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具有友好人机界面遥操作移动机器人的合作控制

2013/9/18    来源:万方数据    作者:彭一准  原魁  王辉      
关键字:机器人  人机界面  控制  
文章针对遥操作移动机器人的人机界面、远程通讯和合作控制问题进行研究,以促进遥操作移动机器人在现实环境中的应用为目的,设计和实现了一个具有友好的人机界面、方便的通讯方式和控制灵活稳定的遥操作移动机器人。实验证明,该系统运行平稳可靠,控制灵活,可用于危险环境下的任务执行。

    遥操作移动机器人在物理空间上可以实现人类感知能力和行为能力的延伸:在信息层次上将远端的移动机器人与操作人员连接在一个闭环回路里。实时地控制远端移动机器人的运动,以最大限度地利用远近端的设备、资源和遥操作者的智力、经验,从而实现资源最佳配置,完成特定的任务。遥操作移动机器人在很多领域具有广阔的应用前景,如星际探测、工业制造、危险环境、服务行业以及远程教育。其主要的技术问题有人机界面的设计,远程通讯的问题和移动机器人的控制方法。

    基于Internet的遥操作是移动机器人的一个重要研究和应用领域,文献中的遥操作移动机器人,可以通过Web浏览器进行遥操作,其缺点是在操作人员使用的遥操作界面中,所提供的控制移动机器人的方式不多,功能单一。文献中的遥操作移动机器人,其摄像头并不是安装在移动机器人本体上,而是用于全场景监视,这样大大限制了遥操作机器人的活动场所。文献提出移动机器人基于智能体的控制方法,可使移动机器人具有一定的自主功能,但是没有对自主控制和遥操作者的控制进行统筹考虑。

    针对上述存在的问题,本文设计了一种具有友好人机界面的基于合作控制的遥操作机器人系统。其特点是:人机界面显示的内容丰富,针对不同的任务,环境提供多种操作方式;通讯方式灵活、组网方便;所采用的基于人机合作的导航控制可靠、高效。

1 人机界面设计

    在遥操作移动机器人系统中.实现操作者监视、控制遥操作移动机器人的功能模块是人机界面。友好的人机界面应该尽可能丰富地显示移动机器人所处的环境信息和移动机器人本身的状态信息,而且拥有合适的操作方式.让操作人员能够轻松、有效地控制移动机器人运动并完成特定的任务。

    1.1 机器人端信息显示界面设计

    遥操作者主要是根据显示在遥操作端的计算机上信息来控制移动机器人.为了便于遥操作者的决策和控制,要求所显示的远端移动机器人的状态信息和的环境信息尽量丰富、直观。

    图1所示为本遥操作移动机器人中人机界面所显示的信息:遥操作者可以在界面的左上角看到移动机器人工作环境的实时视频信息,移动机器人的状态信息(包括速度和转角)用仪表盘的方式显示.移动机器人红外传感器的信息用可视化的方式显示界面的右上角。在界面的顶端,显示每秒所传输图像的帧数,能反应通讯的状况是否良好.还显示了直接控制时所下达给移动机器人的速度命令值和转角命令值。

人机界面所显示的信息
图1 人机界面所显示的信息

    1.2 遥控移动机器人的方式

    在本遥操作移动机器人的人机界面中,提供了三种可以控制移动机器人的方法。最简单的就是使用键盘控制,通过事先设置的热键.可以方便的控制移动机器人的前进、后退和原地自转。其次是利用鼠标进行控制。本文设计了一种操作轻松,控制灵活的方法。根据在遥操作端计算机上所显示的从移动机器人端传来的视频信息.遥操作者在视频显示窗口中用鼠标指定移动机器人的运动目标点,设此点为d,根据鼠标的位置信息得到其在视频图像坐标系中的坐标记为(x,y)。如图2所示,CCD摄像机的成像模型采用tJ,孑L成像模型,像平面的位置可用KCMN平面表示;由于移动机器人是在平面上运动,所指定的目标点也在平面上.因此目标点位于世界坐标系下的ABCD平面中。记点d在摄像机坐标系下对应的成像点为q,其坐标记为(r,t);在世界坐标系下的对应点为P,其坐标记为(X,Y)。摄像机坐标系中的像平面坐标与视频图像坐标之间为比例关系,用矩阵M1表示,根据小孔成像模型,世界坐标系下平面ABCD与摄像机坐标系下像平面KLMN的关系用鸠表示。当用鼠标点出d时,其在世界坐标系下对应点P的坐标(X,Y)通过下式求得:

公式
成像模型
图2成像模型

    操纵手柄是一种直观,容易被人接受的人机交互设备。工作在直接控制模式时.对移动机器人的行走、转弯、前进、后退的运动控制,都可以使用操纵手柄实现。当使用操纵手柄控制时,先采集到操作手柄的位置信息(X,Y),如图3所示分,然后采集操作手柄的滑块信息u。用位置信息控制移动机器人的转角.用滑块信息控制移动机器人的速度。由于从操作手柄采集到的原始信号噪声较大,因此采用了式(2)和式(3)的均值滤波,来虑除噪声。

公式

游戏杆命令示意图
图3游戏杆命令示意图

    结合移动机器人的运动能力,将线性缩放到[6,130],结合位置信息中的y值,利用方程(4)求得移动机器人的速度命令v(单位:cm/s);得到滤除噪声后的(X,Y)后,通过方程式(5)求得移动机器人的转角命令φ(单位:度),然后直接将速度命令和转角命令发送给移动机器人。

公式

责任编辑:陈浩
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