（机械电子工程专业论文）基于互联网的移动机器人远程控制系统.pdf

摘要摘要机器人远程控制在空间探索、深海勘探和危险环境作业等领域具有不可替代的作用。互联网的飞速发展和普及以及传输速度的不断提高为机器人远程控制提供了廉价而便捷的通讯手段。基于互联网实现机器人的远程控制进一步拓展了其应用范围，在远程医疗、设备共享和远程教学等方面显示了其优越性。本文对基于互联网的移动机器人远程控制系统进行了深入的研究，适应互联网的特点，建立了基于浏览器的多层分布式移动机器人远程控制系统实验平台。本文采用了基于j a v a ( 面向网络应用程序开发的编程语言) 的j 2 e e ( j a v a 2e n t e r p r i s ee d i t i o n ，j a v a2 企业版) 组件技术的最新网络应用解决方案，对控制系统的网络应用进行了开发。并详细讨论了w e b 服务器中的s t r u t s 应用，应用服务器中的e j b ( e n t e r p r i s ej a v a b e a n s ) 应用，服务器与数据库之间的数据一致性和j n i ( j a v an a t i v ei n t e r f a c e ) 在机器人本地控制系统设计中的应用。系统采用基于j 2 e e 的三层体系结构的方式使得系统具有很强的伸缩性、通用性、兼容性和可操作性，每一层能够专注于特定的角色和功能。w e b 服务技术使得系统具有了跨语言平台和扩展性。在移动机器人远程控制平台中结合j 2 e e 和w e b 服务技术，不仅综合了两项技术的优势，提高了平台的可升级和可移植的性能，而且可以将更多的精力集中在功能的设计上。移动机器人远程控制平台是个分布式应用系统，主要由w e b 服务器模块，应用服务器模块和控制器模块三大结构模块组成。其中w e b 服务器模块中分为平台的显示部分和逻辑实现部分，应用服务器模块中分为用户的管理部分和机器人的相关部分，控制器模块分为机器人控制部分和应用服务器之间的通讯部分。最后，本文通过实验的方法对系统的性能进行了测试，测试结果表明系统运行稳定，验证了系统的可行性和正确性。关键词：互联网移动机器人远程控制j 2 e es t r u t se j bj n ia b s g a c ta b s t r a c tr e m o t ec o n t r o lo fr o b o ti sav a l i dm e t h o di ns p a c ee x p l o r i n g ，d e e ps e ap r o s p e c t i n g ，d a n g e r o u sc o n d i t i o nw o r k i n ga n do t h e r s w i mt h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e tt e c h n i q u ea n di n c r e a s eo ft r a n s m i s s i o ns p e e dt h r o u g hw e b , t h ei n e x p e n s i v ec o n v e d j e n c ec o m m u n i c a t i o na p p r o a c hi sp r o v i d e df o rt h er e m o t ec o n t r o ls y s t e m so fr o b o t a p p l i c a t i o n so f r e m o t ec o n t r o la r eb e i n gw i d e ro v e ri n t a r n e t a d v a n t a g e sa r es h o w ni ns o m ef i e l d ss u c ha sr e m o t em e d i c a lt r e a t m e n t ，d e v i c e ss h a r ea n dl o n gd i s t a n c ee d u c a t i o n i nt h i sp a p e r , a ni n t e r a c t - b a s e dr e m o t ec o n t r o ls y s t e mf o rm o b i l er o b o ti ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so fi n t e m e t ，ab r o w s e rb a s e dm u l t i - l a y e r e dd i s t r i b u t e dr e m o t ec o n t r o ls y s t e mo f m o b i l er o b o ti sb u i l tf o re x p e r i m e n t i nt h i sa r t i c l e ，an e wp r o j e c to fn e t w o r ka p p l i c a t i o nu s i n gj 2 e ec o m p o n e n t sb a s e do nj a v ai sp r e s e n t e d ，w h i c hd e v e l o pt h en e t w o r ka p p l i c a t i o no fc o n t r o ls y s t e m a n dt h ea p p l i c a t i o no fs t r u t si nw e bd e v e l o p m e n ti sm a i n l yd i s c u s s e d ，t h eu s eo fe j bi na p p l i c a t i o nl o g i c sd e s i g ni sd e s c r i b e d ，t h ed a t ac o n s i s t e n c yb e t w e e na p p l i c a t i o ns e r v e ra n dd a t a b a s e sa n dt h ea p p l i c a t i o no f r o b o tn a t i v ec o n t r o ls y s t e mw i t hj n ia r ed i s c u s s e d t h es y s t e me m p l o y st h r e e - l a y e r e db a s e dj 2 e es t r u c t u r ea n dw e bs e r v i c e ，w h i c he n a b l e st h es y s t e mt ob em o r ef l e x i b l e s e a l a b l ea n dc o m p a t i b l e w i t hj 2 e ea n dw 曲s e r v i c et e c h n i q u e s ，r e m o t ec o n t r o lp l a t f o r mf o rm o b i l er o b o tn o to n l yp o s s e s s e st h em e r i t so ft w ot e c h n i q u e sa n di m p r o v e st h es c a l a b i l i t ya n dr e u s a b i l i t yb u ta l s om a k e sa l lm e m b e r st op a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to nf u n c t i o n so f t h ep l a t f o r m ，r e m o t ec o n t r o lp l a t f o r mo fm o b i l er o b o ti sad i s t r i b u t e da p p l i c a t i o ns y s t e mt h a ti sm a i n l yd i v i d e di n t ot h r e es t r u c t u r em o d u l e s w h i c hi n v o l v ew 曲s e r v e rm o d e li sc o m b i n e dw i t hl a y o u tp a r ta n dl o g i cp a r t ，a p p l i e a t i o ns e r v e rm o d u l ei sc o m b i n e dw i t hu s e rm a n a g e m e n tp a r ta n de n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns a m p l ep a r t ，a n dc o n t r o l l e rm o d u l ei sc o m b i n e dw i t hn a t i v ec o n t r o lp a r ta n dc o m m u n i c a t i o np a r t a tl a s t ，t h ec o n t r o ls y s t e mi st e s t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h es y s t e mc a p a c i t yi ss t a b l e ，a n dv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so f t h es y s t e m k e yw o r d s ：i n t e r n e tm o b i l er o b o tr e m o t ec o n t r o lj 2 e es t r u t se j bj n i一2 独创性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的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生丝墨盘生或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：q 哞签字日期：枷石年月知日f学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨盗堡墨盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名27 啤签字日期：1 衍月。日 枇谚f 芦臣签字日期：文埤f 月，日第一章绪论1 1 引言第一章绪论1 9 5 4 年，美国人乔治- 德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于1 9 6 1年发表了该项机器人专利。1 9 6 2 年，美国万能自动化( u n i m a t i o n ) 公司的第一台机器人u n i m a t e 在美国通用汽车公司( g e n e r a lm o t o r s ) 投入使用，这标志着第一代机器人的诞型”。从此，机器人开始成为人类生活中的现实。在5 0 多年间，机器人从无到有，从静止到可移动、从爬行到学会了走路、从地面到深海和空间，在世界各个领域和人们生活的众多方面忠诚地为人类服务，做出了不可磨灭的贡献，并促成了机器人自身的迅速发展，现已发展成为一门涉及到力学、机械学、电子学、生物学、控制论、计算机科学、仿生学、人工智能、系统工程等多个学科领域的交叉性学科机器人学 2 1 。随着机器人学的飞速发展，机器人技术不单单只停留在军事、工业的应用范围里，而且被广泛的应用在日常生活中。如何更方便、快捷、廉价的控制机器人，已经成为机器人技术的一个突出问题 3 1 。在目前众多的控制领域中，远程监控已经成为一种重要而便利的控制技术。互联网技术的迅速发展使社会经济结构和人们的生活方式发生了巨大的变化，同时也给新世纪的机器人研究和开发带来新的方向。到目前为止，互联网传输的信息只是人类视觉和听觉可以感知的文字、图像、声音等信息。如果把人类的动作行为转化为数字信号进行传输，互联网将成为人类动作行为的载体，从而可实现人类操作功能的延伸。近几年，机器人远程控制日益受到人们的重视。互联网与机器人的合成，为控制系统提出了一个新的思路。如网络医疗就是一个充满希望的发展领域。建立基于互联网的机器人远程控制平台，不仅可以使操作人员离开具有危险性的操作环境，避免造成人身伤害，同时还可顺应机器人所面临的日益复杂的应用环境，如星际考察、水下作业和活火山探测等极限工作。现在只要连上因特网并被授权，你就可以控制远端的机器人来完成一定的任务，这是多么令人激动的前景! 实际上，这样的情景正在被实现着：近年来，基于i n t e m e t 的机器人远程控制得到了极大的发展并受到广泛的关注，1 9 9 4 年南力n , j q - k e ng o l d b e r g 与m i c h e a lm a s h a 将一个简单的二连杆装置连入i n t e m e t ，开创了网络机器人的新时代。随后众多机器人控制网站开通，形成了网络机器人控制的高潮。这些机器人远程控制系统一般是基于i n t e m e n t 的，比较著名的有澳大利亚的远程机器人、美国的t e l e g a r d e n 等。这种基于i n t e m e n t 的机器人控制提供了简单易用的控制界面，访问者只需要通过浏览器上网，利用鼠标点击，唧可轻松的控制机器人。现在普通大众也可以容易地控制机器人来完成作业了，这对机器人的普及宣传起了很大的推动作用，也开辟了机器人远程控制的新理念。机器人远程控制有着广阔的应用前景，它可应用于太空探险、水下作业、危险地带作业、网络医疗等重要领域。在太空探险领域，美国的火星登陆车第一章绪论是一个成功的应用，而且就目前来讲无人探险器仍是太空探险的主要设备。1 9 8 4 年，从匹兹堡到底特律的网络手术演示实验取得了成功，引起了巨大轰动，网络医疗成为备受关注的行业。从目前来看机器人远程控制越来越显示出它的应用价值，它已被应用到远程教育、网上娱乐等日常领域。相信随着机器人技术和互联网技术的发展和机器人使用的普及化，机器人远程控制必将得到更加广泛的应用。1 2 远程控制机器人的发展及历史1 2 。1 国外研究和发展历史1 9 8 0 年出现了第一个基于互联网的控制设备“c a m b r i d g ec o f f e e p o t - - 剑桥咖啡壶”1 4 。它由剑桥大学的科研人员开发的，基于文本的控制界面和网络下的视频窗口来监控咖啡壶的状态，如图1 - 1 所示。图卜1 剑桥咖啡壶“剑桥咖啡壶”的出现以及后来i n t e m e t 的快速发展，使得操作机器人网站和基于互联网的可控设备在几年内大量涌现。1 9 9 4 年春天，真正意义上的第一代远程控制机器人系统在西澳大利亚大学出现，以 m e r c u r yp m j e c t ，_ _ 水星计划”实施为代表【5 】。“水星计划”的控制系统包括一个工业机器人手臂、摄像头和气动系统，它允许操作者通过摄像头改变视点，在沙箱中对物品进行挑拣操作。m e r c u r yp r o j e c t 是第一个基于万维网的机器人。、在1 9 9 4 年8 月到1 9 9 5 年3 月间，有超过5 0 ，0 0 0 的独立主机访问过其在南加州大学的互联网操作主页( h r p ：w w w u s c e d u d e p t r a i d e r s ) 。图1 2 是“水星计划”远程控制系统界面。图1 - 2 “水星计划”控制界面- 2 第一章绪论随后，同样在西澳大利亚大学，一个机器人手臂远程控制系统被开发出来，如图1 3所示。操作者可以通过i n t e m e t 给手臂发布命令，来挖掘和灌溉在它视野里的植物，随着机器人手臂完成一项项操作，基于j a v a 的界面就显示给操作者一幅幅场景的图片1 6 j 。其它远程控制系统还有英国布拉德福大学的“r o b o t i ct e l e s c o p e ”【，】，一个基于w w w 的展示网上交互的机器人系统；英国曼彻斯特大学的“f o r t yt w o ”一个基于i n t e m e t 的移动机器人远程控制系统1 8 】；日本名古屋大学的一个基于i n t e m e t 的互联网控制系统提供远程参观访问【9 ；加拿大的r y e r s o n 科技大学的 m a x ”，一个基于无线网络的移动机器人的远程控制系统“。图卜3 “t e l e g a r d e n ”遥操作系统随着研究的深入，科研人员越来越关注自主式移动机器人在结构化和非结构化环境下的导航、避障等问题，这标志着第二代远程控制机器人系统开发的开始，典型的代表是美国卡内基一梅隆大学的 x a v i e r 。如图1 - 4 所示，x a v i e r 是由r e i ds i m m o n s 教授和他的科研小组在1 9 9 5 年开发的，它是世界上第一个基于i n t e r n e t 的自主式移动机器人。它接受操作者的命令，穿梭在办公室和教室之间，一边行走，一边回传给操作者一些图片和滑稽的场景【“j 。图卜4x a v i e r 机器人- 3 第一章绪论x a v i e r 的自主能力给它增添了不过分依赖互联网可靠性来保证正常运行的功能，可以智能地处理一些本地的运动规划，但还没有智能到接受像“运行到某某地点”类似的高级指令。其它的移动机器人远程控制系统还有瑞士的“k h e p - o n t h e w e b ”，操作者控制的是在迷宫中运行的一个小移动机器人。它可使操作者在机器人本身视点视频和外部视点视频之间切换，来监控机器人的运行和发布指令1 1 2 】；由德国波恩大学和美国卡内基一梅隆大学合作的博物馆导游机器人采纳了前人一些成功的经验 1 3 】。由三个基于w e b 的界面控制的两个机器人，r h i n 0 1 1 4 】和m i n e r v a ”l ，分别运行在位于波恩的德国博物馆和位于美国华盛顿特区的s m i t h s o n i a n 国家历史博物馆，承担为游人导引的作用。控制界面可以提供给操作者即时的与机器人交互的反馈信息，并同时可以接受几个操作者共同操作的指令。1 2 2 国内研究和发展历史尽管我国在机器人远程控制领域与国外相比，起步较晚，但全国各个高校和科研机构已经开展了这方面的研究工作，并取得了一定的成绩。清华大学开发的基于视觉临场感的机器人远程控制系统，既可通过人机交互协调控制实现对机器人的监控和远程控制，同时又允许机器人基于传感器对高层控制规划进行修正，实现局部自主行为控制u q ；中科院沈阳自动化研究所研制的主从异构的监控远程控制系鲥1 。”；哈尔滨工业大学开发的空间机器人共享系统口8 j ；北京航空航天大学开发的基于i n t e m e t 的远程控制系统【19 j ；南开大学开发的基于互联网主从式远程控制平台【2 0 】；上海交通大学开发的基于w e b 的机器人远程控制系统【2 1 1 ；国防科技大学研制的基于v r 技术的监控式大时延机器入系统【2 2 】；华南理工大学的基于国际互联网的机器人实时跟踪系统 2 3 1 ：东南大学的力觉临场感远程控制系统口4 1 等。据中国海军总医院报告，这家医院医用机器人在手术室成功地为患者实施脑外科手术，而对机器人发出命令的专家却在千米之遥的另一座大楼指挥手术每一个步骤，这是中国首次成功利用机器人进行远程脑外科手术。这例手术使用的是中国海军总医院和北京航空航天大学共同开发的远程控制医用机器人系统，利用互联网和机器人为患者实施手术，在中国尚属首次瞄1 。远程手术实施前，医学专家通过电脑网络接收从手术室里传输过来的图文信息，分析病人c t 影像，然后做出手术规划。接下来，再用鼠标遥控远在手术室的机器人实施手术。机器人根据专家指令，自动搜索手术部位，并迅速锁定穿刺路径，完成摄取病变组织工作。此外，还有一些学者致力于网络机器人所涉及的通讯技术的研究。圜内一些高科技企业也对网络机器人应用于服务业和娱乐业的前景非常看好，并在近几年陆续推出了自己的产品。第一章绪论x a v i e r 的自主能力给它增添了不过分依赖互联网可靠性来保证正常运行的功能，可以智能地处理一些本地的运动规划，但还没有智能到接受像“运行到某某地点”类似的高级指令。其它的移动机器人远程控制系统还有瑞士的“k h e p o n t h e w e b ，操作者控制的是在迷宫中运行的一个小移动机器人。它可使操作者在机器人本身视点视频和外部视点视频之间切换，来龉控机器人的运行和发布指令旧；由德国波恩大学和美国卡内基一梅隆大学合作的博物馆导游机器人采纳了前人一些成功的经验 1 _ ； 。由三个基于w e b 的界面控制的两个机器人，r h i n o 1 4 1 和m i n e r v a 1 ”，分别运行在位于波恩的德国博物馆和位于美国华盛顿特区的s m i t h s o n i a n 国家历史博物馆，承担为游人导引的作用。控制界面町以提供给操作者即时的与机器人交互的反馈信息，并同时可以接受几个操作者共同操作的指令。1 2 2 国内研究和发展历史尽管我国在机器人远程控制领域与国外相比，起步较晚，但全国各个高校和科研机构已经开展了这方面的研究工作，并取得了+ 定的成绩。清华大学丌发的基于视觉临场感的机器人远程控制系统，既可通过人机交互协调控制实现对机器人的监控和远程控制，同时又允许机器人基于传感器对高层控制规划进行修正，实现局部自主行为控制【i6 l ；中科院沈阳自动化研究所研制的主从异构的监控远程控制系统1 1 7 1 ；哈尔滨工业大学开发的空间机器人共享系统【1 8 】；北京航空航天大学开发的基于i n t e r n e t 的远程控制系统【l ”；南开大学开发的基于互联网主从式远程控制平台j ；上海交通大学开发的基于w e b 的机器人远程控制系统j ；国防科技大学研制的基于v r 技术的监控式大时延机器入系统田1 ；华南理工大学的基于国际互联网的机器人实时跟踪系统1 2 3 l ；东南大学的力觉临场感远程控制系统1 2 4 1 等。据中国海军总医院报告，这家医院医用机器人在手术室成功地为患者实施脑外科手术，而对机器人发出命令的专家却在千米之遥的另一座大楼指挥手术每个步骤，这是中国首次成功利用机器人进行远程脑外科手术。这例手术使用的是中国海军总医院和北京航空航天大学共同开发的远程控制医用机器人系统，利用互联网和机器人为患者实施手术，在中国尚属首次1 。远程手术实施前，医学专家通过电脑网络接收从手术室里传输过来的图文信息，分析病人c t 影像，然后做出手术规划。接下来，再用鼠标遥控远在手术室的机器人实施手术。机器人根据专家指令，自动搜索手术部位，并迅速锁定穿刺路径，完成摄取病变组织工作。此外，还有一些学者致力于网络机器人所涉及的通讯技术的研究。国内一些高科技企业也对网络机器人应用于服务业和娱乐业的前景非常看好，并在近几年陆续推出了自企业也对网络机器人应用于服务业和娱乐业的前景非常看好，并在近几年陆续推出了自己的产品。第一章绪论1 3 论文的主要研究内容本论文课题来源于天津市自然科学基金项目“基于w 曲的远程智能代理服务系统”( 0 2 3 6 1 5 0 1 1 ) 。本文首先搭建了基于互联网的移动机器人远程控制系统的核心架构；然后，基于s t r u t s 结构设计实现了系统的w e b 服务层，运用e j b 组件技术实现了系统应用服务层的业务逻辑，利用数据库和j n i 技术完成了后端系统层的数据一致性和机器人的本地控制 最后对整个系统进行了测试与运行，并分析实验结果，证明该系统对基于互联网的移动机器人远程控制具有很好的稳定性和可行性。1 4 论文的内容组织论文的内容组织形式如下：第一章绪论，即本章，回顾了国内外远程控制机器人的发展历史与研究现状；第二章移动机器人系统的介绍与调试：介绍了本实验室用到的移动机器人平台的硬件构成，重点介绍了a s r 型移动机器人的特点和各功能模块，并对其进行了本地调试；第三章基于互联网的移动机器人远程控制系统的软件架构：随着互联网技术的发展，移动机器人远程控制的软件平台也在发展。考虑到本系统架构能够适应以后多机器人协作系统的需求、提高扩展性和可充用性，降低组件之间的耦合程度便于系统的集成开发，提出了一种基于j 2 e e 规范设计的移动机器人远程控制系统的核心架构；第四章移动机器人远程控制系统的服务器层的实现：根据系统核心架构的提出，利用s t r u t s 结构实现了系统的w e b 服务器的设计，运用e j b 组件技术实现了系统应用服务器的业务逻辑，使整个服务器层结构清晰，稳定可靠；第五章移动机器人远程控制系统的后端系统层的实现：利用数据库和j n i 技术完成了后端系统层的开发，实现了数据的存储利用和机器人的本地控制；第六章系统运行与测试：结合软硬件环境对整个系统进行运行和功能测试，并分析实验结果，证明系统运行的稳定性和可行性。第二章移动机器人平台的介绍与调试第二章移动机器人平台的介绍与调试本实验室所用到的移动机器人平台有：8 6 3 计划项目成果，本实验室自主研发的天津理工一号t u t - 1 全方位视觉自引导车和上海广茂达伙伴机器人有限公司生产的能力风暴研究版a s - r 型智能移动机器入。2 1t u t - 1 机器人平台的简介t u t - 1 移动机器人采用四轮结构，其中后两轮是驱动轮，在机器人的前面、左面和右面各有两个超声波传感器，用来检测环境信息，所有超声波数据是由下位系统进行采集，然后由机器人控制器读取环境数据。在进行环境数据采集的同时，机器人控制器接收来自服务器的控制指令，通过一块h y 6 0 5 0 数模转换卡，然后经过驱动放大电路，控制两个电机来驱动两个后轮，机器人的实物图如图2 - l 所示：图2 - 1 t u t - 1 移动机器入系统硬件从计算机控制结构上来说，可以划分为三级：第一级计算机控制为数据采集和处理部分，主要包括以下硬件部分：超声波传感器、c c d 摄像机、m c s 。5 1 单片机、并行采集卡、图像采集卡。第二级计算机控制为路径跟踪和导航部分，主要由中心控制计算机组成，路径跟踪和导航的计算都在这里完成。第三级计算机控制为车体伺服驱动部分，主要包括小车坐标控制器、左右轮测速发电机、左右轮电机。2 2a s r 型移动机器人平台的简介本实验所做工作主要是以a s r 型智能移动机器人为本体，它采用两个2 4 v 的直流电第二章移动机器人平台的介绍与调试机驱动，p w m ( p u l s e w d t 1m o d u l a t i o n 脉宽调制) 控制，两个驱动轮，一个导向轮，内部基于p c 机架构，主频2 8 g ，集成通用的w i n d o w s x p 操作系统和v c + 十开发环境，网络通讯采用无线通讯方式，无线网卡支持8 0 2 1 1 b $ 录准，能够支持最高1 1 m b p s 的通讯速率。机器人的实物图如图2 2 所示：图2 - 2 a s r 移动机器人a s r 型移动机器人采用模块化设计，拥有丰富的配件和强大的开发函数库，具有开放性、扩展性以及易用性等特点，是一个很好的智能移动机器人研究平台。整个本体包括八大功能模块，如图2 3 所示：图2 - 3a s r 型移动机器人功能模块图各功能模块的具体功能如下：1 视频采集模块在此基础上可以采集视频图像，获取视频数据，用户可以对该视频数据进行处理，包括图像处理、视频压缩与编码等研究。2 声纳测距模块等问隔分布的5 个声纳传感器可以测定机器人周围障碍物的距离和合作机器人的距第二章移动机器人平台的介绍与调试离；另外还有4 个p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 传感器。声纳传感器的参数：声纳传感器的测量范围：1 5 厘米7 米：声纳传感器的测量精度：士1 ；声纳传感器的最大采样频率：2 0 h z ；p s d 传感器的参数：p s d 测距传感器的测量范围：1 0 厘米一1 1 0 厘米；p s d 测距传感器的测量精度：士1 ；p s d 测距传感器的最大采样频率：1 k h z ；3 + 运动控制模块a s r 型机器人运动控制模块中起主要作用的是运动控制卡。该运动控制卡是三轴运动控制卡，系统使用了其中两轴。另一路可以被扩展使用。运动控制卡的p w m 信号通过处理和转接输入到电机驱动器，作为电机驱动器的控制信号。通过调节p w m 信号的不同占空比来调节机器人的速度。运动控制卡的d i d o 输出信号作为电机驱动的方向及使能信号。编码器的信号通过电机驱动器及转接板转接，输入到运动控制卡中进行处理。编码器可以作为伺服运动控制的反馈信号。4 网络系统模块( 远程控制及监督)可以在此基础上研究多智能体系统以及基于互联网技术的远程机器人控制技术研究。5 数据采集模块( 3 2 通道)用户可以根据自己的需要增加传感器。通过a d 数据采集卡获取传感器的数据。目前有4 个p s d 模块使用了四个a d 通道。6 语音采集模块提供了语音采集和播放的类库函数。7 图像处理模块包括图像的前处理、提取图像的各种特征等函数。8 语音识别模块包括语音的采集、识别。2 3a s r 型移动机器人的调试在充分了解a s r 型移动机器人的结构和特性后，我们开始对机器人进行调试。2 3 1 为a s r 型进行第一次体检在第一次使用a s r 之前，一定要对机器人进行体检。测量机器人关键设备的基本功能阻及设备的关键参数，采样频率，工作范围和精度。自检包括：运动检测部分、图第二章移动机器人平台的介绍与调试像采集部分、超声测距部分、红外检测部分、音频采集部分和网络模型部分。图2 - 4 是a s r 自带的一个自检程序，经检查测试确定a s r 型移动机器人关键设备的基本功能以及设备的关键参数基本正常。图2 - 4a s - r 自检程序2 3 2 为a s - r 进行编程调试下面开始为其进行第一次编程调试，所用编程工具是v c _ h ，利用m f c 类库和a s r自带的开发库函数编写一个让机器人动起来的简单程序。图2 5 是运动演示程序的生成流程图。利用m f c 自动建立简单的对话框工程0配置a s r 开发环境0构建用户界面上机器人运动控制实现源代码0编译生成可执行程序图2 - 5 运动演示程序生成流程图第二章移动机器人平台的介绍与调试2 3 3c + + 程序片断下面一段程序是库函数调用声明。其中关键是对库函数进行初始化和退出的定义，库系统和库接口指针的定义以及机器人运动速度的设定。c l a s sc a s r s y s t e m ；i n t e r f a c ei a s r m o t i o n ；c l a s sc m o t i o n d e m o d l g ：p u b l i cc d i a l o gp r o t e c t e d ：b o o lb u i l d s y s t e m 0 ；库函数初始化v o i dd e s 仃o y s y s t e m ( ) ；，库函数退出p r i v a t e ：c a s r s y s t e m m _ p r o b o t ；，定义库系统指针i a s r m o t i o n + m _ p m o f i o n ；定义库接口指针e r n l n - i ( s p e e d _ _ v a l u e = 5 0 0 ；设置机器人的运动速度)下面一段程序是机器人运动控制代码的编写，由于篇幅有限，仅以前进和停止为例。v o i dc m o t i o n d e m o d l g ：o n f r o m o 机器人前进i f ( m _ p m o t i o n ) m _ p m o t i o n - s e t d i r e c f i o n ( f o r w a r d ) ；用于设置运动的方向设定左电机的运动速度。m _ p m o t i o n - s e t s p e e d ( w h e e ll e f t ，s p e e d _ v a l u e ) ；m _ _ p m o f i o n - s e t s p e e d ( w h e e l _ r i g h t ，s p e e d _ v a l u e ) ；)v o i dc m o t i o n d c m o d l g ：o n s t o p 0 ( 1 l 器人停止(i f ( m _ _ p m o t i o n ) m a o m o t i o n - s t o p m o t o r ( ) ；s m p m o t o r 用于停止电机。)2 3 4a s r 运动演示程序的生成经过编译调试可以生成a s r 型机器人运动演示程序，如图2 - 6 所示：第二章移动机器人平台的介绍与调试图2 - 6 运动演示程序这样，就可以控制机器人运动了。点击“前进”机器人前进点击“后退”机器人后退点击“顺时针”机器人顺时针向右旋转点击“逆时针”机器人逆时针向左旋转点击“暂停”机器人停止运动第三章基于网络的移动机器人远程控制系统的软件架构第三章基于互联网的移动机器人远程控制系统的软件架构3 1 引言基于互联网的远程控制系统软件设计与传统的遥操作系统相比具有一些新的特点。基于互联网的机器人远程控制系统具有如下特点：1 稳定性，除了机器人自身控制系统的稳定性外，还有网络服务器的稳定性，能经受长时间的向网络用户提供服务，在同一时间向大量用户提供服务。2 系统易于维护，3 系统易于扩充更多的新功能。传统的遥操作控制系统中，网络应用开发使用的c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ，公共网关接口) 技术，每一个用户访问就需要新增加一个进程来处理，进程的不断建立和销毁对于w e b 服务器是一个不小的负担。本文中机器人远程控制系统的网络应用程序的设计采用的是基于j a v a 2 6 1 1 2 7 】( 面向网络应用程序开发的编程语言) 的j 2 e e 幽j ( j a v a 2 e n t e r p r i s e e d i t i o n ，j a v a 2 企业版) 技术。用户控制界面( 视图) 利用j 2 e e 的组件技术j s p p 9 1 1 3 0 】( j a v as e r v e rp a g e ：服务器端页面运行程序) 开发。j s p 是用于开发服务器端的软件技术，j s p 页面由h t m l( h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ，超文本链接标示语言) 代码和嵌入其中的j a v a 代码组成，服务器在页面被客户端请求后执行这些j a v a 代码，然后生成动态的h t m l 页面在客户端显示出来。j s p 程序运行在服务器端，实现了客户端的零安装，利于系统的维护，使系统具有更好的可扩张性和灵活性，适于互联网的应用。和传统的c g i 相比较，j s p 具有明显的优势。j s p 使用线程方式提供服务，不必对每个请求都启动一个进程并且利用多线程机制同时为多个请求服务，具有很高的效率。在速度上，传统的c g i 程序需要使用系统的标准输入输出设备来实现动态网页的生成，而j s p 是直接和服务器相关联的。另外，j s p 是专门面向w e b 应用开发而设计的规范，可以很方便地将许多j s p 页面组合成为一个w e b 应用程序。3 2j 2 e e 的关键技术及特点j 2 e e 是由s u n 公司制订的软件开发规范【3 lj 【”j 【3 ”，其体系结构建立在j a v a 技术基础上。j a v a 技术的突出特点是平台无关性，可以实现一次编程到处使用。j a v a 编程语言是完全意义上的面向对象的编程语言，具有清晰的概念结构，适合于模块化设计。同时，j a v a 还是一种安全可靠的面向互联网的开发工具。j 2 e e 规范定义基于组件e j b p 4 】l ”1( e n t e r p r i s ej a v a b e a n s ) 的方式设计、开发、组装和部署企业应用系统的各个组成部分。j 2 e e 规范还定义了分布式多层应用系统模型、组件重用策略、一致化的安全模型以及第三章基于网络的移动机器人远程控制系统的软件架构灵活的事务控制策略等。j 2 e e 平台独立、基于组件技术的解决方案不受软件产品类型和不同应用环境的制约。j 2 e e 规范定义的组件主要包括：应用客户组件、e j b 企业级j a v a 组件、s e r v l e t ( j a v a服务器端小程序) 与j s p 组件和a p p l e t ( j a v a 用户端小程序) 。j 2 e e 安全模型允许配置一个w e b 组件或e j b 组件，使系统资源只能由授权的用户访问。一个e j b 组件可以被配置成只让特定团体中的成员调用其某些方法，或可以配置成让某个组织中的所有人都能访问其某些方法，同时只让该组织中的某些享有特权的人访问其中一些方法。此外，j 2 e e 的技术特点非常适合于在网络应用开发中将控制逻辑、视图、流程控制模块进行分离，实现网页和控制逻辑的松耦合，使整个网络应用更容易合作开发和维护，其基于组件的模块化编程方式可以提高代码的可重用性和系统的开发效率。3 3j 2 e e 在移动机器人远程控制系统中的应用j 2 e e 定义的分布式多层应用模型将不同性质和用途的组件部署到不同类型的应用服务器中。j 2 e e 规范根据企业信息系统各个组成部分在功能上的区别，将整个应用系统划分为客户层、中间层( 其中可包括w e b 层、应用逻辑层) 和企业信息系统层三层结构，如图3 - 1 所示。各个应用层可分别配置在不同类型的应用服务器中。图3 1 基于j 2 e e 规范划分的企业应用系统逻辑层3 3 1 客户屡客户层用作与企业信息系统的用户进行交互以及显示根据特定业务规则进行计算后的结果。基于j 2 e e 规范的客户端可以是基于w 曲的，也可以是不基于w e b 的独立( s t a n d a l o n e ) 应用程序。在基于w e b 的j 2 e e 客户端应用中，用户在客户端启动浏览器后，从w 曲服务器中第三章基于网络的移动机器人远程控制系统的软件架构下载w e b 层中的静态h t m l 页面或由j s p 或s e r v l e t 动态生成的h t m l 页面。在不基于w e b 的j 2 e e 客户端应用中，独立的客户端应用程序可以运行在一些基于互联网的系统中，比如手持设备或汽车电话等。同样，这些独立的应用也可以运行在客户端的j a v aa p p l e t 中。这种类型的客户端应用程序可以在不经过w e b 层的情况下直接访问部署在e j b 容器( e j bc o n t a i n e r ) 中的e j b 组件。3 3 2 w e b 服务层j 2 e e 规范定义的w e b 层由j s p 页面、基于w e b 的j a v aa p p l e t 以及用于动态生成h t m l 页面的s e r v l e t 构成。这些基本元素在组装过程中通过打包来创建w e b 组件。运行在w 曲层中的w e b 组件依赖w e b 容器来支持诸如响应客户请求以及查询e j b 组件等功能。3 3 3 应用逻辑屡在基于j 2 e e 规范构建的企业信息系统中，将解决或满足特定业务领域业务规则的代码构建成为业务层中的e j b 组件。e j b 组件可以完成从客户端应用程序中接收数据、按照业务规则对数据进行处理、将处理结果发送到企业信息系统层进行存储、从存储系统中检索数据以及将数据发送回客户端等功能。部署和运行在业务层中的e j b 组件依赖于e j b 容器来管理诸如事务、生命期、状态转换、多线程以及资源存储等。这样，由业务层和w e b 层构成了多层分布式应用体系中的中间层。3 3 4 企业信息系统层在企业应用系统的逻辑层划分中，企业信息系统层通常包括企业资源规划( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 系统、大型机事务处理( m a i n f r a m et r a n s a c t i o np r o c e s s i n g )系统、关系数据库( r e l m i o nd a t a b a s em a n a g e m e n t ) 系统及其它在构建j 2 e e 分布式应用系统时已有的企业信息管理软件。3 4 系统的核心架构对于本文中所采用的基于互联网的多层分布式移动机器人远程控制系统，j 2 e e 规范的以上技术特点能够完全满足系统在网络应用上的要求。利用j 2 e e 的组件技术和j s p服务器端软件技术实现多层分布式网络应用，可以综合两项技术的优势，实现服务器程序跨语言平台设计，有利于项目的分工协作和集体开发，还可以提高系统效率保证系统的安全性和可靠性。移动机器人远程控制系统的软件架构主要分为三层：客户层、服务器层和后端系统层。其中，客户层驻留在用户计算机中，服务器层位于机器人网络服务器上，后端系统层为数据库、机器人控制器和机器人系统。图3 - 2 所示为基于j 2 e e 规范设计的移动机器人远程控制系统的核心架构图。第三章基于网络的移动机器人远程控制系统的软件架构a p p l e ta p p l i c a t i o nw e b 浏览器1 lth t t p。1 w e b j i 务器。，s p ss t r u t s：i用户管理应用服务器e j b机器人控制器tf土婴呈ls o a p、数据库移动机器人、一乏穴l工z= 一用路环驱传视无户径境动感频线管规信电器采通理划息机组集讯图3 - 2 核心架构图客户层：运行通用w e b 浏览器程序( i n t e r a c te x p l o r e r 、n e t s c a p e 等) 。通用浏览器程序采用t c p i p 通讯协议是网络用户进行网