遙操作移動機器人在物理空間上可以實現人類感知能力和行為能力的延伸：在信息層次上將遠端的移動機器人與操作人員連接在一個閉環回路里。實時地控制遠端移動機器人的運動，以最大限度地利用遠近端的設備、資源和遙操作者的智力、經驗，從而實現資源最佳配置，完成特定的任務。遙操作移動機器人在很多領域具有廣闊的應用前景，如星際探測、工業制造、危險環境、服務行業以及遠程教育。其主要的技術問題有人機界面的設計，遠程通訊的問題和移動機器人的控制方法。
基于Internet的遙操作是移動機器人的一個重要研究和應用領域，文獻中的遙操作移動機器人，可以通過Web瀏覽器進行遙操作，其缺點是在操作人員使用的遙操作界面中，所提供的控制移動機器人的方式不多，功能單一。文獻中的遙操作移動機器人，其攝像頭并不是安裝在移動機器人本體上，而是用于全場景監視，這樣大大限制了遙操作機器人的活動場所。文獻提出移動機器人基于智能體的控制方法，可使移動機器人具有一定的自主功能，但是沒有對自主控制和遙操作者的控制進行統籌考慮。
針對上述存在的問題，本文設計了一種具有友好人機界面的基于合作控制的遙操作機器人系統。其特點是：人機界面顯示的內容豐富，針對不同的任務，環境提供多種操作方式；通訊方式靈活、組網方便；所采用的基于人機合作的導航控制可靠、高效。
1 人機界面設計
在遙操作移動機器人系統中．實現操作者監視、控制遙操作移動機器人的功能模塊是人機界面。友好的人機界面應該盡可能豐富地顯示移動機器人所處的環境信息和移動機器人本身的狀態信息，而且擁有合適的操作方式．讓操作人員能夠輕松、有效地控制移動機器人運動并完成特定的任務。
1.1 機器人端信息顯示界面設計
遙操作者主要是根據顯示在遙操作端的計算機上信息來控制移動機器人．為了便于遙操作者的決策和控制，要求所顯示的遠端移動機器人的狀態信息和的環境信息盡量豐富、直觀。
圖1所示為本遙操作移動機器人中人機界面所顯示的信息：遙操作者可以在界面的左上角看到移動機器人工作環境的實時視頻信息，移動機器人的狀態信息(包括速度和轉角)用儀表盤的方式顯示．移動機器人紅外傳感器的信息用可視化的方式顯示界面的右上角。在界面的頂端，顯示每秒所傳輸圖像的幀數，能反應通訊的狀況是否良好．還顯示了直接控制時所下達給移動機器人的速度命令值和轉角命令值。
圖1 人機界面所顯示的信息
1.2 遙控移動機器人的方式
在本遙操作移動機器人的人機界面中，提供了三種可以控制移動機器人的方法。最簡單的就是使用鍵盤控制，通過事先設置的熱鍵．可以方便的控制移動機器人的前進、后退和原地自轉。其次是利用鼠標進行控制。本文設計了一種操作輕松，控制靈活的方法。根據在遙操作端計算機上所顯示的從移動機器人端傳來的視頻信息．遙操作者在視頻顯示窗口中用鼠標指定移動機器人的運動目標點，設此點為d，根據鼠標的位置信息得到其在視頻圖像坐標系中的坐標記為(x，y)。如圖2所示，CCD攝像機的成像模型采用tJ,孑L成像模型，像平面的位置可用KCMN平面表示；由于移動機器人是在平面上運動，所指定的目標點也在平面上．因此目標點位于世界坐標系下的ABCD平面中。記點d在攝像機坐標系下對應的成像點為q，其坐標記為(r，t)；在世界坐標系下的對應點為P，其坐標記為(X，Y)。攝像機坐標系中的像平面坐標與視頻圖像坐標之間為比例關系，用矩陣M1表示，根據小孔成像模型，世界坐標系下平面ABCD與攝像機坐標系下像平面KLMN的關系用鳩表示。當用鼠標點出d時，其在世界坐標系下對應點P的坐標(X，Y)通過下式求得：
圖2成像模型
操縱手柄是一種直觀，容易被人接受的人機交互設備。工作在直接控制模式時．對移動機器人的行走、轉彎、前進、后退的運動控制，都可以使用操縱手柄實現。當使用操縱手柄控制時，先采集到操作手柄的位置信息(X，Y)，如圖3所示分，然后采集操作手柄的滑塊信息u。用位置信息控制移動機器人的轉角．用滑塊信息控制移動機器人的速度。由于從操作手柄采集到的原始信號噪聲較大，因此采用了式(2)和式(3)的均值濾波，來慮除噪聲。
圖3游戲桿命令示意圖
結合移動機器人的運動能力，將線性縮放到[6，130]，結合位置信息中的y值，利用方程(4)求得移動機器人的速度命令v(單位：cm／s)；得到濾除噪聲后的(X，Y)后，通過方程式(5)求得移動機器人的轉角命令φ(單位：度)，然后直接將速度命令和轉角命令發送給移動機器人。
2 遠程通信方式及實現
在遙操作者和移動機器人之間的信息傳輸既可以采用專用的通訊設備[61，也可以借助公用通訊網絡�，F在，無線通信方式主要有802．11、Bluetooth和HomeRF等，無線局域網LAN802．11技術在性能、價格各方面均超過了Bluetooth、HomeRF等技術。由于Intranet的普及和移動機器人工作方式的要求．在本文設計的系統中，通信模塊采用了無線局域網的802．11b技術。其性能可滿足遙操作移動機器人的通信要求，具有良好的通用性，方便通信網絡接口的編程實現。
IEEE 802．11是由IEEE最初制訂的無線局域網標準系列。是現在使用的最多的無線傳輸協議，現在市場上的各種無線網卡大多都支持IEEE 802．1lb。任何局域網應用、網絡操作系統或協議(如互聯網協議TCP／IP)都可以在符合802．11系列規范的WLAN上運行，這也簡化了編程實現，并且增強了系統的兼容性和通用性。IEEE 802．1lb的最大數據傳輸速率為11Mbps．也可根據信號強弱把傳輸率自動調整為5．5Mbps、2Mbps和1Mbps帶寬。當移動機器人采集CIF格式(352x288)大小的圖像時，采用JPEG壓縮，帶寬可以滿足視頻實時傳輸的要求(每秒傳輸的圖像超過10幀)。在無線直線傳播傳輸范圍為室外最大300n1．室內有障礙的情況下最大100m。
無線網絡的基本配備包括無線網卡及AP(Access Point)。AP就如一般有線網絡的Hub，可以快速且輕易地與已有的Intranet相連，而且可以實現無縫漫游。利用已有的有線網絡，在所需要的位置安放足夠的AP，可以在一個很大的范圍內遙操作控制移動機器人，如圖4所示。另外，遙操作計算機、AP、移動機器人可以獨立組網，適合任何地面平坦，移動機器人能運動的環境，如圖5所示。
圖4借助Interanet的通訊連接
圖5獨立的通訊連接
3 人機合作控制
移動機器人具有多個子系統，且子系統位于不同的層次上，對于各個層次有著不同的控制要求，解決方案有分層的控制方法，基于控制信息融合的方法剛。
在遙操作移動機器人中，移動機器人工作在遙操作者的控制之下，即要使移動機器人準確地實現遙操作者的意圖，又要求移動機器人具有一定的智能，能適應動態環境和處理突發事件。為了更好地協調遙操作者所發出的控制命令和移動機器人自身基于環境信息的自主行為，提出了一種如圖6所示的人機合作控制方法。
圖6人機合作控制
針對不同層次上的各子系統，分別設計相應的控制器，每個控制器的輸出都為直接控制移動機器人運動的速度指令和轉角指令。一共設計了如下四個控制器：直接控制器，朝目標點運動控制器．視覺導航控制器和紅外避障控制器。
(1)直接控制器接收遙操作者下達給移動機器人的速度命令和轉角命令，以及是否對移動機器人實施強行控制，如處于強行控制模式時。其他控制器的輸出將不起作用；
(2)朝目標點運動控制器接收到移動機器人應到達的目標點后，結合移動機器人當時的速度和位置，求出機器人應該執行的速度和轉角：
(3)視覺導航控制器則利用視頻信息處理模塊的輸出，獲知當時的環境信息，如果滿足視覺導航的規則，則輸出控制命令：
(4)紅外避障控制器根據所收到的紅外信息，實施最優的避障措施，發出對機器人的控制命令。
在上述四個控制器層次之上的合作控制器依據事先設定的優先級和各個控制器的輸出對操作者意圖和環境的匹配程度，選用相應控制器的輸出作為整個控制系統的輸出，并輸出到運動控制器。
4 具體實現和實驗
本文所用實驗平臺為自行研制開發的機器人AIM(Advanced Intelligent Mobile Robot)．如圖7所示。該移動機器人采用雙輪差速驅動，前面有一無動力導向輪。移動機器人本體寬40cm，高49cm，最大長度40.5cm，裝有一個彩色CCD攝像機和9個紅外傳感器。配有無線網卡，通過AP和遙控端相連。在軟件上采用面向對象的技術，視頻信息的采集、壓縮、解壓縮都各自封裝成類，并開辟獨立的線程；移動機器人的控制、網絡通訊和傳感器信息的處理。分別用不同的類實現。
圖7移動機器人AIM
在圖8所示的展示大廳中，A處遙操作控制計算機、B處的AP和移動機器人C組成獨立的網絡系統，一個未經過訓練的操作人員(參觀者)在A處可以用游戲桿順利地操作機器人繞場巡游一圈。
圖8試驗1
在圖9所示的辦公室環境中，整個樓道長約80m，寬2m，所進出房間門的寬度為0.85m遙操作者在A處可以用鍵盤控制的方式，或鼠標控制的方式，或操縱手柄控制的方式控制移動機器人B到達C處并返回到A處。
圖9試驗2
5 結論
本文主要從人機界面，主從端通訊，移動機器人的控制方面討論了移動機器人的遙操作控制，提出了一種人機合作控制的遙操作機器人控制器的設計方法，通過人機合作將環境感知、任務規劃、命令執行實時地結合起來。所設計的遙操作移動機器人具有開放的結構，人機界面內容豐富，操作方便，且主從端的通訊組網簡單。實驗證明此遙操作機器人運行平穩可靠、控制靈活．能夠在危險環境下遙控作業等領域發揮作用。
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