基于VR視角的遠程體感控制特種車

萬迪 張里 張永華 周添運

摘要：近年來，由于許多災區亂石多、房屋倒塌、泥石流等，給救援工作大大增加了危險和難度系數，使得救援工作的效率無法提高。據了解，國內外沒有一項機器能夠實現搜救和營救兩種機器的結合?；赩R視角的遠程體感控制特種車，在車身安裝了六自由度機械臂，采用履帶及雙輪并排帶動設計，全地形通用，具有無線視頻傳輸、VR體感操作、SLAM地圖繪制、環境監測、運物取物等功能。該小車可深入災區，而救援人員僅需在安全地帶即可實施救援，能大大提升救援工作效率，還能保障救援人員的安全。

關鍵詞：VR視角;體感控制;搜尋救助;無線通訊

1.引言

近年來，自然災害頻發，很多災害地區由于亂石多、房屋倒塌、泥石流等，給救援工作增加很大的難度和危險系數，如若操作不慎，還可能造成二次災難。目前，已有一些搜救設備可提前進入災區，但并不能為處于災難中的人們提供幫助;只能等到救援人員進入后才能得到救助。據了解，國內外沒有一項機器能夠實現搜救和營救兩種機器的結合。基于VR視角的遠程體感控制特種車，可深入災區，而救援人員則可以在安全區域通過遠程體感控制該設備，實現搜尋和救助。

2.總體方案設計

本方案包含兩個部分，第一部分是上位機（救援人員操作上位機），主要由主控模塊、無線通訊模塊、體感傳感器模塊、手柄控制設備、PC端顯示設備等多種模塊組成;第二部分是下位機（即下位機），主要由主控模塊、串口顯示模塊、音視頻采集模塊、按鍵模塊、無線通訊模塊、環境監測模塊等組成。下位機監測到信息，能通過無線連接實時傳輸至上位機，救援人員操縱上位機，即可通過無線操縱下位機，從而實施救援。

基于VR視角的遠程體感控制特種車的車身安裝了六自由度機械臂，采用履帶及雙輪并排帶動設計，全地形通用，具有無線視頻傳輸、VR體感操作、SLAM地圖繪制、環境監測、運物取物等功能。

3.硬件設計

3.1無線通訊模塊

本設計采用Zigbee無線通訊模塊傳輸相關信號。普通的通訊器（如：藍牙、wifi）只能一對一或一對多地傳輸信號，傳輸距離較近，當線路遇到障礙時，信號則中斷。而zigbee組網排除了普通傳輸信號器的弊端，當一條線路中斷時，可選擇另一條線路，以此保證信號的不中斷。

3.2環境監測模塊

車身所配備的氣體檢測器小巧且攜帶方便以及可拆卸。能夠及時檢測到危險氣體及缺氧環境，為救援人員開展工作展開救援的周遭環境，提供第一手資料。除了氣體濃度檢測之外，車身還配備有溫濕度監測，生命跡象檢測，以及能見度評估等功能，在行進的同時能夠最大限度的收取大量周圍環境信息，對實時環境進行細致調查，為救援工作提供最為準確的環境信息。

3.3體感傳感器模塊

本設計用可穿戴的體感傳感器模塊，采集實際操作者的體感變化來遠程操控救援設備進行相關操作，使本系統能在各種人為不可操作的環境下進行相關操作。同時，采用體感傳感器還解決了機械控制操作的不便性。

3.4激光雷達模塊

小車具有同步定位以及實時位置地圖功能，小車從起點出發，前往未知地點，通過RBPF方法以及形心算法，逐步建立起周圍環境的地圖并確定在當前環境的位置，本作品使用一個高頻激光掃描測距模塊，該模塊能以30rpm的速度掃描周圍二維環境，將周圍環境數據反饋給中央處理器。由處理器計算處理后將地圖繪制。更由于VR具有全景視角，可以獲得既豐富又完整的環境信息，也能更好的對目標進行連續跟蹤及定位。在獲得每一刻的深度信息之后，同時進行更新，達到實時繪制地圖的功能。在小車行進過程中，通過車身本身所攜帶的裝置，對周圍環境，障礙，通道進行第一時間調查，并將實時周圍道路繪制出來。深入到較為危險以及人員難以實現的區域，將地圖繪制出來，然后顯示到上位機所配備的LCD屏上，使得車身在不斷行進的同時，能夠及時繪制救援人員可以到達的路徑。為救援工作開辟道路。

3.5六自由度機械臂

通過主控板控制驅動板驅動小型機械臂電機，能夠運送一定數量的救援物資，加上機械手鉗有較高的夾取力量，可以放取一定程度的重量物資。本設計中建立DH坐標系，建立起相關關節旋轉角度與機械臂姿態之間的運算關系，通過建立運動學方程，可以即時算出機械臂末端爪的坐標，即可實現對末端的直接坐標控制，而非對各個關節電機單獨操控。

4.軟件設計

4.1中央處理部分

此部分是整個系統的核心，此接受處理信息，并對整個系統進行控制。下位機采用ROS系統為主要控制系統，統籌全局，協調全局。主要負責處理攝像頭、激光雷達、機械臂等的數據，進行分析控制并上傳到上位機或者PC端。同時與下位機stm32模塊進行通信，控制電機以及傳感器數據接收和發送。

4.2控制部分

控制模式分兩種，分別是體感操作和手柄操作。當操作員選擇操作模式后執行相應動作后，比如選擇體感操作則通過佩戴體感儀動作，中央處理部分會接受體感儀發來的電信號并做出相應處理后發送給執行部分。當操作員手臂向左旋轉，給出左移信號，機械車部分即做出左移動作。如果選擇了傳統手柄模式，通過手柄的無線接收器可以讀取操作員的動作。通過中央處理器處理信號之后發送給執行機構。在程序內部，把采集到的陀螺儀數據進行處理，根據卡爾曼濾波算法，把數據穩定處理，解析3D姿態，并把處理結果傳給執行部分。

4.3成像部分

一旦機器正常工作，由機械車上的無線攝像頭會不斷傳遞無線視頻信號給成像部分，通過中央處理部分處理后經顯示器顯示?？罩型ㄟ^wifi傳輸信號，配合網橋中繼站可進行超遠距離傳輸。并且位于機械臂云臺上的無線攝像頭會隨著操作者頭部的旋轉和移動實時跟隨移動，增加操作者的代入感。

5.總結

本文介紹一種基于VR視角的遠程體感控制特種車，該小車全地形通用，具有無線視頻傳輸、VR體感操作、SLAM地圖繪制、環境監測、運物取物等功能可深入災區，而救援人員則可以在安全區域通過遠程體感控制該設備，實現搜尋和救助。

參考文獻：

[1]許延龍，韓堅潔，劉誠臣，謝秀峰[J]機械工程師2016.08

[2]高慶華、張業成[J]中國自認災害危險性分析與區劃2003.11

[3]徐勇[S]通信電子線路2017.03

[4]任侃[S]OpenNI體感應用開發實戰2014