一种基于机器人的远程呈现遥感系统研究

韦 宇

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

随着人类科技发展和社会分工精细化，一些自然灾害救援、恶劣地质环境科考等不适宜人类身处一线的工作，可以交给机器人完成。目前的机器人已经能够胜任精确、重复性的工作，根据使用环境特点设计的机器人，可以很好地弥补人类自身生理的短板。但很多时候，机器人还不能够灵活地为新任务进行自我调整，也不能应付一个不熟悉的或不确定的情景。因为目前对人脑智能机理尚未研究清楚，从技术上要赋予机器类人级别的人工智能还有很长的路要走。本文的主要研究方向是如何利用目前发展快速的技术短周期内实现机器人胜任恶劣环境下智能作业。

1 系统方案

1.1 系统原理

机器人的技术按照通常的理解分为3个部分：感知、认知和行为控制。感知部分主要是基于视觉、听觉及各种传感器的信息处理；认知部分则负责更高层的信息处理，如记忆、学习、推理、决策等。计算机在数据存储和深度学习方面可以胜任，推理和决策方面尚有不足仍须人为介入；行为控制部分是针对机器人的行为进行控制。

引入了遥感的概念，机器人部署在现场，后台和操作者利用机器人的采集信息达到无接触远程探测现场环境，在现场之外实时地感知现场，并有效地进行某种操作。整个感知和行为控制过程就是人机的信息交互过程。远程呈现人机交互技术，是一种让操作者穿戴动作捕捉设备，操作者的肢体动作转换成动作指令传递给机器人，机器人完成动作所采集的视音频等传感信息及指令闭环反馈给后台。后台还需要获取机器人现场的定位信息和现场地图数据，机器人定位信息采用机器人集成定位导航模块获取，现场地图由后台调用商用地图云服务获取，服务覆盖不到区域通过租用测绘卫星来获取实时现场卫星影像后绘制地图。最后后台对视频、音频数据进行全景缝合和声场复原，并对所有数据进行分析形成辅助信息，全景缝合视频数据、声场复原数据和辅助信息通过操作者的虚拟现实头显和耳机反馈，进而实现信息链路的闭环，如图1所示。

接下来就要根据该系统的特点设计通信系统，恶劣地质环境多处人迹罕至，自然灾害形式和地点都不固定，有线通信从建设成本和可执行性上都不可能，唯有无线通信技术可以胜任。当前流行的无线通信技术有4GLte，UMTS/3GPPw/HSDPA，CDMA2000，GSM，Infrared(IR)，ZigBee，Bluetooth，RFID，WiFi，微波通信等。先分析本系统需要通信的数据量，后台或操作者发送给机器人的上行链路数据包括动作指令数据、音频数据、机器人系统指令数据。机器人发送给后台和操作者的下行链路数据包括动作反馈数据、音视频数据、机器人状态数据。其中动作指令数据是由动作捕捉设备产生，穿戴式动作捕捉设备采用惯性导航式动作捕捉，在操作者可活动的部位处部署陀螺仪、加速计、磁力计，测量该关节的活动旋转、运动距离、运动方向等信息[1]。假设机器人根据人体可活动关节数量对称设计，人体可活动部位包括头部、肩部、大臂、小臂、手、胸口、尾椎、大腿、小腿、脚踝、指骨等总计45个，每颗陀螺仪/加速计/磁力计采用I2C接口数据，I2C总线最大码率为400 kbps，音频数据采用AAC编码，码率192 kbps，机器人系统指令数据按照10 Mbps预计，那么，上行链路的数据吞吐量如公式1所述。

上行链路数据吞吐量=动作指令数据+音频数据+机器人系统指令数据=45×3×400 kbps+1×192 kbps+10 Mbps≈65 Mbps （1）

同理，下行链路的动作反馈数据等同于动作指令数据量，机器人状态数据量（含定位数据）等同于机器人系统指令数据。机器人按照人的视听觉生理结构的双目双耳设计，视觉按照800万像素（约4 K高分辨率）计算，一路4K音视频数据采用H.265编码码流约为22 Mbps，那么，下行链路的数据吞吐量如公式2所述：

下行链路数据吞吐量=动作反馈数据+音视频数据+机器人系统状态数据=45×3×400 kbps+2×22 Mbps+10 Mbps≈108 Mbps （2）

上下行链路各自吞吐量不应低于108 Mbps，从数据吞吐量的要求和信号抗干扰能力的要求只剩下微波通信技术能满足。本系统机器人同后台通信采用分组微波通信技术，采用链式中继组网方式，56 MHz信道256QAM调制，空口吞吐量366 Mbps，有效载荷345 Mbps远大于上下行各自的数据吞吐量要求[2]。

图1 系统示意

1.2 系统组成

本系统由机器人系统、远程呈现遥感两大系统组成，采用基础支撑层、应用支撑层、系统应用层、平台访问层的纵向分层架构思路设计（见图2）[3]。

图2 系统架构

1.2.1 基础支撑层

机器人侧部署多目摄像头（内含稳像光学系统）、拾音器、体感采集器、扩声器、音视频编码设备、微波通信设备、导航设备。

通信系统部署移动微波中继终端、微波通信设备、卫星（用于定位和测绘）及卫星通信设备。

操作者侧部署穿戴式动作捕捉设备、体感反馈设备（机器人侧提供的体感数据反馈）、扩声阵列（耳机）、虚拟现实头显。

后台侧部署解码设备、服务器、操作终端、显示单元、存储阵列。

1.2.2 应用支撑层

机器人侧提供机器人设备管理功能、机器人体感控制功能。

通信系统提供信道加密功能。

后台侧提供授权管理功能、地图功能（既有城市地图、卫星测绘地图）、数据分析功能、操作者设备管理功能、操作者体感采集功能、体感处理功能、全景视频缝合功能（机器人多目摄像头的影像缝合），全景声场复原功能（机器人拾音器采集音源复原）、虚拟置入、人机同步等功能。

1.2.3 系统应用层

机器人系统包括仿人关节机理的机械系统、仿人视觉听觉生理机理的信息采集系统、微波通信系统。

远程呈现遥感系统包括管理系统、通信系统（微波和卫星）、人工智能系统、虚拟现实系统。

1.2.4 平台访问层

提供管理终端和操作者终端接入功能，管理终端提供整个平台设备管理功能、数据分析和决策功能。操作者终端提供远程呈现遥感操作功能。

2 结语

本系统是个涉及学科繁多的大系统，囊括了机器人、人工智能、无线通信、远程呈现、传感技术、遥感技术等。方案有些环节还留有遗憾，例如如何优化机器人侧的无线通信的终端和天线设备的尺寸、如何延长机器人的电池续航能力等技术问题。

[参考文献]

[1]邓杏杏，朱大明，杨袁聪.基于全景图的虚拟现实系统研究与探讨[J].地矿测绘，2009（1）：26-28.

[2]赵正旭，戴欢，赵文彬，等.基于惯性动作捕捉的人体运动姿态模拟[J].计算机工程，2012（5）：5-8.

[3]张乃平，李亭，李国润.利用远程呈现技术构建“三华”调度会商系统[J].电力系统通信，2011（3）：17-20.