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浙江大学硕士学位论文挖掘机器人的无线遥控通信技术研究 摘要 微电子技术、计算机技术、自动控制技术、无线电技 鲥紧密结合，逐步促使工程机械向着自动化、智能化、信 局部自主控制功能的工程用遥控机器人是目前研究的热点 展与工程机械 向发展。具有 从现代机电一 体化产品的设计理论出发，结合挖掘机器人遥控系统的设计实例，在实验室原 有研究的基础上，主要开展了以下几个方面的研究： 1首先分析了遥控机器人国内外发展现状及趋势，阐明本课题研究意义：回 顾了本实验室研究成功的遥控机器人系统概况，确定了主要研究内容。 2 分析了挖掘机器人遥控系统的功能结构，确定了无线数据通信系统的设计 要求，通过比较分析提出了采用无线数传模块的通信系统新方案。 3给出了机器人基于d s p 的无线遥控通信系统具体的硬件设计实现，包括 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 外围系统、多路数据采集、多路模拟输出和与无线数据收 发模块的接口电路设计的具体实现过程：最后给出了一种简单有效的驱动 输出硬件保护接口电路的设计。 4 ，给出了无线遥控通信系统的软件设计实现，并根据系统实际需要建立了实 现无线数据通信的消息格式指令方案；通过分析模拟操纵手柄的内部接口 原理，解决了主端操纵输入非线性化问题：着重分析了适合遥控机器人主 从端无线通信协议的实现过程。 5 研究分析差错控制编码技术在挖掘机器入无线遥控通信系统中的应用，选 择具前向纠错( f e c ) 的混合差错控制( h e c ) 方式，提高遥控通信信道的 抗干扰能力，纠错译码方式采用g o l a y ( 2 3 1 2 7 ) 码，给出软件编译译码的方 法以及一种进一步提高译码速度的方法。 关键词：机电一公衫惫掘杭磊i 遥控无线遍看7 d s p 通f ；枥& 差错螽。 纠错编硼 塑兰查兰堕主兰焦堡塞 垄塑! ! 堂叁堕至些堡笙望堕垫苎! 堕 a b s t r a c t t i g h t l yc o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e s o fm i c r o e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r , a u t o c o n t r o la n dr a d i oe n g i n e e r i n g ，m o d e me n g i n e e r i n ge q u i p m e n tm o v i n gi nt h ed i r e c t i o no f a u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n c e a n di n f o r m a t i z a t i o n r e c e n t l y ，t h e r e s e a r c ho fr e m o t ec o n t r o lf o r e x c a v a t i n g - r o b o tw i t ht h es e m i a u t o n o m o u sc o n t r o lb e c o m e sh o tt o p i c i nt h i st h e s i s ，t h er e m o t e c o n t r o l s y s t e m o fe x c a v a t i o n r o b o ti s d e v e l o p e d b a s e do nt h em o d e md e s i g n t h e o r y f o r m e c h a n o e l e c t r o n i cp r o d u c t st h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，t h es t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fr e m o t ec o n t r o le x c a v a t i n g r o b o t t e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a da r ea n a l y z e d ，a n dt h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h i n gt h i st h e s i sa r e p r o v i d e d ，t o g e t h e rw i t ht b em a i nr e s e a r c ha r e af o rt h i sp a p e r i n c h a p t e r2 t h e f u n c t i o nm a k e u po ft h er e m o t ec o n t r o l s y s t e mo fe x c a v a t i n g r o b o t i s a n a l y z e da n dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ed e t e r m i n e d ，b y c o m p a r i s o na n da n a l y s i s an e wp r o j e c tu s i n gw i r e l e s sd a t a t r a n s m i tm o d u l ei sb r o u g h tf o n 、a r d i nc h a p t e r3 t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h er e m o t ec o n t r o lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s eo n d s pi s p r o v i d e d t o g e t h e rw i t ht h ed e s i g no fp e r i p h e r a ls y s t e mo fd s p , c i r c u i t sf o ra d c a n d d a ca n di n t e r f a c ew i t hw i r e l e s sm o d u l ei nd e t a i l i nt h ee n do ft h i sc h a p t e r , ak i n do f s i m p l eb u t e f f e c t i v eh a r d w a r es a f e g u a r df o rv a l v ed r i v ei sd e s c r i b e d i nc h a p t e r4 ，t h es o f t w a r es t r u c t u r eo ft h er e m o t ec o n t r o lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do n t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s pi s p r o v i d e d s e t f o r t ht h e m e s s a g e f o r m a tu s e di nr e m o t ec o n t r o l a c c o r d i n gt oa c t u a lr e q u i r e m e n ti ns y s t e ma n dr e a l i z el i n e a r i z a t i o no fc o n t r o li n p u tb ya n a l y z i n g t h ei n n e r - i n t e r f a c eo f j o y s t i c k f i n a l l ) at i d y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l d e s i g n e d f o r r e m o t ec o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e da so n eo f m a i np a n s i nc h a p t e r5 a n a l y z et h ec h a r a c t e ro fr e m o t ec o n t r o lc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n di n t r o d u c e t h eh y b r i de r r o r - c o r r e c t i n gs y s t e mu s i n gf e cm o d et o i m p r o v i n gt h ea n t i - j a m m i n go f 、 ir e l e s s r e m o t ec o n t r o lc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l g o l a y ( 2 3 i ! 7 ) i su s e da n di t s a l g o r i t h m s o fe r r o r c o r r e c t i o na r e a p p l i e d a m e t h o dt o s h o r t e n i n g t h e s p e n d i n g o fe r r o rc o r r e c t i o ni sa l s o i m r o d u c e d k e y w o r d s ：m e c h a t r o n i c s e x c a v a t i n g r o b o t ，r e m o t ec o n t r 0 1 w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d s ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 e r r o r - c o n t r o l ，e r r o r - c o r r e c t i n 4 塑翌查兰堕主兰垡堡苎 丝塑塑塑塑垄垡堡笙望堕苎查! ! 茎一 第一章绪 论 摘要：讨论本课题的研究意义，分析了国内外研究现状，在认真分析浙江大学机械设计研 究所开发的智能机器人控制系统的基础上，确定了课题主要的研究内容，阐明了主要的研 究方法。 1 1 课题的提出以及研究意义 液压挖掘机等工程机械在建筑业、采矿业的成功运作，不仅加快了国家工 业化的进程，促进了其他行业的快速发展，也给企业带来无尽的商机。然而目 前液压挖掘机的运行需要较多的人工操作控制，严重制约了其各项技术、性能 和功能的发展和提高，并且制约着人类向海洋、太空等具有有广阔发展前景的 领域发展。另外，工作作业环境恶劣，强烈的震动、轰鸣的噪声、飞扬的尘埃 粉术，甚至突如其来的塌方等也严重危及工作者的身心健康乃至生命。随着核 工业、海洋作业、太空开发等领域的飞速发展，挖掘机机器人化是未来的发展 方向，而无线电遥控技术在其中占有很重要的地位。随着工程设计学、机械电 子工程学、无线电技术、自动控制技术、人工智能技术、计算机信息处理技术 等学科的发展，现代无线遥控功能已经超出了其传统意义上的概念，同时还具 有远程无线数据通信的功能。无线遥控技术应用于液压挖掘机等工程机械行业 将是提高其远程控制能力的一项重要举措，也是近年来快速发展的一项热点。 1 2 遥控机器人的国内外研究状况分析 1 2 1 遥控机器人的研究过程分析 美国、同本、德国以及包括中国在内的很多国家对遥控机器人技术这一课 题进行了研究并取得了一定的成果。从遥控视距的角度来看，遥控技术发展经 历了下面三个阶段：视距( l o s l i n e o f - s i g h t ) 遥控、超视距( e l o s ) 遥控 和远程无线遥控。对于视距遥控，操作员不与机器有直接接触，已位于作业区 内的危险范围外，通过直接观察、发送指令来控制工程机械运转，一般来说， 其可靠遥控作业距离为几十米。在视距遥控基础上发展起来的超视距遥控，虽 仍需要操作员靠近工作作业区，但通过其先进的数据传输手段和控制技术能够 为操作员提供机器作业区的反馈信息来克服视距遥控的某些局限性，增强了操 浙江大学硕士学位论文 挖掘机器人的无线遥控通信技术研究 作员对机械的遥控控制能力( 视距范围之外) 。对于远程无线遥控系统，操作人 员从远离机器工作区的安全地点进行操作：较前两者，这种系统主端提供了良 好的人机界面，能完全模拟从端控制的操作装置，在从端实现复杂控制功能以 及自定义工作流程自主控制功能等。此时从端还具有自诊断安全控制功能，为 远程遥控提供可靠保证。 4 1 从上面的分类方法可以清晰地看到遥控技术随着无线通讯技术、传感器技 术以及计算机控制技术的发展得到了逐步的提高；目前普遍根据规划水平来区 分遥控机器人的智能程度以及其应用前景，其大体可以分为三类： ( 1 ) 人工遥控( m a n u a lc o n t r 0 1 ) 遥控系统经历了从简单到复杂，从有线到无线的发展过程；人工遥控作为 最低级的遥控方式大致可分为两种。一种是完全没有计算机或微处理器的参与 而采用直接模拟或数字逻辑器件构成的硬件电路，这样的系统不能算是严格意 义上的遥控机器人系统。另一种采用了微处理器或计算机，但其中的微处理器 或计算机不参与控制回路的工作，大多数主从遥控机器人( m a s t e r - s l a v e r t e l e o p e r a t o r ) 采用这种遥控方式。这种遥控系统的特点是所有的控制决策均依 靠操纵者给出，虽然具有控制直观的优点，但是由于系统不具备作业规划功能， 自动化程度低，操纵者的劳动强度依然很大。德国卡尔斯鲁厄核研究中心于七 十年代研制成功并投入使用的1 2 吨级牵引式无线遥控挖掘机就采用了这种遥 控方式，其作业时是依靠眼睛或双简望远镜观察进行。 ( 2 ) 半自治遥控( s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) 在半自治遥控方式下，操纵者一般预先以高级程序语言设定系统作业目标、 物理约束、集合约束、作业对象模型以及若干“i f t h e n e l s e ”形式的逻 辑规则。在作业过程中，操纵者以两种方式介入系统的控制。一种是操纵者中 断自主控制进程，对采掘机器人进行直接遥控，这被称为t c 控制( t r a d e d c o n t r 0 1 ) 。另一种是操纵者通过改变各种控制变量介入控制过程，这被称为s c 控制( s h a r e d c o n t r 0 1 ) 。目前发展的遥控采掘机器人大多数采用这一类遥控方式。 ( 3 ) 高度自治遥控( f u l l a u t o m a t i cc o n t r 0 1 ) 高度自治遥控技术对遥控机器人来说，其智能技术和传感器技术要有较高 的要求。操纵者只需在作业开始时输入作业目标，系统就会自动完成所有作业， 操纵者只需监视作业进程，只有当系统出现紧急状况时才干预系统的作业。这 一技术是遥控技术的发展方向。圮加1 1 2 2 国内外遥控机器人研究趋势 工程机械的机电信一体化是目自口国际上流行的发展趋势。遥控机器人，不同 塑垩查堂堕主鲎垡堡兰堡塑旦墨尘堕墨堡里丝望堕塾查! ! 翌 于普通的工程机械，它拥有最先进的电液比例f j 服控制系统、无线数据传输设 备( 远程遥控设备) 、节能控制系统，智能渗断临控系统等硬件，还行将这些设 备连接成为一个其有智能机器人所必需的系统软件和多种核，d 托i 制算法，所有 的这切部离不丌先进的l 也了技术、汁_ 7 肌技术、帆器人自动控制技术、传感 器技术和信启、处理技术的一体化结合。” 先进的通讯技术推动无线电遥控技术发展3 2 9 ”】 随着通讯技术的高速发展，许多地衙通讯技术应用到t 烈机械的遥控技术 h 使遥控技术性能更加完善i 上】容 j l 为 i 甫，f 要表现在： i 人舰模集成电路技术使遥控通信硬件f u 路c r 椎。件提高。 遥控机器人系统对机载的仪器通 ；没街，u 鞯性疆求很高，早期的系统设备 体积庞大复杂旦系统出残故l 筇，维修困雄，而且功耗大，发热、损耗严重： mi i 的遥控设箭j f ：始采l = _ | 大姚锁集成f u 路设计tm 爻现功能模块化、长寿命、 l p 核没计使设备的可维修性、，r 压川陀和“，i 玖性比较好遥控设备的体积、 重s i 和功l 人幅降低，系统的j ； n 人啉提n ； 另外新型渊制解渊器技术、“效人线技术的发展，为遥控系统提供丁性 能优越的传输设备鼹著提高了通f 膏效率： 2 差错控制编码技术提高遥控信道的抗干扰能力。 随着挖掘机器人智能水，卜的提汛人们时机器人遥控功能厶乏j e 性能也提出 丁型r 岛的要求。对，j ：处一j ：复杂1 ；兕和匹劣f 。i 越的p l 器人遥控通信改备米波，采 f h 差错控制编伊5 技术柬提高遥控信道的抗l i 扰能，j ，i 】r 以f 粜证遥控指令和反馈 信息可靠传输。 进f j ：葶错控捌上要是垫 ：时点n 和数j ：| - ：进 ：抗 二扰编码柬实现的。利用抗 干扰编码疗进_ 亍差锩控制的系统坫小l ：f | 附种，一种叫自! 力反馈重发系统a 阳 ( a u t 【1 m t i i ic r e p e d lhs t t _ ，1 1 1 ) ，j种址| 1 i 向纠错系统f e c ( f m w 。l l l e i l t 、r “) ”n t 姆s 。m ) 。a 心系统的坫小世魁! 址利川险错码，l k 佶端旦发现数据出 错便反馈明去相应的信号篮求幔发。f e c 系统的丝本思想是利用纠错码， 作收信端发现数抛出错时，则f | ! 巩进行纠i i 。雌地一般住遥挖通情中，由_ r 系 统实时性、准确性要求较高。 j 前般采川综合了a 肿与f e c 的优点的“混合 纠错方式( h e c ) ”。这种方案， j t 雕1 p 一 t ：i ：避免了f e c 系统所要求的复杂的译码 改备也在一定程度f ：减轻丁洲u 蛭水r r 发造成的1 ：连贯性，可以眭著提 高双1 通信系统的效率。 ： 采用信令技术提高系统的父沂r 怫l q 靠性。 挖掘机器人系统比较复杂从端系统需婴进 了故障诊断与查找、节能控制、 作业任务觇划调度和伺服挖制输f | ；等等j m jl ：端需要捩甜这蝗详细的信息反 浙江大学硕士学位论文 挖掘机器人的无线遥控通信技术研究 馈，以实现主端虚拟显示和任务枷划等遥控功能。其问，交换数据星较大，实 时忡要求高，这埘遥控系统数据交换提出丁新的要求，简单一i _ 下f t 机的通讯协 议已经无法胜任这i i ；i _ l 作。采信令阳技术采用建立底层通信链路模型t 使 遥控上从端的数掘交换与上机控制f t 务处理底层柬实现。网络通信链路通过 无线通f 斋协议来管理无线信道和实肌州靠的数据交换任务，将挖掘机挖制系统 从繁忙的数据交换中解放出来为建立合硝! 的系统体系结构提供灵活的选择： 在硬件软件技术的支撑卜f ，丘线遥控技术卜嘤朝着实现自动化、程序化手 智能j 自能增强的力向发展，为挖 ) = | | 机肌器人提供j 力能更强火的实时反馈系统： 利用多信息处理技术提高机器人环境适应能力1 2 7 4 8 】 遥控机器人： 作作恶劣的雌缃环境t h 必须充分综合运用机、光、电、 声化学等信息处理技术，这是1 0 提川遥控f 【器人作_ p 性能的父键所在这些 皂、处理技术表现往： 1 f 过胃i , 9 ) ；| j 技术：采用趣f i 波、i u 嵫波剐激j 匕j 芭f t 和洲肼! ，最近义兴起采 】 ( 小s ( ( j 1 【1 l lh s i t i o n 姆s i l ) 个球j t f o 系统等先进技术： 2 厅向控；剐技术：采用外部墟；侄、激_ ) i = 寸阳办式或采硐内部壁准导向矗式、 光陀螺仪、磁力计干【| 重力训譬- ： ： 遥控和无人驾驶投术：二i 维、i 体摄像火、i 割像和声音远距离传送、通信 ， 继牟、无人摄像4 1 、远距离挖：叭允人钙驶技术等： 1 作、 t 对豫外观认识技术：像处理、陵j 以! i ) l j 手1 1 隧觉理解技术： j 特悱测定和认识技术：土：壤密度、f 茂分测j 、地【n i 支撑力测定技术： 6 f j l 内信息传递技术：微饥控i 制分叫传递技术。 5 弓外还仃实时并ij ：处理技术、1 ：动j t 性m 越、自然语音的合成与以别技术 等。值得汴意的是最近 h 观的 螬： ： 融f ? t h 、n rf u s i o n ) 技术能对几种传感 器抉得的f 占息进 j ：综合分i 处刖jh t ! 蒋挺r ： h l 器人的性能= 多算法融合技术和控制体系结构研究的不断深入 作为一个复杂的机器人托；韦0 系统j “；制弹法不同一f 一般的控制系统：典 型的自动控制系统的设计收i 吲对 体的对象，或采1 j 经典控制理论或采用 现代控制理沦或离敞挖制理论歧模糊控制删沦! 者儿种方法的组合，遥控机 器人挖制算法儿乎部造儿种挖制醇浊的融禽这就意味荇分层控；制策略：如底 j ：采州连续的p i d 控制、t f ，问j ? ：录川逻轱 控制、上膳是智能控制，其中又融合 了遥控技术，另外，这样构建的系统的稳定r e 、动念性能如似? 这就需要有 种方法来给出定量的i 兑明和结脚的优化途径，n ；对控制器性能摸型、往线或离线 性能分析和预估了衅的攮础i ：找蛙f 的控；剐讳法策略这往往是最难之处 之 塑坚查兰堡主兰堡笙茎 丝塑塑壁竺垂堡里丝望堕茎查! ! 生 遥控机器人控制体系结构是指控制机器人的软件和硬件结构。国内对遥控 机器人主要集中在其控制算法和策略上，而对控制器体系结构方面的研究却非 常少。国外在开放式控制器体系结构方面的研究投入了大量的人力、财力和物 力，主要是集中在功能的划分、功能之间的信息交换规范以及实现功能的方法 上。在开放式机器人控制器体系结构研究方面，有两种基本结构：一种是基于 硬件层次划分的结构，该类型结构比较简单：另一种是基于功能划分的结构， 将软硬件一同考虑。控制器体系结构中，任何将遥控技术有效地嵌入到机器人 控制中是目自口一个值得研究的方向。 1 2 3 国内外工程机械领域无线遥控系统研究状况分析 随着工业自动化水平和经济发展需求的不断提高，世界各发达国家都非常 重视用于各种目的、不同场合机器人遥控系统的研究开发工作。特别是最近几 年，随着相关专业领域技术的发展，机器人遥控技术研究成果也大量涌现。例 如法国原子能委员会( c e a ) 在1 9 9 3 年丌发成功的用于处理核废料的t a o 一2 机 器人系统就是一个典型的人机结合的遥控机器人系统。它的遥控系统既可以传 送各种指令给机器人( 包括直接操作指令和任务指令) 也可以把作业现场的各 种环境信启、和机器人本体的各种信息反馈给操作人员卜“。 国外在遥控机器人技术方面的主要研究内容包括： 1 、机器人遥控系统和操作者之间的协调控制 4 8 5 5 1 ： 2 、通过网络技术建立远程机器人遥控系统1 6 5 6 6 j ； 3 、采用预测技术进行遥控，以克服时延造成的控制误差h7 ”】： 4 、丌发各种具有高可靠性，经济实用的面向工程的机器人遥控系统h 4 ”4 “。 当然具有临场感的机器人虚拟现实遥控技术也是目前国外遥控机器人研究 的热点之一。文献p o 耶“j 等介绍了如力觉反馈、视觉反馈等人机接口方面课题 的研究，目的在于让操作者处于“虚构”的机器人工作环境中，有身临其境的 效果。不过目前有很多问题还在探索之中。 在实验研究的基础上，国外也丌发了大量的遥控技术装备。这些产品应用 于军事和民用领域，取得了可观的经济效益惮”】。特别在工程机械领域，在8 0 年代初，美国k r a f tt e l e r o b tic s 公司和约翰迪尔公司等都相继成功丌发并 开始生产销售遥控挖掘机。其中比较典型的是约翰迪尔公司的6 9 0 c r 型遥控 液压挖掘机：该机无线遥控作业范围达1 5 2 5 米，也可以用同轴电缆在3 0 5 米的 范围内完成作业。遥控系统由控制台发射接收部分和机上发射接收部分组成。 控制台包括图像声音接收器，以及为处理输入信号所需要的译码装置，它也包 括控制装置和编码装置，以产生和接收命令。机上仪器接收控制信号，并将这 浙江大学硕士学位论文 挖掘机器人的无线遥控通信技术研究 些信号转换为执f 亍和摄像机控制所需的信号，其发射部分则将电视图像信号通 过天线发给远方的操纵人员l t q 。这类挖掘 l 遥控系统结构简单，操作方便t 抗 电磁丁扰能力较强，可视性能好f 1 1 其缺点是遥控系统缺乏双向数据通信功能t 机上的工作状态只能借助摄像机，通过人限观察j 鞫像柬了解，而故障诊断监控 系统的f 吉息卸未能反馈给操纵人员。 1 9 8 3 午3 月同本小松；削作所以p c ：( j ( ) 2 掣液i ! 挖抽f 机为基本机型进行研 制，实现了各：【_ 作装置的微动控制f 复合动作的尤线电操纵。改装成功后的 p 【2 0 0 r 一2 型挖掘机可以进入恶劣川、境、救火一程等危险现场实王见，利用九线遥 控操作机器进行作业。p c 2 0 0 r 一2 掣挖掘机的九线遥控操作方j 有如下几个特点： ( i ) 操作盘 ：操作朴的控制指令点q 经微，l 并机处理调频发射机发： ( 2 ) 埘于接收控制装置，由调频接收机接收控i 训指令信息，经微型计算机进行 处理送给例服放犬器；i ：) 例f 】 i 波人器：惜指令价息放大侨f 送给州服 乜动h l ： ( 1 ) 若此时无线 巳操纵与登机驾驶转换# 【陶接j 见线电操纵0 1 0 则伺服f 乜动 机的动作将传给机内的操纵机阳f 世i ，安照j i 韦0 指令f 言息对液爪挖掘机进i i 无 线电操纵运转f 】：浚系统没仃9 t 离f 0 筑f ；l 拟遥挖技术的方法，仍然f i 能进行双 向数扔：通i n 。 德幽h b c 公_ _ i 】于1 9 8 7 年石j f 制h 1 2 j ) j 幢川j i ：牲h l 敞领域的工业九线i u 运控装 哉。这种遥挖姨簧采用丁先进的数。产化通m 技术，f e 输的比例控制信号安全、 可靠和实f f 】并i l 对发射的指令仃f r 留的分辩二氧；从端他j f 】模拟技术可以使执 行机构的j j l i 速、减速动作与无线l 也遥控的发射器j _ v , j 动作完全成比例，从而实 现对执 j ：机构的尢绂控制。利川无线i u 遥控诞w ，以i u 液比例伺服驱动机构、 液压比例多路阀和电液比例减眶阀i 种死什就r 可以实现 ：程机械的遥控。近年 米b 【对r j r 山机碱、l f l i 带消淹装缎机、混凝l ：泉1 i 、随机起荸机和移动 汽4 1 起蓖机等i + 氍机械提 丁系列 二线遥托训! 业的解决，j 案。 囤内对遥控p l 器人的研究起步十对外术兑晚了些，总体发艟水i r 也落后 j 二西方发达国家。国内的研宄i ：受艇【| i n 锄】合尔滨i 一程人学、国防科技人学、 浙江大学、卜_ 海交通大学等高等院校和小科院沈自动化研究所等科研机构， 经过多 f 的努力，在航空航天、海i tj r 发、核i q k 以及幽防军事、：i ：程机械等 领域也取得了不少研究成粜。 “探索暂”号机器人是l 1 科院6 小f ；| j | | 0 第矗自治水卜机器人，上要f h 于 防险救生作业和海底资源考察等：l 1 qj = i i f ) f i 科学研究中心研制的6 0 0 米水深遥 控机器人以深海打捞为上，兼顾海i t 油( j r 发，肄f i 仞步智能控制功能i 。“勇 k - 号”遥控移动作业机器人足“h 6 ： ”划纠能扒器人主题的一个样机，研制 h 的足跟踪世界先进水i n 事据。系列舟悲劣j ：境卜使川的遥拓；机器人高新技 术寻找种可以蜓好地代棒人类m 危险、恶劣、仃苦环境t 1 作业的r 蜞：它 塑垩 大兰壁主兰垡笙苎 丝塑! ! 堡塑垂垡堡丝望笪垫查! ! ! 坠 通过啦在安全区的控制i 。h 能遥控处住在险、恶劣环境p + 作q t 的机器人。f 艮据作 业环境和内容可选择) 匕缆通信利无线通讯两种疗式遥控距离1 0 0 米”“。 土山钢铁公司十1 9 9 7 年t j i 进l 恨厄线遥控系统、意大利f a b e r c o 、_ i 的比例 液l k 伺服模块，对黄河工程机械jt ! 的6 j 型履带式装载机进i j ：了遥控改 造，使其成为一台遥控装载机o ”1 、遥控系统均箭育双重安全系统：系统地址一 i 欠性分配，系统的纠错特性检测发射、接收剐，f 果征数掘通信的i r 确性： ， f 发现失灵或无线电千：扰等情i 兑”以使j f j 綮急按钮矗j0 4 j 秒内关闭总没备电 源：这种遥控装载机，消除了以i ，l f 、境恶劣眦线不清，高温落渣带来的事故 隐患，提高了往转炉炼钢工岂流f # 怍业_ = 5 苹和安全性但是该系统功能仍显单 一，缺乏与微机的数据接口，m j l l 遥控距离较近( 目视距离) ，不适用于智能远 程遥控系统。 卜 机 统 一幽 霜嗣嗣寓盈藩必 吨型四 川羽 l 、一l l 丫j t j 尚幕缱递i a , 螽抗从端系统 圈1 浙；i ：人学h 【敞没汁肼究所采蜘机器人 浙：i ：大学机械设计研究所堪i 埘| 上j 较、tj m 运控机器人装研究的h 【f f ：l 之一。 浚研究所在1 9 9 u 午仞研制成j 力r + 种结f f = i 简t 扎价格低廉的液眍挖掘机近距离 无线遥控系统，该系统遥控、t - - 傩化! o 水t ： “通过甘桃观测挖掘- t 作= i 吼利 1 j 光线i 也丌父信号控制液j k 挖捌h 【再j ：作汕1 j t 成简单作业。n1 9 9 7 ；i ! 起，浙 i 1 = 人学机械设计研究所j i ：始 i 行改汁口：力嫌纵f n 人i 操纵年h 结合的采掘机器 人，h 莳已通过专家组验收。遥控最掘桃器人建掏了采掘机器人集成化智能姚 划和控制的理沦和方法，是卣刨集错能揲纵、远稚遥控、节能控制、t 况监测 和故障诊断十一体的采掘机器人实验样机，j 结陶原理盘u 图f 所示。其一h 遥 控通信控制系统通过远程无线 1 l o d l i 完成l i 端卡u 从端之i l h j 数据信息的传输，辛 从端均有良好的图形界面和操纵拨i i 为j e 成数掘采集、，：氍汁算分析以及实 现备种机器人控制算法提供丁e ! r 的芰持“1 ：l i 时浙i i ：人学即将往原来的研 究水平上，启z 珈非结掏环境移：力机器人j 刚i 的研究。 塑坚查兰堡主兰竺堡塞 丝塑塑矍塑蒌垡里丝望堕垦查! ! 盟 国内也有一些研究机构如清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学和东 南大学等，进行智能机器人的临场感遥控作业虚拟现实系统的研究，主要从事 系统的基础理论和实验研究，构造了初步实验装置，但未投入实用。阻3 8 1 1 3 本文主要研究任务 1 3 1 系统尚存在的问题 基于计算机总控系统的遥控通信系统在完成系统初步验证、实现和控制算 法的研究等工作中有很大的贡献。在实际的应用中发现，虽然系统建构在比较 成熟的w i n d o w s 平台上，但操作系统、数据采集和数据驱动硬件以及丌发出来 的控制软件构成的庞大系统结构有工作不稳定的现象产生。主要存在的问题有： 1 从端控制系统控制输出缺乏数据保护装置。系统出现故障导致数模转换( d a ) 输出模块未能及时复位，进而导致工作装置失控引起工作现场的损害，人 身安全伤害及机器人系统的破坏： 2 系统控制部件复杂，不利于商品化。在基于微机的控制系统中，数据a d 、 d a 卡、数据通信卡等等的引入无非是为了利用系统自身的总线系统完成系 统的构成，这样无形之中增加了系统的复杂性和成本。 3 主从端缺乏安全可靠透明的通信协议。目前系统软件主要通过w i n d o w s 下 的d i r e c t p l a y 实现，而这是一种专用于计算机游戏的软件包，工作不可靠， 传输延时大，甚至死机的情况时有发生。 4 电视监测系统需要改善：以6 # 工况图象传输设备( 包括天线、发射设备) 体积过于庞大，功率也非常大，不适合于挖掘机器人上使用。 另外，考虑到系统的商品化，成本因素也非常突出。在不改变原有系统控 制功能的条件下，提高系统性能指标，进行系统集成化、成本化重新设计，成 为项十分紧迫的任务。 1 3 2 主要研究工作内容 主要研究内容如下： 1 建立主从端透明的无线通信协议 可靠、实时、透明的数据通信协议是遥控机器人正常作业的重要保证。以 往采用的遥控通信软件都是基于w in d o w s 操作系统，把无线数据收发模块等作 为系统的标准设备调用的标准控件，数据通信严格的实时性和安全性都交给了 操作系统。在实际操作中，经常出现工作不可靠甚至死机的情况。本文将从数 塑垩查兰堡圭兰垡堡塞 堡塑坐壁盟至! 塑堡望堕茎查! ! ! l 据通信网的观点出发，来构建适合于遥控机器人可靠通信的通信协议。 2 实用纠错编码技术在遥控机器人无线系统中的研究和应用 遥控机器人作为工程机械，工作于险恶的工作环境中，通信信道误码率较 高。为了提高数据通信的抗干扰能力，只有采用纠错编译码技术，选择兼具前 向纠错( f e c ) 编码方式的通信方式是提高数据通信可靠性和减少时延的有效方 法。作者结合理论与实践，选择了纠错能力强而满足遥控通信系统实时通信的 g o l a y ( 2 3 ，1 2 ) 码，实现它的纠错编译码算法，并将其融入通信协议中。 3建立基于高速d s p 的遥控通信系统 目前的遥控通信系统基于微机操作系统，商业化成本过高，而将以前成功 丌发的软件成果移植到专用的系统中，可以大大提高整机系统的可靠性和市场 的竞争能力。将复杂的数据采集程宇、控制程序、通信协议和纠错编码算法集 成到单片高速d s p 系统上，是实现这一进程的很好的尝试。本文给出了基于高 速d s p 遥控通信系统的硬件和软件设计。 4设计从端控制保护系统 通信系统出现故障，或者控制系统部件失效需要从端系统快速有效地切 断输出信号，使挖掘机停止工作，从而傈证人身和设备安全。在从端d s p 控制 系统控制信号输出端和执行机构驱动输入端之间插入一个单片机控制模块，通 过模块的智能判别来决定控制输出的有效性，能够实现这样的目的。 5 人机交互接口技术 以前的电视监测系统采用了大功率、大体积的电视发射机，发射机频率需 要到无管委员会申请，而且功率受到限制：作者采用了工作在i s m 频段的电视 发射和接收模块来改善电视监测系统。另外通过分析手柄内部结构，从电路和 软件上解决了手柄位移非线性化的问题，提供良好的输入输出匹配。 1 3 3 主要研究方法 1 调查研究 学习研究与本课题相关的国内外研究现状和最新研究进展：深入分析国内外 相关遥控系统的设计方案，在上述工作基础上提出解决课题中关键问题的多种 可能方法和途径。 2 确定关键问题的解决策略和系统的整体框架 浙江大学硕士学位论文 挖掘机器人的无线遥控通信技术研究 根据课题要求，明确工作中需要解决的问题所在，确定关键问题( 系统功能 模块划分、无线数传装置选择和开发以及通信方案选择等) 的解决策略，在此 基础上制定遥控通信系统软硬件的总体解决方案。 3 建立遥控通信系统的软硬件平台 参考已有的挖掘机系统，根据设计要求建立遥控通信系统的软硬件平台。需 要考虑的是系统的集成度、通用性和商业应用价值以及以后系统源代码的可移 植性。 4 软硬件系统调试验证 针对建立的系统进行调试和试验，在实践中验证和改进系统。 塑垩盔堂堡_ 上堂垡堡苎 丝堡坐壁查堕堕型鲨堕塑里叵苎查! ! 翌 第二章挖掘机器人遥控通信系统方案设计 摘要：分析了挖掘机器人遥控系统的功能结构，确定了无线遥控通信系统的设计要求，通 过比较分析提出了采蚪；j 无线数传模块的遥控通信系统新方案。 2 1 引言 几十年来，遥控机器人系统结构与控制策略有了很大的发展和提高。但是遥 控机器人的性能同人直接操纵的性能相比还有很大的距离。提高挖掘机器人的 遥控整体操作性能，不仅需要对液压挖掘机本身的基本功能和运行机制有充分 的了解，还需在此基础上合理地选择系统体系结构、控制策略。 2 2 挖掘机器人系统结构及其功能要求 在进行遥控通信系统设计之前，有必要对我们目前的挖掘机器人功能结构 要求有所了解。图2 1 是系统总体框图。整个系统可以分为主端系统、从端系 统和通讯系统三大部分。主端系统包括有人机交互子系统、仿真予系统、规划 和自动操作子系统、主端手动操作子系统以及主端工况监测子系统等5 个部分； 从端系统包括局部规划和自动操作子系统、从端手动操作子系统、作业环境电 视监控子系统、从端工况监测子系统、节能控制子系统和伺服控制子系统等。 塑兰盔兰堕兰竺堡苎： 堡塑塑壁垒塑垄垡堡丝望堕堇查里! 型 通信子系统则是联系主端系统和从端系统的桥梁，是整个遥控系统的关键部分 之一。 人机交互子系统：提供操纵者与主端遥控系统之间的人机接口，操纵者可 以选择各种控制输入设备，如鼠标、普通游戏杆、力反馈游戏杆和数据手套， 或通过主端计算机窗口的滑动控制条对机器人进行遥控操作。操纵者通过显示 器的数据显示可以监视从端工作状态，通过从端的电视信号反馈直接观察从端 机器人运动姿态，了解周围工作环境状况。 仿真子系统：能生成一个挖掘机器人可视化三维图形，基于o p e n g l 编程 实现，主要用于机器人离线仿真。使用者可以通过各种输入设备模拟演示机器 人运动姿态，机器人规划结果也能通过三维仿真子系统直观地模拟出来。当系 统处于工作状态时，三维图形通过从端位置传感器反馈回来的位置信息实时地 与机器人姿态保持同步。同时，精确的机器人姿态数据也在显示器上显示出来。 主端规划和自动操作子系统：能做简单的基于规则的路径规划，基于能量 最低的规划等，并能存储结果或传送到从端执行，以实现机器人自主控制。操 作者只需输入机器人运动的起点、终点数掘，便可得到完整的规划结果。 主端手动操作系统：当由于外部干扰、设备故障、程序缺陷、操作人员误 操作等情况会导致机器人自动运行状态失灵时，方便人工直接介入，是为保证 机器人安全运行而采取的保护性措施。 主端工况监测子系统：是基于实例的离线机器人故障监测专家系统。挖掘 机器人的各种工况参数从从端传递过来，通过专家知识的推理、分析，迅速找 出故障原因，甚至能利用人工智能进行故障预报，减小维修量。同时将远程遥 测技术、计算机图形技术和虚拟仪表技术结合起来处理后以直观的方式显示出 来，使操作者可以在遥控系统的主端对机器人的运行状况进行监控和分析。比 如：可以监控机器人各关节油缸的压力、液压系统的温度、泵的出口压力等， 提高遥控系统的故障监测能力和适应不同作业环境的能力。 从端作业环境电视监控子系统：采用摄像系统获得作业环境的实况图象， 将电视信号通过无线电视发射机传送到主端，主端计算机可以通过普通天线和 视频处理卡在显示器上显示出来，以方便主端操纵者直观地了解从端机器人运 动姿态，了解周围工作环境状况，以便作出正确的判断和决策， 伺服子系统：包括比例先导阀放大电路、比例先导阀、主阀、液压泵、油 缸等，其主要目的是驱动挖掘机关节运动。 从端工况监测子系统：主要采集液压挖掘机工作状态参数，如振动参数、 油液成分参数、动态压力参数、流量参数、温度参数等。对于危险的状态立即 作出反应，发出报警信号。同时工作参数随时传递到主端，供主端工况监测子 系统处理、分析。 浙江大学硕：l 学位论文 挖掘机器人的无线遥控通信技术研究 从端手动操作系统：同主端手动操作系统一样是为了在由于外部干扰、设 备故障、程序缺陷、操作人员误操作等情况下导致机器人自动运行状态失灵时 方便人工直接介入。但它可以直接控制伺服子系统，因而更直接、快捷、有效， 特别是在外部干扰非常剧烈，导致通讯系统失灵，计算机无法工作的情况下， 能够保证机器人能被有效控制。 从端规划和自动执行子系统：目前只能接收主端规划数据并通过伺服子系 统将控制命令放大，驱动工作装置完成任务。将来，应能使从端自动识别环境 工况，并通过人工智能作出判断和决策。 节能控制系统：降低能耗，最终目标是实现挖掘机的实际工作功率与发动 机输出功率匹配，使燃油消耗最少。 通汛系统：保证主端和从端问通讯，在整个遥控系统中是关键性环节。它 的可靠性直接关系到整个系统工作可靠性和控制性能。根据遥控机器人不同的 作业环境和不同用途，通信系统可以采用不同的通信方式和不同的物理硬件以 及选择合适的通信协议。从通信方式来看，无线通讯可以采用无线m o d e m 、数 传模块、网桥等，有线通讯可采用r s 2 3 2 串口通讯、r s 4 8 5 通讯、计算机通信 网( i n t e r n e t ) 等。通信协议对于通信系统的传输性能影响较大，一般除了必需 采用与标准接口传输设备兼容的协议如m o d e m 协议、t c p i i p 等网络协议外，自 定义可靠的协议是提高通信性能的有效方式。i ”】 2 。3 无线遥控通信系统的方案设计1 1 7 j8 ”2 0 作者所设计无线遥控通信系统考虑了挖掘机遥控系统的商品化进程，其主 要任务是为主从端系统提供一条在保证有限时延下无差错的数据通信信道，在 此基础上提供了主从端信号输