文章编号,1OO2-O44G(2OO2)O2-OO97-O5
多功能室外智能移动机器人实验平台THMR V
张朋飞何克忠欧阳正柱张军宇
(清华大学智能技术与系统国家重点实验室北京1OOO84)
摘要，本文介绍了清华大学智能技术与系统国家重点实验室研究开发的多功能室外移动机器人实验平台 THMR-V，以及THMR-V的体系结构和部分功能.
关键词，移动机器人；临场感；遥控;
中图分类号,TP24文献标识码,B
MULTIFUNCTIONAL INTELLIGENT OUTDOOR
MOBILE ROBOT TESTBED-THMR V
ZHANG Peng-fei HE Ke-ZhOng OUYANG Zheng-Zhu ZHANG Jun-yu
(Tszngh/a UnzUe1szty State Key La}O1atO1y Of1ntellzgent TechnOlOgy anc S ystems)
Abstl ac t,Thi S pap e r in tr O d u c e S THMR-V,a m u lt ifun ct iOn al in t e ll igen t Ou td OO r m O b i l e r O b O t t e Stb e d d e V e l O p e d
b y T S inghu a Uni V e rS i t y Stat e k ey lab O rat O r y Of in t e ll igen t t e我的狼外婆
c hnO l Ogy a n
d S y St
e mS.
Keywo l d s,m O b i l e r O b O t,t e l e pr e S en c e,t e l e c On tr O l
1引言(I n tl oduc t ion)
现代电子技术计算机软硬件技术人工智能技术模式识别技术自动控制技术的飞速发展，促进了室外移动机器人导航控制技术的进步和功能的增多.随着国际间高科技领域竞争的日益激烈，多功能室外移动机器人必将会在各行各业得到广泛应用.如今在军事应用领域，室外机器人被寄予替代人类自动执行某
些日常性与危险性军事任务的厚望，比如在军事场地巡逻侦察和监视以及在生物化学核试验场作业等.而在高速公路上利用视觉信息识别行车道实现自动驾驶或辅助驾驶又是当前国际国内移动机器人研究领域和智能交通系统研究领域的热门研究方向.作为科研机构，开发一种能适应各种环境，满足多种要求的多功能室外移动机器人实验平台势在必行.在这种科研背景下，清华大学智能技术与系统国家重点实验室智能移动机器人课题组在由国防科技预研九五重点项目O地面军用智能机器人-临场感遥控系统7资助下，与国防科技大学南京理工大学浙江大学北京理工大学合作研究地面军用智能移动机器人的同时，又在国家高技术研究发展计划(8G3计划)项目O智能机器人关键技术 基于多传感器的智能决策与控制技术的研究7和O基于多传感器信息融合的室外移动机器人监督式导航技术的研究7的资助下，独立开发了多功能室外智能移动机器人实验平台THMR-V.
我型我秀2007
目前THMR-V已经具备了以下功能,
.校园网道路环境中的临场感遥控驾驶;
.高速公路车道分界线的快速视觉检测;
.高速公路环境中的部分辅助驾驶工作;
.校园网道路环境中的侦察(与清华大学智能与系统国家重点实验室多媒体交互与媒体集成分室合作);
THMR-V研究的近期目标,
.高速公路环境中的全自主行驶;
.实现在校园道路网环境中基于视觉的监控下半自主行使;
THMR-V研究的远期目标,
.结合智能交通系统的研究，增强增多在高速
第24卷第2期2OO2年3月机器人VO l.24,NO.2
M arc h,2OO2
收稿日期,2OO1-O5-O7
公路环境中的辅助驾驶功能;
-其他功能
2THMR-V的硬件体系结构(Hardware system architecture f or THMRV)
THMR-V是在清华大学八五期间自主开发的室外移动机器人实验平台THMR-III的基础上研究开发的.THMR-V继承了THMR-III中的一些成熟的关键技术如光码盘磁罗盘组合定位差分GPS(全球定位系统)定位DGPS路径跟踪技术车体控制技术等但对整个车体的体系结构和系统集成方式作了改进与完善并增添了临场感遥控驾驶侦察高速公路中的自主驾驶和辅助驾驶等功能以及相应的软硬件模块.图1所示为THMR-III 的硬件体系结构图2为THMR-V的体系结构.从图1与图2的对比可以看出与THMR-III相比
THMR-V不仅将THMR-III中的双端口RAM改为10M以太网将超声传感器阵列改为激光雷达而且增添了无线数据通讯声像采集发射摄像机云台控制远/近距视觉处理等子系统
.
图1THMR-I的硬件体系结构
Fig.1Hard system architecture for THMR-I
THMR-V采用了光码盘电磁罗盘和DGPS组
合定位的方式.与其他的定位方式相比这种组合定
位方式性能价格比高定位精度达到了1m满足
THMR-V完成各种任务的需要.
THMR-V的车体控制系统可以接受两种格式
的驾驶控制命令.自主行驶时接受监控系统发出的
速度/停车/驾驶角命令；遥控驾驶时接受指挥站
发出的油门/刹车/驾驶角命令.THMR-V通过一
块C3步进电机驱动卡驱动3个电机分别控制油门
踏板刹车踏板和方向盘控制周期为20ms保证了
THMR-V的机动性和控制精度要求.
THMR-V通过无线数据通讯计算机与临场感
遥控驾驶系统的指挥站交互信息.信息的传输是经
由两条4800bps的无线数据通讯链路实现的.无线
数据通讯计算机还负责车载摄像机云台的控制使
云台随着临场感遥控系统指挥站操作员的头部同步
转动.云台上安装了两台同型号同参数的摄像机
摄像机摄取的视频信号与安装在车体左右两边的拾
音器采集的音频型号输入到两个电视信号发射机
再经过双工器合成后由全向天线发出.
THMR-V的体系结构是一种柔性的体系结构
不同的子系统的组合以及车体控制系统的两套驾驶
命令接收接口使THMR-V不需改变软硬件系统就
能方便的完成多种任务.
石像生
3THMR-V在校园网道路环境中的自主行
驶(THMRV Autonomous movement in
campus road network environment)
在一些军事实验场地或某些大型仓库由于场
于娟的忠告
地面积一定以及场地内道路格局基本固定因此可
以事先获得环境的详细信息来生成数字电子地图和
地理环境信息数据库.数字电子地图可以直观描述
环境的外部面貌地理环境信息数据库可以提供深
层次的环境信息.只要能够实时获得在环境中的位89机器人2002年3月
置~姿态信息以及车体前方的道路信息，机器人就可以在环境中低速~中速自主行驶
.
图2
THMR -V 的硬件体系结构
Fig .2
Hard system architecture for THMR -V
我们以清华大学的校园网道路环境模拟上述军事实验场地环境，建立了清华大学的数字电子地图，并在清华中央主楼前成功实现了THMR -V 的自主行驶.目前我们采用直接在数字电子地图上标出规划点的方式生成任务规划,THMR -V 跟踪给定任务中的规划点，在跟踪过程中根据车体前方静态~动态障碍物的信息实时实施避障或停障措施，并根据不同路段自动切换到不同的导航模式，最终到达任务规划中的最后节点.
今后我们将采用一种全新的任务给定方式，操作人员在临场感遥控驾驶系统指挥站给出THMR -V 的目标点作为任务，目标点的信息经无线数据通讯链路发送到THMR -V ,THMR -V 收到目标点的信息后，以当前车体所在位置为出发点，在环境道路网中搜索一条从出发点到目标点最优路径并自动生成路径规划，然后进行路径跟踪.这种下达任务的方
式符合实际需求.目前,THMR -V 在校园网道路环境中曲线路段自主行驶的速度可以达到5~7米/小时，在直线路段行驶时，我们限制最高速度为10米/小时，以保证行人安全.
4
THMR -V 在校园网道路环境中基于视觉的监控下半自主行驶(THMRV Semi -au-tonomous movement based on vision su-pervision in campus road network envi-ronment )
基于视觉的监控下半自主行驶是介于全自主行
驶与遥控驾驶之间的一种移动机器人导航控制方式.车体行驶前，首先摄取一幅前方道路的图像并经无线视频通讯链路将该图像发送到临场感遥控驾驶指挥站，指挥站操作人员根据接收到的道路图像进行判断，然后用鼠标在图像平面坐标系中画出车体
9
9第24卷第2期张朋飞等，多功能室外智能移动机器人实验平台)THMR -V
的行驶路径9指挥站系统根据操作人员画在图像平面坐标系中的路径生成车体在车体坐标系中的规划点9并将规划点信息经无线数据通讯链路发送到车体O THMR -V 接收到规划点信息后开始跟踪这些规
划点O 当车体到达最后一个规划点后9再摄取道路图像并发送回指挥站9然后接收指挥站发出的规划点并跟踪O 如此周而复始9最终完成给定任务O
5
在校园网道路环境中的临场感
遥控驾驶 Site remote control operation in campus road network envi ronment )
在某些复杂环境中9尽管建立了数字电子地图和详尽的地理信息9但由于环境的复杂性~任务需求的特殊性以及机器人的某些局限性9仅仅依靠机器人的自主行驶并不能圆满完成给定的任务9这时就需要结合人类无与伦比的智能性9由操作人员远程遥控机器人的行驶O 基于这种目的9我们研究开发了临场感遥控驾驶系统O 临场感遥控驾驶系统由移动站子系统和指挥站子系统组成9移动站子系统作为THMR -V 硬件体系的一部分的已经在本文第2节介绍过O 指挥站的软硬件结构如图3所示
O
图3
临场感遥控驾驶系统指挥站软~硬件结构示意图
Fig O 3
Software -Hardware system architecture schematic diagram for commanding station for site -sensing remote driving system
指挥站接收到移动站发回的THMR -V 现场的视频~音频信息后9合成为立体图像和立体声音9指挥站的操作人员通过立体眼镜观看大屏幕显示器的立体图像9具有与坐在THMR -V 驾驶室里一样身临其境的感觉O 操作人员操纵模拟驾驶台产生驾驶命令9下位机实时采集驾驶命令并由数据无线电台传输给移动站来控制THMR -V 的行驶9同时采集操作人员所戴头盔的转角9一边直接控制投影仪云台9一边将转角信息发送到移动站控制THMR -V 车载摄
像机云台9使摄像机云台~投影仪云台随着指挥站操作人员头部的转动而同步转动O
执行任务过程中9THMR -V 通过数据电台向指挥站发送车速~位置等车况信息9指挥站将接收到的车况信息和一路视频信号投影到柱面大屏幕9供指挥站其他工作人员观看参考O 2001年1月9我们研制的临场感遥控系统与清华大学~国防科技大学~浙江大学~南京理工大学~北京理工大学共同研制的军用地面智能移动机器人进行了联调9遥控驾驶速度可
01机器人
2002年3月
达54公里/小时 并顺利通过了总装备部的验收.
6
THMR -V 在高速公路中的高速自主行驶(THMRV Autonomous movement with high speed in expressway )
高速公路是一种高度结构化的道路 具有车速
高~通行能力大~有4条以上的车道~设中央分隔带 采用立体交叉~全部或局部控制出入等特点.此外 还具有很高的路线技术标准和永久性的路面结构~必要的道路标志 安全设施~自动化的信号系统和完善的照明设备等.我国规定平原地区高速公路的极限最小平曲线半径为625米 最大纵坡度为3 .以上特点使得汽车在高速公路中实现无人驾驶成为可
能.以美国CMU ~德国的UniBWM 为代表的国外科研机构早已开始了这方面的研究 并分别取得不俗的成果.据报道我国的国防科学技术大学也已经利用飞机场跑道模拟高速公路进行过类似实验.
根据高速公路的特征 我们提出了采用远/近距双目视觉系统导航的方式.THMR -V 根据远距摄像机采集的车体前方8O~2OO 米内的道路图像提取道路方向变化信息来控制车体的速度 通过近距摄像机采集车体前方2O~1OO 米内的道路图像提取车体相对于行车道的位置~方向信息控制车体的方向.图4为THMR -V 在高速公路中车道线检测与道路跟踪流程示意图
.
爱在钢琴上小说图4
车道线检测与跟踪算法流程图
Fig .4
Track line detection and tracking algorithm diagram
目前我们已经完成了多种高速公路车道线检测的快速算法.采用Pentium III 55O 计算机 内存128M Matrox Meteor RGB 图像采集卡 采集标准CCIR 灰度视频信号 将图像压缩为384>288像素 处理速度可以达到11~13帧/秒 能够满足机器人在高速公路高速自主行驶的要求.
由于实地做高速公路中的高速自主行驶的实验比较困难 目前我们只做了有关的理论研究和仿真验证.
7
结论(Conclusion )
本文介绍了多功能室外移动机器人实验平台
THMR -V 以及目前THMR -V 所具备的功能 今后
的研究是继续完善其临场感遥控驾驶功能和在高速公路上的自主行驶和辅助驾驶功能 并将在THMR -V 研制过程中获得的关键技术应用于其他领域.
参考文献
(Ref erences )
1
艾海舟 张朋飞 何克忠 张军宇等.室外移动机器人的视觉临场感系统.机器人 2OOO 22(1):28-32
2
张朋飞 艾海舟 何克忠.高速公路车道线的快速检测跟踪算法.机器人 1999 2l(7):579-587
作者简介:
张朋飞(1971-) 男 博士研究生.研究领域：临场感遥控
系统 视觉导航系统.
何克忠(1936-) 男 教授.研究领域：移动机器人 计算机
控制技术.
2012重庆高考英语1
O 1第24卷第2期张朋飞等：多功能室外智能移动机器人实验平台 THMR -V
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议