救援機器人遠程控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳 煒，馬 利，陳吉保

（1.天津理工大學(xué) 天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161）

救援機器人遠程控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳 煒1,2，馬 利1，陳吉保1

（1.天津理工大學(xué) 天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161）

救援機器人遠程控制系統(tǒng)決定了救援機器人的整體性能，是救援機器人完成救援任務(wù)的關(guān)鍵。基于LabVIEW圖形化編程環(huán)境的采集模塊，實現(xiàn)視頻和音頻的數(shù)據(jù)信息實時采集；同時，采用LabVIEW的Web技術(shù)將VI前面板發(fā)布到網(wǎng)頁，客戶端通過瀏覽器訪問服務(wù)器端，遠程操控VI前面板，從而實現(xiàn)對救援機器人的遠程控制，即現(xiàn)場視頻、音頻數(shù)據(jù)信息的遠程傳輸。最后，在自行搭建的模塊化機器人上開展視頻和聲頻遠程控制的實驗研究，驗證所提救援機器人遠程控制方案的可行性。

救援機器人；遠程控制系統(tǒng)；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集

0　引言

當(dāng)前，爆炸、核、生、化、輻射（STHU）泄露以及地震、火災(zāi)等災(zāi)害頻發(fā)，復(fù)雜未知的災(zāi)后環(huán)境給救援工作帶來巨大困難，災(zāi)難發(fā)生后最緊急的事情是搜救幸存者，但受災(zāi)難現(xiàn)場的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的影響，救援人員難以快速、高效、安全地開展救援工作，針對這一問題，救援機器人的研究具有廣闊的應(yīng)用前景。救援現(xiàn)場采用救援機器人，通過各類傳感器，遠程控制機器人，可有效解決救援工作中時間緊、危險大等問題[1～5]。

救援機器人遠程控制系統(tǒng)設(shè)計的好壞，直接影響機器人的生存能力、適應(yīng)能力以及救援任務(wù)的整體執(zhí)行效率[6]。因此，遠程控制系統(tǒng)是救援機器人的關(guān)鍵部分，決定了救援機器人的整體性能。

機器人的遠程控制思想是由美國南加州大學(xué)Ken Goldbleg于1994年首先提出的，建立了第一個基于Web瀏覽器的網(wǎng)控遠程機器人系統(tǒng)[7]。日本名古屋大學(xué)建立一個基于Internet的互聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)提供遠程參觀訪問[8]。加拿大Ryerson科技大學(xué)的“MAX”是一個基于無線網(wǎng)絡(luò)的移動機器人的遠程控制系統(tǒng)[9]。Remotec公司制造了煤礦救援機器人V2，可以遠距離（約5000英尺）實施遙控[10]。日本的機器人“木槿”可以在黑暗環(huán)境下進行搜尋，傳輸圖像，并繪制現(xiàn)場的地圖[11]。中科院沈陽自動化研究所研制了主從異構(gòu)的監(jiān)控遠程控制系統(tǒng)[12]。上海交通大學(xué)開發(fā)基于Web的機器人遠程控制系統(tǒng)[13]。清華大學(xué)開發(fā)一個基于視覺臨場感的機器人遠程控制系統(tǒng)[14]。中國礦業(yè)大學(xué)研制了礦井搜救的機器人CUMT-1[15]，可以將井下將探測的環(huán)境信息實時傳回。

目前，機器人遠程控制主要在現(xiàn)場控制和網(wǎng)絡(luò)控制兩種方案，現(xiàn)場控制方便操作，但是如何獲得和傳輸更多的現(xiàn)場信息是研究的難點；網(wǎng)絡(luò)控制則在獲得信息和傳輸能力方面具有較高的效率。本文采用LabVIEW圖形化編程環(huán)境的采集模塊獲得視頻采集和聲音的采集，并利用LabVIEW自帶的Web技術(shù)，實現(xiàn)視頻、音頻數(shù)據(jù)信息的傳輸，實現(xiàn)了機器人的遠程控制。實驗驗證了所提方案的正確性。

1　救援機器人遠程控制系統(tǒng)的方案設(shè)計

救援機器人遠程控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要由視覺模塊、聽覺模塊和通信模塊這三大模塊組成。系統(tǒng)是基于實現(xiàn)現(xiàn)場控制，結(jié)合遠程通信技術(shù)來實現(xiàn)救援機器人的遠程控制和數(shù)據(jù)信息的遠程傳輸。

視覺模塊是通過攝像頭和計算機（內(nèi)置圖像采集卡）等硬件設(shè)備，配合LabVIEW2013等軟件平臺來實現(xiàn)視頻信號的采集與處理。聽覺模塊的開發(fā)是使用虛擬儀器，利用軟件來完成修改儀器系統(tǒng)的功能，利用高性能的模塊化硬件解決信號的輸入、輸出。使用LabVIEW的通信功能與多線程功能，設(shè)計服務(wù)器端的應(yīng)用程序和客戶端程序，實現(xiàn)救援機器人的遠程通信。

2　救援機器人視覺系統(tǒng)與聽覺系統(tǒng)的實現(xiàn)

視覺系統(tǒng)與聽覺系統(tǒng)的實現(xiàn)包括硬件平臺和軟件平臺的搭建，硬件平臺包括計算機、圖像采集卡、攝像頭、麥克風(fēng)、聲卡、揚聲器等，軟件平臺使用美國NI公司開發(fā)的Vision development module、Vision acq-uisition module和LabVIEW2013軟件來完成。

2.1救援機器人視覺系統(tǒng)的實現(xiàn)

視覺系統(tǒng)是由攝像頭進行圖像采集，采集卡傳送數(shù)據(jù)采用PCI Master Burst方式，實現(xiàn)攝像機圖像到計算機內(nèi)存的可靠實時傳輸。在LabVIEW下，攝像頭通過IMAQ USB Enumerate Cameras的子VI輸出一個包含連接到PC機上的全部攝像頭的字符串?dāng)?shù)組，攝像頭圖像的抓取通過IMAQ USB Grab Acquire的子VI實現(xiàn)。

為了使保存的視頻文件能夠同時記錄視頻拍攝的時間，對圖像采集后進行簡單后處理，對抓取到的圖像添加時間文本。使用IMAQ Draw Text子VI將獲取的時間添加至圖像上，由于圖像本身的色彩很難預(yù)測，為了使添加的文本易于分辨，使用Inverted（反色）作為文本顏色，同時為插入文本設(shè)置其坐標(biāo)。經(jīng)過后處理的程序框圖如圖1所示，添加文本的圖像效果如圖2所示。

圖1　圖像采集程序框圖

圖2　采集到的圖像（前面板）

2.2救援機器人聽覺系統(tǒng)的實現(xiàn)

聽覺系統(tǒng)是在聲音采集與播放這兩個過程之間加一個聲音存儲過程，聲音播放時是直接讀取已經(jīng)儲存在緩沖區(qū)的文件，此過程包括聲音采集與存儲過程和聲音回放過程。

1）聲音采集與存儲過程

要實現(xiàn)對聲音信號的采集與存儲，需要通過麥克的聲音采集功能來實現(xiàn)聲音信號到電信號的轉(zhuǎn)換，通過LabVIEW配置聲音輸入子VI和寫入聲音文件子VI及while循環(huán)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)聲音信號的采集和聲音模板的錄入。其中配置聲音輸入子VI是用來配置一個聲音輸入設(shè)備，采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到緩存，然后通過寫入聲音文件子VI將來自波形或波形數(shù)組的數(shù)據(jù)寫入wav文件。通過這些子VI便可以實現(xiàn)聲音信號的采集，并將其存儲為wav格式的文件。聲音采集與存儲程序圖框，如圖3所示。

圖3　聲音采集與存儲程序

2）聲音回放的過程

要實現(xiàn)把采集到的聲音文件進行回放和聲音信號的處理，便于后續(xù)分析。通過打開聲音文件子VI和配置聲音輸出子VI及while循環(huán)結(jié)構(gòu)，把采集到的wav聲音文件打開。實驗時不僅可清楚觀察到波形的變化，還可以從揚聲器聽到所錄制的聲音，如圖4所示。

圖4　試運行結(jié)果

3　救援機器人視覺系統(tǒng)和聽覺系統(tǒng)的結(jié)合

本設(shè)計是要給救援機器人安裝上“眼睛”和“耳朵”，以上是視覺系統(tǒng)和聽覺系統(tǒng)的單一運行，不能在只運行一個程序的情況下同時獲得視覺和聽覺，因此要將把兩者合二為一，讓機器人在運行一個程序時就能同時獲得視覺與聽覺信息。為了方便表述，這里我們假設(shè)“V”是視覺系統(tǒng)，“H”是聽覺系統(tǒng)。

將“V”程序和“H”程序添加入同一個條件結(jié)構(gòu)內(nèi)，每一部分都是獨立的，可以單獨控制，其具體程序框圖結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示（圖5和圖6是處于同一個程序面板里邊），運行結(jié)果如圖7所示。該方案加入了聲音存儲部分，即加了一個緩沖區(qū)，不會產(chǎn)生溢出，也可以將采集到的聲音保存成wav格式聲音文件，便于聲音文件的永久保存。

圖5　程序框圖a

圖6　程序框圖b

圖7　程序始運行中

4　救援機器人的遠程通信

救援機器人遠程控制是利用LabVIEW平臺的通信功能和多線程功能，通過設(shè)計服務(wù)器端和客戶端的應(yīng)用程序來實現(xiàn)。遠程通信模式有兩個方案：一是客戶端通過瀏覽器，就可以遠程操作實現(xiàn)B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式的通信；二是通過TCP/IP或DataSocket實現(xiàn)C/S（客戶機/服務(wù)器）模式的通信。B/S模式開發(fā)簡單，共享性強，成本低，但是安全性較低，數(shù)據(jù)傳輸速度慢；C/S模式交互性強，存取安全，但是開發(fā)、變更靈活性差，兼容性較差。

因此，本設(shè)計將B/S模式與C/S模式結(jié)合起來，采用LabVIEW的Web瀏覽器，應(yīng)用TCP/IP和DataSocket等技術(shù)來解決機器人的遠程通信問題。為了驗證本設(shè)計所提方案的可行性，這里采用自行搭建的模塊化機器人開展實驗設(shè)備的遠程控制和實驗現(xiàn)場的實時監(jiān)測，即機器人視頻和聲頻采集與數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)膶嶒炑芯浚鐖D8所示。

圖8　實驗設(shè)備

遠程通信的實驗步驟如下：

1）進入LabVIEW的開發(fā)環(huán)境，設(shè)置并啟動Web服務(wù)器；

2）設(shè)置計算機通訊端口，并配置允許被遠程連接的VI程序；

3）輸入生成的URL，登錄遠程界面。

實驗結(jié)果如圖9所示，操作人員通過網(wǎng)頁能實現(xiàn)對機器人的遠程控制。在該實驗狀態(tài)下，不僅驗證了救援機器人遠程通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了救援機器人的遠程控制，同時還驗證了救援機器人的視覺和聽覺系統(tǒng)，實現(xiàn)視頻和音頻的遠程傳輸。

圖9　Web瀏覽器遠程控制程序

5　結(jié)束語

本文對虛擬儀器技術(shù)、信號（視頻和音頻）采集技術(shù)、遠程通信技術(shù)進行了研究。利用LabVIEW的Web技術(shù)、TCP/IP和DataSocket等技術(shù)成功搭建了救援機器人遠程控制系統(tǒng)，開發(fā)了界面友好的救援機器人遠程控制系統(tǒng)虛擬儀器軟件，實現(xiàn)用戶在異地通過瀏覽器訪問并操作本地實驗設(shè)備的功能，實現(xiàn)視頻、音頻信息的同步傳輸，提高救援效率。

[1] 付輝.機器人在災(zāi)難救援中的應(yīng)用[J].環(huán)球救援資訊,2014,(07).

[2] 劉亢,尚紅.地震救援機器人在蘆山7.0級地震中的應(yīng)用[J].減災(zāi)技術(shù)與方法消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2013,(5):26-28.

[3] 劉金國,王越超,李斌,等.災(zāi)難救援機器人研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵性能及展望[J].機械工程學(xué)報,2006,42(12):1-12.

[4] 李斌.蛇形機器人的研究及在災(zāi)難救援中的應(yīng)用[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2003,(3):22-26.

[5] 郭月,等.救援機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2014,35(8):22-26.

[6] 王楠,吳成東,王明輝,等.可變形災(zāi)難救援機器人控制站系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機器人,2011,33(1),202-207.

[7] K.Goldberg,M.Maseha,S.Gentrt,etal. Desktop teleoperation via the World Wide Web[J],Proc.IEEE Int,Conferenee on Roboties and Automation,1995.

[8] K.Kosuge,J.Kikuchi and K.Takco,VISIT:A Telcoperation system via computer Network[J],Proc.IROS'98:Workshop on WebRobots,Victoria,Canada 1998.

[9] Ferworn,R.Roque and I.Vecchia,MAX:Wireless telecoperation via the World Wide Web [J],Proc.IASTED Conf.On Robotics&APPli cations,SantaBarbara,1999.

[10] 朱華.礦井救災(zāi)機器人研究現(xiàn)狀及需要重點解決的技術(shù)問題[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報,2007,22(6),5-8.

[11] 陳桂香,陳曉輝.廢墟中搶回生命的應(yīng)急救援裝備與技術(shù)[J].中國安防,2008,(4),104-108.

[12] 戴炬.機構(gòu)遙控主從手的雙向力反映[J].控制理論與應(yīng)用,1996,13,159-161.

[13] 任吳星,翁海華,等.基于web的機器人遙操作的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程,1999,25(5),24-26.

[14] 徐旭明,葉棒,等.基于視覺臨場感的機器人遙操作系統(tǒng)[J].高技術(shù)通訊,2000,10(3),57-60.

[15] 錢善華,葛世榮,王永勝.救災(zāi)機器人的研究現(xiàn)狀與煤礦救災(zāi)的應(yīng)用[J].機器人,2006,28(3),350-354.

The design and implementation of the remote control system for rescue robots

CHEN Wei1,2，MA Li1，CHEN Ji-bao1

TP24；TP919

A

1009-0134(2016)02-0067-03

2015-11-19

天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計劃重點項目（C03-0802）；國家自然科學(xué)基金資助項目（11302147）

陳煒（1973 -），女，河北張家口人，副教授，博士，主要從事機械電子工程的教學(xué)與科研。