1、国防科学技术大学 硕士学位论文基于移动通信网络机器人遥操作系统设计与实现 姓名：王涛申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程 指导教师：蔡宣平 20031201国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录图卜图图图一图一图一图一图一图一图图图图图图图图图 一一一一图图图图图图一一一图图图图第页国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录一：一一一一一表表表表表表表表一 一引表 一表一一一一一一一一一一一一一一一国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 基于移动通信网络的机器人遥操作系统利用移动通信网络作为遥操作信息交换的载体，拓展人类在太空、深海、核环境等危险情况下的作业能力。伴随着移动通信网络的迅速发展
2、，尤其是较高数据传输率的和 网络，为机器人遥操作向移动通信网络的扩展提供良好的条件。 通过对 和的功能进行大量的各类传输时延的统计实验，从中得出了两种通信网络共性与特点，以及相应的统计规律。这些统计规律和特征有助于以后的实验平台的建立，提高了遥操作系统在应用环境中的适应能力。本文针对网络传输时延对机器人遥操作的影响，分别研究了基于时间和基于事件的机器人遥操作方法。由于后者对时延影响有明显的降低作用，提高了机器人遥操作的质量，所以本系统采用基于事件的遥操作方法。为提高遥操作机器人应对环境突然变化的情况，本文研究了机器人遥操作与自主性相结合的控制方法。遥操作机器人感知周围环境，并自主的采取相应的措
3、施以补偿时延的影响，提高遥操作系统的性能。 建立了基于移动通信网络的机器人遥操作实验平台，利用 开发系统，基本实现了基于移动通信网络的机器人遥操作。进一步说明基于移动通信网络的机器人控制是可行的。 关键词：遥操作 移 动通信网络时延一一一呻，一， 第页国防科学技术大学研究生院学位论文 ， ， ， ， ， ： 第页国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论；课题研究背景 一般认为，一种机器的专利 现代机器人的概念起源于年代初期。年， ，这种机器基于示教再现的控制方式与数控实现技术。 申请了工业机器人的另一个技术源头来自遥操作，即所谓主从操作手。国际上第一台主从操作手开发于年。智能机器人，则更进
4、一步涉及到人工智能、计算机视觉与现代控制理论等。年，美国的演示了第一个具有视觉传感器的、能识别 与定位简单积木的机器人系统八十年代中期，技术革命的第三次浪潮席卷着整个世界。在这迎面而来的汹涌浪潮中，机器人技术更是发展迅猛。当时，一方面，全球范围内的工业机器人总数，正以每年以上的速度增长，推动着汽车工业高速发展，并使之迅速成为全球规模的庞大产业。另一方面，在智能机器人的研究与开发方面，美国国防部高 级研究计划局（）以军用为目标，提出了自主地面车辆（）计划，发展无人驾驶车辆。欧洲尤里卡计划提出了自主机器人计划。日本通产省组织几十家大企业、研究所和高等院校实施了所谓的极限环境下作业的机器人计划，开发
5、在核辐射、水下和灾害环境中工作的机器人。 自从。世纪年代，世界上诞生了第一套遥操作机械手（） ，到二十一世纪的今天， 经过 几十年的发展，遥操作机器人已经广泛应用于远程太空、深层地下勘探、海洋探测、有核环境等领域，并发挥越来越重要的作用。目前，遥操作机器人技术在研究方向上主要集中在三个方面：触觉显示接口（ ）、虚拟环境（ ）和大而且变时延条件下的，基于的遥操作机器人技术（ ）遥操作的一项关键技术是力反馈控制，它能够为操作者提供操作过程中的力感觉，从而提高操作性能和操作速度。与虚拟现实技术（）相结合，具有力觉和视觉反馈的遥操作技术称为临场感技术（） 。随着的飞速发展，很多研究都致力于将技术引入机
6、器人遥操作领域，将其作为遥操作的通信 环节，增强系统的开放性和灵活性。由于技术引入系统而产生数据通信的 变化时延在很大程度上影响着系统的控制效果，因此时延对系统的影响成为基于的遥操作机器人的一个关键问题，受到学者的广泛关注 我国于世纪年代末开始遥操作机器人的研究，并在空间、海洋等应用领域取得了阶段性的进展。中科院自动化研究所、航天部、国防科技大学、清华大学、南开大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等一些研究机构和院校都在进行这方面的研究，为我国机器人技术发展和应用不懈的努力。本文就是在这样一个背景下提出的，对基于移动通信网络的机器人遥操作系统进行了理论的研究和实验验证，并对双向的力反馈遥操作
7、进行仿真。希望可以充分利用现有的移动通信网络，在远程无线机器人控制基础上，提高遥操作的质量，为我国的机器人遥操作技术发展做一些工作。一厂一一国防科学技术大学研究生院学位论文遥操作机器人系统发展现状随着人类文明的高速发展，人类的生存空间和操作空间不断的扩展和延伸。在外太空、核环境或人类无法达到的作业环境中，遥操作智能机器人很自然的成为人类探索自然和改造自然环境的首选工具【。年，美国的国家实验室诞生了第一个遥操作机械手，他用来控制封闭环境中的放射性核燃料。到年代是遥操作迅速发展的时期，在此期间形成了双向力反馈的控制结构，出现了临场感等概念，遥操作机器人系统的基本概念已经形成。具有代表性的是等在通用
8、电器公司研制的具有个自由度的。年代初，美国与法国的海军开始在潜水艇上安装遥操作手和摄像机进行深水作业。年美国海军曾通过（图）机器人将掉到米深的海底 氢弹打捞上来， 图美国海军的图，海盗一虢轰动一时。军事方面的研究大大促进了水下遥控机器人的开发，特别是勘探海底资源，包括石油和天然气。同时遥操作技术在远程空间中的应用也已经展开，如美国的月球车。进入年代，遥操作机器人技术得到了进一步的发展。美国分别向火星发射了“海盗一号”（图）和“海盗二号”探测器，它 们分别在火星的“黄金平原”和“乌托那平原”着陆，在火星上工作数年，除拍 摄照片、测量外，主要是进行生命考察。年代末到年代初，诞生了几个非常著名的空间
9、遥操作系统。加拿大的公司建造的自由度遥操作臂（）长米，空间站的宇航员可以通过两个自由度的手柄，控制其进 行空间站的装配与货物的搬运等操作。年，日本发射了工程实验卫星（）， 进一步验证了大时延条件下的预测显示。 近年来，人们将虚拟现实应用引入到机器人遥操作领域，使机器人遥操作的研究有了的研究有了崭新的发展。年代以来，移 动通信网络、机器人以及图像处理等现代化技术的不断发展，像远程教育、 远程医疗等，特 别是最为关注的远程外科手术。外科医生可以借助遥控装置在异地为病人进行手术。通过多次的实验培养医生对操作实验的感知度。研究者已经进行了大量理论与实验性的研究，在微型外科手术中，遥控机器人已经开始发挥
10、作用。 总之，随着人 类涉足领域的不断扩大，考 虑到人类自身的安全性、探索的必要性、第页国防科学技术大学研究生院学位论文生活的便利性，机器人的遥操作将更多的应用到现在的生产、生活、科研的各个领域，具有广泛的发展前景。 基于的机器人发展状况 的迅速发展极大的开阔了人类获取信息的视野，使社会经济结 构和人类的生活方式发生重大而深刻的变化。一些学者已经意识到不仅仅 是文本、 图像、声音等信息资源的载体和交换手段，而应当是人类手、脚等器官的延伸。通 过进行远端硬件设备的控制与感知外部世界的尝试应运而生，如基于的远程示教、基于的远程制造、基于的遥操作等。年，由 等连接到上的是第一个基于浏览器的遥操作机器
11、人系统， 很快引起了广泛的注意。此后基于的机器人技术 得到了广泛的关注和发展。基于的机器人遥操作就是通过远程访问和控制机器人，是从遥操作机器人的基础上发展起来的。按照发送命令和接收视觉信息以及机器人所提供反馈的特点，基于网络的机器人可以分为三类：远程编程、远程仿真和实时遥操作。基于机器人的远程编程需要操作者加载一组程序或一套指令集来控制机器人。机器人自主或半自主的执行加载的程序。这类机器人可以进一步细分为“编程和观察”机器人或者“编程、观察和千预 机器人。典型的远程编程机器人系统只包括视觉反馈。基于的远程仿真机器人系统包括控制指令输入和 实时模拟反馈。 这种模拟或预测的反馈有两种形式，完全基于
12、机器人及其环境模型的仿真和部分基于模型的仿真，后者将被机器人实际的反馈校正。一般的反馈形式主要包括显示预测和力预测。真正实时的基于机器人遥操作系 统，它发送指令的同时能够实时得到机器人传感器的信息。反馈的信息有多种形式，最典型的是视觉和力觉的反馈 按照系统结构的不同可分为基于的机器人遥操作系 统和基于 浏览器的机器人遥操作系统。前者以作为遥操作系统的通信手段，从体系结构和技术上基本延续了传统遥操作系统所采用的方法，在很大程度上拓展了遥操作的操作系统的操作距离，降低建设和维护的成本，已经成为遥操作领域的一个研究热点。但由于的引入，在具体处理方法上与 传统的技术又有区别。网络通信存在不确定的传输时
13、延，会使系统的控制效果降低甚至失去稳定性，因此目前的重点在于最大程度减小变化时延的影响。而后者，即基于浏览器的遥操作系统，则将网络作为系统的主体，主操作手被网络取代。这种系统具有面向大众的特点，在分布式作业、 设备共享以及娱乐方面具有广泛的应用前景。 总之，基于的机器人遥操作系统的建立，脱离了原来的那种 专人专机进行远程控制的情况，不仅降低了成本，而且扩大了操作的距离，实现远 程操作、任意节点的访问机制，适应了远程管理的技术方向，有利于机器人技术的推广与普及。基于的机器人遥操作系统适应了社会发展的需要，尽管在实现过 程中已经并且还要遇到各种各样的问题，但他最终的成长、发展和成熟是必然的。一一一
14、一一一一一一藻丁一国防科学技术火学研究生院学位论文；，基于移动通信网络的机器人遥操作系统机器人遥操作比较 随着移动通信的迅速发展，其数据传输能力也在不断的提高。目前的第代和第代移动通信网络的数据传输方式和功能有所改变，不同于以前单纯 的语音信息载体，己扩展多种功能，包括无线连接业务。在通信业务中，应用广泛的登 陆的网络主要有 和网络，最大数据传输率可达到我们将移动通信网络与的互 联，称为机器人遥操作中的移动通信网络。基于移动通信网络的遥操作系统与基于的遥操作系统有很多相同之处。首先，网络通信协议在实际的应用中是相同的，采用协议；其次，远程数据传输的路径规划规则基本上是相同的；两者都存在网络不确
15、定性时延问题但两者也有各自的特点。基于的遥操作拥有大的带宽。机器人的接入一般采用有线方式，数据传输率可达一百兆比特每秒以上：或者采用无线局域网卡加接入点的方式，实际的数据率超过兆比特每秒，距离大约几十米。目前大多数的基于的机器人遥操作系统采用这种方式。很明显，由于接入两种方式都受到距离的影响，限制了遥操作实际应用的推广。例如对于无人驾驶车辆的实时监测与控制。基于移动通信网络的机器人遥操作中，移动机器人具有广阔的运动范围。在移 动通信网络的覆盖范围内，在移动电话有信号的区域，遥操作技术将面对广阔的视野。这不但在军事上还是民用上，不论是陆地、海洋还是天空，机器人将无 处不在。由于资金的原因，本系统
16、仅限于陆地移动机器人。 遥操作系统结构 机器人端控制中心 图基于移动通信网络机器人遥操作系统 第页国防科学技术大学研究生院学位论文 本文所研究机器人遥操作系统结构如图所示。不同于以前的基于的机器人遥操作系统，本系统机器人同控制中心的交互媒介包括和移动通信网络。遥操作系统的结构分为三部分：控制中心、通信网络和机器人。本文基于这个遥操作平台，通过对， 的数据交换进行详细的分析和研究，将遥操作方法同机器人自主性结合起来。 双向力反馈概述双向控制是指控制中心和机器人间的运动和力觉信息的交互反馈控制，早期的遥控机器人系统采用双向位置反馈来实现力觉临场感，但由于与机器人无法消除的位置误差，使系统在自由空间
17、运动也显得十分“迟滞，直接影响系统的操作性能。基于传感器技术的提高，使我们能够采用高性能的传感器实现操纵杆与机器人 间的双向力觉反馈，为更先进的控制策略进一步提高遥操作性能提供了基础 。 遥操作系统中的双向控制有三种基本类型：位置伺服型、力反射型和力反射伺服型正位置伺服型：这是一种对称系统，它是双向可逆驱动的，依靠控制中心与机器人的相对空间位置差分别驱动从手和驱动主手实现力觉反馈。由于系统缺少力传感器，对从手机器人的受力没有较为准确的测定，因此，操作者在操作过程中缺少临场感。力反射型：这是一种非对称系统，该系统在从手安装了力传感器。系统的正向（主一从）驱动仍采用位置伺服型的位置误差信号驱动，而
18、反向（从一主）控制则是通过从手的的力传感器将从手所受负载力经从手控制系统传送至主手控制系统。力反射伺服型：该系统主手与从手都装有力传感器，从手控制系统 仍采用位置误差信号来控制，而主手控制系统则是由比较主、从两个信号差来控制的。由于主 动与从动的信号不同，所以是一个非对称系统。 双向力反馈的工作是将机器人的运动受力真实的反馈给操作者。要 实现这一理想特性必须考虑到机器人和操纵杆的动力学特性、传感器的性能以及控制策略环节对系统的影响。图是机器人遥操作的总体结构图，包括控制中心、通信环节、机器人以及环境。操作者于控制中心发出运动指令，信息采集服务器将传感器和机器人状态数据打包发送到控制中心。显然，
19、系统的时延（）包括和移动通信网络（ ）两方面的时延，所以对时延的正确分析直接影响到遥操作的质量。由图可知，移动通信网络和同时作为遥操作的数据载体，由此我们将其称为基于移动通信网络的遥操作。 课题来源“基于移动通信网络的机器人遥操作系统研究”隶属于国家课题“基于移动通信网络和机器人群的分布式主动传感系统 ，一一贡国防科学技术大学研究生院学位论文 本文的内容与 结构 本文分为七章。第一章为绪论，介绍机器人遥操作的发展过程和国内外现状，以及本课题来源和内容。 第二章为对和网络的传输分析，主要研究其数据传输的特点、网络的差别和传输时延对机器人遥操作的影响。第三章为遥操作方法研究，研究了基于事件的遥操作
20、方法。第四章为机器人自动测距。第五章为硬件平台的设计。第六章为机器人遥操作系统实现第七章为结束语。一 瑟一一国防科学技术大学研究生院学位论文第二章和网络传输分析 和网络同属于移动通信网络。目前中国联通公司支持网络，中国移动公司支持网络，它们虽然网络构造各不相同，但都具有连接的功能。本章的网络传输分析基于和在国际互联网的应用，不仅仅是自身单纯或网络内部的传输情况。基于本系统以及实验和应用的要求，针对和的业务的数据传输进行比较分析。 移动通信概述 目前，移动通信己经过了两代，第一代是模拟蜂窝移动通信网，时间跨度是上世纪年代中期至年代中期。年，美国贝尔实验室研制成功先进的移动电话系统（），建成了蜂窝
21、状移动通信系统，其他工业化国家也相继开发出了蜂窝式移动通信网。这一阶段相对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室提出了蜂窝网的概念，即小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用（）模拟制式，语音信号为模拟调制。其典型代表是美国的系统（先进移动电话系统）和改进型系统（总接入通信系统）等。第二代是以和为代表的数字蜂 窝移动通信系统，从上世纪年代中期开始，至今仍在于高速发展中。模拟蜂窝网虽然取得了很大的成功，但其频谱利用率低，业务种类受限，通话易被窃听，难以满足移动通信系统的发展。到了年代中期，欧洲推出了泛欧数字移动通信网（）的体系。随后，美国
22、和日本也制订了各自的数字移动通信体制。数字移动通信网相对于模拟移动通信网，提高了频谱利用率，支持多种业务服务，并与等兼容。第二代移 动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的，又称为窄带数字通信系统，其典型代表是美国的系统、和欧洲的系统。由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了代的移动通信系统，如和。移动通信主要提供的服务仍然是语音服务和低速率数据服务。由于网络的发展，数据和多媒体通信发展迅猛，所以第三代移动通信的目标即宽带多媒体通信。第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高速数据传输、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能
23、力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行不同种类的通信系统。第三代移动通信系统主要有 ， 和三种技术体制。第三代移动通信系 统的目标为： ）用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务：）提供 话音、可 变速率的数据、活动视频非话等业务，特别是多媒体业务；）可以综合现 有的公众电话交换网（）、综合业务数字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统等提供无缝隙的覆盖：）足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和高质量的服务。为实现上述目标，对其无线传输技术（ ， ）提出了以下要求：）高速传输以支持一一一一一一一一一
24、一一一一一一矛一一国防科学技术大学研究生院学位论文第二章和网络传输分析和网络同属于移动通信网络。耳前中国 联通公司支持网络，中国移动公司支持网络，它们虽然网络构造各不相同，但都具有连接的功能。本章的网络传输分析基于和在国际互联网的应用，不 仅仅是自身单纯或网络内部的传输情况。基于本系统以及实验和应用的要求， 针对和的业务的数据传输进行比较 分析。移动通信概述目前，移动通信已经过了两代，第一代是模拟蜂窝移动通信网， 时间跨度是上世纪年代中期至年代中期。年，美国贝尔实验室研制成功先进的移动电话系统（），建成了蜂窝状移动通信系统，其他工 业化国家也相继开发出了蜂窝式移动通信网。这一阶段相对于以前的移
25、动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室提出了蜂窝网的概念，即小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系 统容量。第一代移 动通信系统的主要特点是采用频分复用（）模拟制式，语音信号为模拟调制。其典型代表是美国的系统（先进移动电话系统）和改进型系统（总接入通信系统）等。 第二代是以和为 代表的数字蜂窝移动通信系 统，从上世纪年代中期开始，至今仍在于高速发展中。模 拟蜂窝网虽然取得了很大的成功，但其 频谱利用率低，业务种类受限，通话易被窃听， 难以满足移动通信系 统的发展。到了年代中期，欧洲推出了泛欧数字移动通信网（）的体系。随后，美国和日本也制订了各自的数字移动通信体制。数字移动通信网相对于模拟移动通
26、信网，提高了频谱利用率，支持多种业务服务，并与等兼容。第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的，又称为窄带数字通信系统，其典型代表是美国的系统、一和欧洲的系统。由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了代的移动通信系统，如和一。移 动通信主要提供的服务仍然是语音服务和低速率数据服务。由于网络的发展，数据和多媒体通信发展迅猛，所以第三代移动通信的目标即宽带多媒体通信。 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高速数据传输、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并阻小型便携式终端在任何时候、任何地点进
27、行不同种类的通信系统。第三代移动通信系统主要有、和三种技术体制。第三代移动通信系统的目标为【：）用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务：）提供话音、可 变速率的数据、活动视频非话等业务，特别是多媒体业务；）可以综合现有的公众电话交换网（）、综合业务数字网、无绳系统、地面移动通信系统、 卫星通信系统等提供无缝隙的覆盖：）足 够的系统容量。强大的多种用户管理能力，高保密性能和高质量的服务。为实现上述目标， 对其无线传输技术（，）提出了以下要求：）高速传输以支持 第页国防科学技术大学研究生院学能论文多媒体业务，其室内环境至少，室内外步行 环境至少，
28、室外车辆运动中至少，卫星移 动环境至少；）传输速率能够按需分配：）上行链路能适应不对称需求 。网络 和网络概况是通用无线分组业务的缩写（），是介于第二代和第三代之间的一种技术，通常称为，目前通过升级网络实现。它是个混合体，采用方式传输语音，采用分组的方式传输数据。目前国内主要由中国移动通信公司开展业务。是欧洲电信协会系 统中有关分组数据所规 定的标准。它可以提供高达的空中接传输速率。使若干移动用户能够同时共享一个无线信道，一个移动用户也可以使用多个无线信道。实际不发送或接收数据包的用户仅占很小一部分网络资源。有了，用户的呼建立 时间大为缩短，几乎可以做到“永远在线”（）。此外，是营运商能够以传输的数据量而不是 连接时间为基准来计费，从而另每个用户的服务成本更低。 采用信道捆绑和增强数据速率改进实现高速接入，目前的设计可以在一个载频或个信道中 实现 捆绑，将每个信道的 传输速率提高到，因此图网络结构方式最大速率是发展的第二步是通过增强数据速率改进（）将每个信道的速率提高到，因此第二代的设计速率为为了实现，需要在现有的网络中引入三种新的逻辑网络实体：服务支持节点（
