一種基于機器人的遠程呈現遙感系統研究

韋 宇

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

隨著人類科技發展和社會分工精細化，一些自然災害救援、惡劣地質環境科考等不適宜人類身處一線的工作，可以交給機器人完成。目前的機器人已經能夠勝任精確、重復性的工作，根據使用環境特點設計的機器人，可以很好地彌補人類自身生理的短板。但很多時候，機器人還不能夠靈活地為新任務進行自我調整，也不能應付一個不熟悉的或不確定的情景。因為目前對人腦智能機理尚未研究清楚，從技術上要賦予機器類人級別的人工智能還有很長的路要走。本文的主要研究方向是如何利用目前發展快速的技術短周期內實現機器人勝任惡劣環境下智能作業。

1 系統方案

1.1 系統原理

機器人的技術按照通常的理解分為3個部分：感知、認知和行為控制。感知部分主要是基于視覺、聽覺及各種傳感器的信息處理；認知部分則負責更高層的信息處理，如記憶、學習、推理、決策等。計算機在數據存儲和深度學習方面可以勝任，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機器人的行為進行控制。

引入了遙感的概念，機器人部署在現場，后臺和操作者利用機器人的采集信息達到無接觸遠程探測現場環境，在現場之外實時地感知現場，并有效地進行某種操作。整個感知和行為控制過程就是人機的信息交互過程。遠程呈現人機交互技術，是一種讓操作者穿戴動作捕捉設備，操作者的肢體動作轉換成動作指令傳遞給機器人，機器人完成動作所采集的視音頻等傳感信息及指令閉環反饋給后臺。后臺還需要獲取機器人現場的定位信息和現場地圖數據，機器人定位信息采用機器人集成定位導航模塊獲取，現場地圖由后臺調用商用地圖云服務獲取，服務覆蓋不到區域通過租用測繪衛星來獲取實時現場衛星影像后繪制地圖。最后后臺對視頻、音頻數據進行全景縫合和聲場復原，并對所有數據進行分析形成輔助信息，全景縫合視頻數據、聲場復原數據和輔助信息通過操作者的虛擬現實頭顯和耳機反饋，進而實現信息鏈路的閉環，如圖1所示。

接下來就要根據該系統的特點設計通信系統，惡劣地質環境多處人跡罕至，自然災害形式和地點都不固定，有線通信從建設成本和可執行性上都不可能，唯有無線通信技術可以勝任。當前流行的無線通信技術有4GLte，UMTS/3GPPw/HSDPA，CDMA2000，GSM，Infrared(IR)，ZigBee，Bluetooth，RFID，WiFi，微波通信等。先分析本系統需要通信的數據量，后臺或操作者發送給機器人的上行鏈路數據包括動作指令數據、音頻數據、機器人系統指令數據。機器人發送給后臺和操作者的下行鏈路數據包括動作反饋數據、音視頻數據、機器人狀態數據。其中動作指令數據是由動作捕捉設備產生，穿戴式動作捕捉設備采用慣性導航式動作捕捉，在操作者可活動的部位處部署陀螺儀、加速計、磁力計，測量該關節的活動旋轉、運動距離、運動方向等信息[1]。假設機器人根據人體可活動關節數量對稱設計，人體可活動部位包括頭部、肩部、大臂、小臂、手、胸口、尾椎、大腿、小腿、腳踝、指骨等總計45個，每顆陀螺儀/加速計/磁力計采用I2C接口數據，I2C總線最大碼率為400 kbps，音頻數據采用AAC編碼，碼率192 kbps，機器人系統指令數據按照10 Mbps預計，那么，上行鏈路的數據吞吐量如公式1所述。

上行鏈路數據吞吐量=動作指令數據+音頻數據+機器人系統指令數據=45×3×400 kbps+1×192 kbps+10 Mbps≈65 Mbps （1）

同理，下行鏈路的動作反饋數據等同于動作指令數據量，機器人狀態數據量（含定位數據）等同于機器人系統指令數據。機器人按照人的視聽覺生理結構的雙目雙耳設計，視覺按照800萬像素（約4 K高分辨率）計算，一路4K音視頻數據采用H.265編碼碼流約為22 Mbps，那么，下行鏈路的數據吞吐量如公式2所述：

下行鏈路數據吞吐量=動作反饋數據+音視頻數據+機器人系統狀態數據=45×3×400 kbps+2×22 Mbps+10 Mbps≈108 Mbps （2）

上下行鏈路各自吞吐量不應低于108 Mbps，從數據吞吐量的要求和信號抗干擾能力的要求只剩下微波通信技術能滿足。本系統機器人同后臺通信采用分組微波通信技術，采用鏈式中繼組網方式，56 MHz信道256QAM調制，空口吞吐量366 Mbps，有效載荷345 Mbps遠大于上下行各自的數據吞吐量要求[2]。

圖1 系統示意

1.2 系統組成

本系統由機器人系統、遠程呈現遙感兩大系統組成，采用基礎支撐層、應用支撐層、系統應用層、平臺訪問層的縱向分層架構思路設計（見圖2）[3]。

圖2 系統架構

1.2.1 基礎支撐層

機器人側部署多目攝像頭（內含穩像光學系統）、拾音器、體感采集器、擴聲器、音視頻編碼設備、微波通信設備、導航設備。

通信系統部署移動微波中繼終端、微波通信設備、衛星（用于定位和測繪）及衛星通信設備。

操作者側部署穿戴式動作捕捉設備、體感反饋設備（機器人側提供的體感數據反饋）、擴聲陣列（耳機）、虛擬現實頭顯。

后臺側部署解碼設備、服務器、操作終端、顯示單元、存儲陣列。

1.2.2 應用支撐層

機器人側提供機器人設備管理功能、機器人體感控制功能。

通信系統提供信道加密功能。

后臺側提供授權管理功能、地圖功能（既有城市地圖、衛星測繪地圖）、數據分析功能、操作者設備管理功能、操作者體感采集功能、體感處理功能、全景視頻縫合功能（機器人多目攝像頭的影像縫合），全景聲場復原功能（機器人拾音器采集音源復原）、虛擬置入、人機同步等功能。

1.2.3 系統應用層

機器人系統包括仿人關節機理的機械系統、仿人視覺聽覺生理機理的信息采集系統、微波通信系統。

遠程呈現遙感系統包括管理系統、通信系統（微波和衛星）、人工智能系統、虛擬現實系統。

1.2.4 平臺訪問層

提供管理終端和操作者終端接入功能，管理終端提供整個平臺設備管理功能、數據分析和決策功能。操作者終端提供遠程呈現遙感操作功能。

2 結語

本系統是個涉及學科繁多的大系統，囊括了機器人、人工智能、無線通信、遠程呈現、傳感技術、遙感技術等。方案有些環節還留有遺憾，例如如何優化機器人側的無線通信的終端和天線設備的尺寸、如何延長機器人的電池續航能力等技術問題。

[參考文獻]

[1]鄧杏杏，朱大明，楊袁聰.基于全景圖的虛擬現實系統研究與探討[J].地礦測繪，2009（1）：26-28.

[2]趙正旭，戴歡，趙文彬，等.基于慣性動作捕捉的人體運動姿態模擬[J].計算機工程，2012（5）：5-8.

[3]張乃平，李亭，李國潤.利用遠程呈現技術構建“三華”調度會商系統[J].電力系統通信，2011（3）：17-20.