陳 煒，馬 利，陳吉保

（1.天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)決定了救援機(jī)器人的整體性能，是救援機(jī)器人完成救援任務(wù)的關(guān)鍵?；贚abVIEW圖形化編程環(huán)境的采集模塊，實(shí)現(xiàn)視頻和音頻的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)采集；同時(shí)，采用LabVIEW的Web技術(shù)將VI前面板發(fā)布到網(wǎng)頁(yè)，客戶端通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器端，遠(yuǎn)程操控VI前面板，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)救援機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，即現(xiàn)場(chǎng)視頻、音頻數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸。最后，在自行搭建的模塊化機(jī)器人上開(kāi)展視頻和聲頻遠(yuǎn)程控制的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證所提救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方案的可行性。

救援機(jī)器人；遠(yuǎn)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(lái)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(chǎng)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(kāi)展救援工作，針對(duì)這一問(wèn)題，救援機(jī)器人的研究具有廣闊的應(yīng)用前景。救援現(xiàn)場(chǎng)采用救援機(jī)器人，通過(guò)各類傳感器，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，可有效解決救援工作中時(shí)間緊、危險(xiǎn)大等問(wèn)題[1～5]。

救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，直接影響機(jī)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(yuǎn)程控制系統(tǒng)是救援機(jī)器人的關(guān)鍵部分，決定了救援機(jī)器人的整體性能。

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

目前，機(jī)器人遠(yuǎn)程控制主要在現(xiàn)場(chǎng)控制和網(wǎng)絡(luò)控制兩種方案，現(xiàn)場(chǎng)控制方便操作，但是如何獲得和傳輸更多的現(xiàn)場(chǎng)信息是研究的難點(diǎn)；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(shí)現(xiàn)視頻、音頻數(shù)據(jù)信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方案的正確性。

1　救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由視覺(jué)模塊、聽(tīng)覺(jué)模塊和通信模塊這三大模塊組成。系統(tǒng)是基于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制，結(jié)合遠(yuǎn)程通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸。

視覺(jué)模塊是通過(guò)攝像頭和計(jì)算機(jī)（內(nèi)置圖像采集卡）等硬件設(shè)備，配合LabVIEW2013等軟件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的采集與處理。聽(tīng)覺(jué)模塊的開(kāi)發(fā)是使用虛擬儀器，利用軟件來(lái)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(hào)的輸入、輸出。使用LabVIEW的通信功能與多線程功能，設(shè)計(jì)服務(wù)器端的應(yīng)用程序和客戶端程序，實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人的遠(yuǎn)程通信。

2　救援機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)與聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

視覺(jué)系統(tǒng)與聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的搭建，硬件平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、攝像頭、麥克風(fēng)、聲卡、揚(yáng)聲器等，軟件平臺(tái)使用美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的Vision development module、Vision acq-uisition module和LabVIEW2013軟件來(lái)完成。

2.1救援機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

視覺(jué)系統(tǒng)是由攝像頭進(jìn)行圖像采集，采集卡傳送數(shù)據(jù)采用PCI Master Burst方式，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)圖像到計(jì)算機(jī)內(nèi)存的可靠實(shí)時(shí)傳輸。在LabVIEW下，攝像頭通過(guò)IMAQ USB Enumerate Cameras的子VI輸出一個(gè)包含連接到PC機(jī)上的全部攝像頭的字符串?dāng)?shù)組，攝像頭圖像的抓取通過(guò)IMAQ USB Grab Acquire的子VI實(shí)現(xiàn)。

為了使保存的視頻文件能夠同時(shí)記錄視頻拍攝的時(shí)間，對(duì)圖像采集后進(jìn)行簡(jiǎn)單后處理，對(duì)抓取到的圖像添加時(shí)間文本。使用IMAQ Draw Text子VI將獲取的時(shí)間添加至圖像上，由于圖像本身的色彩很難預(yù)測(cè)，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(shí)為插入文本設(shè)置其坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)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(jī)器人聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)是在聲音采集與播放這兩個(gè)過(guò)程之間加一個(gè)聲音存儲(chǔ)過(guò)程，聲音播放時(shí)是直接讀取已經(jīng)儲(chǔ)存在緩沖區(qū)的文件，此過(guò)程包括聲音采集與存儲(chǔ)過(guò)程和聲音回放過(guò)程。

1）聲音采集與存儲(chǔ)過(guò)程

要實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，需要通過(guò)麥克的聲音采集功能來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)LabVIEW配置聲音輸入子VI和寫(xiě)入聲音文件子VI及while循環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的采集和聲音模板的錄入。其中配置聲音輸入子VI是用來(lái)配置一個(gè)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(guò)寫(xiě)入聲音文件子VI將來(lái)自波形或波形數(shù)組的數(shù)據(jù)寫(xiě)入wav文件。通過(guò)這些子VI便可以實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的采集，并將其存儲(chǔ)為wav格式的文件。聲音采集與存儲(chǔ)程序圖框，如圖3所示。

圖3　聲音采集與存儲(chǔ)程序

2）聲音回放的過(guò)程

要實(shí)現(xiàn)把采集到的聲音文件進(jìn)行回放和聲音信號(hào)的處理，便于后續(xù)分析。通過(guò)打開(kāi)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(kāi)。實(shí)驗(yàn)時(shí)不僅可清楚觀察到波形的變化，還可以從揚(yáng)聲器聽(tīng)到所錄制的聲音，如圖4所示。

圖4　試運(yùn)行結(jié)果

3　救援機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)合

本設(shè)計(jì)是要給救援機(jī)器人安裝上“眼睛”和“耳朵”，以上是視覺(jué)系統(tǒng)和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的單一運(yùn)行，不能在只運(yùn)行一個(gè)程序的情況下同時(shí)獲得視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，因此要將把兩者合二為一，讓機(jī)器人在運(yùn)行一個(gè)程序時(shí)就能同時(shí)獲得視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)信息。為了方便表述，這里我們假設(shè)“V”是視覺(jué)系統(tǒng)，“H”是聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)。

將“V”程序和“H”程序添加入同一個(gè)條件結(jié)構(gòu)內(nèi)，每一部分都是獨(dú)立的，可以單獨(dú)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(gè)程序面板里邊），運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。該方案加入了聲音存儲(chǔ)部分，即加了一個(gè)緩沖區(qū)，不會(huì)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(yùn)行中

4　救援機(jī)器人的遠(yuǎn)程通信

救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制是利用LabVIEW平臺(tái)的通信功能和多線程功能，通過(guò)設(shè)計(jì)服務(wù)器端和客戶端的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程通信模式有兩個(gè)方案：一是客戶端通過(guò)瀏覽器，就可以遠(yuǎn)程操作實(shí)現(xiàn)B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式的通信；二是通過(guò)TCP/IP或DataSocket實(shí)現(xiàn)C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）模式的通信。B/S模式開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，共享性強(qiáng)，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(qiáng)，存取安全，但是開(kāi)發(fā)、變更靈活性差，兼容性較差。

因此，本設(shè)計(jì)將B/S模式與C/S模式結(jié)合起來(lái)，采用LabVIEW的Web瀏覽器，應(yīng)用TCP/IP和DataSocket等技術(shù)來(lái)解決機(jī)器人的遠(yuǎn)程通信問(wèn)題。為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)所提方案的可行性，這里采用自行搭建的模塊化機(jī)器人開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即機(jī)器人視頻和聲頻采集與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究，如圖8所示。

圖8　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

遠(yuǎn)程通信的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）進(jìn)入LabVIEW的開(kāi)發(fā)環(huán)境，設(shè)置并啟動(dòng)Web服務(wù)器；

2）設(shè)置計(jì)算機(jī)通訊端口，并配置允許被遠(yuǎn)程連接的VI程序；

3）輸入生成的URL，登錄遠(yuǎn)程界面。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，操作人員通過(guò)網(wǎng)頁(yè)能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。在該實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，不僅驗(yàn)證了救援機(jī)器人遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了救援機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)還驗(yàn)證了救援機(jī)器人的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視頻和音頻的遠(yuǎn)程傳輸。

圖9　Web瀏覽器遠(yuǎn)程控制程序

5　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)虛擬儀器技術(shù)、信號(hào)（視頻和音頻）采集技術(shù)、遠(yuǎn)程通信技術(shù)進(jìn)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(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了界面友好的救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)虛擬儀器軟件，實(shí)現(xiàn)用戶在異地通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)并操作本地實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能，實(shí)現(xiàn)視頻、音頻信息的同步傳輸，提高救援效率。

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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(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（C03-0802）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11302147）

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