一種基于機(jī)器人的遠(yuǎn)程呈現(xiàn)遙感系統(tǒng)研究

韋 宇

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

隨著人類科技發(fā)展和社會(huì)分工精細(xì)化，一些自然災(zāi)害救援、惡劣地質(zhì)環(huán)境科考等不適宜人類身處一線的工作，可以交給機(jī)器人完成。目前的機(jī)器人已經(jīng)能夠勝任精確、重復(fù)性的工作，根據(jù)使用環(huán)境特點(diǎn)設(shè)計(jì)的機(jī)器人，可以很好地彌補(bǔ)人類自身生理的短板。但很多時(shí)候，機(jī)器人還不能夠靈活地為新任務(wù)進(jìn)行自我調(diào)整，也不能應(yīng)付一個(gè)不熟悉的或不確定的情景。因?yàn)槟壳皩?duì)人腦智能機(jī)理尚未研究清楚，從技術(shù)上要賦予機(jī)器類人級(jí)別的人工智能還有很長(zhǎng)的路要走。本文的主要研究方向是如何利用目前發(fā)展快速的技術(shù)短周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人勝任惡劣環(huán)境下智能作業(yè)。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)原理

機(jī)器人的技術(shù)按照通常的理解分為3個(gè)部分：感知、認(rèn)知和行為控制。感知部分主要是基于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及各種傳感器的信息處理；認(rèn)知部分則負(fù)責(zé)更高層的信息處理，如記憶、學(xué)習(xí)、推理、決策等。計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和深度學(xué)習(xí)方面可以勝任，推理和決策方面尚有不足仍須人為介入；行為控制部分是針對(duì)機(jī)器人的行為進(jìn)行控制。

引入了遙感的概念，機(jī)器人部署在現(xiàn)場(chǎng)，后臺(tái)和操作者利用機(jī)器人的采集信息達(dá)到無(wú)接觸遠(yuǎn)程探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，在現(xiàn)場(chǎng)之外實(shí)時(shí)地感知現(xiàn)場(chǎng)，并有效地進(jìn)行某種操作。整個(gè)感知和行為控制過(guò)程就是人機(jī)的信息交互過(guò)程。遠(yuǎn)程呈現(xiàn)人機(jī)交互技術(shù)，是一種讓操作者穿戴動(dòng)作捕捉設(shè)備，操作者的肢體動(dòng)作轉(zhuǎn)換成動(dòng)作指令傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人完成動(dòng)作所采集的視音頻等傳感信息及指令閉環(huán)反饋給后臺(tái)。后臺(tái)還需要獲取機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)的定位信息和現(xiàn)場(chǎng)地圖數(shù)據(jù)，機(jī)器人定位信息采用機(jī)器人集成定位導(dǎo)航模塊獲取，現(xiàn)場(chǎng)地圖由后臺(tái)調(diào)用商用地圖云服務(wù)獲取，服務(wù)覆蓋不到區(qū)域通過(guò)租用測(cè)繪衛(wèi)星來(lái)獲取實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)星影像后繪制地圖。最后后臺(tái)對(duì)視頻、音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行全景縫合和聲場(chǎng)復(fù)原，并對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析形成輔助信息，全景縫合視頻數(shù)據(jù)、聲場(chǎng)復(fù)原數(shù)據(jù)和輔助信息通過(guò)操作者的虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯和耳機(jī)反饋，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息鏈路的閉環(huán)，如圖1所示。

接下來(lái)就要根據(jù)該系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，惡劣地質(zhì)環(huán)境多處人跡罕至，自然災(zāi)害形式和地點(diǎn)都不固定，有線通信從建設(shè)成本和可執(zhí)行性上都不可能，唯有無(wú)線通信技術(shù)可以勝任。當(dāng)前流行的無(wú)線通信技術(shù)有4GLte，UMTS/3GPPw/HSDPA，CDMA2000，GSM，Infrared(IR)，ZigBee，Bluetooth，RFID，WiFi，微波通信等。先分析本系統(tǒng)需要通信的數(shù)據(jù)量，后臺(tái)或操作者發(fā)送給機(jī)器人的上行鏈路數(shù)據(jù)包括動(dòng)作指令數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、機(jī)器人系統(tǒng)指令數(shù)據(jù)。機(jī)器人發(fā)送給后臺(tái)和操作者的下行鏈路數(shù)據(jù)包括動(dòng)作反饋數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)、機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)。其中動(dòng)作指令數(shù)據(jù)是由動(dòng)作捕捉設(shè)備產(chǎn)生，穿戴式動(dòng)作捕捉設(shè)備采用慣性導(dǎo)航式動(dòng)作捕捉，在操作者可活動(dòng)的部位處部署陀螺儀、加速計(jì)、磁力計(jì)，測(cè)量該關(guān)節(jié)的活動(dòng)旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)方向等信息[1]。假設(shè)機(jī)器人根據(jù)人體可活動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)量對(duì)稱設(shè)計(jì)，人體可活動(dòng)部位包括頭部、肩部、大臂、小臂、手、胸口、尾椎、大腿、小腿、腳踝、指骨等總計(jì)45個(gè)，每顆陀螺儀/加速計(jì)/磁力計(jì)采用I2C接口數(shù)據(jù)，I2C總線最大碼率為400 kbps，音頻數(shù)據(jù)采用AAC編碼，碼率192 kbps，機(jī)器人系統(tǒng)指令數(shù)據(jù)按照10 Mbps預(yù)計(jì)，那么，上行鏈路的數(shù)據(jù)吞吐量如公式1所述。

上行鏈路數(shù)據(jù)吞吐量=動(dòng)作指令數(shù)據(jù)+音頻數(shù)據(jù)+機(jī)器人系統(tǒng)指令數(shù)據(jù)=45×3×400 kbps+1×192 kbps+10 Mbps≈65 Mbps （1）

同理，下行鏈路的動(dòng)作反饋數(shù)據(jù)等同于動(dòng)作指令數(shù)據(jù)量，機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)量（含定位數(shù)據(jù)）等同于機(jī)器人系統(tǒng)指令數(shù)據(jù)。機(jī)器人按照人的視聽(tīng)覺(jué)生理結(jié)構(gòu)的雙目雙耳設(shè)計(jì)，視覺(jué)按照800萬(wàn)像素（約4 K高分辨率）計(jì)算，一路4K音視頻數(shù)據(jù)采用H.265編碼碼流約為22 Mbps，那么，下行鏈路的數(shù)據(jù)吞吐量如公式2所述：

下行鏈路數(shù)據(jù)吞吐量=動(dòng)作反饋數(shù)據(jù)+音視頻數(shù)據(jù)+機(jī)器人系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)=45×3×400 kbps+2×22 Mbps+10 Mbps≈108 Mbps （2）

上下行鏈路各自吞吐量不應(yīng)低于108 Mbps，從數(shù)據(jù)吞吐量的要求和信號(hào)抗干擾能力的要求只剩下微波通信技術(shù)能滿足。本系統(tǒng)機(jī)器人同后臺(tái)通信采用分組微波通信技術(shù)，采用鏈?zhǔn)街欣^組網(wǎng)方式，56 MHz信道256QAM調(diào)制，空口吞吐量366 Mbps，有效載荷345 Mbps遠(yuǎn)大于上下行各自的數(shù)據(jù)吞吐量要求[2]。

圖1 系統(tǒng)示意

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由機(jī)器人系統(tǒng)、遠(yuǎn)程呈現(xiàn)遙感兩大系統(tǒng)組成，采用基礎(chǔ)支撐層、應(yīng)用支撐層、系統(tǒng)應(yīng)用層、平臺(tái)訪問(wèn)層的縱向分層架構(gòu)思路設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2）[3]。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.1 基礎(chǔ)支撐層

機(jī)器人側(cè)部署多目攝像頭（內(nèi)含穩(wěn)像光學(xué)系統(tǒng)）、拾音器、體感采集器、擴(kuò)聲器、音視頻編碼設(shè)備、微波通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備。

通信系統(tǒng)部署移動(dòng)微波中繼終端、微波通信設(shè)備、衛(wèi)星（用于定位和測(cè)繪）及衛(wèi)星通信設(shè)備。

操作者側(cè)部署穿戴式動(dòng)作捕捉設(shè)備、體感反饋設(shè)備（機(jī)器人側(cè)提供的體感數(shù)據(jù)反饋）、擴(kuò)聲陣列（耳機(jī)）、虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯。

后臺(tái)側(cè)部署解碼設(shè)備、服務(wù)器、操作終端、顯示單元、存儲(chǔ)陣列。

1.2.2 應(yīng)用支撐層

機(jī)器人側(cè)提供機(jī)器人設(shè)備管理功能、機(jī)器人體感控制功能。

通信系統(tǒng)提供信道加密功能。

后臺(tái)側(cè)提供授權(quán)管理功能、地圖功能（既有城市地圖、衛(wèi)星測(cè)繪地圖）、數(shù)據(jù)分析功能、操作者設(shè)備管理功能、操作者體感采集功能、體感處理功能、全景視頻縫合功能（機(jī)器人多目攝像頭的影像縫合），全景聲場(chǎng)復(fù)原功能（機(jī)器人拾音器采集音源復(fù)原）、虛擬置入、人機(jī)同步等功能。

1.2.3 系統(tǒng)應(yīng)用層

機(jī)器人系統(tǒng)包括仿人關(guān)節(jié)機(jī)理的機(jī)械系統(tǒng)、仿人視覺(jué)聽(tīng)覺(jué)生理機(jī)理的信息采集系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程呈現(xiàn)遙感系統(tǒng)包括管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)（微波和衛(wèi)星）、人工智能系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

1.2.4 平臺(tái)訪問(wèn)層

提供管理終端和操作者終端接入功能，管理終端提供整個(gè)平臺(tái)設(shè)備管理功能、數(shù)據(jù)分析和決策功能。操作者終端提供遠(yuǎn)程呈現(xiàn)遙感操作功能。

2 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是個(gè)涉及學(xué)科繁多的大系統(tǒng)，囊括了機(jī)器人、人工智能、無(wú)線通信、遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、傳感技術(shù)、遙感技術(shù)等。方案有些環(huán)節(jié)還留有遺憾，例如如何優(yōu)化機(jī)器人側(cè)的無(wú)線通信的終端和天線設(shè)備的尺寸、如何延長(zhǎng)機(jī)器人的電池續(xù)航能力等技術(shù)問(wèn)題。

[參考文獻(xiàn)]

[1]鄧杏杏，朱大明，楊袁聰.基于全景圖的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究與探討[J].地礦測(cè)繪，2009（1）：26-28.

[2]趙正旭，戴歡，趙文彬，等.基于慣性動(dòng)作捕捉的人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模擬[J].計(jì)算機(jī)工程，2012（5）：5-8.

[3]張乃平，李亭，李國(guó)潤(rùn).利用遠(yuǎn)程呈現(xiàn)技術(shù)構(gòu)建“三華”調(diào)度會(huì)商系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)通信，2011（3）：17-20.