基于Internet的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

鄧 婷

（湖南科技職業(yè)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410008）

在Internet技術(shù)不斷進(jìn)步與發(fā)展的今天，智能裝置與系統(tǒng)已在我國各個(gè)行業(yè)中得到了有效的應(yīng)用，如望遠(yuǎn)鏡、監(jiān)視攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及移動(dòng)機(jī)器人等。雖然，當(dāng)前基于Internet的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究還不夠成熟，但是，已經(jīng)在社會(huì)上引起了巨大關(guān)注。相較于傳統(tǒng)機(jī)器人而言，Internet機(jī)器人開辟了遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程培訓(xùn)、遠(yuǎn)程制造業(yè)等新的應(yīng)用領(lǐng)域，并且具有一定的開放性，所以，設(shè)計(jì)一個(gè)基于Internet的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并能夠應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全的自主協(xié)調(diào)與操作，對(duì)現(xiàn)實(shí)社會(huì)具有積極的意義。

1 框架設(shè)計(jì)

在對(duì)網(wǎng)絡(luò)化移動(dòng)機(jī)器人的初級(jí)階段進(jìn)行研究過程中，首要任務(wù)是設(shè)計(jì)與構(gòu)建起基礎(chǔ)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)框架及試驗(yàn)平臺(tái)。在此階段需要重點(diǎn)對(duì)如下幾方面進(jìn)行研究：設(shè)計(jì)一個(gè)易于擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的系統(tǒng)，方便能夠?qū)⒏鄶?shù)量以及更多功能的機(jī)器人加入此系統(tǒng)當(dāng)中；設(shè)計(jì)界面的統(tǒng)一性，從而能夠?qū)⒏黝悪C(jī)器人綜合到系統(tǒng)框架當(dāng)中；設(shè)計(jì)一個(gè)直觀的用戶界面與合理的反饋系統(tǒng)。

1.1 硬件

首先，科學(xué)的選擇被控移動(dòng)機(jī)器人，使用服務(wù)器來作為機(jī)器人控制服務(wù)器與Web服務(wù)器，并使用相同配置服務(wù)器來作為圖像處理服務(wù)器。其次，使用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)來完成對(duì)移動(dòng)機(jī)器人狀態(tài)信息的采集，從而能夠讓遠(yuǎn)端用戶較為感性的了解到機(jī)器人，并且，還能夠在出現(xiàn)較大網(wǎng)絡(luò)延遲過程中，控制移動(dòng)機(jī)器人躲避周邊障礙物。再者，使用TCP接口來連接不同服務(wù)器，不過是使用無線路由器來連接移動(dòng)機(jī)器人與服務(wù)器。此外，采用圖像采集卡，將網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的圖像信號(hào)進(jìn)行截取，且傳輸至圖像服務(wù)器進(jìn)行處理。主要是利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)卡將服務(wù)器主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)相連接。

目前，HTTP是使用最多的網(wǎng)頁瀏覽器。遠(yuǎn)程控制能夠利用網(wǎng)關(guān)接口在HTTP上實(shí)現(xiàn)，即平時(shí)較常使用的C/s模式?？蛻粲肏TML語言的方式來發(fā)送請(qǐng)求消息給服務(wù)器端，并在服務(wù)器端利用特定程序來實(shí)現(xiàn)客戶預(yù)定行為，且能夠?qū)?shí)施生成的HTML代碼將結(jié)果傳輸至客戶端。不過通用網(wǎng)關(guān)協(xié)議存在較大限制，如反應(yīng)速度不快等，并且當(dāng)部分生成網(wǎng)頁仍處于靜態(tài)情況下，每出現(xiàn)一次請(qǐng)求均會(huì)生產(chǎn)一個(gè)完全的HTTP，這無疑不適用在實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制當(dāng)中。如果利用Java，則其網(wǎng)絡(luò)連接能力能夠有效解決通用網(wǎng)關(guān)協(xié)議反應(yīng)速度慢的問題。由于Java applet能夠運(yùn)行在Java兼容瀏覽器上，因此，使用Java applet的交互界面內(nèi)容是動(dòng)態(tài)變化的。但是，Java也存在一定弊端，如務(wù)必要連接各個(gè)服務(wù)器，并且用戶需要掌握全部服務(wù)器以及其他用戶想要連接部位，一旦出現(xiàn)用戶量與服務(wù)器數(shù)量大增，則難以進(jìn)行及時(shí)有效處理。所以，可以采取B/s模式，如圖1所示，將中心服務(wù)器與全部用戶與服務(wù)器都進(jìn)行連接，用戶只要通過中心服務(wù)器的位置便能夠利用中心服務(wù)器進(jìn)行通信。在此模式中，能夠在統(tǒng)一計(jì)算機(jī)上放上網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、機(jī)器人控制服務(wù)器以及圖像服務(wù)器，并且也能夠放在TCP接口連接的幾個(gè)計(jì)算機(jī)上。如此一來，就能夠提高插入多個(gè)圖像處理計(jì)算機(jī)與機(jī)器人控制的便利性。

圖1 中心服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖

1.2 軟件

1.2.1 機(jī)器人控制模塊

機(jī)器人控制模塊的任務(wù)是對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行控制。在此模塊中只有前進(jìn)、后退、變向、變速等單純的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)指令，而不含有智能化的東西。只要啟動(dòng)系統(tǒng)，Java程序便會(huì)連續(xù)運(yùn)行，并且利用socket將用戶指令傳送至服務(wù)器端，接著利用無線路由器對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。相同時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人僅能被一個(gè)用戶所控制，當(dāng)該名控制用戶操作完畢后，按排隊(duì)順序讓其他用戶進(jìn)行運(yùn)行。并且機(jī)器人的聲納與信息的讀數(shù)均能夠通過Java程序反饋至客戶端。

1.2.2 視覺反饋模塊

如若網(wǎng)絡(luò)用戶利用客戶端對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行控制，就務(wù)必要確保能夠穩(wěn)定、連續(xù)的在機(jī)器人端將圖像反饋回來。不僅如此，還應(yīng)利用此模塊，最大度限度的獲取與機(jī)器人控制端相關(guān)的信息，以便于獲得高質(zhì)量的圖像。當(dāng)前，大部分設(shè)計(jì)過程中均使用服務(wù)器推動(dòng)技術(shù)。通過靜態(tài)圖像流對(duì)圖像進(jìn)行彌補(bǔ)，且利用socket來傳送至到Java applet，并被applet譯為GIF或者JPEG格式。在此系統(tǒng)內(nèi)，圖像的截取主要是靠圖像采集卡實(shí)現(xiàn)，且通過C++軟件進(jìn)行壓縮，隨后利用socket將其傳送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

1.2.3 虛擬顯示模塊

虛擬顯示模塊主要是在Web頁面上進(jìn)行作業(yè)，主要用于處理計(jì)算機(jī)控制模塊傳送來的信息流。該類模塊能夠?qū)σ苿?dòng)機(jī)器人的方向以及位置的現(xiàn)實(shí)圖像進(jìn)行繪制，并且能夠繪制基于固有里程表的詳細(xì)坐標(biāo)軌道圖像。同時(shí)，能夠利用聲納讀取器實(shí)現(xiàn)環(huán)境地圖的構(gòu)建，且每100ms升級(jí)一次。用戶能夠利用此虛擬環(huán)境地圖掌握機(jī)器人實(shí)際位置與環(huán)境，并且，能夠觀察到移動(dòng)機(jī)器人周邊是否存在障礙物。如若碰到攝像機(jī)范圍外的障礙物或是出現(xiàn)時(shí)間延遲嚴(yán)重的情況，能夠幫助移動(dòng)機(jī)器人制定正確的路線。

1.2.4 用戶界面

在設(shè)計(jì)用戶界面時(shí)，盡可能的簡(jiǎn)單、易操作、易懂，并且含有盡可能多的易懂機(jī)器人遙操作信息。該類界面涵括了視覺反饋、控制按鈕、移動(dòng)機(jī)器人參數(shù)坐標(biāo)顯示以及機(jī)器人路徑軌跡等內(nèi)容。用戶要想實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人控制，讓其進(jìn)行轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退等制定，只需點(diǎn)擊Web頁面的控制面板上的方向鍵接口，或利用復(fù)合控制或快捷鍵來達(dá)到設(shè)定固定速度、轉(zhuǎn)變速度等制定。用戶界面的虛擬環(huán)境地圖程序applet，能夠通過移動(dòng)機(jī)器人處反饋所得數(shù)據(jù)，將移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)試平臺(tái)以及部分基礎(chǔ)信息顯示出來。用戶則能夠通過用戶界面來獲取移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)速度、位置以及周圍障礙物等信息。只要用戶成功登陸，便能夠進(jìn)入控制頁面。如若先前已經(jīng)有人登陸成功并控制機(jī)器人，則此用戶只能作為一名觀察者排隊(duì)等待，而不能控制移動(dòng)機(jī)器人。不過不管是控制者還是觀察者，均能夠享受到中心服務(wù)器的各類服務(wù)，如，圖像反饋、機(jī)器人的狀態(tài)信息等。

2 結(jié)束語

總而言之，設(shè)計(jì)與研究基于Internet的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有極為重要的意義。該種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)潛力巨大，能夠讓用戶利用Internet對(duì)遠(yuǎn)方的移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行控制。但是，在傳輸過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)延的問題，這就需要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的改善。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可將更多的圖像攝像機(jī)與移動(dòng)機(jī)器人加入系統(tǒng)當(dāng)中，為人們今后對(duì)多機(jī)器人以及智能機(jī)器人間的協(xié)作提供更好的試驗(yàn)平臺(tái)。