基于VR視角的遠(yuǎn)程體感控制特種車(chē)

萬(wàn)迪 張里 張永華 周添運(yùn)

摘要：近年來(lái)，由于許多災(zāi)區(qū)亂石多、房屋倒塌、泥石流等，給救援工作大大增加了危險(xiǎn)和難度系數(shù)，使得救援工作的效率無(wú)法提高。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有一項(xiàng)機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)搜救和營(yíng)救兩種機(jī)器的結(jié)合?；赩R視角的遠(yuǎn)程體感控制特種車(chē)，在車(chē)身安裝了六自由度機(jī)械臂，采用履帶及雙輪并排帶動(dòng)設(shè)計(jì)，全地形通用，具有無(wú)線視頻傳輸、VR體感操作、SLAM地圖繪制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、運(yùn)物取物等功能。該小車(chē)可深入災(zāi)區(qū)，而救援人員僅需在安全地帶即可實(shí)施救援，能大大提升救援工作效率，還能保障救援人員的安全。

關(guān)鍵詞：VR視角;體感控制;搜尋救助;無(wú)線通訊

1.引言

近年來(lái)，自然災(zāi)害頻發(fā)，很多災(zāi)害地區(qū)由于亂石多、房屋倒塌、泥石流等，給救援工作增加很大的難度和危險(xiǎn)系數(shù)，如若操作不慎，還可能造成二次災(zāi)難。目前，已有一些搜救設(shè)備可提前進(jìn)入災(zāi)區(qū)，但并不能為處于災(zāi)難中的人們提供幫助;只能等到救援人員進(jìn)入后才能得到救助。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有一項(xiàng)機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)搜救和營(yíng)救兩種機(jī)器的結(jié)合。基于VR視角的遠(yuǎn)程體感控制特種車(chē)，可深入災(zāi)區(qū)，而救援人員則可以在安全區(qū)域通過(guò)遠(yuǎn)程體感控制該設(shè)備，實(shí)現(xiàn)搜尋和救助。

2.總體方案設(shè)計(jì)

本方案包含兩個(gè)部分，第一部分是上位機(jī)（救援人員操作上位機(jī)），主要由主控模塊、無(wú)線通訊模塊、體感傳感器模塊、手柄控制設(shè)備、PC端顯示設(shè)備等多種模塊組成;第二部分是下位機(jī)（即下位機(jī)），主要由主控模塊、串口顯示模塊、音視頻采集模塊、按鍵模塊、無(wú)線通訊模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊等組成。下位機(jī)監(jiān)測(cè)到信息，能通過(guò)無(wú)線連接實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)，救援人員操縱上位機(jī)，即可通過(guò)無(wú)線操縱下位機(jī)，從而實(shí)施救援。

基于VR視角的遠(yuǎn)程體感控制特種車(chē)的車(chē)身安裝了六自由度機(jī)械臂，采用履帶及雙輪并排帶動(dòng)設(shè)計(jì)，全地形通用，具有無(wú)線視頻傳輸、VR體感操作、SLAM地圖繪制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、運(yùn)物取物等功能。

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1無(wú)線通訊模塊

本設(shè)計(jì)采用Zigbee無(wú)線通訊模塊傳輸相關(guān)信號(hào)。普通的通訊器（如：藍(lán)牙、wifi）只能一對(duì)一或一對(duì)多地傳輸信號(hào)，傳輸距離較近，當(dāng)線路遇到障礙時(shí)，信號(hào)則中斷。而zigbee組網(wǎng)排除了普通傳輸信號(hào)器的弊端，當(dāng)一條線路中斷時(shí)，可選擇另一條線路，以此保證信號(hào)的不中斷。

3.2環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

車(chē)身所配備的氣體檢測(cè)器小巧且攜帶方便以及可拆卸。能夠及時(shí)檢測(cè)到危險(xiǎn)氣體及缺氧環(huán)境，為救援人員開(kāi)展工作展開(kāi)救援的周遭環(huán)境，提供第一手資料。除了氣體濃度檢測(cè)之外，車(chē)身還配備有溫濕度監(jiān)測(cè)，生命跡象檢測(cè)，以及能見(jiàn)度評(píng)估等功能，在行進(jìn)的同時(shí)能夠最大限度的收取大量周?chē)h(huán)境信息，對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境進(jìn)行細(xì)致調(diào)查，為救援工作提供最為準(zhǔn)確的環(huán)境信息。

3.3體感傳感器模塊

本設(shè)計(jì)用可穿戴的體感傳感器模塊，采集實(shí)際操作者的體感變化來(lái)遠(yuǎn)程操控救援設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，使本系統(tǒng)能在各種人為不可操作的環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)操作。同時(shí)，采用體感傳感器還解決了機(jī)械控制操作的不便性。

3.4激光雷達(dá)模塊

小車(chē)具有同步定位以及實(shí)時(shí)位置地圖功能，小車(chē)從起點(diǎn)出發(fā)，前往未知地點(diǎn)，通過(guò)RBPF方法以及形心算法，逐步建立起周?chē)h(huán)境的地圖并確定在當(dāng)前環(huán)境的位置，本作品使用一個(gè)高頻激光掃描測(cè)距模塊，該模塊能以30rpm的速度掃描周?chē)S環(huán)境，將周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)反饋給中央處理器。由處理器計(jì)算處理后將地圖繪制。更由于VR具有全景視角，可以獲得既豐富又完整的環(huán)境信息，也能更好的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤及定位。在獲得每一刻的深度信息之后，同時(shí)進(jìn)行更新，達(dá)到實(shí)時(shí)繪制地圖的功能。在小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)車(chē)身本身所攜帶的裝置，對(duì)周?chē)h(huán)境，障礙，通道進(jìn)行第一時(shí)間調(diào)查，并將實(shí)時(shí)周?chē)缆防L制出來(lái)。深入到較為危險(xiǎn)以及人員難以實(shí)現(xiàn)的區(qū)域，將地圖繪制出來(lái)，然后顯示到上位機(jī)所配備的LCD屏上，使得車(chē)身在不斷行進(jìn)的同時(shí)，能夠及時(shí)繪制救援人員可以到達(dá)的路徑。為救援工作開(kāi)辟道路。

3.5六自由度機(jī)械臂

通過(guò)主控板控制驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)小型機(jī)械臂電機(jī)，能夠運(yùn)送一定數(shù)量的救援物資，加上機(jī)械手鉗有較高的夾取力量，可以放取一定程度的重量物資。本設(shè)計(jì)中建立DH坐標(biāo)系，建立起相關(guān)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度與機(jī)械臂姿態(tài)之間的運(yùn)算關(guān)系，通過(guò)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可以即時(shí)算出機(jī)械臂末端爪的坐標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)末端的直接坐標(biāo)控制，而非對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)單獨(dú)操控。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1中央處理部分

此部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，此接受處理信息，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。下位機(jī)采用ROS系統(tǒng)為主要控制系統(tǒng)，統(tǒng)籌全局，協(xié)調(diào)全局。主要負(fù)責(zé)處理攝像頭、激光雷達(dá)、機(jī)械臂等的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析控制并上傳到上位機(jī)或者PC端。同時(shí)與下位機(jī)stm32模塊進(jìn)行通信，控制電機(jī)以及傳感器數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。

4.2控制部分

控制模式分兩種，分別是體感操作和手柄操作。當(dāng)操作員選擇操作模式后執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作后，比如選擇體感操作則通過(guò)佩戴體感儀動(dòng)作，中央處理部分會(huì)接受體感儀發(fā)來(lái)的電信號(hào)并做出相應(yīng)處理后發(fā)送給執(zhí)行部分。當(dāng)操作員手臂向左旋轉(zhuǎn)，給出左移信號(hào)，機(jī)械車(chē)部分即做出左移動(dòng)作。如果選擇了傳統(tǒng)手柄模式，通過(guò)手柄的無(wú)線接收器可以讀取操作員的動(dòng)作。通過(guò)中央處理器處理信號(hào)之后發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在程序內(nèi)部，把采集到的陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)卡爾曼濾波算法，把數(shù)據(jù)穩(wěn)定處理，解析3D姿態(tài)，并把處理結(jié)果傳給執(zhí)行部分。

4.3成像部分

一旦機(jī)器正常工作，由機(jī)械車(chē)上的無(wú)線攝像頭會(huì)不斷傳遞無(wú)線視頻信號(hào)給成像部分，通過(guò)中央處理部分處理后經(jīng)顯示器顯示?？罩型ㄟ^(guò)wifi傳輸信號(hào)，配合網(wǎng)橋中繼站可進(jìn)行超遠(yuǎn)距離傳輸。并且位于機(jī)械臂云臺(tái)上的無(wú)線攝像頭會(huì)隨著操作者頭部的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)實(shí)時(shí)跟隨移動(dòng)，增加操作者的代入感。

5.總結(jié)

本文介紹一種基于VR視角的遠(yuǎn)程體感控制特種車(chē)，該小車(chē)全地形通用，具有無(wú)線視頻傳輸、VR體感操作、SLAM地圖繪制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、運(yùn)物取物等功能可深入災(zāi)區(qū)，而救援人員則可以在安全區(qū)域通過(guò)遠(yuǎn)程體感控制該設(shè)備，實(shí)現(xiàn)搜尋和救助。

參考文獻(xiàn)：

[1]許延龍，韓堅(jiān)潔，劉誠(chéng)臣，謝秀峰[J]機(jī)械工程師2016.08

[2]高慶華、張業(yè)成[J]中國(guó)自認(rèn)災(zāi)害危險(xiǎn)性分析與區(qū)劃2003.11

[3]徐勇[S]通信電子線路2017.03

[4]任侃[S]OpenNI體感應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)2014