遥控工程车辆主从式视频监视系统研究.docx
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遥控工程车辆主从式视频监视系统研究
分类号：
U273单位代码：
11970
密级：
3年学号：
20302020
山东大学
硕士学位论文
遥控工程车辆主从式视频监视系统研究
ResearchonMaster-slaveVideoSurveillanceSystemsof
RemoteControlConstructionVehicles
研究生：
指导教师：
协助指导教师：
申请学位门类级别：
学科专业名称：
研究方向：
论文完成日期：
独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。
研究生签名：
时间：
年月日
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（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）
研究生签名：
导师签名：
时间：
年月日
摘要
为了改善远程监控系统与遥控操作系统的协调性，提高遥控操作的效率，开发了一种带有跟踪操作者头部运动功能的头盔式视频监视系统。
该监视系统采用头盔显示器，利用头部运动来控制摄像机云台，替代传统监视系统中用手动操作控制摄像机云台的方法，有效地提高了遥控操作的效率。
在开发这种带有跟踪功能的头盔式视频监视系统的过程中，设计了头盔位姿的测量方案，利用动态链接库技术，开发了Intersense跟踪器的数据采集程序。
并利用WinAPI串行通信函数开发上位机的数据通信程序，把采集到的跟踪器数据发送给摄像机云台控制系统。
开发数据通信程序时，制定了比较完整的、用于实现串行通信的低层通信协议，保证了通信的可靠性。
利用8051单片机开发了摄像机云台控制器，完成了单片机串行通信硬件电路以及步进电机驱动电路的设计，并开发了步进电机的控制程序。
通过选取合适的脉冲频率，使步进电机启动正常，运行过程中无丢步与过冲现象，定位准确。
对摄像机云台的跟踪效果进行了验证，摄像机云台可以实现对遥控操作者头部360°运动准确跟踪，响应速度快。
证明本文所设计的通信模块与云台控制器是合理的。
最后以遥控工程车辆为载体集成了该主从式视频监视系统，并对该监视系统的视野进行了试验研究。
试验结果表明：
该视频监视系统视野良好，基本满足遥控驾驶作业的要求。
关键词：
遥控工程车辆，头盔显示器，InertiaCube3跟踪器，串行通信，云台控制
Abstract
Inordertoimprovethecoordinationoflong-distancesurveillancesystemsandtheremotecontroloperatingsystems,enhancetheremotecontroloperationtheefficiency,onekindofhelmetedvideosurveillancesystemthatcantracktheoperator’sheadmovementisdevelopedinthepaper.Thissystemusedheadmovementtocontrolcameratiltinreplaceoftilt’smanualoperation,andsoenhancedtheefficiencyoftheremotecontroloperation.
Inthedevelopmentofhelmetedvideosurveillancesystemthathadtrackingfunction,measuringschemeofhelmet’spositionandorientationweredesigned,andtheprogramoftracker’sdata-acquisitiontechnologywasdevelopedthroughthedynamiclinklibrary.ThentheWinAPIfunctionwasusedtodevelophostcomputer’sserialcommunicationprogram,andtheacquireddatawastransmittedtocameratiltcontroller.Inthedevelopmentofdatacommunicationprogram,integratedunderlyingcommunicationprotocolwasestablishedandguaranteedthereliabilityofcommunication.
Basingonthe8051,thetiltcontrollerwasdevelopedincludingtheelectriccircuitforserialcommunicationandsteppermotordrivingcircuit,andalsotheprogramofmotorcontrollingwasdeveloped.Throughadoptingappropriatepulsefrequency,steppermotorstartedupnormally.Inthemovementmotorhadnotloststepandflushed,locatedaccurately.
Thenthetrackingeffectofcameratiltwasvalidated,andtheresultindicatedthatcameratiltcantrackoperator’s360°headmovementaccurately,andrespondedquickly.Sothecommunicationmoduleandtiltcontrollerthatwasdesignedinthispaperprovedtrue.
Takingremotecontrolgrabbedforexamples,inthispaperthevideomaster-slavesurveillancesystemofremotecontrolconstructionvehicleswasimplementedandsometestsweredone.Theresultindicatedthatthevideosurveillancesystemansweredfortherequirementsoftheremotecontrolconstructionvehicles.
Keywords:
RemoteControlConstructionVehicles,HMD,InertiaCube3Tracker,SerialCommunication,TiltControl
第一章绪论
1.1遥控工程车辆概述及国内外研究现状
1.1.1遥控工程车辆概述
遥控工程车辆由远程受控车辆（简称受控车辆）和控制台组成。
操纵者操纵控制台发出各种指令，经通信连接传送至受控车辆，由受控车辆上的各种执行机构执行各种指令，实现操纵者的控制要求。
其结构组成如图1-1所示。
受控车辆由运行控制、行驶控制、任务执行控制、监视观察、通信模块等组成，控制台由人机操纵接口、控制处理器、通信模块等组成。
人机操纵接口
控制台
远程受控车辆
图1-1遥控工程车辆的结构组成示意图
1.1.2遥控机器人研究过程分析
美国、日本、德国以及包括中国在内的很多国家对遥控机器人技术这一课题进行了研究并取得了一定的成果。
从遥控视距的角度来看，遥控技术发展经历了下面三个阶段：
视距（LOS-Line-of-sight）遥控、超视距（ELOS）遥控和远程无线遥控。
对于视距遥控，操作员不与机器有直接接触，已位于作业区内的危险范围外，通过直接观察、发送指令来控制工程机械运转，一般来说，其可靠遥控作业距离为几十米。
在视距遥控基础上发展起来的超视距遥控，虽仍需要操作员靠近工作作业区，但通过其先进的数据传输手段和控制技术能够为操作员提供机器作业区的反馈信息来克服视距遥控的某些局限性，增强了操作员对机械的遥控控制能力（视距范围之外）。
对于远程无线遥控系统，操作人员从远离机器工作区的安全地点进行操作；较前两者，这种系统主端提供了良好的人机界面，能完全模拟从端控制的操作装置，在从端实现复杂控制功能以及自定义工作流程自主控制功能等。
此时从端还具有自诊断安全控制功能，为远程遥控提供可靠保证[1]。
从上面的分类方法可以清晰地看到遥控技术随着无线通讯技术、传感器技术以及计算机控制技术的发展得到了逐步的提高；目前普遍根据规划水平来区分遥控机器人的智能程度以及其应用前景，其大体可以分为三类[2]：
（1）人工遥控（ManualControl）
遥控系统经历了从简单到复杂，从有线到无线的发展过程；人工遥控作为最低级的遥控方式大致可分为两种。
一种是完全没有计算机或微处理器的参与而采用直接模拟或数字逻辑器件构成的硬件电路，这样的系统不能算是严格意义上的遥控机器人系统。
另一种采用了微处理器或计算机，但其中的微处理器或计算机不参与控制回路的工作，大多数主从遥控机器人（Master-SlaverTele-operator）采用这种遥控方式。
这种遥控系统的特点是所有的控制决策均依靠操纵者给出，虽然具有控制直观的优点，但是由于系统不具备作业规划功能，自动化程度低，操纵者的劳动强度依然很大。
德国卡尔斯鲁厄核研究中心于七十年代研制成功并投入使用的12吨级牵引式无线遥控车辆就采用了这种遥控方式，其作业时是依靠眼睛或双筒望远镜观察进行。
（2）半自治遥控（SupervisoryControl）
在半自治遥控方式下，操纵者一般预先以高级程序语言设定系统作业目标、物理约束、集合约束、作业对象模型以及若干“IF-THEN-ELSE”形式的逻辑规则。
在作业过程中，操纵者以两种方式介入系统的控制。
一种是操纵者中断自主控制进程，对遥控机器人进行直接遥控，这被称为TC控制（TradedControl）。
另一种是操纵者通过改变各种控制变量介入控制过程，这被称为SC控制（SharedControl）。
目前发展的遥控机器人大多数采用这一类遥控方式。
（3）高度自治遥控（FullAutomaticControl）
高度自治遥控技术对遥控机器人来说，对智能技术和传感器技术有较高的要求。
操纵者只需在作业开始时输入作业目标，系统就会自动完成所有作业，操纵者只需监视作业进程，只有当系统出现紧急状况时才干预系统的作业。
这一技术是遥控技术的发展方向[3,4,5]。
1.1.3遥控工程车辆国内外研究及应用现状
遥控工程车辆技术的发展与遥控机器人技术的发展密切相关。
随着工业自动化水平和经济发展需求的不断提高，世界各发达国家都非常重视用于各种目的、不同场合机器人遥控系统的研究开发工作。
特别是最近几年，随着相关专业领域技术的发展，机器人遥控技术研究成果也大量涌现。
例如法国原子能委员会（CEA）在1993年开发成功的用于处理核废料的TAO-2机器人系统就是一个典型的人机结合的遥控机器人系统。
它的遥控系统既可以传送各种指令给机器人（包括直接操作指令和任务指令）也可以把作业现场的各种环境信息和机器人本体的各种信息反馈给操作人员[6]。
国外在遥控机器人技术方面的主要研究内容包括:
1.机器人遥控系统和操作者之间的协调控制[7,8]；
2.通过网络技术建立远程机器人遥控系统[9,10]；
3.采用预测技术进行遥控，以克服时延造成的控制误差[11,12]；
4.开发各种具有高可靠性，经济实用的面向工程的机器人遥控系统[13,14,15]。
当然具有临场感的机器人虚拟现实遥控技术也是目前国外遥控机器人研究的热点之一。
文献[16,17,18]等介绍了如力觉反馈、视觉反馈等人机接口方面课题的研究，目的在于让操作者处于“虚构”的机器人工作环境中，有身临其境的效果。
不过目前有很多问题还在探索之中。
在实验研究的基础上，国外也开发了大量的遥控技术装备。
这些产品应用于军事和民用领域，取得了可观的经济效益[19,20]。
特别在工程机械领域，在20世纪80年代初，美国KraftTeleRobtics公司和JohnDeer公司等都相继成功开发并开始生产销售遥控工程车辆。
其中，比较典型的是JohnDeer公司的690CR型遥控液压挖掘机；该机无线遥控作业范围达1626米，也可以用同轴电缆在305米的范围内完成作业。
遥控系统由控制台发射/接收部分和机上发射/接收部分组成。
控制台包括图像/声音接收器，以及为处理输入信号所需要的译码装置，它也包括控制装置和编码装置，以产生和接收命令。
机上仪器接收控制信号，并将这些信号转换为执行和摄像机控制所需的信号，其发射部分则将电视图像信号通过天线发给远方的操纵人员[21]。
这类挖掘机遥控系统结构简单，操作方便，抗电磁干扰能力较强，可视性能好，但其缺点是遥控系统缺乏双向数据通信功能，机上的工作状态只能借助摄像机，通过人眼观察图像来了解，而故障诊断监控系统的信息却未能反馈给操纵人员。
1983年3月，日本小松制作所以PC200-2型液压挖掘机为基本机型进行遥控工程车辆研制，实现了各工作装置的微动控制和复合动作的无线电操纵。
改装成功后的PC200R-2型挖掘机可以进入恶劣环境、救灾工程等危险现场并利用无线遥控操作进行作业[22]。
后来,日本小松制作所开发出无线遥控推土机，其最大有效遥控距离为200米，机上没有安装视频监视系统；美国Caterpillar公司研制出发动机功率为220马力的CAT973型遥控装载机和无线遥控推土机，该遥控推土机最大有效遥控距离为400米，机上安装了视频监视系统。
在无线遥控系统的研究与应用方面，德国HBC公司于1987年研制成功应用于工程车辆领域的工业无线电遥控装置，这种遥控装置采用了先进的数字化通讯技术，传输的比例控制信号安全、可靠和实用。
并且对发射的指令有很高的分辨率；接收端应用模拟技术可以使执行机构的加速、减速动作与无线电遥控的发射器上的动作完全成比例，从而实现对执行机构的无线控制。
近年来，HBC对于矿山机械、混凝土泵车、随车起重机和移动式汽车起重机等工程机械提出了一系列无线遥控作业的解决方案[23]。
国内对遥控机器人的研究起步晚于国外，总体发展水平也落后于西方发达国家。
国内在遥控机器人应用领域的研究主要集中在如哈尔滨工业大学、国防科技大学、浙江大学、上海交通大学等高等院校和中科院沈阳自动化研究所等科研机构，经过多年的努力，在航空航天、海洋开发、核工业以及国防军事等领域取得了不少研究成果。
“探索者”号机器人是由中科院研制的第一台自主水下机器人，主要用于防险救生作业和海底资源考查；“勇士号”遥控移动式作业机器人是“863”计划智能机器人主题的一个样机，研制目的是跟踪世界先进水平，掌握一系列在恶劣环境下使用的遥控机器人高新技术，寻找一种可以更好地代替人类在危险、恶劣、有害环境中作业的工具；它通过设在安全区的控制站能遥控处在危险、恶劣环境下作业的机器人。
根据作业环境和内容可选择光缆通信和无线通讯两种方式，遥控距离100米[24]。
浙江大学机械设计研究所是国内开展遥控机器人研究的机构之一，该研究所在1996年初研制成了一种结构简单、价格低廉的液压挖掘机近距离无线遥控系统，该系统遥控半径在20米左右，通过目视观测挖掘工作面，利用无线电开关信号控制液压挖掘机各工作油缸，完成简单作业[21]，但未见实用化产品问世。
国内也有一些研究机构如清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学和东南大学等，进行智能机器人的临场感遥控作业虚拟现实系统的研究，主要从事系统的基础理论和实验研究，但未投入实用。
总之，国内与遥控工程车辆相关的研究与应用很少，从目前我国遥控机器人（包括遥控工程车辆）的研究与应用现状可以看出，存在的主要问题是遥控工程车辆的研究开发还停留在科研院所的研究和样机试制阶段，距离商品化还有一段距离。
1.2课题的提出及研究意义
随着国民经济发展和国家建设的需求，工程车辆在国民经济建设中的作用日益重要。
特别是近年来，随着改革开放的不断深入，国家经济得到了快速发展，人民生活水平有了明显的提高，“以人为本”的科学发展观逐渐成为人们的共识，工程车辆行业面临很多亟待解决的问题。
由于工程车辆作业环境恶劣，操作者劳动强度大，安全性和舒适性差。
强烈的振动、轰鸣的噪声、飞扬的尘埃粉末、有毒气体、高温或严寒环境、甚至突如其来的坍塌等，都可能会严重危及操作者的身心健康乃至生命安全。
因此，操作者的安全性和舒适性问题亟待解决。
为此，国内外许多学者在这方面进行了许多深入细致的研究，取得了一些积极的研究成果。
山东理工大学工程机械研究所的老师结合国家经贸委“九五”重大技术引进吸收课题对推土机防倾翻及落物保护（ROPS/FOPS）、高舒适性驾驶室及新型缓冲行走机构等进行了深入细致的研究，取得了许多积极成果。
但这些还远不能奏效，尤其是对于一些特殊的作业场所（如：
抢险救灾、高温炉渣清除、毒气废气场合、船舱作业、矿井窑洞作业、浅海作业、危房拆迁、……[25,26]），作业环境异常恶劣，即使是上述问题都得到了解决，仍然难以保证操作者的身体健康和生命财产安全。
因此，要从根本上解决这些问题，唯一的办法就是让操作者远离恶劣、危险的作业现场。
具体途径有两条：
①无人驾驶技术；②遥控驾驶（远距离操纵）技术。
但是，无人驾驶技术研究费用高，涉及学科领域广，技术难度大。
美国、日本虽已研制出第一代无人驾驶汽车，但因研究费用高和技术难度大，延缓了其商业化进程。
因此，目前集光、机、电、液于一体的车辆无线遥控驾驶技术是解决这一问题的有效途径。
传统的车辆监控系统需要操作者操作摄像机云台遥控器来完成对摄像机云台的控制，以实现摄像机的左右和上下转动。
这种监控系统虽然能实现大空间范围的监视和局部目标的清晰监视，但对遥控工程车辆遥控操作人员来说精力就被分散到控制云台的操作上，而脱离对监控目标的监视，这样很容易遗漏掉重要的监视环节而造成操作失误，降低了遥控工程车辆的行驶作业精度和安全性。
山东理工大学工程机械研究所的老师结合现有工程车辆，并以履带式推土机为载体，圆满完成了山东省优秀中青年科学家奖励基金课题“工程车辆遥控驾驶技术研究及履带式推土机遥控系统研制”，成功研制出第一代无线遥控履带式推土机，并为之安装了监视系统。
但是此监视系统需要操作者在操作驾驶车辆的同时还要对摄像机云台进行手动操作，破坏了操作系统的协调性，使工程车辆的遥控操作效率受到很大限制。
本文在前面研究工作的基础上，对遥控车辆视频监视系统进行了深入细致地研究，开发了一种使监控系统与遥控操作系统协调性好，遥控操作的效率、可靠性高的视频监视系统。
1.3视频监视系统国内外研究及应用现状
在当今这个信息时代，随着网络、通信和微电子技术的快速发展，视频监视系统也正经历着从模拟化向数字化、网络化的革命[27]。
视频信息具有直观、生动等特点，随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，视频技术在国民经济的各个领域获得了广泛的应用。
近年来，人们越来越关注生存环境，重视突发灾害的预警与紧急应对措施的建立，迫切希望提高生产和生活管理的智能化水平，视频监视系统也作为人类视觉的延伸越来越受到重视，得到了广泛的应用和长足的发展。
从功能上讲，视频监视可用于安全防范、信息获取和指挥调度等方面，可以提供生产流程控制、大型公共设施的安防，也能为医疗监护、远程教育等提供各种服务。
从应用领域上看，视频监视在各行各业都得到了广泛的应用，除了档案室、文件室、金库、博物馆等重要部门的监视和报警，在公共场所进行安全监控，在其他经济和生活领域进行管理和控制也是必不可少的。
具体应用实例有：
金融领域：
营业大厅监控、金库的监控、自动提款机及自助银行监控等。
电信/电力领域：
交换机房、无线机房、动力机房等的远程监控、变电站、电厂等的远程无人值守监控。
商业市场：
商场的保安监控、超级市场的出入口监控、码头、货柜、大型仓库的监管等。
军事领域：
基地安防、公安侦破、监狱法庭管理等。
交通领域：
高速公路收费管理、交通违章和流量监控、公共交通车辆牌照管理、公路、铁路、桥梁、机场等场所的远程图像监控等。
社区物业管理：
住宅小区、办公室的安全防范、智能大厦、停车场的无人监控等[28]。
视频监视系统的发展大致经历了三个阶段。
在二十世纪九十年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。
九十年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示，从而大大提高了图像质量，这种基于PC机的多媒体主控台系统称为第二代数字化本地视频监视系统。
九十年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的快速提高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监视步入了全数字化的网络时代，称为第三代远程视频监视系统。
第三代视频监视系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的图像分析为特色，引发了视频监视行业的技术革命，受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视[30]。
视觉临场感对于遥控作业系统的重要性已被广泛承认。
视觉临场感的发展和遥控作业的进步密切相关。
在视觉临场感视频监视系统方面，50年代世界上第一台主从式遥控机械手在美国ANL（ArgonneNationalLaboratory）诞生。
为了帮助操作者观察现场，ANL采用了立体三维电视系统。
在这种系统中采用带偏振片的双镜头摄像机，两个镜头相互偏振90°，被观察的物体通过两个镜头摄取两个不同角度的图像，然后再在光学上偏振90°，并经棱镜反射在摄像管光电耙上形成两幅光像。
视频信号经过传输和处理后，在显示器上显示出两幅图像。
操作者带上偏振眼镜，就能看到一幅有立体感的图像。
这种立体电视存在着摄像机镜头视场角的限制，随后ANL又研制了双摄像头双显像管的立体设备。
1964年，ANL的RayGoertz从提高操作者的视觉感知角度出发，提出了用主从电视来取代普通的监控电视，即控制摄像机跟踪操作者的头部运动而作旋转和直线运动以拍摄欲观察的场景，而显像管也同样跟踪操作者的头部运动而运动。
这种主从电视的概念可以看作是遥控作业系统中视觉临场感的最初表现形式。
实际上在这之前美国Philco公司就已对能作转角随动的一种电视系统作过试验。
在此基础上，Philco公司于1961年首创了头盔式显示器（HeadMountedDisplay）。
1965年ANL研制成功了用于主从遥控作业系统的实验性电视系统，摄像机和显示器可跟随操作者头部运动而作五种运动：
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