（系统工程专业论文）地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计.pdf

南京理工大学硕士学位论文地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计 abs t r a c t i nt h e m o d e rn w a r f are ， t h egto und 口 i l i t ary r o b o t h a sa l r e a d yp i 盯e dt h e p i v o t a l r o l e . c o 龙 犯 a n d 朋d c o n t r o l s y s t e mi s t h e i 田 p o r t 即t c o n s t i t u e n t o f t h e gro u n dm i l i t aryr o b o t ，i sab r i d g ec o nne c tt h ec o 功 川 a n d e r曲dt h er o b o t . t h i sart i c l eh a sc a r l i e do nt h es y s t e 口d e s i 郎 t oc 呵 andandc o n t r o l s y s t e ms o f t w a r eo f盯o und . i l i t aryr o b o t ， h a s c arr i e do nt b ee f f e c t i v e n e s s e v a l u a t i o no ft h es y s t 朗 the盯1 !n ary w o r ko ft h i st h e s i s主 n c l u d e s : o nt h e b a s eo fd a t afus i o nt e c hno l o gy，o b j e c td e 七 e c t i o n ， o b j e c tt r ack i n g ，t 叮g e t r e c o ，i t 土 o nt e c hno l o 盯 anda s s i s t ant d e c i s 主 o nt e c hno l o g y ， w ec o 口 p l e t e dt h e f o l l 叩i n g 初r k : t h es y s t 胭 d e s i gn t oc o id . andand c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e o f 盯o und口 i l i t aryr o b o t ;s e p ara t e l yi n t r o duc e dandc 伽p 时e dt h em e t h o do f o b j e c t d e t e c t 主 o n ， o b j e c t t r a c k i n g ，t arg e tr e c o ，i t i o n ，p r e s e n t s aa l g o r i t 恤 o fd ete c t i n go b j e c t s汕i c h c o m b i n eb a c k g r o und s u b t r act i o nw i t h t i 口 e d i f fer e n c e ， 盯e s e n t saa l gor i t 恤 o ft h eo b j e c tt r a c k i 飞 w i t hi 劝 p r o v e dw i de r 即g eb l o c k 恤atc h i n g :p r e s e n t sam e t h o do f七 he t arg e t武t r i b u t ej u d g e 皿 e n t w i t ht h ei m 盯o v e d b a 夕 e s d a t af u s i o n : p r o d u c e d t h e d e s i gn p r o p o s a 1 o fd i g i t a 1 功 叩 w i t hm spi n f o s o f t w are a st h ep l a t fo功; s t udi e d a s s i s t ant d e c i s i o n t e c h n o 1 o g ywhi c hb a s e do nt h ei n d i v i d u a 1c ouun andandc o n t r o 1 a g e n tandh a s d e s i gne dt h ed e c i s i o n 一 功 aki n gf l o 贾 ;f i nal l y ，ana l y s 主 sandc o 皿 p are d t h e e f f e c t i v e nes se v a l u a t i o nm e t h o do fc 伽m 助da nd c o n t r o ls y s t e mandu s e dahp 口 e t h o dt oe v a l u a t et 阮 s y s t 朗，f u r t h e rs t u d i e d盯o u p se ahpandp r o d u c e dt h e 的j e c t i ve e v 已 l u a t er e s u l t t h es y s t e 口d e s i gn andt h ee s s e n t i a l e n g i n e e r i n g r e s e arc h ， h a s b u i l t t h e g o o df o unda优o nf o rd eta i l e dd e s i ， o ft h e盯o undm i l 生 t aryr o b o tc o 功 川 a n d c o n t r o l s y s t e 口 s o f t w a l e : e f f e c t i v e n e s s e v a l uat i o n ， has p r o v i d e d t h e s c i e n t i f i c b a s i s t oap盯a i s a l 助dt h ei 田 plo v e m e n 七 o ft h es y s t e md e s i g np l an 主 nt h es y s t e mt r i t u r 欧i n g . : m i l i t ary f u s i o n ，a s s i s t 即t r o b o t ，c o 画andand d e c i s i o n ，d i g i t a l c o n t r o ls y s t e 口 ，s o f t w a l ed e s i g n : d 战a m 即，e f f e c t i v e n e s se v a l u a t i o n n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 娅 业 享 即 夕年夕 月 “ 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 杨念 呵j砂 少年7 月/ 怕 南京理工大学硕士学位论文地面 武装机器人指挥控制系统软件总休设计 1绪论 1 . 1 论文研究的 背景 高技术的发展，信息技术的革命， 使得高技术武器层出不穷，并正在军事领域 引发一系列革命性的变化。 作为未来战争物质基础的高技术武器装备正朝着信息化、 隐身化和无人化方向发展。 所谓机器人，它是一种机械与电 子系统和传感器相结合 制成的具有人的某些智能的自 动化机器。 军用机器人是指各种由人类设计和制造的， 能够代替人完成某些军事任务的，可多次重复使用并且不由 人直接操纵的系统或载 体b1 。 这里强调“ 可多次重复使 用和不由 人直接操纵” 是为了 避免将导弹、 鱼雷、 火炮、枪械等也纳入军用机器人的范畴。军用机器人涉及地面、水下和航空航天等 军事应用领域， 而地面军用机器人主要是指智能或遥控的轮式和履带式车辆， 是用 于完成地面军事 任务的 一种军 用机器人.- 军用机器人是机器人发 展的一 个重要方面m. 由 于现代武器系统正在朝着自 动 化、智能化、杀伤力更大的方向发展，战争更加激烈、残酷、多变，破坏性更强， 消耗更大，人员生命在战争中受到的威胁也更大。因而，用机器人代替真人，在战 争中从事最危险的工作，已成为目 前各国军用机器人发展的重点方向。这就为机器 人在军事领域内的应用提供了 广阔的前景，并成为加速军用机器人发展的强大推动 力。目 前，军用机器人在国外陆、 海、空三军中应用已 非常广泛，在陆上有用于武 器、弹药搬运、装卸、站岗、放哨、警戒、巡逻、侦察用机器人;用于在恶劣地形 与危险情况下抢救、防化、 布雷、排雷和处理爆炸物的机器人;用于在核、生物、 化学战剂环境下维修车辆、驾驶坦克和其它战斗车辆进行战斗的机器人;在海上有 用于深水打捞、水下探测、海上救援、海上巡逻、布设水雷和排除水雷的机器人; 在空中 有用于情报侦察、照相、电 子战、 对地攻击和执行 试验等任务的机器人 ( 一 般称为无人驾驶飞行器) ; 在航天领域有用于月球探测， 在轨道上修理或回收人造卫 星的遥控机器人等。 指挥控制系统的 技术、 战术功能主要是由 指挥控制系 统软 件实现的幻 ， 通过指 挥控制系统软件， 可以 有效地指挥控制地面武装机器人进行战场侦察、 作战、 支援， 与战场口 1 系统联网配合，大大减少人员伤亡、提高战场的快速反应能力。 因此，开发一套从地面武装机器人技术、战术需求出发、满足技战术指标要求 和操作要求的软件系统，对于成功研制地面武装机器人是非常重要的。 1 . 2国内 外研究现状 机器人的研制和使用大约始于公元前一世纪左右。 但是， 那时候所谓的机器人， 实质上都是些木偶，它们并不能代替人从事各种类型的体力劳动，更不用说用作作 绪论硕士论文 战的工具了。 到20世纪50年代初至60年代初， 由于科学技术的发展， 尤其是电子 技术、控制技术、传感器技术、计算机技术的发展和使用，真正能代替人参加各种 体力劳动和用于军事目 的的机器人才开始出现。随后，机器人便以极快的速度向前 发展，并在工业、农业、科学研究、海洋调查、服务行业和军事领域广泛地应用。 到目 前为 止， 机器人的 发 展， 根据其功能， 大体可 划分为 三代 tl.9，川 : 第一代为固定 程序和可编程序机器人，主要用于搬运、点焊等这类繁重重复性劳动。第二代是具 有感知外界信息能力的 机器人，它们己具有视觉、 触觉、听觉等传感功能，能进行 产品装配、电弧焊等这类比 较复杂的加工作业。第三代机器人，通常称为 “ 智能机 器人” ， 顾名思义， 它们已 具有一定人的智能， 它们能按环境的变化或按人的指令进 行学习、 推理、 决策、 规划等工作。 从80年代中后期至目 前， 机器人进入特定领域 专用机器人的高级发展阶段。例如，在动态环境下进行复杂作业的 “ 多传感器机器 人” ，在危险环境下作业的 “ 遥控式机器人” ，以核工业为背景的“ 遥控移动式机器 人， ，用于精密仪器装配作业的“ 装配机器人”， 用于特定壁面作业的 “ 多足爬壁机 器尤， ，以及用于空中、地面、水下侦察、监视等军事目 的的机器人。这类机器人， 已成为美、日、俄、德等国机器人发展的重点，它们的智能与人的智能之间的差距 正在日益缩小。第四代具有人类感情、能思维的机器人目 前正处在发展之中。 军 用机器人经历了 一个从遥控到自 主的发展历 程阁 。 首 先发展的军 用机器人是 遥控军用机器人，遥控操作手远离机器人，通过选定的控制方式进行遥控。早期的 遥控军用机器人功能简单， 主要用电缆通信控制， 用于摧毁防御工事或扫雷。 后来， 开始采用无线电 控制，克服了电 缆控制距离短的缺点。为 解决无人车辆在操作手视 线以外的控制问题，近年来在机器人上配备了 立体电 视摄像机，操作手可在遥控台 监视器上进行观察控制，宛如身临其境的感觉。目 前广为使用的是光纤控制，光纤 重量轻 ( 每1 00如约z k g ) ， 信号衰减少， 且能传输更多的 信息， 保密性好。 采用光 纤控制的机器人遥控距离远，如美国的突击队员机器人车 ( .roboticr a ll ger vehicle)， 遥控距离可达10 腼。为使光纤控制和无线电 控制相互取长补短， 一些机 器人的控制采用了两者相结合的方法。 自 主式机器人与遥控机器人区别是它不需要操作手，而是依靠自 身的人工智能 来完成预定的动作和任务，主要特征是采用了许多先进而可靠的 传感器和高速计算 机系统， _在机器人指挥控制系统软件中增加了复杂的人工智能、专家系统程序，使 其在地面行驶或行走时能够选择最佳路线和地形到达目 的地。自 主式机器人的地面 导向需要快速计算机处理系统，而其观察系统需要有高水平的图像识别能力. 虽然自主式车辆是机器人车辆的发展方向，但目 前各种自 主式车辆研制都未达 到实用阶段，大都是半自 主式，而且完成的车型也不多，自 主式工作能力有限，如 美国陆军的p rowler60系列车围 。该车作为一种全地形轮式车辆，在p r 0 w l e r 50系 2 南京理工大学硕士学位论文地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计 列无人车辆的基础上，增加了更先进的传感器和计算机装置，并在指挥控制系统中 增加了反应软件，从而具有沿着给定路线进行自 主式巡逻的能力。通过地理信息系 统在车载计算机内 装入巡逻周界地图， 使该车能利用车载传感器和已 知导航参考点 进行自 动导航， 用于执行重要区域边界上的巡逻任务。再如美国的5 切 o r 璐战斗机 器人系统，已 经在伊拉克战 场 投入使用14 . 这种机器人系统是在美国t al on机器人 的基础上加装了 不同的 直射武器而研制的，士兵可以对其进行远程遥控指挥，有效 控制距离最远为1 0 00米; 控制盒 ( o c u ， 操作控制单元) 重 1 3 . 6 公斤， 有两个操纵 杆，分别控制武器和“ 魔爪 机器人行驶. 这种机器人配备的武器包括从 16型步枪、 m240、 椒49型机枪以及把02 峨16火箭弹发射器， 可执行爆炸物处理、 侦察、 通信、 感测、安全、防护以及营救等任务，具有全天候、昼夜工作以及两栖能力. 1 . 3军用机器人与军用机器人指挥控制系统 地面军用机器人主要是指智能或遥控的轮式和履带式车辆，是用于完成地面军 事任务的一种军用机器人，给地面军用机器人加载一定的 武器装备，并通过指挥控 制 系 统 对 机 器 人 进 行 指 挥， 使 之 完 成 侦 察 、 救 护、 通 信中 继、 火 力 打 击 等 军 事 任务， 这样的机器人，就是地面武装机器人。木文所研究的军用机器人，能够代替士兵完 成侦察、战斗、通信中继、排雷、救援等多种军事任务，可以多次重复使用，是由 士兵遥控操作并具有一定自 主能力的单兵武器系统。 指挥控制系统是是以信息获取为先导，以信息传输分配为基础，以指挥控制作 战部队和武器为核心，集指挥、控制、管理、通信、情报、抗电子干扰为一体的系 统tvj 。指挥控制系统通过综合运用计算机技术、通信技术、 探测技术、控制技术等 现代高新技术，利用计算机通信网络， 将现代战场上各种传感器、各级指挥机构、 各类武器系统、各级作战人员 有机地联为一体，提高了部队的作战指挥决策能力、 武器控制能力、快速反应能力、态势感知能力，从而提高部队的整体作战效能。指 挥控制系统的 技术、战术功能主要是由 指挥控制系统软件实现的，通过指挥控制系 统软件，可以 有效地指挥控制地面武装机器人进行战场侦察、作战、支援，与战场 口 1 系统联网配合， 可以 大大减少人员伤亡、 提高战场的快速反应能力。 因 此， 机器 人指挥控制系统是军用机器人研究的核心内 容， 各国都在着重研究。 如美国于1 990 年启动的“ 联合机器人计划” ( j r p ) 汇幻 ，该计划研制了多种机器人，应用了“ 无人 地面系统联合结构”( j a u 韶) 这一标准软件。j a u g s是一种开放的通用软件结构， 用于确保无人地面车辆与战场指挥自 动化系统联网的协作能力，并实现多无人地面 机器人的协同能力。 再如德国 于1 9 85年启动的“ 智能机动无人系统大纲” ( pri mjs ) ， 其主要目 标是为半自 主无人车辆开发和集成先进技术， 其实验平台数字化“ 助鼠” 2 无人装甲车，通过其传感器系统和控制系统，可自主扫描车辆前方的地形，实时生 绪论硕士论文 成障碍地物图，并计算出到达目 标的最佳路线，并指引车辆到达目的地。 1 . 4论文的 主要工作以 及内 容安排 地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计，是“ 地面多 用途武装机器人” 项 目的一个重要组成部分，其目 的是设计一套按遥控和半自 主方式工作的，功能比 较 强大、操作简单、性能可靠的综合指挥控制系统软件，包括该 “ 地面多用途武装机 器人”的行驶控制、侦察和火力控制、辅助决策、 地理信息系统、通信管理等多 个 模块单元， 使指挥员可以 通过此指挥控制系统软件对机器人进行有效的 指挥和控制， 完成战斗、侦察等任务。 本人的研究内容包括: ( 1 ) 按照软件设计原则和方法， 完成地面武装机器人指挥控制系统软件的总体 设计。 (2) 分析比较指挥控制系统辅助决策的方法， 研究基于指挥控制a gent 的辅助 决策技术，实现机器人指挥控制系统软件的辅助决策功能。 (3) 对指挥控制系统的数据融合方法进行研究， 采用背景减除和时间差分相结 合的方法检测目 标、采用改进的大区域块匹配法跟踪目 标、采用改进的b a y e s 数据 融合方法进行目 标属性判断。 ( 5) 以m api n fo软件为平台，研究机器人指挥控制系统软件的电 子地图系统。 (6) 分析比 较指挥控制系统效能评估的方法， 采用层次分析法对地面武装机器 人指挥控制系统进行效能评估， 并对评估方法进行改进， 提出 群组八 妇 p 聚类分析评估 法，并给出评估结果。 论文的内容安排如下: 第一章介绍了课题产生的背景以及研究现状。第二章介绍地面武装机器人指挥 控制系统软件的总体设计和分系统设计。第三章讨论了实现系统软件各项功能 所需 要的一些关键技术以及这些技术在指挥控制系统软件中的应用。第四章对指挥控制 系统效能评估的方法进行了 研究讨论，对地面武装机器人指挥控制系统的作战效能 进行了评估。最后对论文所做的工作进行了总结，并提出了一些对地面武装机器人 指挥控制系统软件开发中有待进一步探索的问题。 南京理工大学硕士学位论文地面武装机答人指挥控制系统软件总体设计 2地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计 2.1地面武装机器人指挥控制系统分析 地面武装机器人指挥控制系统设计是控制软件设计的前提和基础。系统设计的 定义是. :根据用户提出的战术技术要求，围绕指挥员、参谋的工作特性及战术原 则，研制一套硬件和一套软件，根据组织系统的原则和准则， 将它们有机地集成起 来，以 完成系统特定的 任务。 下面，我们将根据上述定义，从系统的预定功能、系 统结构、硬件组成等几个方面对地面武装机器人指挥控制系统进行分析设计。 2 . 1 . 1系统的预定功能 可通过机器人指挥控制系统， 指挥机器人在复杂环境中 行驶， 可全天候、水陆 两栖作业;能 够以 遥控或自 主方式作业， 可通过操作控制单元提供连续、实时的数 据和视频; 可通过加载不同的武器设备， 指挥机器人执行火力攻击、 排除危险物品、 战场救护、通信中继、侦察监视等多种任务。 2.1 . 2系统的总体结构 地面武装机器人指挥控制系统是一个小型的战术级别的口 1系统，典型的 寸 工 系统包括一 个传感器单 元、 一个指挥控制中 心、 一个武器控制单元以 及通信设备闭 。 地面武装机器人指挥控制系统则由机器人单元和操作控制单元两部分组成，其中， 机器人单元集成了传感器单元和武器平台的功能，操作控制单元集成了指挥控制中 心和武器控制单元的功能，两个单元之间通过无线进行数据通信，如图2 . 1 . 1 。 图21 . 1 系统组成 机器人单元包括行驶机构、武器系统、目标探测和侦察装置、通信系统。操作 控制单元包括火力控制系统、 信息融合系统、辅助决策系统、数据库系统、电子地 图、行驶控制系统、人机界面和通信系统。其系统组成如图2 . 1 . 2. 2 . 1 . 3系统硬件组成 系统硬件组成主要包括两部分:地面武装机器人和控制台，针对现有条件，我 们选择了上海广茂达公司生产的as一 r 轮式机器人作为研究对象，( 具体性能参数见 表 2 . 2 . 1 ). 地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计硕士论文 地面武装机器人指挥控制系统 机器人单元指挥控制单元 通信系统 人机界面 信息融合系统 电子地图 数据库系统 辅助决策系统 行驶控制系统 火力控制系统 通信系统 传感器 武器系统 行驶机构 2 . 1 . 2 系统组成图 作为实验机器人的上海广茂达公司生产的 as一 r轮式机器人，最大行驶速度为 10 腼/h， 最大负载3 o k g ， 满负荷工作时电池可支持90分钟，由计算机、运动驱动 器、云台摄像机、声纳、红外、电源、无线网卡等组成。 控制台由计算机和无线网 卡组成。待设计的指挥控制系统软件则用来连接指挥员( 操作人员) 、控制台和机器 人。 表2 . 1 . 1指挥控制系统硬件组成 设备名称性能参数功能数量 地面 武装 机器人 计算机 p4 2 . s c / 2 5 6 m / 8 0 g信息处理 l 运动驱动器 2 4 v 、7 0 份m a x o n 电机 p 份 m 控制，带方向和使能信号 控制机器人运动 2 云台摄像机7 6 8 ( h ) x 4 9 4 ( v ) 、3 0 帧/ 秒图像数据采集 1 声纳1 5 c .一7 .目标距离测量 5 红外5 0 . m一s o c m目标距离测里 4 电池2 4 v 、3 1 2 a 镍氢电池提供能源 1 无线通讯 l l m数据通信l 操作系统 了 i n d o . sx p运行平台l 控制台 计算机p 41 . 4 / 2 5 6 m / 4 0g信息处理 l 无线通讯 1 1 m数据通信l 操作系统份 i n d o 份 sx p运行平台 1 2 . 2指挥控制系统软件的功能需求分析 针对地面武装机器人的性能要求，通过地面武装机器人指挥控制系统软件，能 够以遥控和自主方式对武装机器人进行行驶控制、侦察和火力控制、通信管理、作 战指挥;可通过该软件和其他通信设备实现机器人端与指挥端的实时通信，实现对 6 南京理工大学硕士学位论文地面武装机摇人指挥控制系统软件总体设计 上级和友邻的 通信联系; 可通过该软件对战场态势、 敌方目 标和危险物品进行侦察、 描述、跟踪和信息存储;可通过该软件对指挥员的作战指挥进行辅助决策。总的来 说， 地面武装机器人指挥控制系统软件的功能包括: . 信息收集， 指通过各种传感器，收集机器人和战场环境的各种信息， 如气 象信息、车体信息、目 标信息等。 . 信息分析，指通过软件相关模块，对收集的各种信息进行信息融合，使指 挥员得到决策依据。 如目 标识别、目 标属性判断、目 标跟踪、 机器人实时位置显示、 电子地图系统等。 . 信息处理， 指对信息融合的结果进行处理，为指挥员进行辅助决策， 使机 器人得到正确的指挥命令，如辅助决策、操作命令的解释和传送等。 . 信息传输，指数据和视频图像的实时传输。 2 . 3指挥控制系统软件的设计原则 根据地面武装机器人指挥控制软件的功能需求， 要实现系统的基本功能，软件 要满足以下几点要求: . 实时性，从信息获取、传输，到信息处理、决策指挥，每一个环节都需要 最快的 速度，以满足战场瞬息万变的要求，在软件设计中主要反映在数据传输速度 和数据处理的算法效率上。 .多功能性， 软件要包括信息获取、 信息接收和发送 ( 人工千预) 、 数据处理、 辅助决策、信息显示、指挥控制等多项功能。 . 智能化，软件要能够模拟推理、判断、决策等智能手段，作为辅助决策的 重要内容。 根据以 上要求，确定了如下设计原则: 采用面向 对象的结构化设计方法， 合理 选择模块数量，简化接口设计;确保系统实时性要求:尽量采用成熟的技术，减小 系统开发的风险:重视可靠性、安 全性、 保密性设计;开放性要好，易于扩展及与 战场ca 工 系统或者其他通信系统联网。 2 。 4指挥控制系统软件的总体结构 地面武装机器人指挥控制系统由机器人单元和操作控制单元组成，相应的，控 制软件也主要由机器人端软件和控制端软件组成，总体结构为层次化模块结构，由 多个应用软件模块组成，如图2 . 4 气 1 所示。主要模块有:行驶控制模块、火力控制 地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计硕士论文 开始 初始化 数据融合 模块 辅助决策 模块 行驶命令 日车 辆 参 数 射击命令 实时数据视频 显示模块 2 . 4 . 1 软件结构图 模块、摄像机云台控制模块、 数据融合模块、辅助决策模块、电子地图模块、实时 数据视频显示模块、 数据库模块、 人机界面、 通信管理模块。 各模块间既相对独立， 又互相联系，共同完成指挥控制软件的各项功能。 2 . 5指挥控制系统软件的工作过程 指挥控制软件由各个模块共同完成指挥控制任务，按照实战要求有以下工作过 程: ( 1)完成系统初始化后， 系统自 检， 完成指挥端与机器人端的无线联接， 初始 化电子地图，开始实时显示各个传感器的数据和视频信息，等候指挥员指令输入; ( 2 )通过键盘 ( 或者手柄) ，遥控操作机器人到达任务指定地点;在行进过程 中，电子地图能够实时显示机器人的地理位置:机器人行驶同时，由 指挥员遥控操 作摄像机云台进行侦察探侧，同时，控制端实时显示探测目 标的视频图像和其他传 感器传来的数据: ( 3) 实时对目 标进行属性判断和锁定跟踪， 得到实时的、连续的目 标方位角、 高低角和距离等参数;系统软件通过相关算法进行辅助决策，自 主判定火力攻击模 式，由指挥员通过指挥端开关指挥兵器进行射击，消灭敌人或目 标; “)战斗数据存储，准备执行下一个任务。软件工作流程图见图2 . 5 . 1 南京理工大学硕士学位论文地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计 圈2 . 5 . 1软件工作流程图 孟6指挥控制系统软件的总体设计 地面武装机器人指挥控制系统软件的总体设计包括两个部分:控制端指挥控制 系统软件设计和机器人端指挥控制系统软件设计。采用的开发工具是m icrosoft的 v i s ua1c 什 6 . 0 ，总体结构模式采用c / 5 模式。 地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计硕士论文 ( 1) 指挥控制端软件 具有远程连接，远程视频传输，远程视频播放，远程机器人行走控制，远程云 台控制，键盘操控，数据库管理，电子地图操作，系统参数设定，动态信息显示、 处理、 存储，远程参数设定等功能，实现武器操作、辅助决策功能， 具有良 好的人 机界面设计。 (2) 机器人 端软件 实现对机器人的行走控制和摄像头云台 控制，具有视频信息的捕获、 压缩、 存 储、本机预览显示、实时传输能力，实现与指挥端软件的 信息交互，能够动态实时 显示操作信息，方便指挥员操作。 2. 丘 1 首先启动机器人，执行机器人端的服务程序，初始化各功能模块，如机器人行 走控制模块，视频捕获传输模块等，初始化完成后， 软件进入等待状态，监听指挥 端的网络连接请求。 向机器人提出 连接请求 图26 . 1指挥端系统传输通信运行流程图 接着启动指挥端控制程序，初始化电 子地图 模块， 数据库模块等。初始化工作 完成后，向机器人服务程序发出连接请求获得机器人系统状态信息、视频信息等， 指挥端软件传输通信运行流程图如图2 . 6 . 1 所示。一旦指挥端的所有初始化工作完 成后，就可以对机器人进行远程的指挥控制，指挥端软件操作流程图如图2 ， 6 . 2 所 不 0 南京理工大学硕士学位论文地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计 图2 . 6 . 2指挥端系统操作流程图 机器人端软件启动后， 初始化各种功能模块后，开始采集视频信息，并等待指 挥端的连接。一旦与指挥端连接成功之后，就开始向指挥控制系统提供各种服务。 机器人系统的运行流程图如图2 . 6 . 3 所示。 图2 . 6 . 3机器人系统运行流程图 2.氏2控制端指挥控制系统软件总体设计 控制端指挥控制系统软件的主要功能是:完成与机器人端指挥控制软件通信; 接收操作员的操作并将操作转换为控制命令发送给机器人端，接收机器人端命令执 行的结果并反馈给操作员; 完成操作员操作命令、 传感器数据的显示、 存储和管理; 完成视频图像的解压和显示，能够将机器人端的视频文件导入到控制台端并管理视 频文件。 地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计硕士论文 2 . 丘2 . 1通信棋块 本模块主要完成控制端和机器人端的指挥控制系统软件双方的通信，主要功能 有: ( 1) 完成双方通信链路的建立; (2) 完成视频数据、 传感器数据、机器人工作状况等信息的实时接收: ( 3 )完成控制命令的发送和执行结果的接收. 双方的通信建立在无线网 络和t c p / ip协议下， 通过w i d owss ock e t s 网络编程 接口 来 实 现 。 队 35 视频数据从建立链接后就一直源源不断地从机器人端发送到控制端，而且数据 量大，所以创建了一个线程来完成视频数据的接收。除视频数据外，其余信息在主 线程中实现交换。首先控制端和机器人端要建立可靠的连接。机器人端设为服务器 端，初始化网络通信端口 后就等待连接。控制端设为客户端，主动跟机器人建立连 接。 以上控制端和机器人端执行正确以后就建立了一条基于t c p / i p 协议的链路， 然 后机器人端和控制端就可以向对方发送数据或者接收对方数据. 2.6.2.2行破控制模块 本模块主要完成对机器人行驶的控制，包括以下功能: ( 1) 控制机器人以一定的速度 ( 速度大小可以 控制) 向 前、向后不断地行驶或 者行驶一定的距离( 距离多少可以 控制) ; (2) 控制机器人以一定的速度 ( 速度大小可以控制) 逆时针、 顺时针不断地原 地旋转或者原地旋转一定的角度 ( 角度大小可以控制) ; (3)随时可以停止机器人运动。 软件运行中，指挥控制软件根据协议将指挥员的操作解释成一定的字符发送给 机器人，机器人接收到这些字符后根据协议生成相应的控制指令后送入机器人相应 的执行机构执行指挥端期望的操作， 如图2 . 6 . 4 所示。 紧 霆 犷 任弓一巨亚还弓枢圈 图2 . 6 . 4行驶控制模块运行流程图 2 . 6.2 . 3扭像机云台 控制棋块 本模块主要完成对机器人云台 摄像机的控制，包括以 下功能: ( 1)控制摄像机以 一定的速度 ( 速度大小可以 控制) 向 上、向 下、 逆时针、 顺 时针不断地转动或者转动一定的角度 ( 角度大小可以控制) ; (2随时可以停止摄像机运动; 1 2 南京理工大学硕士学位论文地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计 (3) 以 摄像机水平向 前摆放的 位置为原点， 以 水平左右运动为x 轴， 并以 右方 向为正，以 上下运动为y 轴， 并以 上为正，建立二维坐标系. 提供绝对定位摄像机 和相对定位摄像机的功能。为了 行走的 方便，需要复位摄像机的功能，即绝对定位 到坐标原点。 控制端通过外部设备接收操作员的 操作命令，并将其命令转化为控制命令，然 后交给通信模块，让通信模块发送至机器人端，与行驶控制模块类似。 2 。 丘2 。 4视频模块 本模块主要对指挥控制系统软件中视频相关功能的 进行操作控制， 包括以下功 能: 1) 完成实时显示 接收视频信息; (2) 完成视频数据的 保存，具有对当前情景拍照功能; ( 3 ) 操作员选定目 标以 后，能够对该目 标进行跟踪; (4) 可以 将保存在机器人端的视频导入控制端，以便进行视频播放。 由 于视频图 像采用d i vx编码， 所以 需要先 进行 解碑” ，夙 剧 ， 解码加 上显 示需要 较多的c pu资源， 所以 可以 在程序中 创建了一个线程来完成图 像的解码和显示。配 合通信模块，视频显示工作流程如图2 . 6 . 5 所示。视频接收线程中置解码标志表示 有图像数据需要解压， 视频显示线程中 置解码标志表示没有数据需要解压。其中判 断有没有图像数据的依据就是解码标志。 视颁接收线程视频显示线程 图2 . 65视频显示流程 对于视频的保存， 控制端只是发送保存视频的命令， 视频数据保存在机器人端。 同样， 控制端也只是发送目 标跟踪的命令，同时将目 标在图像中的位置发送给机器 人端，真正的目 标跟踪在机器人端执行。而拍照是在控制端进行， 接收到拍照命令 后，将当 前解压后的视频图 像帧数据保存成腼p 图 片. 地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计硕士论文 2 . 民2 . 5数据库管理模块 本模块的功能是实 现操作命令、 传感器数据、系统信息、 视频文件、图片等信 息的存储。 设计的数据库包含6 个表:操作命令表、传感器数据表、系统信息表、机器人 端视频表、控制端视频表和图片表。操作命令表存放操作员对机器人所做的一切操 作以 及机器人执行结果;传感器数据表存放各个传感器的测量数据;系统信息表用 以存放指挥控制软件工作情况、辅助决策提示等系统信息;机器人端视频表存放保 存在机器人端的视频名字、路径等信息;控制端视频表存放已经导入到控制端的视 频文件的名字、路径等信息;图片表存放拍摄的图片的名字、路径等信息。 2 . 氏2 . 6电 子地图 模块 该模块主要是进行指挥端电子地图的相关操作。电子地图部分是指挥控制系统 软件非常重要的部分， 它能够实现地图的 放大、缩小、 移动、居中、平移等基本操 作。 在电子地图模块中， 可采用基于m a p i nf。 技术的电 子地图。 物p i n f 。 软件的主 要特点是实现了空间数据和属性数据的有机结合，便于用户基于图形对象快速查询 后台数据;有方便、实用的汉化操作界面，并且可以实现对态势图及临时需要的地 图进行灵活方便的更新与设定，实现动态标绘。 我们将在下一章对基于 m api n fo 的电子地图设计方案进行详细介绍。 2 . 丘2.7辅助决策模块 该模块主要是根据决策库的经验知识进行决策计算，提供决策方案。 程序中的 决策主要是建立在目 标识别、属性判断和目 标距离判断的基础上。具体实现时，指 挥软件将实时得到目 标的地理坐标和有效距离;依据目 标属性判断和目 标检测对目 标进行分类判断， 然后根据辅助决策知识库中的决策依据， 再综合决策库的 其它诸 如剩余弹量、剩余电量等信息，给出一个决策方案提供给指挥员。决策过程的流程 图如图2 . 6 . 6 所示。 2 . 6.2 . 8人机界面 人机界面指的是指挥控制系统软件的软件界面。以 简洁、方便、易操作为原则 设计软件界面。可以创建任务，建立、拆除与机器人的连接，实时显示操作信息、 机器人工作状况、各传感器的测量数据、摄像机采集的图像。通过地图还可以实时 显示机器人当前位置。能够方便、快捷地接收用户的操作。 创建任务、建立和拆除 与机器人的连接、操作命令、执行结果、图像信息、地图、机器人运行时间总是最 南京理工大学硕士学位论文地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计 图2 . 6 . 6决策过程的流程图 前端显示。机器人工作状况的显示、传感器数据的显示、机器人的控制、系统设置 等都是在后端完成，由 操作员选择最前端显示的内 容。 2 。 6.3 机器人端指挥控制系统软件的主要功能是: 完成与控制端指挥控制软件进行通 信:接收控制端指挥控制软件发送的控制命令， 解释并执行，最后将执行结果发送 给控制端:控制机器人的行驶:通过传感器采集数据并实时发送给控制端;完成视 频图像的实时采集、 压缩、 传输和存储;完成对目 标跟踪的计算处理。 2 . 长氏1通信模块 本模块主要完成机器人端和控制端的指挥控制系统软件的双方通信， 主要功能 有: ( 1) 完成双方通信链路的建立: (2)完成视频数据、 传感器数据、机器人工作状况等信息的实时发送: ( 3 )完成控制命令的接收和执行结果的发送。 这里通信链路的建立和控制端通信模块中讲述的方法完全一致，只不过机器人 端作为服务器端，而控制端是客户端。同样建立两条链路，一条链路用于视频数据 的实时发送，另一条链路用于除视频以外数据的交换。 一接收到控制端的控制命令以后， 交给执行机构按照规定的协议进行解释和执行， 最后还要将执行结果发送到控制端。 2.6. 3 。 2 本模块完成对机器人的 操作。主要功能有: ( 1) 完成传感器的初始化以及数据的采集; 地面武装机器人指挥控制系统软件总休设计硕士论文 (2) 完成机器人运动系统的初始化， 控制机器人以一定的速度( 速度大小可以 控制)向前、向后不断地行走或者行走一定的距离 ( 距离多少可以 控制) ， 顺时针、 逆时针不断地转动或者转动一定的角度 ( 角度大小可以控制) ; (3) 完成云台摄像机的初始化， 控制摄像机以一定的速度( 速度大小可以控制) 向上、 向下、 逆时针、 顺时针不断地转动或者转动一定的角度( 角度大小可以 控制) ， 可以进行绝对和相对的精确定位。 实验机器人上带有完整的开发包，能够实现对机器人的全方位的 控制， 这里不 再详述。 2.a3 . 3信息采集棋块 本模块主要完成各种信息数据的采集。主要功能有: ( 1) 视频图像的采集: (2)传感器数据的实时获取。 系统工作时要不停的获取红外、声纳、摄像机等传感器数据，程序中可调用采 用实验机器人自身的控制软件进行信息采集。 2 . 6.3 . 4信息处理模块 本模块主要完成机器人的控制和视频相关操作的实现。主要功能有: ( 1 )控制命令的执行: (2)视频数据的压缩、发送; (3)视频数据的存储; ( 4 )目 标速度的测算; ( 5) 运动目 标的跟踪。 机器人端通信模块接收到控制端的控制命令以后，交给执行机构按照规定的协 议进行解释和执行。如: 执行机构判断出是对机器人的 操作，就调用机器人控制软 件中相关类执行操作，并将执行结果反馈给通信模块，经通信模块组包后发送给控 制端，以完成对机器人的真正控制. 视频的压缩是可以采用v f 甲 技术实现的。视频编码的过程如图2 . 6 . 7 所示。 南京理工大学硕士学位论文地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计 图2 . 6 . 7视频编码过程 目 标速度测量的流程如图2 . 6 . 8 所示。 控制端先将目 标区域告诉机器人端，机 器人端再将目 标区域提取出来。然后调整机器人和摄像机的位置使得机器人和摄像 机正对着目 标( 主要是考虑到声纳测量的方便) ， 调整的依据是摄像机当前坐标位置。 调整好以后，在当前新采集的视频图像中寻找目 标的位置，然后再到下一帧图像中 寻找目 标的位置， 然后计算出这期间的目 标位置差( 二维坐标系) 、 时间间隔和声纳 测得的目 标距离差，这样就能估计出目 标三维空间运动速度。但是这种方法测量的 速度不精确，是靠多次试验数据估算出来的。 接收到测量目标速度的命令 调整机器人、 摄像机位置 在当前图像中获取目 标位里 在下一帧图像中获取目 标位】 根据位置差和时间间隔估计目 标速度 图2 . 6 . 8侧里目 标速度流程图 地面武装机器人指挥控制系统软件总体设计硕士论文 运动目标跟踪是基于块匹配法的单目 标跟踪，实现中的理论和方法将在下一章 中经详细分析。 具体步骤如下: ( 1)指定目 标， 包括目 标的选择和目 标块大小的选取: (2 ) 采集下一帧; ( 3)将采集的图像进行灰度化和平滑滤波; ( 4)在处理好的图像中寻 找目 标， 并有选择的保存目 标;( 5)重复执行3 、 4 步骤。 注意其中第4 步， “ 有选择 的保存目 标”的意思是事先设定一个闽值( 可以适当将闽值设的大一些) ， 在进行匹 配中，如果最小mse 值大于预先设定的阐值，那么就认为没有找到目 标，否则认为 找到目 标。具体流程图2 . 6 . 9 所示。 匹配找到目 标以后，计算出两帧之间目 标相对移动了多少像素点，然后再将目 标移动的像素点值转换成摄像机相对移动的角度。这样就完成了 运动目 标的自 动跟 踪。 图2 . 6 . 9 运动目标跟踪流程图 南京理工大学硕士学位论文地面武装机各人指挥控制系统软件总体设计 2.7本章小结 本章分析了地面武装机器人指挥控制系统的系统组成和主要功能，并在此基础 上进行了指挥控制系统软件的功能需求分析，确定了软件的设计原则，分析了软件 总体结构和工作过程， 进行了指挥控制系统软件的总体设计和工作流程分析，并对 软件的各个模块进行了介绍。 南京理工大学硕士学位论文地面武装机县人指挥控制系统软件总体设计 3软件设计中的关键技术及应用实现 3 . 1棍迷 地面武装机器人指挥控制系统软件设计是一个复杂的系统工程，涉及到多种先 进技术， 如无线通信技术、实时视频传输技术、 数据融合技术、图形图 像技术、辅 助决策技术和电子地图技术等。本章主要从辅助决策、目 标检测、目 标跟踪、数据 融合与目 标识别、 电 子地图技术等几个方面进行研究， 为软件的详细设计提供参考。 3.2羞于加即t 的 辅助 决策技术 3