遠(yuǎn)程機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的研制

摘 要： 分析了利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遙操作控制的主要技術(shù)關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上介紹了遙操作控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和總體結(jié)構(gòu)，并闡述了視頻圖像壓縮的流程，其中所采用的幀間壓縮方式是當(dāng)前的創(chuàng)新技術(shù)，最后給出了系統(tǒng)性能的定量分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程機(jī)器人 離散余弦交換 哈夫曼編碼

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和機(jī)器人應(yīng)用的逐步推廣，對(duì)遠(yuǎn)程機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和監(jiān)測(cè)，已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。我們所承擔(dān)的國(guó)家863項(xiàng)目“利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的機(jī)器人遙操作研究”正是在這樣的背景下展開的。

１ 總體結(jié)構(gòu)和模塊劃分

通過internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程機(jī)器人的監(jiān)控，是指用戶在本地發(fā)送控制命令給遠(yuǎn)端的機(jī)器人，由遠(yuǎn)端機(jī)器人的控制系統(tǒng)對(duì)控制命令加以解釋、執(zhí)行，從而控制機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)，由遠(yuǎn)端的攝象機(jī)把現(xiàn)場(chǎng)的圖像加以采集。由于視頻圖像信息的數(shù)據(jù)量非常大，不可能在internet網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸，因此，必須先對(duì)圖像信息進(jìn)行壓縮，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳送到用戶站點(diǎn)。用戶站點(diǎn)把接收到的已壓縮的圖像信息進(jìn)行解壓縮，還原成原來的圖像。隨后，用戶可根據(jù)總的調(diào)度程序給遠(yuǎn)端機(jī)器人發(fā)出新的控制命令，遠(yuǎn)端機(jī)器人再完成相應(yīng)的動(dòng)作。同樣，又通過網(wǎng)絡(luò)把機(jī)器人的動(dòng)作情況傳送到用戶站點(diǎn)。于是，遠(yuǎn)端機(jī)器人的一舉一動(dòng)都能及時(shí)地呈現(xiàn)在用戶的面前，這就是所謂的現(xiàn)場(chǎng)感。

為了把控制命令和運(yùn)動(dòng)過程都記錄下來，為以后的分析、研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，有必要建立控制命令和運(yùn)動(dòng)過程數(shù)據(jù)庫。按這樣的設(shè)想，該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用客戶機(jī)／服務(wù)器（client／server）體系結(jié)構(gòu)。對(duì)于控制命令來說，客戶機(jī)接受用戶提供的機(jī)器人控制命令，然后形成相應(yīng)的命令幀格式，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。服務(wù)器對(duì)接收到的控制命令進(jìn)行分析解釋，并通過機(jī)器人的控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的命令。對(duì)于視頻圖像來說，首先由客戶機(jī)采集視頻圖像，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，再發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。服務(wù)器則把從網(wǎng)絡(luò)上接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，完成相應(yīng)的解壓工作，恢復(fù)視頻圖像的本來面目。

從整個(gè)系統(tǒng)的工作過程可以看出，從對(duì)控制命令的處理這一角度來看，本地是客戶機(jī)，遠(yuǎn)端是服務(wù)器，而從對(duì)視頻圖像的處理這一角度來看，遠(yuǎn)端是客戶機(jī)，本地是服務(wù)器。也就是說，客戶機(jī)／服務(wù)器結(jié)構(gòu)不是從物理上的本地或遠(yuǎn)端來劃分的，而是從邏輯上的不同功能來劃分的。之所以這樣劃分，是因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中，視頻圖像的處理和傳輸過程是相對(duì)獨(dú)立的，而不是控制命令的簡(jiǎn)單應(yīng)答和反饋信息�？傊蛻魴C(jī)主動(dòng)發(fā)出各種信息，而服務(wù)器則被動(dòng)地接收來自客戶機(jī)的信息，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

２ 視頻圖像壓縮傳輸?shù)幕玖鞒?/b>

系統(tǒng)首先建立獲取窗口，然后指定回調(diào)函數(shù)。系統(tǒng)獲取的圖像存放在一段連續(xù)的內(nèi)存中，以回調(diào)函數(shù)的形式傳送給編程人員。在回調(diào)函數(shù)中，先進(jìn)行壓縮處理，然后把大數(shù)據(jù)塊打包，再把數(shù)據(jù)包按序號(hào)依次發(fā)送到internet網(wǎng)絡(luò)上。本地站點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包以后，按序號(hào)組合成數(shù)據(jù)塊，然后解壓縮，最后在給定窗口上重現(xiàn)視頻圖像。視頻圖像壓縮傳輸過程如圖2所示。

我們采用的是混合編碼方案，其視頻圖像壓縮的基本流程如圖3所示。首先判斷是否為關(guān)鍵幀，若是關(guān)鍵幀，則先進(jìn)行離散余弦變換dct（discrete cosine transform)，然后對(duì)dct系數(shù)作量化處理，再對(duì)量化后的交流（ac）系數(shù)以z形路徑進(jìn)行行程編碼rle（run－length encoding)，最后進(jìn)行哈夫曼編碼；若不是關(guān)鍵幀，則采用幀間壓縮。

對(duì)于幀間壓縮，我們比較了兩種不同的方式。

第一種方式以象素為基礎(chǔ)，首先將其與上一幀作差，得到一個(gè)稀疏的矩陣。在作差的過程中，采用小范圍匹配的方法去掉一部分噪聲，然后采用改進(jìn)的行程編碼得到最后結(jié)果。再把當(dāng)前幀圖像保存在指定的內(nèi)存區(qū)內(nèi)，作為下一幀作差的參考幀。

第二種方式是以宏塊為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方式，首先計(jì)算運(yùn)動(dòng)矢量，然后采用行程編碼rle和哈夫曼編碼。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要是平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，而缺少局部的細(xì)微變化，用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償可以達(dá)到較高的壓縮比和相當(dāng)好的圖像質(zhì)量。

由于與遠(yuǎn)程站點(diǎn)之間通過internet網(wǎng)進(jìn)行傳輸時(shí)，信道的數(shù)據(jù)傳輸率不是固定