（机械电子工程专业论文）基于web和player的机器人远程监控系统的研究.pdf

武汉理上人学硕士学位论文 摘要 互联网的飞速发展有力地促进着网络技术在机器人控制领域的应用。在基 于网络的机器人控制中特别受关注的是移动机器人的远程控制，机器人的控制 体系也逐渐由最初简单的对异地简单机械设备的控制发展到了对半智能、智能 机器人的远程控制，分布式控制等，同时在发展过程中加入了信息融合技术， 实时监控和在线仿真等技术。可以预见，基于网络的机器人控制技术具有良好 的发展趋势和广阔的应用前景。 目前国内外比较成熟的控制系统中一般都包括一个机器人服务器的核心模 块，提供给控制者对机器人上的物理传感器和动力驱动装置的控制。但这类机 器人服务器多半是针对特定的控制系统开发，与底层硬件( 物理传感器以及动 力驱动装置等) 结合非常紧密；操作系统( 如w i n d o w s 、l i n u x 、s o l a r i s ) 一旦 选定，也兀法改换；并且只能以特定的结构开发控制程序，这些局限性导致系 统的可移植性和灵活性较差。 本文采用一个开放源码的机器人服务器一p l a y e r 。将p l a y e r 以组件的形式嵌入 到w e b 服务器上，建立了一个基于w e b 的网络化机器人监控系统。该系统利 用组件化设计思想，w e b 客户端和服务端的控制程序则使用j a v a 语言编写，保 证了系统的跨平台性能，减少了开发工作量并简化了设计模式、提高了模块的 可重用性。而p l a y e r 支持多语言环境，可以使用1 i 同的开发语言编写控制程序、 完成指令发布，封装对硬件的驱动，因此使得所建立的基于w e b 的机器人远程 控制系统具备了良好的灵活性、可移植性和重构能力。论文的主要研究内容和 创新如下： ( 1 ) 有效地提取了机器人场景的传感信息，在线建立了机器人本身的仿真虚 拟模型； ( 2 惭究了各种类型的数据获取、描述、解析、存储和传输； ( 3 ) 研究了人与计算机交互模式以及机器人与网络接口的标准化，开发了用 户的接口界面 ( 4 ) 提出了一个w e b 和p l a y e r 结合的网络化机器人控制系统框架，建立了 易于扩展、灵活性强、可重构的跨平台系统，为分布式、多机器人协作系统的开 发打下基础。 关键词：机器人远程控制，p l a y e r ，w e b ，网络化，j 2 e e 武汉理上大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e th a sg r e a t l yp r o m o t e dt h ea p p l i c a t i o no fw e b t e c h n o l o g yi nt h er o b o tc o n t r o lf i e l d t h em o s tp o p u l a ra m o n gt h er o b o tc o n t r o l m o d e si st h er e m o t ec o n t r o lo fm o b i l er o b o t sa n dt h er o b o tc o n t r o ls y s t e mh a s d e v e l o p e dg r a d u a l l yf r o mt h es i m p l ec o n t r o lo ft h es i m p l em e c h a n i ce q u i p m e n ti na d i f f e r e n tp l a c et ot h er e m o t ec o n t r o lo fs e m i i n t e l l i g e n ta n d i n t e l l i g e n tr o b o t sa sw e l l a st ot h ed i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m i nt h i sd e v e l o p m e n t ，n e wc o n t e n t ss u c ha s i n f o r m a t i o nm e r g i n g ，s i m u l t a n e o u sm o n i t o r i n ga n do n l i n ei m i t a t i o na r ea d d e d i tc a n b ec o n c l u d e dt h a tt h er o b o tc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nw e bh a sg o o dd e v e l o p m e n t t r e n da n dw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t a tp r e s e n t ，t h e r e l a t i v e l ym a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e m sa th o m ea n da b r o a d g e n e r a l l yi n c l u d e sac o r em o d e l ，t om a k ea no p e r a t o rc o n t r o lt h ep h y s i c a ls e n s o ra n d t h ep o w e rd r i v i n gd e v i c ei nt h er o b o t n o wt h e s e r o b o ts e r v e r sa r em o s t l yd e v e l o p e d f o rae 参v e nc o n t r o l l i n gs y s t e m ，a n da r ec l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ei n s i d eh a r d w a r e ( p h y s i c a ls e n s o ra n dp o w e rd r i v i n gd e v i c e ) a n d ，o n c et h eo p e r a t i n gs y s t e mi sc h o s e n i tc a nn o tb ec h a n g e d ，a n dt h ec o n t r o l l i n gp r o g r a m sc a r lo n l yb ed e v e l o p e da c c o r d i n g t oas p e c i f i cs t r u c t u r e t h e s e sl i m i t a t i o n s ，t h e r e f o r e ，l e a dt ol e s s m o b i l i t ya n d f l e x i b i l i t y t h i sp a p e r a d o p ta no p e n s o u r c er o b o ts e r v e rp l a y e r , w h i c hw i l lb ep l a c e do nt h e w e bs e r v e ra sa nc o m p o n e n t t h ec o n t r o lp r o g r a m so fb o t ht h ee n d u s e ra n d e n d s e r v e ro nt h ew e bw i l lb ed e s i g n e di nj a v a l a n g u a g e i nt h i sw a y , n o to n l yt h e c o m p o n e n td e s i g ni sa d o p t e d ，t h es y s t e m st r a n s f o r a b i l i t ya b i l i t yi sg u a r a n t e e d ，b u t a l s ot h ed e v e l o p m e n tl o a di sr e d u c e da n dt h ed e s i g nm o d ei ss i m p l i f i e da n da l s oi t s p o s s i b l e f o rt h em o d e lt ob e r e u s e d m o r e o v e r , a st h ep l a y e rs u p p o r t ss e v e r a l l a n g u a g e s ，o n ec a nu s ed i f f e r e n td e v e l o p m e n tl a n g u a g e st od e s i g nc o n t r o lp r o g r a m s a n dg i v ei n s t r u c t i o n s w i t ht h e s ef e a t u r e s ，t h ec o n t r o ls y s t e me s t a b l i s h e dw i l lb e p r e t t yf l e x i b l e ，t r a n s f o r a b l ea n dr e c o n f i g u r a b l e t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g r e s e a r c ha n di n c r e a t i o n ： 1 ) h o wt og e tt h es e n s e di n f o r m a t i o na b o u tt h er o b o ta n de s t a b l i s ha no n l i n e r o b o ti m a g e 武汉理上大学硕士学位论文 2 ) h o wt oe f f e c t i v e l yd e s c r i b e ，a n a l y z e ，s t o r ea n dt r a n s m i tt h eo b t a i n e dd a t a 3 ) i nt e r m so fi n t e r f a c e ，h o ww i l lw ec o m m u n i c a t et h r o u g hc o m p u t e ra n dh o w w i l lw es t a n d a r d i z e h ei n t e r f a c eb e t w e e n 曲er o b o ta n d 国ew e b 4 ) h o wt o e s t a b l i s ha l la r c h i t e c t u r eo fr o b o tc o n t r o lw h i c hi sf l e x i b l e ， r e c o n f i g u r a b l ea n de a s y t oe x t e n d ，s oa st op a v et h ew a yf o rf u r t h e r d e v e l o p m e n t as y s t e mo fd i s t r i b u t e dm u l t i r o b o t s k e y w o r d ：r e m o t ec o n t r o l ，r o b o t ，p l a y e li n t e m e t ，j 2 e e 1 1 i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 立题的意义 第1 章绪论 自从2 0 世纪5 0 年代末第一台工业机器人发明以来机器人的发展已经有半个 世纪。纵观机器人的发展史，机器人技术在需求的牵引下已经得到了巨大的发 展，到同前为止机器人的发展已经经历了三个阶段1 2 j 。 1 ) 可编程、示教再现型机器人。为了让机器人完成期望的作业首先由操作 者通过示教盒对操作机器人的运行轨迹、作业顺序等进行示教操作。机器人控 制系统将示教指令记忆存储，应用时再根据再现指令，顺序取出示教指令经过 编译在一定精度范围内复现示教动作。 2 ) 带有一定的传感功能，包括视觉、力觉、触觉等功能，具有一定适应能 力的机器人。这种机器人可以根据传感信息调整摔制算法。 3 ) 智能机器人。这种机器人装有多种传感器并能将多种传感器探测到的信 息进行融合，能有效地适应环境的变化，具有很强的自适应能力并具有自学习 功能。 目前，机器人技术的发展已经越来越快，机器人技术不单单只停留在军事 卜- 、二 、l k 中，而是被广泛的应用于日常生活中。如何更方便、更快捷、更廉价、 更有效地控制机器人，没计机器人的控制体系，已经成为机器人技术的一个突 出问题。 i n t e m e t 的迅速发展已经使当代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开辟了新方向。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、图象、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，使人类操作功能无限延伸。 基于网络的机器人远程控制日益受到了人们的重视。这是因为要使得操作 人员远离具有危险性的操作环境，避免人身伤害，面对日益复杂的应用环境， 比如星际考察，水下作业等情况，必须要使得控制者远离作业地点完成需要完 成的工作，网络与机器人结合，建立基于网络特别是基于w e b 网络的机器人远程 控制体系就能有效的解决这个问题【3 】。 互联网的飞速发展有力促进着网络技术在机器人控制领域的应用。在基于 武汉理= 大学硕士学位论文 网络的机器人控制中特别受关注的是移动机器人的远程控制i 舢，机器人的控制体 系也逐渐出最初简单的对异地简单机械设备的控制发展到了对半智能、智能机 器人的远程控制和分布式控制体系，同时在发展过程中加入实时监控和在线仿 真等新的内容。可以预见，基于网络的机器人控制技术具有良好的发展趋势和 广阔的应用前景。 1 2 基于w e b 的移动机器人研究 作为机器人科学的一个重要部分，移动机器人一直是机器入科学研究的热 点之一，移动机器人能够移动到固定机器人无法到达的预定位置，完成设定的 操作任务。近年来对移动机器人的研究中，自主移动机器人的研究【8 1 【9 】是最受关 注的一种，作为智能机器人的一种，自主机器人能够按照预先给定的任务指令， 根据已知的地图信息作出全局路径规划，并在行进过程中，不断感知周围环境 信息，引导机器人自身绕开障碍物，安全行驶到达指定i = 1 标，并执行要求的动 作和操作f 7 】【8 】 1 2 1 移动机器人研究背景 移动机器人的研究始于6 0 年代末期，斯坦福研究院( s r i ) 的n i l sn i l s s e n 年- n c h a r l e sr o s e n 等人，在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年问研制出名为s h a k e y 1 1 1 3 移动机器人。目 的是研究如何在复杂环境下将人工智能技术应用于机器人系统以完成自主推 理、规划和控制的功能。该时期的移动机器人的研究，研究人员主要是研究在 室内结构化环境下，移动机器人所有应用到的基本技术，包括机器人结构设计、 控制技术、传感器技术、信息融合、路径规划等。 进入2 0 世纪8 0 年代，人们研究方向逐渐转向到面向实际应用的室内移动机 器人上【8 】 并逐步形成了自主式移动机器人a m r ( a u t o n o m o u sm o b i l er o b o t ) 概念。这时期的研究成果有美国海军研究的r o b a r t i & i i ，橡树岭国家实验室的核 电站机器人等。一大批世界著名公司和大学也加入到移动机器人研究工作中， 丌发的较著名的机器人实验平台有m a r t i n 公司的a l v i n ，f m c 公司的a r v ，r w i 公司的m i c r o a r t v ，a c t i v m e d i a 公司的p i o n e e r - 2d x ，笔者开发的系统所使用 的就是p i o n e e r 2d x 移动机器人。 国内对移动机器人的研究起步较晚，但经过多年努力，也取得了一定成绩。 目前以清华大学研带r j t h m r l 列系列比较著名。 武汉理工大学硕士学位论文 移动机器人的研究中，主要的研究方向涉及导航能力，其中包括地图的建 立、定位和路径规划，同时也紧密结合着多传感器信息融合，控制结构的分布 式，多机器人协作等多个方向，这些方面的研究工作的深入共同推动着移动机 器人学科的发展。 1 2 2 国内外基于w e b 的机器人远程控制研究现状 1 9 4 8 年，美国阿尔贡实验所研制出一个应用原子堆操作的反馈式远程操作 机械手m 一1 ，这是远程机器人的雏形，人工智能等学科的兴起，推动了远程机器 人科学的进步。在空间领域，美国的n a s a 的火星探测器【6 2 j ( 如图1 1 ) 成功 登陆火星进行了相关研究，德国的r o t e x 舱内空间机器人系统存航天飞机的密 封舱内进行了多种操作实验。目前我刚的机器人远程操作还主要停留在实验阶 段，相信随着“神州”系列飞船的成功升天，和登月计划的促进，我国的机器人远 程控制也将获得有力发展。 远程机器人操作在军事领域和民用领域都有着广泛应用前景，可以完成探 雷、处理爆破和侦查。最近的| ! j _ | 益受到重视的反恐活动中，就已经开始系统的 使用机器人远程操作技术协助完成反恐斗争，而在人们日常生活中，这种技术 也可以用在医疗、探测、建筑等领域，2 0 0 2 年的埃及金字塔探密活动就使用了 一个远程控制机器人，引起了广泛兴趣。 i n t e r n e t 的高速发展和普及，相关w e b 技术的不断升级进步，使得基于网络 的机器人控制成为可能。基于网络的机器人控制就是利用网络实现对异地的机 器人进行控制，使其依据控制者的意图完成指定的任务。目前这方面的研究国 内外也e 如火如荼的进行中。 “c a m b r i d g ec o f f e e p o t ”1 1j 是第一个基于网络的驱动设备，1 9 8 0 年出现在 i n t e r n e t 网上。它观察咖啡壶的状态，通过网络相机监视咖啡壶的工作，并通 过文本的界面和一个接口程序连接到咖啡壶上，控制壶的各种设置。由于互联 网的飞快进步和“c a m b r i d g ec o f f e e p o t ”项目的成功运行，越来越多的远程控制机 器人的站点建立了起来。 “m e r c u r yp r o j e c t ”f 15 l 是第一个允许网络用户远程观察和控制机器人的系统， 1 9 9 4 年9 月正式运行，它将一台相机安装到工业机械手臂上，用户可以远程控制 它挖掘沙土中的文物，并观察工作情况，如图1 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 火星探测器图1 2m e r c u r yp r o j e c t 1 9 9 5 年，k e ng o l d b e r g 开发的t e l e g a r d e np r o j e c t l l 5 是第一代网络机器人的代 表，一个通过i n t e r n e t 远程控制的工业机器人可以接受用户指令实现在异地花园 的灌溉和花草培育，用户主要是通过安装在机器人上的视频设备反馈的图象查 看机器人1 ：作情况，系统采用“f i f o ”思想，对多个用户排队， h 美国伯克力大 学研制。( 基于w e b 的远程机器人控制技术的研究) o n i n l 3 图1 3 t e l e g a r d e np r o j e c t 图1 4t e l e r o b o t a u s t r a l i a st e l e r o b o t ”j 见图1 4 ，是一个带有摄象机的具有六个自由度的工业 机器人，用户可以通过网络远程控制它来摆设基于x 、y 、z 坐标系的一些积木 块，用，。每控制一次，就得到一幅静态的图象，通过不断更新的图象来进行操 作，由澳大利亚大学研制。 加拿大的g a r n e th e r t z 设计了如图1 5 的一个可画图的w e b 机器人，通过安装 在机器人上端的视频设备控制机器人的走向，完成画图任务【坫j 。该项目在网络 技术上采用了j a v aa p p e l t 取代了以前一直流行的c g i ，允许一个客户端提供 更复杂的接口并且能够允许使用自己的通信协议和服务器连接通信。 武汉理工火! 学硕士学位论文 第二代网络机器人的研究更倾向于对移动机器人的研究，r e i ds i m m o n s 和他 的团队在c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y 设计出了第一个具有智能功能的网络移动机 器人一x a v i e r ”j 。x a v i e r 从1 9 9 5 年开始上线接受网络用户的测评，用户通过机器 人上的视频和传感器监视环境和机器人本身的情况，发送指令，x a v i e r 接受指令 后可以在楼内各层房间进行简单的文件传送，敲门，说话等活动。研究的重点 是远程用户和智能机器人的互动协作。x a v i e r 系统重视提高系统的自主性，对于 在线互动，自主性非常重要，自主性降低了低宽带和不可靠的通信影响。对于 机器人的移动，指令发布只需要告诉机器人目的地和方向等简单参数信息，这 蹩信息通过低宽带是完全可以准确传输的，而机器人的自主性能保证其正确处 理任务执行期间的各种异常情况，即使通信完全丧失，机器人仍能够完成当前 的任务，没有任何导航模块会凼为丧失通信机制而受到影响，保证了机器人的 安令性。目f i f x a v i e r 的计算能力已经翻番，并且具有标准的低宽带机制，j a v a 和视频技术以及各种相天网络通信办议也在系统中得到r 广泛应用。目前该系 统叮以通过很低的预处理信息量就能产生持续的低宽带信息，和实时的视频反 馈。并且通过j a v aa p p l e t 实时迅速的显示地图和位置信息。 另一个受到好评的是t h em u s e u mt o u r g u i d er o b o t i “i 。该项目设计了三个 w e b 接l 1 用于控制向导机器人以及它和人群的互动。向导机器人通过网络带领 w e b 用户参观两个著名的剧院：b o n n 的d e u t s c h e s 剧院以及华盛顿的 s m i t h s o n i a n sn a t i o n a l 剧院。控制程序提供了各类表单来实例化给用户的反馈信 息比如用户机器人的操作记录，当前目标以及当前动作，也具备了低宽带通信 下更新机器人的控制状态的能力。系统能够获取机器人相机的图象也能够通过 各种代理机制在同一时刻服务多个用户。 图1 5 k h p o n w e b 图1 6 x a v i e r 在基于w e b 的自主移动机器人方面如国外的研究人员已经设计出了多种多 武汉理工大学硕士学位论文 样的系统，其机器人的自主性和基于网络的远程控制得到了比较好的结合具有 很大的参考价值 国内在基于w e b 的机器人控制技术领域的研究目前也有了长足的进步，中科 院沈阳自动化研究所、上海交大、华南理工大学在基于w e b 的机器人遥操作与控 制领域有比较好的研究，浙江大学在网络机器人的仿真调试与虚拟环境方面有 一定研究，华北电力大学在机器人多用户协调上也有一定的创新 北京航天航窄大学机器人研究所和海军总医院共同丌发了例远程操作医 用机器人系统 l “，利用网络，医疗专家通过从手术间传出的病人相关图文信息， 分析病人病情，作出手术规划，在用鼠标远程操作手术问的机器人，实施手术， 表明我国学者在这方血的研究已经开始走向实际的应用领域。 1 2 3 基于w e b 的机器人远程控制研究新趋势 传统的基于网络的机器人远程控制主要集中在下面二二个研究领域f 1 2 】【1 4 1 【1 8 1 ： 对基于i n t e r n e t 的机器人远程双向控制的研究，即考虑通信时滞的情况下机 器人实体和用户双向自适应控制系统的稳定性和透明操作性的分析和研究； 使用第三方的技术，加强异构体系的联合作用，既通过先进技术，整合异 构系统，使之成为一个整体，构建成一个稳定的机器人控制体系； 通过成熟并不断发展的网络技术来进一步完善机器人的自主控制。 从9 0 年代开始，为解决早期机器人控制体系经常存在的缺陷如：过多地依 赖具体的硬件和操作系统，跨平台移植性较差；拘泥于某一种机器人控制模式； 系统的可重构不强，没有良好的扩展能力等问题，产生了机器人控制框架的概 念即：通过提出面向具体应用的机器人控制体系的典型特征，构造具有共性的 组件模块如：规范的通讯、软硬件接口和控制模式( p a t t e r n ) 。机器人的控制框 架基本特性包括： 1 ) 良好的跨平台性； 2 ) 快速移植能力； 3 ) 良好的开放性，便于扩展； 4 ) 良好的模块化和组件特征； 5 ) 资源管理可重构性； 6 ) 软硬件接口和结构标准化。 伴随这概念的提出，机器人控制体系的设计上也产生了显著的变化：设 武汉理工大学硕士学位论文 计过程中更强调控制框架设计的重要性，注重系统的开放性，可重构性和标准 化，并且研究重心开始向多机器人系统倾斜，考察在开放的可重构的系统中， 多机器人问如何互相协作共同完成任务。 如擒m b o t 系统，是一个基于j a v a 的应用程序和j a v a 包的集合的多机器 人控制系统。全部源代码公开，适用于单多代理的多机器人研究。目前主要运 行在n o m a d i ct e c h n o l o g i e s 公司的n o m a d1 5 0 机器人上，并已被移植到多种机器 人平台。可以方便地运行在各种操作系统如w i n d o w s ，l i n u x ，m a c o s 等上。 而o r o c o s 则是一种与具体应用完全无关的准实时移动机器人控制框架， 是欧盟项目o p e nr o b o tc o n t r o ls o f t w a r e 的一部分。设计的指导思想主要是基于 组件设计，底层的控制与通讯等信息被封装抽象成为功能模块，丌发者只需要 根据具体的应用需求，利用这些模块建立相应的组件。实现代码共享，框架不 针对具体实验室的具体硬件，而且程序代码遵从g p l 协议，用户可以轻松的将系 统移植。支持分布式计算，在分布异构的环境f ，组件可以并行运行和通讯。 本文课题熏点运用了p l a y e r 4 7 】【4 8 】这个移动机器人控制框架系统， p l a y e r 足荚目斯坦福大学、南加州大学、加拿大s i m o nf r a z e r 大学联合丌发的 一个基于t c ps o c k e t 的多线程的机器人驱动服务器，提供给了控制者简易的对 移动机器人上的物理传感器和动力驱动装置的完全控制。p l a y e r 的设计。在浯言上 是独立的，并且是平台无关性的。控制者的客户端软件能运行在与机器人通过 网络连接着的任何设备上，并且软件的开发能够使用任何识别套接字技术的语 言。p l a y e r 的发计思想是并不考虑使用者是如何构建自己的机器人控制程序，因 此，相对其他机器人接口，它更“简洁”。p l a y e r 从一开始就设计成为具有易于扩 展新驱动和对于现有驱动扩展新功能的特性，并在程序的实现上处处体现了这 一原则。 图1 6t e a m b o t图1 7s o c c e rs e r v e r 以上这些控制框架都提供了相应的仿真模块，以显示单多机器人接受任务 武汉理t 大学硕士学位论文 运行的模拟效果，如p l a y e r 提供了二维和三维的集成仿真环境，模仿移动机器 人，传感器和障碍物等对象，模拟了多移动机器人在不同环境下的运行情况， 图1 8 ，1 9 就是多机器人仿真的两个例子。t e a m b o t 也有自己的仿真模块，仿真 界面如图1 6 ，由纯j a v a 代码编写，可以运用j a v a a p p e t 内嵌到w e b 页面上。 s o c c e rs e r v e rs o f t w a r e 1 5 j 是一个最著名的多机器人仿真软件。该软件较少考 虑到环境的几何要素，而更多考虑到机器人问相互联系，通过模拟球赛来研究 在交互，协作，对抗的情况下机器人自身以及机器人作为团队成员的运行状态。 仿真界面如图1 7 图1 8s t a g e 仿真l图1 9s t a g e 仿真1 这些新的趋势，将大为改变机器人研究的理念，开辟新的研究途径。将 算机技术、网络通信技术、智能传感技术、信息融合技术相结合，强调系统的 分布式、可重构性，模块化和组件特征，强调多机器人的协作研究，这种新的 研究思想必将给基于网络的机器人远程控制研究注入新的活力。 1 3 课题研究背景和主要内容 本课题来源于国家自然科学基金项目：传感器网络环境下移动机器人动态 特征与可重构控制框架( 6 0 4 7 5 0 3 1 ) 。本项目出发点是将传感器网络作为机器人 的一种传感资源，着眼于机器人本身的控制体系结构分析。在分析其资源结构、 动念特性和控制需求的基础上，从资源管理、通信和控制角度研究机器人的可 动态重构框架，提出基于组件的开发模式。通过对系统资源的管理侦测、智能 寻求资源匹配，建立通信机制，消解资源冲突，提高控制的鲁棒性。本文主要 研究如何将移动机器人与w e b 网络结合，构建一个易于移植，可扩展，开放的， 武汉理工大学硕士学位沦文 可重构的系统控制框架。在该控制框架f ，通过网络组合多机器人仿真软件s t a g e 和多机器人网络服务器p l a y e r 4 7 】【删，采用跨平台的j a v a 语言和基于x m l 中 间件技术的w e b 三层结构，建赢了一个远程机器人控制和在线仿真的系统，主 要在以下几个方面作一定的研究： 1 ) 如何有效地提取机器人场景的传感信息和在线建立机器人本身的仿真虚 拟模型； 2 ) 如何对获取的各种类型的数据进行有效描述、解析、存储和传输； 3 ) 在用户的接口界面上，用户与机器人用什么方式进行交互； 4 ) 机器人与网络的接口如何标准化： 5 ) 如伺建立易于扩展、灵活性强、可重构的体系，为进一步发展成为分稚 式、多机器人体系打下基础。 1 4 论文组织结构 本文共分为7 章： 第1 章：概述，主要阐述本系统研发的必要性、研究背景和论文的组织结 构； 第2 章：介绍了w e b 通信技术中的两个主要技术点：x m l 和h t t p 。并就 如何与j a v a 技术结合做了一定介绍； 第3 章：介绍系统丌发所需要的第三方提供的开源项目- - p l a y e r 机器人网络 服务器； 第4 章：从系统需求出发，分析了系统的功能需求； 第5 章：以模块分析入手，着重分析了各个模块中重要的类、页面的开发， 并对各个模块中关键的技术问题进行了探讨； 第6 章：工作总结和展望。在这一章节中，对全文作了总结，并指出自己 所作的工作和创新点，以及系统需要进一步改进的地方。 武汉理1 ：大学硕士学位论文 第2 章基于w e b 技术的网络信息处理 2 1x m l 技术 2 1 1x m l 定义 x m l ”】是被漫计用柬描述数据的语言。在x m l 中标志是没有预先定义的， 必须要自定义需要的标志。x m l 是能够自解释的语言，它使用d t d ( d o c u m e n t t y p ed e f i n i t i o n ，文档类型定义) 来显示这些数据。x m l 是关于数据的语言，足【q 扩 展的，同时x m l 允许用语自定义标记和文档结构。x m l 的标记用来说明你所 描述的概念，而属性则片j 米控制它们的结构。所以，你可以定义自己所设计出 的语法并同其他人共享。 2 1 2x m l 的来由。3 1 9 6 9 年，人类第次登卜了月球。与此同时，i b m 的研究人员e dm o s h e r ， r a yl o r i e 和c h a r l e sf g o l d f a r b 发明了第一种现代标记语言一通用标畦语言 ( g e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ，g m l ) 。g m l 是一种自参考的语言，它可以用 于标记任何数据集合的结构，同时它也是种元语言( m e t a l a n g u a g e ) 一能够描 述其他语言及其语法和词汇表的语言。此后，g m l 发展成了标准通用标记语言 ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ，s g m l ) 。 1 9 8 6 年，s g m l 被国际标准化组织( i s o ) 接受为国际性的数据存储和交换 的标准，并收录在i s 0 8 8 7 9 当中。s g m l 是一种非常强大( 当然也相当复杂) 的标记语言，它已经被美国政府及其合同商、大型制造公司、信息技术发布者 广泛采用。出版商也经常使用s g m l 制作各类纸张文档，如书籍、报告、参考 手册等。然后，这些s g m l 文档会被转换为合适的格式，接着交给排版者和印 刷者处理。s g ml 还被用来将技术规范应用于生产制造。但是，它的复杂性及 其实现所需要的大量资金，又意味着大多数商业用户和个人用户无法享受此项 技术所带来的益处。 1 9 9 6 年，万维网协会开始设计一种可扩展的标记语言，使其能够将s g m l 的灵活性和强大功能与已经被广泛采用的h t m l 结合起来。这种后来变成x m l 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的语言继承了s g m l 的规范，而且实际上就是后者的一个子集。x m l 是一种界 定文本数据的简便而标准的方法。它曾经被人称作“w e b 上的a s c i i 码”。 2 1 3x m l 的优势 x m l 的数据描述机制意味着它将成为一种在i n t e r n e t 上共享信息的强大途 径。它有如下优势： 1 ) 自由扩展性。x m l 与h t m l 的大不同之处，就在于在x m l 中可以 自由定义标签，所定义的标签可以按用户的意思充分表达文件的内容。并且x m l 只注重内容，这与h t m l 强调布局的做法不同，其外观呈现可以通过搭配c s s ( c a s c a d i n gs t y l es h e e t s ) 或x s l t ( e x t e n s i b l es t y l e s l l e e tl a n g u a g et r a n s f o r m a t i o n l 使x m l 向h t m l 或者其他格式转换。 2 ) 异构系统州信息互通。计算机应用经过几十年的飞速发展，新技术的层 出小穷，使得当今的不同企业，企业不同部门问或许都存在不同的系统。系统 问，往往因大相径庭的的平台、数据库软件等，造成信息流通的困难。在这些 异构的系统问信息交流，往往需要特殊容纳件，才能跨越彼此的疆界。而借助 x m l ，异构系统之问可以方便的进行信息交流。作为跨应用系统的沟通媒介， 它用开放的方式协助整合信息，使信息在不同的应用系统间流畅地互通，使不 同系统之间的数据得以动态共享，强化了数据使用者与服务器系统之问的聚合 性。利用x m l 的可延伸性及自我描述的特性，同一数据可以用不同的表现方式 提供给不同用户，在多个不同的数据库之间传递信息的应用。在商业数据处理 方面，x m l 相比e d i 而言大大降低了数据管理和交换的成本。它具有统一的数 据格式，可以使数据管理和交换的成本更低，也更易于管理。 3 ) 准确的搜索能力。通过x m l ，用户可以自行设计表达含义的标签，通过 这些含义丰富的标签，搜索引擎可明确标签和内容数据的依存关系，准确的加 以定位，并找到合理的目标。 4 ) 灵活的w e b 应用。x m l 格式的数据文件能被发送到其他应用软件、对 象或中间层服务器做进一步的处理。也可以被发送到客户浏览器上浏览。x m l 和h t m l 、脚本、公共对象模型一起为灵活的三层w e b 应用软件的开发提供了 所需的技术如本地计算和处理，数据的多样冠示，粒状更新以及数据长久保存 总之x m l 是开放的。x m l 能够在不同的用户和程序之间交换数据，而不论其 武汉理工大学硕士学位论文 平台如何。它的自描述的特性使其对于b 2 b 和企业内部网解决方案来说是一种 有效的选择。无需事先协调，我们就可以在程序之间共享数据。 2 2x m l 与j a v a 结合 2 2 1x m l 与j a v a 结合的优势 尽管j a v a 有着十分美好的前景，但是由于实际卜的各种原因，j a v a 到目前 还并没有达到人们期望中的那样成功，而且还没有非常广泛地应用丁商业开发 和汁算工具。j a v a 试图从统计算甲台的角度来实现互操作，但真i 明e 够可：操 作的，只能是标准和通用的数据描述语吉。它就是x m l ! x m l 更适合丌放的 信息管理。 事实上，j a v a 是x m l 理想的伙伴。分升来讲，2 种技术都很好，但都有各 自的局限性。j a v a 要求开发者自行安排例络数据格式及其表示格式，并要求使 用类似j s p ( j a v a 服务器网页1 这样并不真正分离内容层与表示层的技术。而 x m l 只是元数据，如果脱离了类似解析器和x s l 处理器这样的程序，也就没有 用了。 j a v a 使浏览器工作时就像在通用的应用平台上，而平台与平台之恻却是独立 的。但固定的t a g ( 标签) 集合和h t m l 语义上的贫瘠使得j a v a 的应用受到了 极大的限制。正如前面提到的，在h t m l 中不同的语义无法表现，故数掘元素中 丰富的信息得不到一种统一的表示。x m l 却能完全胜任这份工作。x m l 极力 承诺：凡是j a v a 能为代码提供的方便性，x m l 都可以为数据提供。h t m l 页面 要依赖网络服务器上的c g i 脚本来表现几乎每一个编程函数，这显然使服务器 工作量太大。有了x m l 和j a v a 的结合，更多的应用软件处理起来将不占用太多 网络通信量。这使得网络更加快捷，客户可以同时应用多个应用软件。这样，x m l 使得j a v a 真正有了用武之地。 编写j a v a 代码可以保证任何带有j a v a 虚拟机( j v m ) 的操作系统和硬件能 运行已编译过的解释代码。这一点增加了在可独立于系统的标准化数据层描述 输入输出的能力，并使数据真正可移植。同时，这样的应用程序也将是完全可 移植的，并且使用相同标准和其他任何应用程序交流。j a v a 已经提供了一套强 武汉理工大学硕士学位论文 大的a p i 、解析器、发布框架以及供x m l 使用的其他编程工具，保证这2 门技 术能有效地结合到一起。 x m l 和j a v a 技术有许多互补的特性，两者的结合将形成一个强大的数据共 享和处理的平台。一方面，x m l 能以一种开放而中立的方式定义数据和文档， 当然还需要丌发那些能处理这些数据或文档的应用；另一方面，j a v a 平台提供 了一个统一的计算环境，特别的是可移植的j a v a 代码能通过网络下载到任何一 个j v m 上。而且x m l 与j a v a 技术的结合基于它们固有的协作性，因此当j a v a 和x m l 结合使用时，完全可以弥补现在应用程序发展蓝图中的不足。 22 2x n i l 与j a v a 结合实现异构系统问信息互通 目前计算机系统经常存在这样的问题【2 9 1 3 1 1 1 3 5 ：大多数支持和管理的需求米 白于山计算机上的软件交织成的只有依赖性的复杂网络，这种依赖性存在于： 软件对平台、软件对数据、软件对软件以及甲台对i f 台。解除这些依赖性的束 缚是十分重要而且必要的，j a v a 和x m l 的优越性在帮助排除系统、软件和数据 之问的互相依赖性方面是f - 分显著的。今天的w e b 应用面临的问题之多也是 1 0 年前无法想像的。应用软件系统不仅要能跨技术，还要能跨企业进行信息交 流。客户端已经不再局限于传统含义，支持h t m l 的w c b 浏览器、支持无线应 用协议( w a p ) 的移动电话或者使用完全不同的标记语言的手持式管理器都可 以成为用户。现在数据及数据传输问题已经成为所有正在着手开发的应用的主 题之。x m l 正好为程序员们提供了一个满足上述所有要求的途径，而j a v a 的 a p i 模板库可以帮助j a v a 开发者们在j a v ai d e 环境中使用x m l 及其多种组件。 x m l - d e v 邮件列表组推出了一个x m l 的j a v a 应用编程接口标准s a x ，w 3 c 也为d o m1 0l e v e l1 定义了j a v a 语言的绑定。目前，基于j a v a 的x m l 解析器 几乎都支持这2 个应用编程接口。应用开发者能够使用j a v a 通过这些接口来获 得和操作x m l 构件，从而使得j a v a 平台成为处理x m l 文档的普遍存在的运行 环境。另外，x m l 采用u n i c o d e 字符编码系统。j a v a 平台对u n i c o d e 标准的支 持使得它能容易地处理国际性的x m l 文档，比起那些不支持u n i c o d e 、应用软 件必须自己实现对u n i c o d e 字符的处理的平台来说，j a v a 要优越得多。 因此，s u n 公司及其合作伙伴正在制订j a v a 平台面向x m l 技术的扩展标准， 它将