基于web的远程机器人遥操作实现技术

基于web的远程机器人遥操作实现技术

现在，网络向世界各地扩展，机器人技术也迅速发展。如果这两个技术结合起来，远程机器人的实时监控和控制将成为一项非常重要的集成技术。但是,由于远距离和大信息量的实际情况,加上实时性要求,所以,使系统的实现带来困难。分析了利用Internet实现对机器人进行遥操作控制的系统设计思想,重点阐述了视频图像压缩和传输技术,其中所采用的混合压缩编码方案是当前的创新技术。1远程控制令的输出本系统的功能是通过Internet网络实现对远程机器人的监控。一方面,用户在本地发送控制命令给远端的机器人,由远端机器人系统对控制命令加以解释、执行,从而控制机器人完成相应的动作;另一方面,由远端的摄像机把现场的图像加以采集,并实时传输到远程控制方。由于视频图像信息的数据量非常大,因此,必须先对图像进行压缩,然后通过网络传送到用户站点。用户站点把接收到的已压缩的图像信息进行解压缩,还原成原来的图像。随后,用户可根据总的调度策略给远端机器人发出新的控制命令,远端机器人再完成相应的动作。同时,又通过网络把机器人的动作传送到用户站点。这样,远端机器人的一举一动都能及时地呈现在控制者的面前,好象自己就在机器人的现场一样,即有一种现场感。此外,为了把控制命令和运动过程都记录下来,为以后的分析、研究提供准确的数据,必须建立控制命令和运动过程数据库。系统采用客户机/服务器体系结构。从总体上,系统必须实现如下功能和相关技术。为了实现遥操作命令的传输和执行,客户机接收用户提供的机器人控制命令,然后形成相应的命令帧格式发送到网络。服务器对接收到的控制命令进行分析和解释,并通过机器人控制系统驱动机器人执行相应的命令。为了实现机器人现场图像的传输,首先由客户机采集视频图像,然后进行数据压缩,再发送到网络上。服务器则把从网络上接收到的图像数据进行组合,完成相应的解压缩工作,恢复现场的视频图像。所以,从对控制命令的处理这一角度来看,本地是客户机,远端是服务器,而从对视频图像的处理这一角度来看,远端是客户机,本地是服务器。2混合压缩编码方案在实时传输过程中,系统首先建立采集窗口,然后指定回调函数。系统采集的图像存放在一段连续的内存中,以回调函数的形式传送给编程人员。在回调函数中,先进行压缩处理,然后对数据打包,再把数据包按序号依次发送到Internet网络上。本地站点接收到数据包以后,按序号组合成数据块,然后解压缩,最后在给定窗口上重现视频图像。为了取得最有效的性能,系统实现时,在H.263基础上采用了混合压缩编码方案,其视频图像压缩的基本流程如图1所示。混合压缩编码的思想是,先判断是否为关键帧,若是关键帧,则先进行离散余弦变换DCT(discretecosinetransform),然后对DCT系数作量化处理,再对量化后的交流(AC)系数以Z形路径进行行程编码RLE(run-lengthencoding),最后进行哈夫曼编码;若不是关键帧,则采用帧间压缩。为了实现良好的帧间压缩,在H.263基础上比较了两种不同的压缩方式,并且将这两种方式按不同的情况结合起来构成混合压缩编码方案。第1种方式以像素为基础,首先将其与上一帧作差,得到一个稀疏矩阵。在作差的过程中,采用小范围匹配的方法去掉一部分噪声,然后采用优化的行程编码得到最后结果,并把当前帧图像保存在指定的内存区,作为下一帧作差的参考帧。第2种方式是以宏块为基础的运动补偿方式,首先计算运动矢量,然后采用行程编码RLE和哈夫曼编码。由于机器人的运动主要是平移和转动,而不是象真人那样还有脸部表情等细微变化,所以,用运动补偿技术既可以达到较高的压缩比又有相当好的图像质量。对于第1种以像素为基础的压缩方式,在图像质量一定的情况下,帧频和压缩比明显提高。而对于第2种以宏块为基础的运动补偿压缩方式,在数据传输率较低的情况下,达到了较高的压缩比、较好的图像质量和基本实时的视频效果。因此,这两种方式分别用在数据传输率较高和较低两种情况下。为了吸收二者的长处,在系统中采用了混合压缩编码方案,此方案将上述两种方式结合起来,这样,正好能使系统有效地适用于Internet情况。因为远程站点之间通过Internet网进行传输时,信道的数据传输率不是固定的,所以,系统中通过信道测试反馈信息来改变量化时的步长,从而调节视频信息的数码率和压缩方法,以便更好地适应信道传输率的变化,并获得最佳压缩效果。3混合编码的信噪比变化在实时传输情况下,对非混合压缩编码和混合压缩编码进行了比较。为了接近Internet网的数据传输率,采用的数据流量为10kB/s。在非混合压缩编码算法下,测试了7种定质量指标,质量指标10000为最好,而0为最差。具体数据如表1所示。实验数据中给出的帧频和压缩比计算如下:记下图像采集开始和结束的时刻,在播放过程中统计帧数,用帧数除以时间差即为帧频。即帧频=帧数/(结束时间-开始时间),用图像信息应传输的字节数f除以实际传输的字节数p即为压缩比。由上述数据可看到,在质量和帧频相近的情况下,混合编码的压缩比明显提高。图2表示了帧频和压缩比随图像格式而变化的曲线。从图2曲线可以看出,随着图像的变大,压缩比大大提高,而帧频则随之下降。这是因为,当图像变大时,背景相应变大,而在背景几乎不变的情况下,帧间压缩比会相当大,从而使总的压缩比明显提高;随着图像的增大,数据量将成倍增加,在数据传输率一定的条件下,帧频必然会下降。使用定质量压缩时,帧频和压缩比随质量而变化的曲线如图3所示。从图3曲线可以看出,随着对图像质量要求的提高,帧频和压缩比均呈下降趋势。这是因为,对于特定的压缩算法,要提高图像质量必然要增加压缩后的数据量,压缩比自然会下降;而在网络的数据传输率一定的条件下,传输一帧的图像数据所用的时间就会增加,从而在单位时间内能传输的帧数必然要减少。对于第1种以像素为基础的混合压缩编码方式,在图像质量一定的情况下,帧频和压缩比明显提高。而对于第2种以宏块为基础的运动补偿压缩编码方式,在数据传输率较低的情况下,达到了较高的压缩比、较好的图像质量和基本实时的视频效果。而二者的联合应用使得总体性能得到提高。4数字视频监控系统的关键对远程机器人进行控制时,采用逻辑上的客户机/服务器结构是相宜的。为在