救援機器人遠程控制系統的設計與實現

陳 煒，馬 利，陳吉保

（1.天津理工大學 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.軍事醫學科學院衛生裝備研究所，天津 300161）

救援機器人遠程控制系統的設計與實現

陳 煒1,2，馬 利1，陳吉保1

（1.天津理工大學 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.軍事醫學科學院衛生裝備研究所，天津 300161）

救援機器人遠程控制系統決定了救援機器人的整體性能，是救援機器人完成救援任務的關鍵。基于LabVIEW圖形化編程環境的采集模塊，實現視頻和音頻的數據信息實時采集；同時，采用LabVIEW的Web技術將VI前面板發布到網頁，客戶端通過瀏覽器訪問服務器端，遠程操控VI前面板，從而實現對救援機器人的遠程控制，即現場視頻、音頻數據信息的遠程傳輸。最后，在自行搭建的模塊化機器人上開展視頻和聲頻遠程控制的實驗研究，驗證所提救援機器人遠程控制方案的可行性。

救援機器人；遠程控制系統；LabVIEW；數據采集

0　引言

當前，爆炸、核、生、化、輻射（STHU）泄露以及地震、火災等災害頻發，復雜未知的災后環境給救援工作帶來巨大困難，災難發生后最緊急的事情是搜救幸存者，但受災難現場的非結構化環境的影響，救援人員難以快速、高效、安全地開展救援工作，針對這一問題，救援機器人的研究具有廣闊的應用前景。救援現場采用救援機器人，通過各類傳感器，遠程控制機器人，可有效解決救援工作中時間緊、危險大等問題[1～5]。

救援機器人遠程控制系統設計的好壞，直接影響機器人的生存能力、適應能力以及救援任務的整體執行效率[6]。因此，遠程控制系統是救援機器人的關鍵部分，決定了救援機器人的整體性能。

機器人的遠程控制思想是由美國南加州大學Ken Goldbleg于1994年首先提出的，建立了第一個基于Web瀏覽器的網控遠程機器人系統[7]。日本名古屋大學建立一個基于Internet的互聯網控制系統提供遠程參觀訪問[8]。加拿大Ryerson科技大學的“MAX”是一個基于無線網絡的移動機器人的遠程控制系統[9]。Remotec公司制造了煤礦救援機器人V2，可以遠距離（約5000英尺）實施遙控[10]。日本的機器人“木槿”可以在黑暗環境下進行搜尋，傳輸圖像，并繪制現場的地圖[11]。中科院沈陽自動化研究所研制了主從異構的監控遠程控制系統[12]。上海交通大學開發基于Web的機器人遠程控制系統[13]。清華大學開發一個基于視覺臨場感的機器人遠程控制系統[14]。中國礦業大學研制了礦井搜救的機器人CUMT-1[15]，可以將井下將探測的環境信息實時傳回。

目前，機器人遠程控制主要在現場控制和網絡控制兩種方案，現場控制方便操作，但是如何獲得和傳輸更多的現場信息是研究的難點；網絡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，實現視頻、音頻數據信息的傳輸，實現了機器人的遠程控制。實驗驗證了所提方案的正確性。

1　救援機器人遠程控制系統的方案設計

救援機器人遠程控制系統采用模塊化設計，主要由視覺模塊、聽覺模塊和通信模塊這三大模塊組成。系統是基于實現現場控制，結合遠程通信技術來實現救援機器人的遠程控制和數據信息的遠程傳輸。

視覺模塊是通過攝像頭和計算機（內置圖像采集卡）等硬件設備，配合LabVIEW2013等軟件平臺來實現視頻信號的采集與處理。聽覺模塊的開發是使用虛擬儀器，利用軟件來完成修改儀器系統的功能，利用高性能的模塊化硬件解決信號的輸入、輸出。使用LabVIEW的通信功能與多線程功能，設計服務器端的應用程序和客戶端程序，實現救援機器人的遠程通信。

2　救援機器人視覺系統與聽覺系統的實現

視覺系統與聽覺系統的實現包括硬件平臺和軟件平臺的搭建，硬件平臺包括計算機、圖像采集卡、攝像頭、麥克風、聲卡、揚聲器等，軟件平臺使用美國NI公司開發的Vision development module、Vision acq-uisition module和LabVIEW2013軟件來完成。

2.1救援機器人視覺系統的實現

視覺系統是由攝像頭進行圖像采集，采集卡傳送數據采用PCI Master Burst方式，實現攝像機圖像到計算機內存的可靠實時傳輸。在LabVIEW下，攝像頭通過IMAQ USB Enumerate Cameras的子VI輸出一個包含連接到PC機上的全部攝像頭的字符串數組，攝像頭圖像的抓取通過IMAQ USB Grab Acquire的子VI實現。

為了使保存的視頻文件能夠同時記錄視頻拍攝的時間，對圖像采集后進行簡單后處理，對抓取到的圖像添加時間文本。使用IMAQ Draw Text子VI將獲取的時間添加至圖像上，由于圖像本身的色彩很難預測，為了使添加的文本易于分辨，使用Inverted（反色）作為文本顏色，同時為插入文本設置其坐標。經過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救援機器人聽覺系統的實現

聽覺系統是在聲音采集與播放這兩個過程之間加一個聲音存儲過程，聲音播放時是直接讀取已經儲存在緩沖區的文件，此過程包括聲音采集與存儲過程和聲音回放過程。

1）聲音采集與存儲過程

要實現對聲音信號的采集與存儲，需要通過麥克的聲音采集功能來實現聲音信號到電信號的轉換，通過LabVIEW配置聲音輸入子VI和寫入聲音文件子VI及while循環結構來實現聲音信號的采集和聲音模板的錄入。其中配置聲音輸入子VI是用來配置一個聲音輸入設備，采集數據并將數據發送到緩存，然后通過寫入聲音文件子VI將來自波形或波形數組的數據寫入wav文件。通過這些子VI便可以實現聲音信號的采集，并將其存儲為wav格式的文件。聲音采集與存儲程序圖框，如圖3所示。

圖3　聲音采集與存儲程序

2）聲音回放的過程

要實現把采集到的聲音文件進行回放和聲音信號的處理，便于后續分析。通過打開聲音文件子VI和配置聲音輸出子VI及while循環結構，把采集到的wav聲音文件打開。實驗時不僅可清楚觀察到波形的變化，還可以從揚聲器聽到所錄制的聲音，如圖4所示。

圖4　試運行結果

3　救援機器人視覺系統和聽覺系統的結合

本設計是要給救援機器人安裝上“眼睛”和“耳朵”，以上是視覺系統和聽覺系統的單一運行，不能在只運行一個程序的情況下同時獲得視覺和聽覺，因此要將把兩者合二為一，讓機器人在運行一個程序時就能同時獲得視覺與聽覺信息。為了方便表述，這里我們假設“V”是視覺系統，“H”是聽覺系統。

將“V”程序和“H”程序添加入同一個條件結構內，每一部分都是獨立的，可以單獨控制，其具體程序框圖結構如圖5和圖6所示（圖5和圖6是處于同一個程序面板里邊），運行結果如圖7所示。該方案加入了聲音存儲部分，即加了一個緩沖區，不會產生溢出，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　程序始運行中

4　救援機器人的遠程通信

救援機器人遠程控制是利用LabVIEW平臺的通信功能和多線程功能，通過設計服務器端和客戶端的應用程序來實現。遠程通信模式有兩個方案：一是客戶端通過瀏覽器，就可以遠程操作實現B/S（瀏覽器/服務器）模式的通信；二是通過TCP/IP或DataSocket實現C/S（客戶機/服務器）模式的通信。B/S模式開發簡單，共享性強，成本低，但是安全性較低，數據傳輸速度慢；C/S模式交互性強，存取安全，但是開發、變更靈活性差，兼容性較差。

因此，本設計將B/S模式與C/S模式結合起來，采用LabVIEW的Web瀏覽器，應用TCP/IP和DataSocket等技術來解決機器人的遠程通信問題。為了驗證本設計所提方案的可行性，這里采用自行搭建的模塊化機器人開展實驗設備的遠程控制和實驗現場的實時監測，即機器人視頻和聲頻采集與數據實時傳輸的實驗研究，如圖8所示。

圖8　實驗設備

遠程通信的實驗步驟如下：

1）進入LabVIEW的開發環境，設置并啟動Web服務器；

2）設置計算機通訊端口，并配置允許被遠程連接的VI程序；

3）輸入生成的URL，登錄遠程界面。

實驗結果如圖9所示，操作人員通過網頁能實現對機器人的遠程控制。在該實驗狀態下，不僅驗證了救援機器人遠程通信系統，實現了救援機器人的遠程控制，同時還驗證了救援機器人的視覺和聽覺系統，實現視頻和音頻的遠程傳輸。

圖9　Web瀏覽器遠程控制程序

5　結束語

本文對虛擬儀器技術、信號（視頻和音頻）采集技術、遠程通信技術進行了研究。利用LabVIEW的Web技術、TCP/IP和DataSocket等技術成功搭建了救援機器人遠程控制系統，開發了界面友好的救援機器人遠程控制系統虛擬儀器軟件，實現用戶在異地通過瀏覽器訪問并操作本地實驗設備的功能，實現視頻、音頻信息的同步傳輸，提高救援效率。

[1] 付輝.機器人在災難救援中的應用[J].環球救援資訊,2014,(07).

[2] 劉亢,尚紅.地震救援機器人在蘆山7.0級地震中的應用[J].減災技術與方法消防技術與產品信息,2013,(5):26-28.

[3] 劉金國,王越超,李斌,等.災難救援機器人研究現狀、關鍵性能及展望[J].機械工程學報,2006,42(12):1-12.

[4] 李斌.蛇形機器人的研究及在災難救援中的應用[J].機器人技術與應用,2003,(3):22-26.

[5] 郭月,等.救援機器人的研究現狀與發展趨勢[J].醫療衛生裝備, 2014,35(8):22-26.

[6] 王楠,吳成東,王明輝,等.可變形災難救援機器人控制站系統的設計與實現[J].機器人,2011,33(1),202-207.

[7] K.Goldberg,M.Maseha,S.Gentrt,etal. Desktop teleoperation via the World Wide Web[J],Proc.IEEE Int,Conferenee on Roboties and Automation,1995.

[8] K.Kosuge,J.Kikuchi and K.Takco,VISIT:A Telcoperation system via computer Network[J],Proc.IROS'98:Workshop on WebRobots,Victoria,Canada 1998.

[9] Ferworn,R.Roque and I.Vecchia,MAX:Wireless telecoperation via the World Wide Web [J],Proc.IASTED Conf.On Robotics&APPli cations,SantaBarbara,1999.

[10] 朱華.礦井救災機器人研究現狀及需要重點解決的技術問題[J].徐州工程學院學報,2007,22(6),5-8.

[11] 陳桂香,陳曉輝.廢墟中搶回生命的應急救援裝備與技術[J].中國安防,2008,(4),104-108.

[12] 戴炬.機構遙控主從手的雙向力反映[J].控制理論與應用,1996,13,159-161.

[13] 任吳星,翁海華,等.基于web的機器人遙操作的研究與實現[J].計算機工程,1999,25(5),24-26.

[14] 徐旭明,葉棒,等.基于視覺臨場感的機器人遙操作系統[J].高技術通訊,2000,10(3),57-60.

[15] 錢善華,葛世榮,王永勝.救災機器人的研究現狀與煤礦救災的應用[J].機器人,2006,28(3),350-354.

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

天津市普通高等學校本科教學質量與教學改革研究計劃重點項目（C03-0802）；國家自然科學基金資助項目（11302147）

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