機(jī)器人群組顯控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬兆圓，謝永強(qiáng)，張志浩，高林，武曉君

西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710068

近年來，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展并日漸成熟，在各領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，可滿足多工種、高精度的工業(yè)生產(chǎn)需求[1]。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與使用者實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人狀態(tài)感知及使用者對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，需設(shè)計(jì)專用的顯控系統(tǒng)。顯控系統(tǒng)作為機(jī)器人系統(tǒng)呈現(xiàn)圖像、文字等信息的綜合載體，與使用者進(jìn)行直接交互并向機(jī)器人端傳遞指令信息，是機(jī)器人系統(tǒng)不可或缺的一部分。早期的單機(jī)器人系統(tǒng)一般由1 個(gè)主控設(shè)備控制1 個(gè)機(jī)器人，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，顯控軟件也易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)[2]、智能制造[3]、機(jī)器人群組編隊(duì)[4-6]等技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的單機(jī)器人顯控系統(tǒng)已難以滿足新的需求。而國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人群組系統(tǒng)的研究大多著重于機(jī)器人本身的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)避障等功能的發(fā)展，如：蔣紅梅等[7]提出基于機(jī)器人操縱系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供了超高精度的導(dǎo)航地圖與超高精度的物體識(shí)別；李玉霞等[8]提出采摘機(jī)器人的路徑規(guī)劃系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化研究，優(yōu)化了采摘機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)的整體路徑搜索率與路徑平滑性；Kumar 等[9]在動(dòng)態(tài)環(huán)境和靜態(tài)壞境下的多機(jī)器人系統(tǒng)中開發(fā)了一種混合控制器，提升了機(jī)器人路徑規(guī)劃與避障能力；Ye 等[10]提出一種基于極值的攻擊策略，使機(jī)器人的性能在障礙物較少且最大避障速度受限的情況下得到極大提升。

而關(guān)注于機(jī)器人群組系統(tǒng)顯控軟件設(shè)計(jì)的研究則較少，機(jī)器人群組控制要求顯控系統(tǒng)具備大規(guī)模多樣化信息接入與承載、動(dòng)態(tài)靈活擴(kuò)容與可視化管控以及實(shí)時(shí)穩(wěn)定可靠等能力[11]，合理的顯控軟件對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)多種功能的實(shí)現(xiàn)也至關(guān)重要。本文基于對(duì)多個(gè)機(jī)器人的遙控、編隊(duì)等功能的控制需求，設(shè)計(jì)了一款機(jī)器人群組操控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過WinForm 窗體應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，構(gòu)建交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)機(jī)器人狀態(tài)切換和編隊(duì)等操作。該系統(tǒng)操控簡(jiǎn)便、界面簡(jiǎn)潔，在實(shí)際操控中具備良好的安全性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性。下文將從系統(tǒng)框架、操控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與操控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)3 方面對(duì)機(jī)器人群組顯控系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)框架

機(jī)器人群組系統(tǒng)總體框架如圖1 所示，顯控系統(tǒng)通過Mesh 組網(wǎng)與機(jī)器人端進(jìn)行命令下達(dá)與數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)A、B、C 這3 個(gè)機(jī)器人在停止模式、單機(jī)遙控模式、群組遙控模式、單機(jī)循跡模式、群組循跡模式等多種狀態(tài)下的控制。顯控端連接G29 遙控設(shè)備，系統(tǒng)讀取并傳遞方向盤信息給機(jī)器人端實(shí)現(xiàn)遙控功能；同時(shí)顯控端設(shè)有圖傳顯示器，顯示機(jī)器人端的圖傳攝像頭拍攝的高清畫面。機(jī)器人端連有北斗、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等參數(shù)傳感器，將位置、姿態(tài)、狀態(tài)等信息上傳至顯控端，由顯控端通過地圖、圖像、文字等方式顯示給使用者，使使用者獲得良好的操控體驗(yàn)。為確保更全面地顯示機(jī)器人周圍環(huán)境，除圖傳攝像頭外，機(jī)器人端還連接著2 個(gè)海康攝像頭，拍攝的圖像在顯控系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

多機(jī)協(xié)同系統(tǒng)是集合多種功能于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。在機(jī)器人群組顯控系統(tǒng)中，除去圖像顯示、命令的下達(dá)、數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、遙控、地圖顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等基礎(chǔ)功能外，實(shí)時(shí)性、控制結(jié)構(gòu)的合理性、操控的動(dòng)態(tài)性等問題也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[12-13]。同時(shí)，顯控系統(tǒng)對(duì)3 個(gè)機(jī)器人進(jìn)行狀態(tài)切換、編隊(duì)等操控時(shí)，如何保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行也是考慮的重點(diǎn)[14]。

2 系統(tǒng)框架

考慮到顯控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)多種功能，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和控制結(jié)構(gòu)的合理性，將部分功能封裝成相對(duì)固定、易于調(diào)用的各種模塊。下面對(duì)各功能模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體介紹。

2.1 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

在應(yīng)用中，Mesh 組網(wǎng)有部署速度快、安裝簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿摺⒏采w面積廣、高傳輸效能等優(yōu)點(diǎn)[15]。在系統(tǒng)中，顯控端與機(jī)器人端各自通過網(wǎng)線連接Mesh 電臺(tái)接入Mesh 組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)顯控端向機(jī)器人端發(fā)送指令、顯控端與機(jī)器人端數(shù)據(jù)互傳的功能。

2.2 圖像顯示模塊

圖像傳輸流程如圖2 所示。為使使用者在操控機(jī)器人時(shí)更好地觀察到機(jī)器人周邊的環(huán)境，在機(jī)器人端設(shè)置1 個(gè)高清攝像機(jī)與2 個(gè)海康攝像頭。高清攝像頭通過HDMI 接入Mesh 組網(wǎng)，將1080p 圖像傳輸至顯控端顯示器。海康攝像頭傳輸?shù)膱D像由顯控界面直接顯示，該界面在完成預(yù)覽的同時(shí)還具備抓圖和錄像功能，可將圖片或視頻存儲(chǔ)于指定位置。在機(jī)器人切換時(shí)，顯控端通過變更連接的攝像頭IP 與串口號(hào)進(jìn)行3 個(gè)攝像頭的切換，及時(shí)給使用者顯示機(jī)器人端的周圍環(huán)境，使操控更加安全可靠。

圖2 圖像傳輸流程

2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

為保證機(jī)器人狀態(tài)切換時(shí)的安全，在該模塊中需要進(jìn)行2 個(gè)判斷指令。

1）判斷機(jī)器人選擇是否發(fā)生變化，如圖3 左側(cè)所示。該判斷在機(jī)器人切換時(shí)進(jìn)行，目的是保證機(jī)器人切換后前一個(gè)操控機(jī)器人處于停止?fàn)顟B(tài)。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊流程

2）判斷機(jī)器人狀態(tài)是否發(fā)生變化，如圖3 右側(cè)所示。該判斷在機(jī)器人狀態(tài)切換時(shí)進(jìn)行，目的是確保狀態(tài)切換間的機(jī)器人處于停止?fàn)顟B(tài)。

2.4 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊接收機(jī)器人端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，包括機(jī)器人IP 地址、字節(jié)長(zhǎng)度、位姿信息、速度、旋轉(zhuǎn)角度、編隊(duì)模式等。數(shù)據(jù)接收模塊將接收到的字節(jié)數(shù)組解析出相應(yīng)信息，并調(diào)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與數(shù)據(jù)顯示界面，將數(shù)據(jù)有效地顯示與存儲(chǔ)起來。

2.5 機(jī)器人遙控模塊

在機(jī)器人處于“采集路徑模式”、“單機(jī)遙控模式”和“群組遙控模式”時(shí)，需要在顯控端遠(yuǎn)程控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。在該模塊中，使用羅技G29 方向盤和踏板硬件，獲取轉(zhuǎn)向、油門、剎車等信息。在該模塊中，使用定時(shí)器控件配合數(shù)據(jù)傳輸速率讀取方向盤信息，實(shí)現(xiàn)遙控的實(shí)時(shí)效果。

2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊使用MySQL 建立，該數(shù)據(jù)庫具有體積小、速度快、總體成本低和開源的特點(diǎn)，適用于小型數(shù)據(jù)庫的建立，并且支持多種操控系統(tǒng)，方便開發(fā)者使用[16]。該數(shù)據(jù)庫主要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、讀取、刪除的功能，調(diào)用接收數(shù)據(jù)模塊與地圖顯示模塊。為提升數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)提取效率，在數(shù)據(jù)庫單機(jī)情況下對(duì)其性能進(jìn)行調(diào)優(yōu)[17]。為方便管理，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)2 類表格，一類負(fù)責(zé)存儲(chǔ)循跡路線，方便后續(xù)下載和顯示；一類負(fù)責(zé)存儲(chǔ)各種模式下機(jī)器人的位姿信息。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的物理結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的物理結(jié)構(gòu)

2.7 地圖顯示模塊

地圖顯示模塊采用Gmap 控件，該控件是一個(gè)強(qiáng)大、免費(fèi)、跨平臺(tái)、開源的.NET 控件；地圖使用OpenCycleMap 地圖，該地圖在Gmap 控件中可直接使用，并且使用WGS-84 坐標(biāo)系，可直接使用北斗定位發(fā)送的經(jīng)緯度，減小了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換造成的誤差[18]。為保證離線地圖正常顯示，使用官方Demo 下載瓦片地圖，使用Gmap 類進(jìn)行加載[19]。地圖可等級(jí)縮放、鼠標(biāo)拖動(dòng)，并可使用圖標(biāo)實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人位置，供使用者參考。

3 操控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

機(jī)器人群組操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需滿足結(jié)構(gòu)的易維護(hù)性、界面的易用性、信息傳遞的準(zhǔn)確性和運(yùn)行的穩(wěn)定性[20]。在考慮到上述性能需求后，基于C#編程語言、WinForm 應(yīng)用進(jìn)行顯控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。圖4 所示為機(jī)器人群組操控系統(tǒng)的主顯示界面，該界面主要由3 部分組成：第1 部分是使用者選擇部分，在該部分由使用者開啟對(duì)機(jī)器人的通訊，并選擇機(jī)器人和對(duì)該機(jī)器人下達(dá)的命令；第2 部分是地圖部分，在該部分顯示機(jī)器人所處位置；第3 部分是圖像部分，實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人端的2 個(gè)海康攝像頭拍攝圖像，供使用者觀察機(jī)器人周圍環(huán)境。除此界面外，在主顯示界面選擇不同的機(jī)器人狀態(tài)時(shí)，會(huì)顯示出不同狀態(tài)的功能界面，機(jī)器人狀態(tài)選擇與各選擇下的功能如圖5 所示。其中，單機(jī)遙控模式與群組遙控模式下都在界面中使用儀表控件實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人速度，并在圖4 所示的地圖上顯示機(jī)器人位置。采集路徑模式下，在該界面小地圖上顯示采集的路徑供使用者參考：?jiǎn)螜C(jī)循跡模式下，需要使用者輸入在循跡時(shí)機(jī)器人的速度與機(jī)器人的循跡方式（正向循跡或反向循跡），并下達(dá)命令，使機(jī)器人按照指定方式進(jìn)行循跡；群組循跡模式下需要使用者輸入循跡時(shí)機(jī)器人的速度、循跡方式和機(jī)器人之間的距離。

圖4 操控系統(tǒng)主界面

圖5 不同狀態(tài)界面的功能框架

系統(tǒng)通過主界面與各狀態(tài)下的功能界面共同為使用者提供狀態(tài)切換、地圖顯示、機(jī)器人編隊(duì)、實(shí)時(shí)圖像顯示等功能，操控便捷、顯示清楚，易于使用者上手。

4 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

在機(jī)器人測(cè)試中運(yùn)行文中設(shè)計(jì)的顯控系統(tǒng)，該顯控端與3 輛機(jī)器人進(jìn)行通訊與操控，測(cè)試內(nèi)容包括：

1）單機(jī)遙控、群組遙控。如圖6(a)單機(jī)遙控與群組遙控界面所示。在該模式下，顯控端通過羅技方向盤操縱機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，使用者可以通過顯控端觀察機(jī)器人端周圍環(huán)境、機(jī)器人速度與機(jī)器人所處位置。

圖6 多種狀態(tài)下的操控界面

2）采集路徑模式。使用者點(diǎn)擊“開始采集”按鈕，通過方向盤操縱機(jī)器人留下循跡路線，如圖6(b)右下角所示，點(diǎn)擊“結(jié)束采集”按鈕，存儲(chǔ)采集到的路線，以便后面調(diào)用。

3）單機(jī)循跡模式。如圖6(c)單機(jī)循跡界面所示，在該模式下，顯控端提示使用者輸入機(jī)器人循跡速度、循跡執(zhí)行命令，輸入結(jié)束后根據(jù)采集路徑模式下存儲(chǔ)的路徑執(zhí)行循跡。

4）群組循跡。如圖6(d)群組循跡界面所示，在該模式下，顯控端提示使用者輸入機(jī)器人循跡速度、循跡執(zhí)行命令與機(jī)器人間距，輸入結(jié)束后根據(jù)采集路徑模式下存儲(chǔ)的路徑執(zhí)行循跡。

實(shí)驗(yàn)證明，顯控端在多種模式下運(yùn)行穩(wěn)定，并在模式切換間使機(jī)器人處于停止?fàn)顟B(tài)，保證了機(jī)器人端運(yùn)行時(shí)的安全；系統(tǒng)處理消息速度快，可實(shí)現(xiàn)位置、速度等信息的動(dòng)態(tài)更新，實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人位置、周圍環(huán)境信息。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套基于C#編程語言、WinForm應(yīng)用的顯控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多機(jī)通訊、狀態(tài)切換、地圖顯示、實(shí)時(shí)圖像顯示、數(shù)據(jù)保存等功能。經(jīng)過測(cè)試，該顯控系統(tǒng)操控簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，在多種狀態(tài)中滿足設(shè)計(jì)需求，具有良好的實(shí)時(shí)性，為今后的機(jī)器人群組顯控系統(tǒng)提供了參考依據(jù)。