非常有限的。因此，需要一种既方便又经济同 时有人类参与其中的办法，以完成更加复杂的工作。而如今i n t e m e t 发展 非常迅速，利用i r l t e m e t 能以最小的代价来实现目的。 ( 3 )利用i n t e m e t 实现对移动机器人的控制，是人能够与远处真实世界实施良 好的交互作用，从而大大延伸了网络的功能，将互联网的应用扩展到一个 全新的领域。 与此同时，移动机器人从它诞生的那一天起，对于危险环境下的作业设备的 研制就是一项非常有吸引力的技术，它使得人们能够把操作器搬离危险的作业现 场，减小对人类生命的威胁。尤其在裂变、检修和废物处理，弹药处理和矿物清 理，太空探险、水下作业、搜寻和救护，以及医疗应用等领域有着突出的表现。 随着网络技术的不断发展，利用现有的网络条件，除了在原有的传统领域，还可 第l 章绪论 以大大开拓机器人应用的新领域，如远程教育、远程制造、娱乐、远程医疗，以 及面向日常生活应用的服务性机器人也在悄然盛行，如安全监视，以及远程护理 等。因此相信机器人与网络技术的结合，将给大家的日常生活水平的提高带来更 美好的前景。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究的现状 基于i n t e m e t 的远程控制机器人系统的思想是由美国加州大学伯克利分校的 k e ng o l d b e r g 于1 9 9 4 年春首先提出的。其最初的构想是给公众提供可以通过 i n t e m e t 访问的遥控机器人，并支持用户对其实施远程操作。这一构想极大扩展 了于5 0 年前提出的遥操作概念，它使得全球的网络用户都可以通过h t t p 提供 的低成本且被广泛应用的接口来访问并共享远程资源。k e ng o l d b e 唱很快就将这 一构想应用到m e r c u r yp r o j e c t 中。因此，m e r c u r yp r o i e c t 是第一个基于i n t e m e t 的远程机器人控制系统。在这个站点上，用户通过远程控制一台配备了c c d 摄 像头和气囊系统的i b ms c a r a 型机器人，在装有沙子并埋有人造物的半圆形工 作空间里实施发掘工作。1 9 9 5 年m e r c u r yp r o j e c t 被t e l e g a r d e np r o j e c t 所取代， 新计划中仍是采用装有c c d 摄像头的机械手复合其它机构通过i n t e m e t 给网络 用户提供远程培植操作，如图1 1 所示。 图1 1m e r c u r yp r o j e c t 遥操作系统 几乎同期，西澳大利亚大学k e r u l e t ht a y l o r 等人研发的安装有固定摄像头并 具有六自由度的机械手臂a s e ai r b 6 的机器人t e l e r o b o t ，它支持网络用户在工 作空间中实施用积木建造复杂建筑的操作。t e l e r o b o t 是早期基于i n t e m e t 的远程 机器人控制系统的典范。用户可以填写h t m l 表单，在反馈的机器人工作区图 像上直接点击，高级用户还可以输入系列连续的移动指令，以向机器人发送请求 指令，控制机器人的移动，并在机器人完成任务时，返回当前位置的不同角度的 图像，如图1 2 所示。 2 第1 章绪论 图1 2 西澳大利亚大学的t e l e r o b o t 遥操作系统 图1 3t e l e g a r d e n 遥操作机器人 3 第1 章绪论 在k e ng o l d b e 唱和k e n n e t ht a y l o r 的开创性工作之后，越来越多的学者投入 到基于i n t e m e t 的机器人技术的研发工作中来，更多有创意的网络机器人站点也 相继出现在i n t e m e t 上。例如：英国b r a d f o r d 大学的远程机器人望远镜系统；南 加州大学可播种和浇水的远程花园t e l e g a r d e n ( 如图1 3 所示) ；澳大利亚 w b l l o g o n g 大学拾取木块的r o b o t y ；德国以“h a i l o i 塔”方法搬运木块的n e t r o b o t ： 加州大学b e r k e l e y 分校的p r o p ( p e r s o n a lr o v i n gp r e s e n c e ) 等等。n a s a ( 美国 航空航天局) 的一些专家开始研究通过i n t e m e t 对空间飞行器实施遥操作的可行 性。 其中，基于网络控制的移动机器人正是研究的问题之一，比较著名的移动网 络控制系统有瑞士联邦工学院的k h e p o n t h e w 曲；美国的c a n l e g i em e l l o n 大学 的x a v i e r ，德国b o 肌大学开发的用于博物馆导航的r h i n o 和m i n e r v a 等。 瑞士联邦工学院的k h e p o n t h e w 曲，是第一个具有代表性的基于i n t e r n e t 的 远程自主式移动机器人系统，其采用了典型的网络浏览器方式，系统组成如图 1 4 所示，它是一个大小只有直径5 5 m m ，高度3 0 m m ，采用直接控制方式的网 络移动机器人。浏览者通过网络不仅能够观察到机器人的运动图像，而且可以控 制机器人的移动方向和移动速度。 一。融 、夕 一 ： i h h l f s hr h r 口ls l u p 图1 4k h e p o n t h e w e b 的网络处理原理简图 图1 5 x a v i e r 外观图 1 9 9 6 年美国c a m e g i em e l l o n 大学开发的x a v i e r ( 如图1 5 ) 是第一个可通过 4 ， ，r 、 i 盘荫黪 第l 章绪论 网络控制并运行于复杂办公环境的自主移动机器人，它也是目前可通过曲浏 览器访问的最复杂的自主式移动机器人，它具有定的智能规划能力，可自行规 划从大楼里当前位置到达指定位置的路径，用户通过网络可以给机器人指定办公 投递任务，并监视机器人的工作状况，是一种典型的监督控制方式。 德国b o n n 大学开发的r h i n o 和m i n e r v a ( 如图1 6 ) 都是导游机器人，它们 可以带你游览博物馆，向你解释你所看见的和向你提供你想了解的深度信息，并 且能够在i n t e m e t 上对它们进行控制，以及通过它们身上安装的摄像机观赏博物 馆。 图1 6m i n e r v a 的示意图 此外还有由加拿大的r y e r s o np 0 1 y t e c l l n i cu n i v e r s i t y 计算机科学学院 n e t w o r k c e n t r i ca p p l i e dr e s e a r c ht e a m ( n c a r t ) 制作的m a x 等。 1 2 2 国内研究现状 在近几年我国的网络控制机器人研究逐渐广泛起来，并取得了一定的研究成 果。如中科院自动化研究所、清华大学、哈尔滨： 业大学、上海交通大学、国防 科技大学等国内高校和科研院所都已开展了基于i n t e m e t 的远程控制机器人系统 的研究。 中科院自动化研究所研发的c a s i a i ( 如图1 7 ) 是集多种传感器、视觉、 语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。与此同时它也提供网络控制的方 式，用户可以通过i n t e m e t 和网络与它取得联系，最快速的从遥远的异地获取机 器人所处地点的环境信启、并进而帮助它作出运动和控制的决策。 图1 7 中科院自动化研究所的c a s i a i 图 5 第1 章绪论 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 ( 如图 1 8 ) ，它采用由i n t e m e t 服务器和机器人服务器构成的双层服务器结构。该系统 可以使得用户通过w 曲浏览器对一台p u m a 5 6 2 机器人进行控制，完成抓取、 搬运、堆放等操作。其w 曲服务器采用j a v a 编写的通用网关接口c g i ，w 曲服 务器与机器人服务器之间采用、矾i l 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。 霉户l 寡户一 h _ 曩鲁叠 1r 。一 h 戳i 量d | 目嚯序 j ii 墨：工 二h ! 竺竺：! ： i r - - l 一 k _ | 用户t 卑 哑挈酬粼 ：瞎l 茎 图1 8t e l e r o b o t 两层服务器结构 上海交通大学也开发了基于网络的机器人遥操作系统，被控机器人是一台 a d e p t 6 0 4 一s 型工业机械手。机器人服务器、图像服务器和c g i 程序用v b 开发， 它们之间的通信通过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，开发人员对这个工 业机械手又开发了一个基于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及。 总之，国内对基于i n t e m e t 的机器人控制正 处于实验室阶段向实际应用阶段的过渡时期。 很值得一提的是，2 0 0 3 年9 月由中国人民解放 军海军总医院神经外科中心和沈阳医学院附属 中心医院联合完成的一例远程遥控机器人立体 定向神经外科手术( 如图1 9 所示) ，在北京通 过6 0 0 公里以外的沈阳一家医院里的机器人进 行了颅腔穿刺手术。 6 图1 9 远程控制机器人手术 第1 章绪论 1 3 基于网络的远程控制机器人系统的关键技术 对于远程控制机器人系统来说，要通过它实现对目标机器人的远程控制，最 重要的一点就是建立一个快速、稳定、可靠的数据通信系统，使其在远程控制系 统的各个组成部分之间建立通信关系，并通过i i l t e m e t 接通远程网络，利用公用 数据网络丰富的软硬件资源，实现实时控制。 i 3 1 网络通信技术 当涉及到网络时，很多问题就会出现，因为在网络上不可避免的存在着数据 包的延迟、丢失和失序、网络带宽限制和延迟抖动等问题。其中，在网络远程控 制中，最可能出现下列问题： 一、可靠性问题 在基于i n t e m e t 的远程网络控制中，控制命令能否通过i n t e m e t 准确地 传达及控制结果能够准确的返回都十分关键，而i i l t e m e t 是一个非常复杂的网络， 因此很难保证数据传输的过程中不丢失。建议采取对策为：网络通信平台具有高 可靠性，通信平台的每个环节都要有高可靠性，主要设备和主干线路要有冗余， 路由能自动迂回，传输可靠性要高，整个网络方案选用高可靠性的网络设备，并 在设计上从物理层、链路层到网络层均采用备份冗余式的设计，保证了网络的可 靠性。软件上，在通信时加强加密和校验，同一数据采用多次发送等方法提高可 靠性。 二、安全性问题 在基于i n t e m e t 的远程控制系统中，一方面要保护控制系统的w 曲服务器 不被攻击，另一方面要准确确认控制者的身份，以保证通信数据不被人窃取。 i n t e r 鹏t 的应用越来越广泛，其安全问题也越来越突出，解决方法也各种各样， 到目前为止还没有彻底的解决方法，我们只能做一些有效的防护：( a ) 加装防 火墙，保护控制系统的w r e b 服务器。( b ) 采用适当的加密方法，对传输数据进 行加密。( c ) 加强身份认证，防止有非法用户盗用身份进行控制。 三、实时性问题 i m e m e t 上远程控制的实时性受到一定的限制，因为它对控制指令有一定的 响应时间。响应时间除与网络速度、传送的数据量、控制程序响应时间和控制局 域网时延等有关外，还与其传输所采用的t c p i p 通信协议密切相关。t c p 协议 是可靠性的传输协议，如果在i n t e m e t 上向另外一台计算机发送一个数据包，可 以确信能够被准确的送达目的地，但不能得到数据包在特定的时间内送达的保 证。事实上，数据包在到达目的地前延时数小时或者数天，在理论上都是可能的。 在一般的情况下，如果控制双方的数据量不是很多，网络的实时性可以得到满足。 7 第l 章绪论 但在网络通信繁忙时，实时性很难得到保证。 四、通用协议的问题 实现一个基于i m e m e t 的远程网络控制系统，最关键的一步就是将控制网络 和h 腑m e t 相结合。其中，w 曲能协调工作是因为有t c p i p 协议、h t t p 协议和 h 舰标记语言的支持，而控制网络相对来说是比较新的技术，缺乏各种通用的 标准支持。传统的控制网络采用独家的、封闭的通信协议，给系统集成和应用带 来和诸多的不便，其技术发展也受到了较大的束缚。因此，解决对策是开发一种 通用的协议或者采用通用协议以完成和i i l t e m e t 的结合。 1 3 2 无线通信技术 控制目标和控制现场的服务器之间的通信可采用有线或者无线的形式，对于 控制目标机器人的活动范围比较小或者对数据的传输速率和可靠性要求非常苛 刻的情况下，有线传输是一种比较理想的选择；但是，如果目标机器人的活动范 围比较大，或者其运行动作比较复杂，数据线的存在势必影响其工作，这时候， 无线通信就显现出其优势来了。但是，无线通信方式在带来方便灵活的同时，也 给整个系统的稳定性和可靠性提出了新的挑战，也即是必须保证无线通信系统能 够提供非常可靠实用的数据传输功能，并在一定的距离之内能够精确的传送信 息。 本课题中所采用的无线通信系统是一个双向通信系统。它将远方控制人员交 付给现场服务器的控制数据发送给控制目标的现场控制模块，同时将现场控制模 块的反馈信息经由现场服务器传送给远程控制端。从整个闭环控制系统来看，无 线通信部分就是为整个控制系统的信息传递提供了一条透明的数据通道，负责为 通道两端的模块传递准备可靠的信息，而不去关心信息的具体内容。 无线通信系统是一个电子电气系统，一般来讲可分成两大功能分系统：发射 分系统和接收分系统。发射分系统包括信源部分( 传感器) 、源信号处理( 包括 信号调节和多路复用) 部分、以及发射部分。接收分系统包括接收天线、前置放 大器、接收机、存储器、解调器、数据同步器以及数据处理器与显示设备。源信 息最初形式是一种待测量和待监视的信号，系统中加进传感器就能将被监视信号 变成电信号，这些电信号在幅度、频率和相位方面呈现千差万别，因此必须经适 当的接口才能与随后的设备相连接。这些信号的接口调节( 信号调节) 通常在本 系统的信号处理部分完成。 1 3 3 远程控制技术 人在机器人远程控制系统中智能决策的来源，是控制系统智能的核心。根据 人和机器人的不同合作方式，可分为直接控制、共享控制、监督控制和协作控制 8 第1 章绪论 等几种。 一、直接控制 直接控制是在传统遥控方式的基础上，采用预测显示技术和时延力反馈技术 等手段进行时延补偿。直接控制策略的优点在于，充分利用人的感知、判断和决 策能力，增强系统的适应能力，具有较强的故障恢复能力。其缺点在于，在直接 控制方式下，需要向操作员提供关于操作环境的包括视觉、运动觉在内的大量即 时信息，所需带宽较高，而在大时延条件下，这种基于传感器信息的遥现是很难 实现的。另外，为了保证操作的稳定性，操作员不得不降低操作速度，这将大大 降低系统的动态响应性能。目前常采用的直接控制方式有： 采用“m o v ea n dw 萄t ”策略的控制方式 瑞士联邦工学院的k h e p o n t h e w 曲正是采用的这种控制方式，这是最早被采 用的一种方式，它的控制原理如同其名字所述的一样“m o v ea n dw 冰( 运动等 待) ，它的意思就是说机器人在完成前一个指令之后，就停止运行等待，一直到 下一个命令到来时才开始重新运行。这种方式严重的影响了系统的运行效率，而 且更为严重的是，在这种控制方式中不提供实时的传感器数据的反馈，而仅仅是 依据图像信息对机器人进行操作。这种方法实际上是以降低系统的工作效率为代 价的，这样不仅造成了反馈信息的模糊不清而且给操作者带来了很重的负担，而 且极易疲劳。 基于波变量的控制方式 1 9 9 8 年n i e m e y e r 和s l o t i n e 提出了波变量积分思想，即在波变控制中，首先 将波信号进行积分，然后传输到从端，在从端用滤波器对积分信号进行重构，使 得系统稳定。如式1 1 所示直接传输波积分与波变量的通信方法。 式中：毛，毛分别为正向、逆向通信时延。，罐分别为主机器人端正向波 变量、被积分、波能量。，磕分别为从机器人端逆向波变量、波积分、 波能量。磁- 町，e 矗h y 分别为主端接收到的波积分和波能量，u “姆，e 美l 矗y 分别为 9 驰 m 洫 m 、 萎墨 拍噶 磊州蚪 础 一 哪 廿 一 一 一 一 第l 章绪论 从端接收到的波积分和波能量。 波变量通过重建滤波器，重建滤波器应保证式1 2 ： ，u 矗( t ) = fu o 啦如畸u 赴l l y ( t ) i- j( t ) 2 主点u k 出茎磕h y ( t )( 1 - 2 ) 弋f 。 lv 嗽( t ) = lv 缸血呻v 蛐y 固 l厶。 ( t ) ：吾f v 缸出强h y ( t ) 式中：u 嗽为从端重建正向波变量，u 嗽，分别为其对应的波积分和波能量。 为主端重建逆向波变量，v o 帔，分别为其对应的波积分和波能量。即要求 保证输出波分量的积分跟踪经过延时的输入波积分，输出波能量不超过经过延时 的输入波能量。这样，无源性将于实际时延以及时延波动无关，由系统本身决定， 从而有效的避开了时延的影响。 从以上可以看出这种方法非常复杂，并且最为关键的问题是对于实际系统来 说要找到这样一个有效并且经济的重建滤波器是非常困难的。 预测显示控制方式 这种控制方式最早被应用于空间遥操作与水下机器人的遥操作中，但是d i r k s c h u k 等人首先将这种方式引入到基于i n t e m e t 控制的机器人的研究上来，这种 控制方式的原理是通过预测模型来预测环境和机器人状态并显示在操作者俄监 视器上，使显示的机器人移动状态和实际状态保持同步，以补偿时延的影响。操 作者通过模拟仿真来观察机器人的运动行为并进行规划和控制，保证实际机器人 动作的准确性。这种控制方式的优点是：给操作者提供了非常直观的操作方式， 而且操作起来与一般的遥操作方式一致，但是这种方式的效果与建立的预测模型 反映真实环境的准备程度有关，而现实环境往往非常复杂，有时要建立一个准确 有效的预测模型难度非常大甚至有的时候是不可能的。 基于事件的控制方式 基于事件的控制方式，最早是由x in i n g 博士提出的，其实现的原理是：在 一般的控制方式中，系统的状态描述和运动规则都是以与时间相关的方式进行 的，而基于网络控制的系统往往存在时延，并且这种时延是一种不确定性的，使 机器人的当前状态与反馈给远端客户的状态信息往往是不同步的。因此，如果直 接采用通常的控制方式时，系统将可能是不稳定的。而基于事件的控制方式采用 1 0 第1 章绪论 的是以机器人的某个状态作为参考量，因此，系统的描述和控制规划转化成与机 器人的某个状态相关的量，每个状态对应于一个事件，时间与系统的状态时同步 的。与此同时，考虑到基于事件控制的稳定性条件，通常选用命令的顺序计数值 作为描述系统的参考量。基于事件控制的具体描述如图1 6 所示。图中m 为命令 的序列号。客户发布命令c m ，当服务器端收到c m 命令就控制电机驱动机器人 完成c m 命令，机器人在c m 命令之后如果第m + 1 个命令还未到则停止运动， 与此同时，如果在转动的过程中碰到了障碍则会立即停止运动，此后激发反馈事 件，把传感器对应于m 命令的状态数据d m 反馈给远端用户。 亩 z 世 山 i - z 图1 6 基于事件控制示意图 二、监督控制策略 在监督控制策略下，主要依赖远程机器人的自主能力，其优点在于，可以将 时延排除在底层控制回路之外，从而在局部获得比较高的稳定性能和控制精度， 但受限于全局自主能力的不足，远程机器人对于环境的变化缺乏足够的感知和应 变能力，因此灵活性差，在遇到差错、意外等情况时，很难依靠自身进行误差恢 复。但随着机器人自主能力的日益提高，这种方式对人们的吸引力正在与日俱增， 如果将机器人应用于日常生活中作为服务型机器人的话，则这种控制方式将给人 们提供非常友好的操作方式。 美国c 锄e g i em e i l o n 大学开发的x a v i e r 是最早采用监督控制方式应用在基 于i i l t e m e t 网络控制机器人中的，其主要得益于x a v i e r 具有很好的自主能力，而 这正是监督控制策略的特征。 三、共享控制策略 从直接控制策略和监督控制策略各自的特点可以看出，二者之间存在互补 性，因而研究者们开始将目光转向寻求能够扬二者之长避二者之短的共享控制策 略，也就是让操作员和远程机器人在操作过程中责任共享，既允许操作员进行直 接操作，发挥其判断决策能力，又保证远程机器人具有一定的自主性。 第1 章绪论 从以上的分析可以看出，每种控制方式都有各自的优缺点，它们无法从根本 上克服网络时延的影响，要么非常复杂，实现起来代价过高，要么是假设的条件 过于苛刻或者与目前的网络条件不相符合。 本课题中，机器人可以处于控制者的直接控制之下，单步执行控制者的动作 命令。控制者也可以根据实际需要来更新机器人的控制程序，在某段时间内处于 一种自主状态，不必经过远端控制就可以完成一定的任务。也就是说，控制目标 机器人处于一种半自主状态，控制者可以根据实际需要来决定采用哪种控制方 式。 1 3 4 在线编程技术 远程控制系统的现场控制模块的主要任务是对控制目标机器人下达控制指 令和更新控制程序。对于前者，需要其能顺利的接收和识别用户的不同控制指令 数据，然后将其转化为机器人微控制器( m c u ，m i c r 0c o n t r o l l e ru i l i t ) 能够识 别的控制指令并执行：对于后者，由于控制过程中可能随时需要更新机器人的控 制程序，这里就涉及到机器人的微控制器( m c u ) 的在应用中编程技术i a p ( i n a p p l i c a t i o nr e p r o g r 锄m a b l e ) 和在线编程技术i c s p ( i nc i r c u i t s e r i a l p r o g r a 舶m a b l e ) 。不同的微控制器具有不同的编程方式和编程策略，在具体的编 程过程中也有各自特有的命令和时序，所以，要根据实际需要和系统的具体要求 选择恰当的编程方法和设备。 1 4 本文的主要研究内容 综上所述，远程控制机器人系统的研究是一门集网络技术、通信技术、嵌入 式系统开发技术以及智能控制等技术于一体的新兴的交叉学科，它具有广阔的应 用和发展前景并成为目前国际上研究的热点。由于控制系统之间或者控制系统的 控制器与执行器之间的信息传递是通过互联网来实现的，而互联网本身所具有的 信号丢失、延迟等问题给网络控制机器人系统的设计和实现带来了更大的挑战。 其中，基于i n t e m e t 的机器人控制系统的建模、网络时延对网络控制机器人系统 稳定性的影响、网络控制机器人控制系统的设计和实现等问题都是有待解决的研 究难点和热点。本文将致力于开发一个基于i n t e m e t 的网络控制机器人系统，于 此同时对网络控制机器人的安全性、时延等问题进行相关的探索和研究。现拟确 定研究内容如下： ( i )设计基于i n t e m e t 的网络控制机器人的总体结构，规划好整体的控制 框架，控制方式，以及采用的网络通信模式； ( 2 ) 设计实现了服务器端与现场控制模块之间在2 4 g l z 的i s m 频段上的 1 2 第1 章绪论 快速可靠的无线通信系统。 ( 3 ) 使用了s o c k e t 技术和多线程等技术，实现网络控制机器人客户端与服 务器端的网络通信。 ( 4 ) 构建了远程控制系统的安全机制框架，对用户的访问控制进行了初步 研究。 本文共分为七章，各章节内容安排如下： 第1 章绪论。对网络控制机器人系统的概念、研究意义、国内外的发展状 况、目前一些成功的实例、以及存在的问题和解决途径等问题作了较为全面的介 绍和分析，同时对本文的研究目的以及研究内容作了概要性的介绍。 第2 章基于i n t e m e t 网络控制机器人系统的整体规划。讨论了基于i n t e m e t 的网络控制机器人系统的整体设计方案，并对系统的各个功能需求进行了分析。 第3 章网络控制机器人系统中网络通信的设计与实现。分析了互联网的特 性及相关问题，并设计实现了适合网络控制机器人的网络通信方法。 第4 妻无线通信系统的研究与设计。对无线通信模块的设计实现过程进行 了介绍，并对无线通信模块的接口及协议进行了说明。 第5 章时延条件下临场感子系统的设计研究。针对i n t e m e t 时延的特性，通 过三维仿真技术建立了临场感控制模型。 第6 章网络控制机器人的访问控制研究与实现。构建了一个远程控制系统 的安全机制框架，并对访问控制模块进行深入的研究。 第7 章总结与展望。对本系统的优点及不足进行了总结，并提出了进一步 的改进措施。 1 3 第2 章基于i m e m e t 网络控制机器人系统的整体规划 第2 章基于i n t e r n e t 网络控制机器人系统的整体规划 2 1 基于i n t e r n e t 网络控制机器人系统的体系结构 在设计一整套远程控制机器人系统的时候，首要的是要确定时延影响下控制 模块的选取，这直接关系到系统的稳定性。其次要根据应用范围，决定采用何种 传输协议以及图像的现实方式。最后要进行大量的实验和测试，对所设计的系统 进行验证，以便进行优化。 基于i n t e m e t 的网络控制机器人系统多数是在原有的机器人控制系统的基础 上增加客户端软件和服务器端软件构建而成的。从客户端和服务器端软件的实现 方式上来看主要分有b s ( b r o 、s e s e r v e r ) 和c s ( c l i e 州s e r v e r ) 两种模式。 基于b s 模式开发的系统利用现有的多媒体视频软件和i n t 咖e t 浏览器等工 具，将操作者当作w 曲用户，将机器人一方当成w 曲服务器，实现起来较简单 易行。但是基于w r e b 的机器人遥操作系统必须解决好系统的可靠性、响应时间、 人机接口等问题。 基于c s 模式开发的系统能够系统的设计更多的自由度，便于从底层到高层 全方位的介入，实现系统的优化、监控和系统效率的提高；而且由于系统中数据 交换等策略都充分考虑了网络环境下机器人远程操作的系统特点和需求，系统的 整体性能较好，但系统开发起来工作量大、周期长，需要考虑自动控制、计算机 操作系统、网络通信协议和人机接口等诸多方面的问题。 本文设计的