煤矿井下探测机器人的远程监视与控制

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1、太原理工大学硕士学位论文煤矿井下探测机器人的远程监视与控制姓名：邓勇军申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：牛志刚20100501太原理工大学硕士研究生学位论文 I 煤矿井下探测机器人的远程监视与控制 摘 要 随着机器人技术的飞速发展，机器人在煤矿井下事故救援中将发挥巨大作用。煤矿井下探测机器人是应用于矿难事故发生后，可以进入井下进行现场数据采集和完成探测任务的机器人，其研制对于未来的灾后救援，特别是保障救援人员的安全具有重要意义。通过实现对机器人的远程监控，确保其完成井下探测任务，是本文的主要研究内容。 本文以煤矿井下探测机器人为研究对象，在分析了煤矿井下探测机器人远程监控系统

2、的任务和功能要求的基础上，将机器人远程控制技术与视频监控技术相结合，设计研究了煤矿井下探测机器人远程监控系统。该系统分为三个子系统：本地机器人控制子系统、中间层通信子系统和远程客户端控制子系统，采用监督模式控制。 本文在对两种软件结构模型C / S 和B / S 特点进行分析的基础上，确定了远程监控系统软件采用C / S 结构模型。根据对客户端和服务器端软件功能的要求，采用基于M F C 的多线程编程技术对客户端和服务器端软件进行了设计，并且根据用户软件主界面的设计要求，设计了具有人机交互特点的主界面。 通信子系统是连接客户端和机器人的纽带，对远程视频监控的实现起着决定作用。本文对煤矿井下探测

3、机器人的通信方式进行了研究，通过对多种通信方式的对比分析，提出了在井下采用无线中继通信的组网方案。根据传输信息可靠性和实时性的特点，选择使用了不同的传输层协议，对于数据信息采用T C P协议，视频信息采用U D P 协议，通过S o c k e t 编程设计实现了传感器状态数据、客户端控制命令以及现场视频的传输。 视觉系统作为机器人的眼睛，担负着现场视频采集的任务，本文对视频采集设备包括照明光源、摄像机以及视频采集卡进行了选型和设计。通过对比分太原理工大学硕士研究生学位论文 I I 析，确定了采用压缩比高、压缩质量好的H .2 6 4 标准作为视频编码方式，选择了开源的软件编码器T 2 6 4

4、 来进行编解码工作，采用V F W 编程实现了视频采集压缩以及解压显示的过程。最后采用灰度变换法和直方图均衡化法对重要的视频图像进行了增强处理，使得图像更加清晰，更加便于理解分析，保证了视频图像的有效性，为进一步决策提供可靠依据。 关键词：煤矿井下探测机器人，远程监控，无线通信，S o c k e t ，视频传输太原理工大学硕士研究生学位论文 I I I REMOTE MONITERING AND CONTROL OF COAL MINE DETECTION ROBOT ABSTRACT With the rapid development of robotics, robots will p

5、lay a significant role in coal mine accidents rescue. Coal mine detection robot is a kind of robot which is used to explore the mine site and collect data after the coal mine accident, and its development is very important for future disaster relief, particularly for protecting the safety of aid wor

6、kers. To ensure the completion of underground exploration tasks by implementing robot s remote monitoring and control is the main content of this paper. Coal mine detection robot is taken as the research object in this paper, for which remote monitoring and control system is researched and designed

7、by combining the remote control technology on robot and video monitoring technology based on the analysis of system tasks and functions required. Supervision mode is adopted in the system that consists of three subsystems: the local control subsystem of the robot, communication subsystem in the midd

8、le layer and remote client control subsystem. On the basis of analyzing the characteristics of C/S and B/S structure model, the former is used as the system software s architecture. Client and server software are designed according to the functional requirements of them by using multithread programm

9、ing techniques based on MFC, and their main interface of human- computer interaction are also designed according to the design requirements of user s software interface. Client and robot are connected by communication subsystem, which plays a decisive role for the realization of remote video surveil

10、lance. In this paper, the coal mine detection robots communication mode is studied and a communication network scheme relying on wireless relaying in the underground is proposed after comparing and analyzing multiple communication methods. Different transport protocols are 太原理工大学硕士研究生学位论文 I V chose

11、for the transmission of information according to the characteristics of reliability and real- time, specifically, TCP protocol is chose for data transmission and UDP protocol is chose for video transmission. Futhermore, transmission of the sensors state data, the client s control commands and live v

12、ideos are implemented by employing Socket programming. As the robots eyes, vision system shoulders the task of live video capture. Video capture devices including the light source, camera and video capture card are selected in this paper. After comparing and analyzing, H.264 video compression standa

13、rd is determined as the coding method because of its high compression ratio and good compression quality, at the same time, the open- source software codec T264 is chose to work for encoding and decoding. The whole process including video capture, compression, decompression and display is finished b

14、y VFW programming. Finally, video image enhancement processing is performed with the gray scale transformation method and histogram equalization method to make the video images clearer and easier to understand, ensure the effectiveness of video images, and provide a reliable basis for further decisi

15、ons. KEY WORDS：coal mine detection robot, remote monitoring and control, wireless communication, Socket, video transmission太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 1.1.1 机器人的定义 1920 年，捷克剧作家 Karel Capek 在戏剧剧本Rossum s Universal Robots中，描述了一个具有人的外表、特点和功能的机器，并命名为“Robota” 。英语“Robot”就是由此演变而来的，汉语译为“机器人” 。后来，机器人作为

16、一种虚构的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些特殊环境下的工作。20 世纪 60 年代出现了作为可实用机械的机器人，为了把这种机器人同虚构的机器人及玩具机器人加以区别，称其为工业机器人。 工业机器人的兴起促进了大学及研究所对机器人的研究。到 70 年代，机器人作为工程对象已经被确认，机器人学一词也受到公认。目前，机器人学的研究对象已不仅仅是工业机器人，其定义也随着时代在变化。机器人学把具有下述性质的机械看作是机器人，并以此作为研究对象1- 3： 1）可以代替人进行工作：机器人能像人那样使用工具和机械，因此，数控机床和汽车不是机器人。 2） 有通用性： 既可简单地变换所进行的作业，又能按照工

17、作状况的变化相应地进行工作。 3）直接对外界做工作：不仅是像计算机那样进行计算，而且能依据计算结果对外界产生作用。 现在机器人学已发展成为一门综合性的交叉学科，它得益于机械工程、电气与电子工程、计算机科学、生物学以及认知学等许多其他学科的发展。 1.1.2 机器人的分类 机器人的分类方法有很多种，根据机器人由低级向高级发展程度分类，一般将机器人分为三代。根据机器人的负载能力和动作空间的大小分为大型机器人、中型机器人、小型机器人和超小型机器人等。按照机器人的应用分类，有工业机器人、军用机器人、娱乐机器人和医用机器人等4。 按照基于什么样的信息进行动作来分类， 可以分为如下几种， 如表 1- 1

18、所示： 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 表 1- 1 机器人的分类 Table 1- 1 Classification of robot 机器人的种类 特 征 操作机器人 (operating robot) 人在一定距离处直接操作机器人进行作业 程序机器人 (sequence control robot) 机器人按预先给定的程序、条件、位置进行作业 示教再现机器人 (playback robot) 由人操纵机器人进行示教后，机器人就重复进行这个作业 数值控制机器人 (numerical control robot) 通过数字和语言给定作业的顺序、条件和位置等信息，机器人依据这一信息进行作业

19、 智能机器人 (intelligent robot) 机器人依据智能（感觉信息的识别、作业规划、学习等能力）确定作业 1.1.3 机器人的应用 机器人正向着智能化和多样化等方向发展，其应用也越来越广泛，几乎渗透到所有领域，以下列举了机器人的一些最新应用。 2008 年 3 月， 由美国国防部资助、 波士顿动力学工程公司研究设计了一种军用机器狗 “Big Dog” ，如图 1- 1 所示，这只机器狗与真狗一般大小，由汽油机驱动的液压系统带动四肢运动，陀螺仪和其他传感器帮助机载计算机规划每一步的运动，内力传感器可探测到地势变化，根据情况做出调整。它的主动平衡性通过四条腿维持，每条腿有三个关节靠传动

20、装置提供动力，并有一个“弹性”关节，这些关节由一个车载计算机处理器控制。Big Dog可以攀越 35 的斜坡，还可以承载 40 多公斤的装备。 美国“凤凰”号火星探测器是第一个在火星北极附近着陆的人类探测器，已经探测到来自火星云层的降雪，而且找到了火星上曾经存在液态水的最新证据。 “凤凰”号长 5.5 米，宽1.5 米，重约 350 公斤，共有三条腿支撑。成功着陆火星后，它展开两扇太阳能电池板，在火星上进行探测。它具备很强的科研能力，携带了一整套专门研制的作业工具和先进的科研分析仪器，科研设备重达 55 公斤，如图 1- 2 所示。 日本推出家务助理机器人，如图 1- 3 所示，这个由东京大学

21、研究人员和乐声公司合作研制的多关节机器人是特别为做家务而设计的一系列机器之一。这个家务助理机器人长有一约1m的手臂，机器人手臂上有 3 个关节，能自由弯曲。手臂前端是长约 20cm的手掌，安装了18 个精密的感应器，能够用“手掌”紧握瓷器和餐具，不会让它们掉下或弄碎它们。机器人的感应器还安装了内置摄影机，能够在拿起碗碟厨具放入洗碗碟机之前，确定放在洗涤槽里的碗碟的形状和大小。 我国自主研发的水下机器人北极“ARV” ，采用自主与遥控混合作业模式，是具有全部自太原理工大学硕士研究生学位论文 3 主知识产权的北极冰下自主与遥控海洋环境监测系统，携带温盐仪、仰视声呐、光通量测量仪和水下摄像机等多种测

22、量设备，实现了对北极冰下海冰物理特征、水文和光学特性的同步观测。 并且已在北纬 84 北冰洋海域成功完成冰下调查，这是中国水下机器人首次在如此高纬度开展冰下调查工作，如图 1- 4 所示。 图 1- 1 军用机器狗 图 1- 2 凤凰号火星探测器 Fig.1- 1 Big Dog Fig.1- 2 Phoenix Mars Lander 图 1- 3 家务助理机器人 图 1- 4 北极“ ARV” Fig.1- 3 Assistant Robot Fig.1- 4 ARV 1.2 煤矿井下探测机器人的研究背景和意义 近年来，我国煤矿安全生产形势总体虽有所好转，但依然很严峻，矿难救援水平相对滞后

23、。据国家煤矿安全监察局数据，仅 2008 年就发生矿难 116 起，死亡 759 人。特别是 2009年 2 月 22 日，山西焦煤集团西山煤电公司屯兰煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故，造成 78 人死亡、114 人受伤（其中重伤 5 人） ，造成了非常大的负面影响，煤矿安全生产形势不容乐观。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 除了机械化程度低、煤层地质结构复杂、高瓦斯矿井多等原因之外，矿难救援水平落后也是一个不可忽略的重要因素5。煤矿事故发生后，无法迅速准确地得到灾难现场的信息，如瓦斯浓度的高低、灾难现场是否发生火灾、被困人员的位置以及现场温度、氧气含量、CO等有害气体的含量、现场倒塌状况等，

24、井下被困人员面临极其危险的状况，需尽快地得到救援。传统救援方式，只能通过派人到现场进行救援，危险性大，时间周期长，导致被困人员一般生还希望不大，同时，在营救过程中，矿山救护队面临威胁自身安全的许多挑战，往往因为事故矿井巷道情况复杂，有毒有害气体集聚，极易发生次生事故，造成救援人员伤亡。 在这种紧急而危险的环境下，研发可以代替或部分代替救护人员，及时、快速深入矿井灾区进行探测工作的机器人，对搜救工作的迅速开展和保障救援人员自身安全都具有极其重要的意义。机器人技术的飞速发展和其应用领域的不断拓展，使机器人应用于煤矿并完成井下探测成为可能。 煤矿井下探测机器人主要用于煤矿井下发生安全事故时的实时探测

25、和紧急救援。它适用于各种有害气体、高温、高压、爆炸、水、火、放射等恶劣环境，可到达人员不可到达的环境，有利于掌握事故现场第一手信息和资料，提高救援效率，最大限度地减少伤亡和损失。可以监测到井下各种有害气体的浓度、环境温度、伤员位置及状态、建筑物破坏等情况。通过数据、声音、图像传输，真实反映井下事故现场的情况，给救援中心决策提供科学依据，并完成一定程度的救援工作6。 煤矿井下探测机器人的研发是一项生命工程、安全发展工程，应尽早在煤矿事故抢险救援过程中发挥作用。探测机器人的研发首先要立足煤矿，在事故救援中加以推广和应用，然后再研究系列化、多功能的产品，拓宽应用领域，开辟我国应用机器人参与抢险救援工

26、作的先河。 1.3 煤矿搜救机器人的研究现状 1.3.1 国外研究现状 在国外，美国、日本、加拿大等发达国家近年来在救援机器人的研究方面做了大量工作，发展迅速，技术已日益成熟，取得了很多研究成果，并已进入实用化阶段，取得了良好的效果，广泛应用于战场侦查搜救、地震和矿难等灾后的探测、搜救工作。近年来见诸报端，且具有代表性的有以下几种： 由引领世界危险作业机器人制造的美国 Remotec 公司研发、美国矿山安全和健康管理局（MSHA）资助的矿井救援机器人 V27，可以代替矿工在存在安全隐患的井下行走。它大约太原理工大学硕士研究生学位论文 5 高 1.2m，重量超过 540kg，安装有一个机械臂。V

27、2 由防爆马达驱动橡胶履带前进，装备有导航和监视摄像机、照明装置以及气体传感器，具有夜视能力和两路电话通信。V2 通过光缆通信，由遥控操作，探险距离可达 1.5km，操作者可以在安全的地方实时监测视频信息以及易燃、有毒气体的浓度。V2 机器人可以进行煤矿探测，提供有价值的信息给救援队，帮助他们计划和实施矿山搜救工作，并且在美国 Sago 煤矿爆炸事故救援中发挥重要作用，如图 1- 5 所示。 美国 Sandia 国家实验室的智能系统和机器人中心（ISRC）发明了 RATLER（Robotic All Terrain Lunar Exploration Rover）机器人，它最初是一部月球探测车

28、，在犹他州矿难中大显身手。该机器人采用遥控操作，具有良好的移动能力，通过无线射频信号收发器，遥控直线距离约为 75m，采用电池供电。另外还装备有红外摄像机、陀螺仪、危险气体传感器等仪器，如图 1- 6 所示。 图 1- 5 V2 机器人 图 1- 6 RATLER 机器人 Fig.1- 5 V2 Fig.1- 6 RATLER 美国 iRobot公司研制的 PackBot8系列搜救机器人既可用于战场搜救， 也可用于煤矿灾后搜救任务。它具有良好的攀爬和越障能力，可以爬 60 的坡，时速可达 9.3km/h，并且能在狭小和崎岖的通道里自主导航，传回实时视频信息和其他传感器信息供操作人员判断。该机器

29、人便于携带，可以在两分钟内快速展开，进入到隧道、废墟、井下等实施作业。操作人员可以通过类似游戏操纵杆的控制器进行远程控制。另外，该机器人还具有很好的抗压防爆性能，如图 1- 7 所示。 日本千叶大学研制的蜂鸟搜救机器人，由微型马达驱动，飞行时翅膀扇动频率可达到每秒钟 30 次，有如真实蜂鸟一般。该机器人通过远红外操控，可以以各种姿势上下翻飞。 据说，这个小机器人要比一架直升机还要坚固。设计这种机器人主要为了用于各种搜救任务，下一太原理工大学硕士研究生学位论文 6 步将会在一个 10cm 长的机器人上加装微型摄像头，这样会更利于快速地搜索和解救由于建筑坍塌而被困住的人，如图 1- 8 所示。 图

30、 1- 7 PackBot 机器人 图 1- 8 蜂鸟机器人 Fig.1- 7 PackBot Fig.1- 8 Hummingbirds Robot 从国外研究状况来看，搜救机器人已广泛应用于战场搜救和地面搜救，技术成熟。但由于国外采煤设备先进，煤矿多为露天煤矿，而我国的煤矿多为深井矿，因此国外的搜救机器人并不适用于我国矿难发生后的井下搜救探测。 1.3.2 国内研究现状 在国内，目前有许多高校和科研院所以及专业公司都从事机器人的研发工作，也取得了不少成果，但与国外相比，总体处于落后水平。由于近年来我国矿难频发，伤亡人数剧增，加之引进国外救援机器人成本昂贵，因此，国内许多单位针对我国煤矿事故

31、救援的特点，相继展开了煤矿搜救探测机器人的研发工作。比较有代表性的有中科院沈阳自动化所、中国矿大可靠性与救灾机器人研究所和沈阳新松公司。 中科院沈阳自动化所研制了一种蛇形机器人，该机器人长 150 厘米，腰围 8 厘米，体重3 公斤，由 16 个单自由度关节模块和蛇头、蛇尾组成，头部装有微型摄像机，可以实时采集现场图像并用无线电传输发回监控台。这个蛇型机器人具有三维空间运动能力，能做出各种复杂的动作，希望用它代替人从事诸如探测疏理管网通道，深入洞穴缝隙，在灾后的废墟中抢险救生等危险性工作。 2006 年由中国矿业大学研制的 CUMT- 1 型煤矿搜救机器人（样机） ，是我国第一台针对煤矿救援的

32、机器人9- 10，如图 1- 9 所示。该机器人采用点对点的无线控制方式，将自主避障和遥控引导相结合，有效控制范围约为 300 米。它能在矿难发生后进入事故现场，探测井下温度、瓦斯浓度和生命特征等信息，并将采集到的信息和图像实时传回监控中心，为救援指挥太原理工大学硕士研究生学位论文 7 人员提供参考。同时，该机器人还携带有急救药品、食品和千斤顶、撬棍等自救工具以协助被困人员实施自救。目前正在研究采用中继站式无线通讯方式，成功后可在 1.5 公里范围内实现对机器人的无线控制。 另外有多家单位也正在进行煤矿井下搜救探测机器人的研制工作，但是总体来看，国内的搜救探测机器人均处于试验与研制阶段，并未真

33、正投入到煤矿灾后救援的任务中，因此还有待于实际救援中的进一步检验。 图 1- 9 中国矿大 CUMT- 1 型样机 Fig.1- 9 CUMT- 1 prototype 1.4 煤矿井下探测机器人研究的关键技术 1.4.1 自主环境适应技术 煤矿巷道本身是一个非常复杂的三维非结构化环境，如煤矿巷道分支岔道多、坡度大，巷道内还有轨道和传输带以及各种用途的管线等，特别是矿难发生后，原有结构往往遭到不同程度的破坏。机器人置身这种复杂环境，必须具有适应复杂环境的通行能力、可靠驱动能力和自主环境适应能力，如避障、越障、跨越沟渠、爬坡、快速机动等能力。为应对井下易燃易爆气体、粉尘、水坑等恶劣环境，机器人本

34、体还应该具有防爆、防尘、防水等性能。另外，机器人还应该具有结构紧凑、便于运送等特点。再者，在如此复杂的环境下，完全依赖直接遥控操作机器人会使机器人的运动效率低甚至是行不通的，因此，自主环境适应技术对于井下搜救探测机器人是至关重要的。 1.4.2 井下通讯技术 煤矿井下救援探测机器人需要获取巷道内有害气体浓度、风速风压、煤尘及温度等信息，太原理工大学硕士研究生学位论文 8 并将其发送到指挥中心。爆炸性矿难发生后，巷道结构遭到不同程度的破坏，还有可能继续发生塌方，甚至发生后续爆炸。救援指挥人员及时了解爆炸现场的真实情况对正确制定施救方案具有重要意义，因此，煤矿搜救探测机器人必须具有采集沿途巷道和矿

35、难现场图像信息并将其实时发送到指挥中心的能力。矿井长度通常达几公里，甚至几十公里，所以，煤矿救援探测机器人与地面监控和指挥中心的信息传输必须满足远程、大容量和实时性的要求。由于无线通讯在巷道中会受到严重的回波干扰及信号急剧衰减，因此，寻求一种有效实用的井下信息传递方式是必须解决的关键技术问题。 1）基于加强光纤的宽带通讯及光纤自主释放技术研究：机器人自身携带毛细光纤及其释放装置，在机器人向目标运动的过程中，根据光纤张力，实现光纤的自主释放，利用毛细光纤实现载荷信息包括视频信息的有缆实时传送。 2） 自主返回技术研究：与通讯相关，光纤释放到尽头表明机器人已经达到最长行进距离，此时机器人可以停留在

36、原地作信息采集，也可以与光纤脱离，依据其记忆的里程计数据结合自主巷道跟踪与避障能力自主返回。 3）多机器人长距离通讯中继方法研究：对于长距离巷道，可以采用多台机器人以纵队依次用光缆连接编队移动方式，位于队列末尾的机器人停留在其光纤极限处并充当通讯中继；倒数第二台机器人停留在与上台机器人相距光纤极限距离处，并依此类推。 4）探索基于多中继点的井下无线通讯：机器人自身携带多个无线传输节点；根据情况自主沿途布放；研究并验证在强回波条件下无线通讯的可行性。 1.4.3 井下自主定位与导航技术 煤矿矿难发生后，救援指挥人员需要了解的不仅仅是离散地点的现场信息，更需要了解事故发生地在矿道中的准确位置。在煤

37、矿巷道内虽然有少部分标识，但这些标识在矿难发生后会遭到毁坏，无法提供机器人定位和导航所需的参考信息。此外，地下环境内所有设备均无法接收到 GPS 信号，因此，利用环境标识信息和 GPS 对机器人进行定位是行不通的。此外，惯导系统和数字罗盘虽然具有良好的自主性，但惯导系统的累积误差会随时间增长，数字罗盘易受外界环境中磁场干扰。为此，必须针对煤矿井下特殊环境，研究煤矿井下救援探测机器人自主定位与导航技术，为高效率救援提供依据11- 13。 1）自主定位与导航系统：研究以惯性元件和数字罗盘为主体，以里程计、自然路标等多源信息融合技术为误差校正手段的组合定位技术；研究基于数字地图和车载分布式传感器的适

38、用于煤矿巷道的自主导航技术；构建煤矿井下搜救探测机器人的自主定位与导航系统； 2）自主定位与导航系统的误差校正和补偿：研究煤矿井下搜救探测机器人定位与导航系太原理工大学硕士研究生学位论文 9 统的误差时空演化规律，以及相关的误差校正及补偿技术，为机器人的自主定位与导航提供依据； 3）煤矿救援探测机器人航迹显示系统：研究能显示在地面救援指挥中心终端上，并与数字地图及关键路标相匹配的界面技术，在数字地图上实时显示煤矿搜救探测机器人在井下行进的航迹。 1.4.4 人- 机交互技术 煤矿井下环境的复杂特性使得机器人以全自主的方式移动面临巨大的技术难度，把机器人对井下环境的自主适应能力与遥操作结合起来，

39、是解决井下机器人高效运行问题的有效途径。因此，需要对机器人远程操作和人机交互技术14- 15开展研究，同时为非机器人专业的煤矿救援人员提供良好的操作界面。 1.5 本课题主要研究内容 本课题以太原理工大学机械工程学院机器人实验室正在研制的煤矿井下探测机器人为研究对象，根据煤矿井下探测的工作特点和任务要求，设计煤矿井下探测机器人远程监控系统。 根据课题要求和实际情况，主要研究内容如下： 1）研究机器人远程监控技术，对机器人远程控制模式和影响远程控制性能的因素进行分析，并据此设计煤矿井下探测机器人远程监控系统的总体结构。 2）构建远程监控系统硬件结构，研究基于 MFC 的多线程编程技术，采用C/S

40、 结构模型，在 VC+6.0 环境下，引入多线程技术，对客户端和服务器端软件进行设计，并设计具有人机交互性的主界面。 3）研究煤矿井下探测机器人通信技术，设计机器人通信系统，并通过 Winsocket 编程，实现数据和视频信息的远程传输。 4）构建机器人视觉系统，通过编程设计实现对煤矿井下探测机器人的远程视频监控，包括视频采集压缩、发送、接收、解压显示，并对采集到的重要视频图像进行增强处理，使图像显示更为清晰。太原理工大学硕士研究生学位论文 1 0第 2 章 煤矿井下探测机器人远程监控系统总体设计 2.1 机器人远程监控系统技术研究 随着自动化技术、计算机技术、网络通信技术和仿生学等各学科的飞

41、速发展，机器人也越来越朝着综合学科的方向发展，机器人的控制技术也在不断进步，由单个的机器人控制到多机器人协调控制、由近距离控制到远距离控制、由简单的动作控制到具有一定智能程度的自主控制。可以说，伴随着科技进步，机器人的智能越来越接近人、其工作能力将越来越强。 现代生活中，对于一些特殊或危险环境下的任务，如战场扫雷、太空探测、海洋探险，以及人类不能到达或在对人体有危害的作业环境中，就需要机器人代替人工去完成，通过远程控制机器人在现场作业，并实时监测其工作状况，处理各种突发情况，最终达到完成任务的目的，也正因为如此，机器人的远程监视与控制成为当今机器人学的热点问题。 2.1.1 机器人远程监控系统

42、基本模型 根据远程监控系统的组成及功能划分，典型的远程监控系统16- 18可以分为：远程监控终端系统、远程信息传输系统、现场机器人监测控制系统三大部分，如图 2- 1 所示。 图 2- 1 机器人远程监控基本模型 Fig.2- 1 Robot s remote control model 1）远程监控终端系统 远程监控终端系统提供终端用户与现场机器人进行人机交互的接口。从功能方面来说，主要包括：对现场机器人发出控制命令以及输入所需的参数；监测分析机器人反馈的状态信息和现场其它环境信息，并进行必要的处理；实时显示现场状态以及进行其它相关的操作。远程监控终端系统 远程信息传输系统 现场机器人 监测

43、控制系统 控制 命令 状态信息 控制 命令 状态信息 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1随着计算机硬件性能的不断提高，以及网络技术的日渐成熟，远程监控终端系统的主要操作平台已由单台计算机，发展成为多个操作终端同时进行控制，并且其远程监控的能力也越来越强，美国的火星探测机器人就是远程监控的典型。 2）远程信息传输系统 该系统作为远程监控的信息传输通道，通常由通信设备、传输介质、通信协议和通信软件等部分组成，负责完成各类控制数据和现场状态信息的传输。具体来说，就是将现场的机器人状态信息以及采集到的现场环境信息，通过传输系统，准确、及时、可靠地传输到远程监控端，为监控人员提供现场信息，作为做出进

44、一步决策的依据；同时，还要将远程监控中心的控制命令传输到作业现场的控制主机，实现对机器人的实时监视和控制。 3）现场机器人监测控制系统 现场机器人监测控制系统是直接对现场机器人等设备进行监测控制的系统，本质上是一个以计算机为中心的集现场数据采集、控制和管理为一体的计算机控制系统，其主要任务是接收远程终端的控制命令，对机器人及相关设备进行控制，同时监测各种设备的状态，适时作出必要的分析和处理，再将这些信息通过传输系统反馈到监控中心。根据现场需要，现场监控系统的控制主机已由过去的单片机系统发展到嵌入式系统以及单台高性能计算机，甚至是多台计算机和服务器等设备组成的现场控制系统。 2.1.2 机器人远

45、程监控模式分析 以远程监控系统基本模型为基础，根据操作人员的参与程度及机器人的自主程度可以将机器人远程监控模式分为三种：直接控制模式、监督控制模式（或半自主控制模式）和完全自主控制模式。 1）直接控制模式 这种模式又称为完全遥操作控制模式，它是指机器人的所有动作，完全由操作人员远程控制实现，即遥控。操作人员通过传输系统向机器人发送基本动作指令，机器人根据指令进行动作，同时反馈信息给操作人员，作为下一步控制的依据。 这种直接控制模式由于是操作人员直接控制机器人做动作，无需机器人自己进行分析处理，所以对机器人的智能化程度要求比较低。机器人只要具有机械动作结构和底层运动控制单元即可满足要求。而对传输

46、网络和操作人员的要求相对较高，操作人员要向机器人发送详细的控制指令，如前进、后退、停止、左右转弯等基本动作指令。这就要求操作人员必须熟悉机器人的性能，恰当的掌握好控制方法，否则机器人会出现动作紊乱及无法控制等情况，达不到完成任务的目的。操作人员发送指令一般通过远端控制器如键盘、控制手柄等，也可太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2通过预先安装好的软件操作控制。对传输网络而言，由于机器人的一举一动完全依赖于人的操控，这就要求指令传送和信息反馈及时，对传输系统的稳定性和传输通道的通畅性提出了较高要求，保证传输网络延时比较小，传输准确性比较高。否则，机器人处于瘫痪状态。因此，直接控制模式适用于完成任

47、务单一、动作简单的场合。这是一种经过长期发展的控制模式，现在已广泛应用于工业生产领域，在一定程度上减轻了工人的体力劳动。 2）监督控制模式（或半自主控制模式） 监督控制模式19（或半自主控制模式）是这样一种模式，要求被控机器人具有一定的自主性和智能性，通过预先内置一些处理程序和建立相关环境数据模型，来使机器人具有局部独立完成任务的能力，远程操作者只需下一个开始工作的指令或者下达转换任务的命令给机器人，而具体任务由被控机器人自主完成。 在这种控制模式中，远程操作人员的主要任务是监督机器人，在必要的时候予以干预，进行人工控制。该模式一般由两个回路构成，即本地回路和监控回路。本地回路的机器人具有一定

48、的分析处理能力，根据传感器反馈的信息，可以地自主执行相应的指令和任务。监控回路主要是远程操作人员通过传输系统及视频图像等信息反馈， 实施监督机器人的工作状况，评估其工作效能，指导其完成任务，并且具有一定的命令优先级，当操作人员发现机器人并未按预置程序处理问题或者现场出现突发情况而机器人无法处理时，可以中断机器人工作，而由操作人员直接控制完成，这样既具有灵活性，又具有稳定性，同时也将操作人员从持续的操控中解放出来，减少了远程操作人员的实时工作量，但是需要事前充分准备，使机器人具备半自主性。这种模式也从一定程度上减少了直接控制模式中对传输网络的过分依赖，从而减小了传输延时对整个系统效能的影响。 基

49、于以上优点和机器人发展水平，这种控制模式是现阶段机器人的主要控制方式，因此本文设计的煤矿井下探测机器人远程监控系统采用监督控制模式。 3）完全自主控制模式 这种控制模式是基于自主机器人高度发展的一种模式，是监督控制模式发展到高级阶段的形式。在该模式下，单个机器人或多机器人构成一个完整的闭环系统，独立完成一项任务，几乎不需要人的参与，只需要人下达任务和验收结果，并提供机器人可靠运行所需的辅助条件，例如提供电源、对机器人进行维护等。 这种模式将是机器人发展的方向，根据需要完成的任务，将出现多种分类很细的机器人专家系统，可以自主的完成某方面的任务。随着机器人水平的不断发展，其综合处理能力也将提高，但

50、是要接近人类的智能水平还尚需时日，因此完全自主控制模式是一种理想的控制太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3模式，机器人自主程度越高，智能化水平越高，需要人的参与越少，也是机器人控制的发展方向。 对于以上三种控制模式，预测显示是大时延遥操作中的一项关键技术20，即现场被控机器人在执行远程控制终端指令之前，先在终端被控机器人模型上进行指令执行的效果预演，同时也将机器人在现场实际执行过程中的图像、视频和数据等信息反馈到远程控制终端，将预测的指令执行结果与现场实际结果进行对比，不断对系统的任务执行状况进行修正，从而提高机器人动作执行的可靠性和正确性。 预测显示在遥操作中的使用在解决时延上起到了重要的

51、作用，实验验证了预测显示的有效性，预测显示对操作者有很好的指导和提示作用，使操作者在操作后可以得到实时的操作反馈，减少了时延对系统的影响，提高了系统的可操作性。但是在复杂的未知的作业环境下，无法精确进行运动学和动力学建模，因此此方法有一定局限性。 2.1.3 影响远程监控性能的因素分析 远程监控系统必须快速、准确、稳定和可靠的运行，影响其正常运行的因素主要有实时性、可靠性和系统稳定性。这三个因素也是目前无线远程监控技术所要研究和解决的主要难题21- 23。 1）实时性 实时性是远程监控系统的一个重要性能指标。如果由于各种原因，使得监控用户发送的控制命令不能立即使设备产生作用，就会造成设备动作的

52、不连续，影响控制系统的正常工作。同时，设备的一些状态信息不能及时反馈给用户，必然引起用户在判断现场设备运行时出现偏差。这些都可以导致远程控制系统的性能不可靠。一个系统的实时性通常采用响应时间来定量描述。响应时间是指某一系统对输入做出响应所需要的时间。响应时间越短，就标志着系统的实时性能越好。 在远程监控系统中，需要传输的数据有多种，主要是反馈的设备状态数据和用户的控制命令这两种数据，它们的处理时间和传输时间对实时性产生主要影响。对于处理时间来说，受处理系统和作用系统的硬件与软件影响，因而只要合理的设计和选择硬件与软件都可以缩短该时间。而对于传输时间来说，如果传输系统属于专用的远程通道，那么传输

53、介质的选择将是决定性的因素。如果是借用其它信道的方式，比如公用电话网、GSM、因特网，传输方式及传输协议的设计选择将是主要的决定因素。对于基于无线网络的远程监控的传输系统，传输时间是决定系统实时性的主要的因素，因而必须合理有效的设计和选择一定的网络传输协议，以达到缩短总的消耗时间的目的，从而改善实时性。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 42）可靠性 一个远程监控系统的可靠性主要是指远程监控终端系统、远距离数据传输系统和现场设备监控系统的可靠性。可靠性是一个控制系统的基本要求之一。 对于远程监控来说，传输系统的可靠性是最为重要的一个方面。而传输系统的可靠性在于传输介质与传输方式等因素。可靠性

54、可以用公式（2- 1）描述。 ()R=MTBF/ MTBF+MTTR （2- 1） 其中，R表示可靠性，MTBF表示平均无故障时间，MTTR表示平均故障修复时间。因此，增大可靠性的有效思路是增大平均无故障时间或者减少平均故障修复时间。 3）稳定性 稳定性因素是指现场监控终端的在监控终端的监控下，能够稳定运行，不产生震动、中断、跳变等不正常现象。第一，由于时延的影响，现场监控系统在上一步命令执行完成，而没有接收到下一步执行的控制命令时，必然产生一定控制过程中断。如果现场监控系统没有对该中断作出一定的弥补措施，必然导致不可预测的结果；第二，现场控制系统产生了异常错误，要求监控终端给予快速修正，但是

55、，由于传输时延影响，数据到达监控终端需要一定的时间，从而使得异常错误在现场没有得到有效的终止，有可能导致不可预测的结果；第三，数据传输的错误有可能导致出现不稳定状态，传输系统可能由于外界干扰等原因使得数据传输错误，导致了对设备控制出现不可预测的结果，从而影响系统的控制稳定性。 2.2 煤矿井下探测机器人远程监控系统设计 2.2.1 系统功能要求 煤矿井下探测机器人的主要任务是灾害发生后到井下现场开展探测任务，采集井下环境信息，为救援人员制定安全可行的救援方案提供决策依据。 远程监控系统主要完成的功能有： 1）实现远程客户端对井下机器人的实时监控。用户可以通过视频监控，实时观察机器人在井下的工作

56、状况。通过机器人各种传感器反馈的信息，确定井下环境信息及机器人运动情况和状态信息。 2）根据机器人传感器反馈的信息，通过通信系统向井下机器人发出控制指令，同时可以设置机器人的某些参数，完成状态的检测与变换。 3）实现远程客户端与机器人端的人机交互，完成与机器人的通信。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 52.2.2 总体方案设计 根据远程监控系统的系统功能要求和机器人要完成的任务，煤矿井下探测机器人远程监控系统分为 3 个子系统：本地机器人控制子系统、中间层通信子系统和远程客户端控制子系统，系统总体结构如图 2- 2 所示。 图 2- 2 远程监控系统结构示意图 Fig.2- 2 Schem

57、atic diagram of remote control System 本地机器人控制子系统包括机器人本体结构、车载 PC 和视频采集设备，以及加载的传感器等设备。主要实现机器人的本地控制，同时接受客户端经由中间层传来的控制命令，以及负责将机器人本体的相关信息经由中间层反馈至客户端，使远端的用户能够随时掌握机器人当前的状态。视频采集设备利用摄像机对现场场景和机器人的运动状态进行摄像，视频图像经编码压缩后被发送给远程客户端，客户端经过解码显示和图像处理，实时对机器人状态和现场环境进行监控。 中间层子系统为通信系统，主要完成与远程客户端子系统以及机器人本地控制子系统的交互，同时实现数据信息和视

58、频的实时传输。由于井下的特殊环境，难于实现地面对井下机器人的直接远程控制，因此本设计所研究的远程监控中心设在井下安全地带，地面设有监控中心与井下监控中心通信，实现对机器人的间接控制。 井下监控中心用户 机器人本体 摄像机 各种传感器 电源、照明等设备 车载PC 本地机器人控制子系统 无线局域网 地面监控中心 远程控制计算机 远程客户端控制子系统 通信子系统 控制命令 反馈信息 有线网络 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 6本设计中的远程客户端子系统指井下监控中心。其核心为远程控制计算机，是用户直接与之交互的部分，它接收用户的输入，发送控制指令，从中间层子系统获取传感数据和视频图像等信息，并进

59、行机器人和场景信息的再现。 2.2.3 机器人本体结构 煤矿井下巷道狭窄，工作空间狭小，不适合大型移动设备的运行，并且存在石块、未回填坑、水坑、泥泞等路面情况，这些在矿难发生后会更加恶劣。煤矿井下环境的特殊性和复杂性要求机器人整体机构不宜过大；有很好的越障能力，以穿越泥泞、水坑、陡坡以及一定的石块、煤块等障碍；节能、防水、防爆等。 机器人本体结构的主要性能及具体参数如下： 1）总重100kg； 2）长、宽、高1.20.80.5m； 3）最大平地速度8km/h；最大上下坡角度30，最大越障高度0.3m，最大越沟宽度0.5m； 4）自备电源运行时间4h； 如图 2- 3 所示，机器人本体结构采用模

60、块化设计，由主履带单元、摆臂单元、支架单元和传感器支撑臂单元四部分通过支撑轴、连接板连接而成，拆装方便、便于日后维护。机器人采用圆周对称布局。机器人整体结构分三段，左右共六段履带单元通过主双联轮、从双联轮和小轮连结起来，左、右主履带分别驱动，实现装置的灵活转弯，前摆臂单元向上折转可使装置顺利爬上台阶式障碍，后摆臂单元向下折转可使装置平稳地支撑，避免后翻。传感器支撑臂有两个自由度，在电机驱动下可以分别绕垂直轴和水平轴旋转，实现传感器在空间姿态调整。 该机器人由于采用分段式履带，直接由主双联轮和从双联轮构成履带轮，而且双联轮和小轮构成的前、后摆臂可在竖直平面内分别独立旋转，使得该机器人可采用多种移

61、动方式在路面崎岖不平、障碍物较多的煤矿井下环境中行驶，在前方遇到障碍、坑洼沟壑以及各种路况条件下均能顺利通行，具有较强的越障能力和良好的地面适应性。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 7 图 2- 3 机器人本体结构 Fig.2- 3 Robot body structure 如图 2- 4 所示，摆臂小履带轮由 4 条螺丝和与之相联结的 8 个螺母固定，这种固定方式使得小轮与双联轮的轴距可调，从而可以通过调节螺母在螺丝上的位置来实现履带的张紧，机器人涡轮箱与齿轮箱通过 3 根螺丝和与之联结的 12 个螺母联结。 图 2- 4 本体结构模型及张紧装置 Fig.2- 4 Ontology st

62、ructure model and the tensioning device 机器人能执行的动作： 1）直线行走。在不考虑履带打滑的情况下，四履带线速度理论上严格同步。 2）原地零半径转弯。车身双侧履带同时反向旋转实现原地回转任意角度。 3）差速转弯。四履带的同向转动依靠两侧的线速度差来实现转弯。 4）履带整体翻转、转动过程相互不干涉，而且翻转平稳、协调。 5）跨越障碍物。遇到较高的障碍物时，四履带可同时竖起以抬高车身，跨过下方的障碍物。 6）跨越沟槽。能跨越轮式机械所不能跨越的沟槽。 机器人本体结构的特点：机器人整体结构分三段，采用履带- 摆腿复合移动机构和基于在线地形地势参数的自主调整摆

63、腿构形等技术，使机器人对煤矿井下复杂环境具有很强的适应太原理工大学硕士研究生学位论文 1 8能力，具有很好的移动能力和可靠性，为环境探测、避障控制等功能的完成搭建了一个机动性好、可靠性高的机械移动平台。 2.2.4 系统硬件选用 1）远程客户端控制系统 本系统远程客户端子系统核心为一台远程控制计算机，担负着信息处理、视频监控等任务，因此要求该远程控制计算机性能优越、计算处理能力强，同时具有有线和无线联网的功能。也可以在多个远程监控点设置多个客户端，以便同时在多个地点实施监控，远程控制计算机可选择性能好、处理能力强的小型工作站，同时可配套使用投影仪等辅助设备，构建完善的视频监控系统。 2）机器人

64、本地控制系统 机器人车载 PC 采用研华嵌入式单板电脑， PC/104+总线结构， Intel852GM+ICH4 芯片组，支持双显，10/100Mbps PCI以太网接口，支持网络唤醒功能，支持 PCI- 104 总线扩展，支持6 个 USB2.0，尺寸：108115mm，集成 ULV Celeron M1GHz CPU，结构坚固，体积较小，且完全能满足控制的需要。 运动控制卡采用研华 PCL- 839+卡，可以实现 3 个步进电机的独立，同步控制，线性和圆弧插补，光隔离输出，16 路 DI 和 16 路 DO，250 Kpps 步进速率。 传感器信息采集采用研华基于 PCI 总线的多功能数

65、据采集卡 PCI- 1710/1710HG，包含五种最常用的测量和控制功能：12 位 A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器/定时器功能。 机器人加载传感器有碰撞开关、红外测距传感器、超声波测距传感器和瓦斯传感器、加速度传感器、数字指南针等。 机器人及其附属设备采用锂电池供电。 另外，通信系统和视频采集设备等硬件选用将在相应的章节中介绍。 2.3 本章小结 本章通过对机器人远程控制系统的基本模型、 控制模式和影响远程控制性能的因素分析，根据系统功能的要求，对煤矿井下探测机器人远程监控系统进行了总体设计，介绍了探测机器人的本体结构，对系统的部分硬件进行了选型。 太原理工大学硕士研

66、究生学位论文 1 9第 3 章 远程监控系统软件设计 3.1 软件结构模型研究 3.1.1 软件结构模型概述 目前，远程控制系统软件主要有两种结构模型：C/S 结构和 B/S 结构24。 C/S（Client/Server）结构，即客户端/服务器结构。客户端通常是指运行用户服务请求程序，并将这些请求传送到服务器的计算机。服务器是指运行服务器程序，管理数据资源，响应并执行客户端发出的请求，最后向客户端返回计算结果的计算机。服务器可接受多个客户端的多个请求，把请求排队或进行同时处理。 B/S（Browse/Server）结构，即浏览器/服务器结构，是随着 Internet 技术的发展，对 C/S结

67、构改进的一种结构。在这种结构中，用户通过浏览器向分布在网络上的许多服务器发出请求，服务器对浏览器的请求进行处理，把用户所需信息返回到浏览器。B/S 结构利用了日益成熟的 WWW 浏览器技术，结合浏览器的多种 Script 语言和 ActiveX技术，用通用的浏览器实现了原来复杂专用软件的功能。 3.1.2 软件结构模型选择 以下通过对两种软件结构模型的分析比较，选择适合本系统的软件结构模型。 1）硬件环境 C/S 结构一般建立在专用网络上，局域网之间通过专门的服务器提供连接和数据交换服务。B/S 结构建立在广域网之上，不必是专门的网络硬件环境，只需接入网的计算机即可，适应范围比 C/S 结构更

68、强，一般只要求有操作系统和浏览器。 2）安全要求 C/S 结构一般面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力很强，通常适用于高度机密的信息系统或专用的系统，可以通过 B/S 结构发布部分可公开信息。B/S 结构建立在广域网之上，面向的是不可知的用户群，对安全的控制能力相对较弱。 3）系统性能 C/S 结构一般采用 Socket 进行较为底层的开发，能满足一般工业控制系统的性能要求。针对 B/S 结构这样一种使用浏览器的模型技术，由于其在编程时使用的 CGI、Java Applet等编程技术性能相对较低，使得 B/S 结构并不适合于对实时性和可靠性等性能要求很高的远程控制系统。 太原理工大学硕士

69、研究生学位论文 2 04）程序架构 C/S 结构程序更加注重流程，可以对权限多层次校验，可以较少考虑系统的运行速度。B/S 结构对安全以及访问速度的多重考虑，建立在需要更加优化的基础之上，比 C/S 结构有更高的要求。 5）交互性 C/S 结构可以专门开发具有很强交互性的图形化控制界面。 B/S 结构的数据提交一般以页面为单位，数据的动态交互性不强，不利于在线事务处理。 本文所设计的远程监控系统是煤矿井下专用的，对于系统性能、可靠性和交互性等要求都比较高，通过对 C/S 结构和 B/S 结构的对比分析，本系统采用 C/S 结构进行系统软件设计。 3.2 软件编程技术 3.2.1 软件开发环境

70、远程客户端控制计算机和机器人车载 PC 均安装了 Windows XP 操作系统。Visual C+作为一个功能非常强大的可视化应用程序开发工具，是计算机界公认的最优秀的应用开发工具之一。Visual C+6.0 是 Microsoft 公司出品的支持 C+语言的集成开发环境（IDE） ，它集成了编辑器、编译器等开发工具，使得创建、调试 Windows应用程序十分简单，因此，本系统软件在该环境下开发。 3.2.2TCP/IP 协议 实现网络通信的应用程序，无论是通过因特网还是小型局域网，一般都采用同样的原则、通过类似的功能实现网络通信。其具体过程可简单描述如下： 1）应用程序 A 等待别的应用

71、程序与它建立网络连接，进行通信，即处于“监听”状态。 2）应用程序 B（一般在另一台计算机上）如果需要与应用程序 A 进行通信，就要向程序A 发送连接请求，如同打电话拨号一样，应用程序的连接需要知道对方的网络地址。 3）应用程序 A 收到程序 B 的连接请求，同意连接后，即可以进行信息传输了。一般等待别人连接的一端为服务端，而连接别人的一端为客户端。 4）当单方或双方完成了信息交换，就关闭连接。一方如果检测到对方关闭连接，就关闭本方通信。 上述说明正是采用 TCP/IP 网络通信协议进行网络通信过程的基本描述。TCP/IP 协议实际上就是在物理网上的一组完整的网络协议， TCP 提供传输层服务

72、， 而 IP 则提供网络层服务。TCP/IP 包括的协议具体内容如下25： 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1IP：网间协议（Internet Protocol）负责主机间数据的路由和网络上数据的存储，同时为ICMP、TCP 和 UDP 提供分组发送服务。 ARP：地址解析协议（Address Resolution Protocol），此协议将硬件地址映射到网络地址。 RARP：反向地址解析协议（Reverse Address Resolution Protocol），此协议将硬件地址映射到网络地址。 ICMP：网间报文控制协议（Internet Control Message Proto

73、col）。此协议处理网关和主机的差错与传送控制。 TCP：传送控制协议（Transmission Control Protocol），这是一种提供给用户进程的可靠的全双工字节流面向连接的协议。它要为用户进程提供虚电路服务，并为数据可靠传输建立检查。 UDP：用户数据报协议（User Datagram Protocol），这是提供给用户进程的无连接协议，用于传送数据而不执行正确性检查。 FTP：文件传输协议（File Transfer Protocol），允许用户以文件操作的方式与另一主机相互通信。 SMTP：简单邮件传送协议（Simple Mail Transfer Protocol），为系统

74、之间传送电子邮件。 TELNET：终端协议（Telnet Terminal Protocol），允许用户以虚终端方式访问远程主机。 HTTP：超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol）。 TFTP：简单文件传输协议（Trivial File Transfer Protocol）。 TCP/IP 协议的核心部分是传输层协议（TCP、UDP）、网络层协议（IP）和物理接口层，这三层通常是在操作系统内核中实现。编程时，编程界面有两种形式：由内核直接提供的系统调用；使用以库函数方式提供的各种函数。前者为核内实现，后者为核外实现。用户服务要通过核外的应用程序才能实现。具体来

75、讲就是使用套接字来实现。TCP/IP 协议核心与应用程序的关系如图 3- 1 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 图 3- 1 TCP/IP 协议核心与应用程序关系 Fig.3- 1 Relationship between TCP/IP kernel and application 3.2.3Windows Sockets Windows 下网络编程的规范Windows Sockets 是 Windows 下得到广泛应用的、开放的、支持多种协议的网络编程接口。从 1991 年的 1.0 版到 1995 年的 2.0.8 版，经过不断完善并在 Intel、Microsoft、Sun

76、、SGI、Informix、Novell 等公司的全力支持下，已成为 Windows网络编程事实上的标准26。 Windows Sockets 通信的基础是套接字 （Socket） 。 Socket 实际在计算机中提供了一个通信端口，可以通过这个端口与任何一个具有 Socket 接口的计算机通信。应用程序在网络上传输和接受信息都是通过这个 Socket 接口来实现的。在应用开发中，可以像使用文件句柄一样对Socket 句柄进行读写操作。 Windows sockets 支持两种类型的套接字，即流式套接字（SOCK_STREAM）和数据报套接字 （SOCK_DGRAM） 。 流式套接字提供了一种

77、可靠的、 面向连接的通讯方式。 对于 Windows sockets的 TCP/IP 实现中，流式套接字采用 TCP 协议。流式套接字实现了发送数据能按照顺序、无重复的传输到对方。无论发送的数据是单个的数据报，还是数据包，它都提供了一种流式数据传输。因此，对于要求精确传输数据的 Windows Sockets 通信程序，一般采用流式套接字。 数据报套接字提供了一种不可靠的、 面向非连接的数据包通讯方式。 对于windows Sockets的 TCP/IP 实现中，数据报套接字采用 UDP 协议。数据报套接字的缺点主要是传输的不可靠性。它无法保证发送的数据报一定可以传送到接收方，无法保证数据报按

78、照发送的顺序到达，也不提供无错保证。为此，应用程序必须通过特定控制来保证数据的稳定可靠传输，否则在极端情况下将导致应用程序崩溃。 应用程序1 应用程序1 网络应用编程接口协议（Socket） TCP/IP协议 物理介质 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 33.2.4 多线程编程技术 在 32 位的 Windows 系统中，采用的是抢先式多任务的方式，这意味着程序对 CPU 的占用时间是由系统决定的。系统为每个程序分配一定的 CPU 时间，当程序的运行超过规定时间后，系统就会中断该程序并把 CPU 控制权转交给别的程序。而与此相关的，有进程和线程两个重要概念。 1）进程和线程 进程（Proce

79、ss）是程序的一次执行；而线程（Thread）可以理解为进程中执行的一段程序片段，线程是操作系统分配处理器时间的最基本单元。在多任务环境中两者有如下差别。 （1）进程就是应用程序的运行实例，它是独立的，每个进程都有自己私有的虚拟地址空间。每个进程都有一个主线程，但也可以建立另外的线程。线程运行在进程空间内。 （2）一般来讲（不使用特殊技术）进程无法突破进程边界访问其他进程内的存储空间；而线程由于处于进程空间内，所以同一进程所产生的线程共享同一内存空间。 （3）同一进程中的两段代码不能够同时执行，除非引入线程。 （4）线程是属于进程的，当进程退出时，该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。 （5

80、）线程占用的资源要少于进程所占用的资源，进程和线程都可以有优先级。 可以把线程看作是操作系统分配 CPU 时间的基本实体。系统不停地在各个线程之间切换，它对线程的中断是汇编语言级的。系统为每一个线程分配一个 CPU 时间片，某个线程只有在分配的时间片内才有对 CPU 的控制权。实际上，在 PC 机中，同一时间只有一个线程在运行。由于系统为每个线程划分的时间片很小（20ms 左右） ，所以看上去好像是多个线程在同时运行。 2）基于 MFC 的多线程编程技术 Visual C+的微软基础类库 MFC（Microsoft Foundation Class Library）封装了大部分 API函数，并

81、提供了一个应用程序框架，简化和标准了 Windows 程序设计，所以用 MFC 编写Windows应用程序也称为标准 Windows程序设计。 MFC 约有 200 个类，提供了 Windows程序框架和创建应用程序的组件。它提供了大量的基类供程序员根据不同的应用环境进行扩充，同时允许在编程过程中自定义和扩展应用程序中的类，它还具有较好的移植性，可移植于众多的平台。 Visual C+MFC 支持两种线程类型27：用户界面线程和工作者线程。前者有自己的消息循环，可以处理用户接口的任务，MFC 程序执行主线程是用户界面线程，在应用程序启动时自动创建和启动；而后者则没有消息循环，但它比较容易编程而

82、且更为有用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4实际上，大部分多线程程序需要创建的是工作者线程。在利用 Socket 进行网络编程时，常常会造成阻塞，造成程序无法响应任何消息。为了避免这种情况，在执行有可能造成阻塞的任务时，可以采用多线程技术动态创建一个新的线程，在此线程上处理数据的接收和发送，该线程可以在后台运行而不影响主线程的操作。 多线程技术对提高系统的并行性具有重要的作用。在远程控制系统中，为了提高系统的实时性能，减少数据传输的延时，在传输数据量较大的情况下，我们使用了多线程技术。 3.3 客户端软件设计 3.3.1 软件功能分析 根据系统任务要求，客户端软件需具有以下功能： 1）

83、远程连接功能 能通过远程控制计算机与机器人建立无线连接，打开其通讯端口，实现对机器人的远程控制。 2）运动控制功能 能通过手动远程控制机器人的运动，控制机器人前后、左右移动，加速前进和停止、左右转弯等。 3）视频监控功能 能通过控制命令，控制机器人开启摄像机，采集视频图像，并实时传回监控中心，在监控中心显示。通过控制云台摄像机转动，达到全方位的监控。 4）机器人状态信息查询功能 通过加载在机器人本体结构上的传感器工作，查询传感器等设备状态信息，判断机器人工作状况及周围环境状况。 5）自主导航功能 通过预置在机器人主机中的自主导航程序，控制机器人在无人操作下的自主导航及避障等。 3.3.2 软件

84、设计流程 客户端软件的主要任务是实现控制指令的发送和状态、视频数据的接收，其基本流程如图 3- 2 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 图 3- 2 客户端软件设计流程图 Fig.3- 2 Design flow chart of client software 本软件利用多线程技术，主要包括控制命令发送主线程和两个子线程。主线程客户端与服务器端建立连接后，创建两个子线程：第一个为状态接收子线程，用于循环接收机器人状态信息，并在客户端界面上进行显示；第二个为视频接收子线程，用于循环接收现场视频信息，并进行解压和显示；同时，主线程通过人机交互界面向机器人发送控制命令，这是利用MFC

85、的消息响应机制来实现的。用户点击客户端界面上的控件，产生对应的消息，然后软件内部启动对应的消息处理函数，在该函数内部进行命令的封装和发送。当任务结束，断开连开始 结束 建立发送命令的套接字，与服务器端建立连接 连接成功？ 创建状态接收子线程 创建视频接收子线程 发送控制命令 断开连接？ 资源释放，终止子线程 建立接收状态 数据的套接字 接收状态信息 更新界面数据 建立接收视频 数据的套接字 接收视频数据 视频解压显示 是 是 否 否 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 6接时，结束子线程。 3.4 服务器端软件设计 3.4.1 软件功能分析 机器人作为井下任务的执行者，其软件程序需要具有以下功

86、能： 1）连接功能 当客户端发出连接请求时，服务器端与其建立连接。 2）运动控制功能 当收到客户端的运动控制命令时，服务器端通过向运动控制卡发送命令，控制机器人的运动。当收到自主导航的命令时，服务器端启动自主导航模块程序，实现机器人的自主导航。 3）传感器数据采集 通过机器人加载的传感器等设备，采集现场信息和机器人自身状态信息，并实时向客户端发送。 4）视频采集压缩 通过摄像机等设备采集现场视频，并经过编码压缩后向客户端发送。 3.4.2 软件设计流程 服务器端软件的主要任务是接收客户端的控制命令，同时发送自身状态信息和视频信息到客户端。其基本软件流程如图 3- 3 所示。 服务器端软件主要包

87、含一个主线程和两个子线程。主线程用于等待远程控制端的连接，当建立连接后，将启动两个子线程：状态发送子线程和视频采集发送子线程。状态发送子线程主要负责机器人自身状态信息的采集和发送；视频采集发送子线程负责视频的采集、压缩和发送。同时主线程开始不断接收从客户端发送过来的控制命令，对其解析并执行。当收到断开连接的命令时，主线程关闭子线程，释放占用的资源，并断开连接，然后回到重新等待连接的状态，等待客户端的再次连接请求。因此，只有机器人车载 PC 关闭时才会退出。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 7 图 3- 3 服务器端软件设计流程图 Fig.3- 3 Design flow chart of

88、server software 3.5 软件主界面设计 3.5.1 用户界面设计要求 1）可使用性 用户界面的可使用性包括操作的简单性，用户界面中的术语标准化和一致性以及快速的开始 结束 建立接收命令的 套接字并监听 创建状态发送子线程 创建视频采集发送子线程 接收命令并解析 断开连接？ 资源释放，终止子线程 建立发送状态 数据的套接字 采集状态信息 发送状态信息 建立发送视频 数据的套接字 采集视频数据 压缩发送视频 是 否 机器人初始化 接受连接 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 8系统响应和低的系统成本。远程监控系统内部运行机制的复杂性，对于用户不可见，使用户通过简单易懂的操作界面，完

89、成对机器人的远程控制。 2）交互性和灵活性 良好的人机界面设计大多有一个交互式处理机制，为使用户能远程控制机器人并完成一系列复杂动作，要求软件界面具有良好的交互性，通过人与计算机的交互，实时处理远程控制过程中的问题。灵活性要求能够按照用户的希望和需要，提供不同详细程度的系统响应信息，用户可以根据需要制定和修改界面方式。 3）完整性和可靠性 用户界面的完整性要求提供给用户远程控制机器人的功能应尽可能详细，在完成预定功能的前提下，应使用户界面越简单越好。用户界面的可靠性是指无故障使用的间隔时间。用户界面应能保证用户正确、可靠地使用系统，保证有关程序和数据的安全性。 3.5.2 主界面设计 根据客户

90、端和服务器端软件功能要求和人机界面设计的要求，客户端和服务器端主界面设计分别如图 3- 4 和图 3- 5 所示。 图 3- 4 客户端主界面 Fig.3- 4 Main interface of client 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 9 图 3- 5 服务器端主界面 Fig.3- 5 Main interface of server 客户端主界面主要由七个部分组成。在系统程序启动后，设置机器人 IP 地址，连接服务器端。建立连接后，开启视频采集，当需要对某些重要画面进行进一步分析时，点击“拍照”按钮和“保存”按钮，然后进入“视频图像处理”程序，对视频图像进行灰度变换和直方图均衡化

91、等，如图 3- 6 所示。通过“摄像头控制”和“运动控制”模块，可以分别对摄像头和机器人运动状态进行手动控制。当点击“自主导航控制开启”时，机器人进入自主导航工作状态，根据预置的导航程序进行自主避障和路径规划。监控人员还可以通过“传感器状态查询”模块，对机器人加载的传感器进行配置和数据查询，为判断现场情况和机器人工作状况提供依据，如图 3- 7 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 0 图 3- 6 视频图像处理界面 Fig.3- 6 Video image processing Interface 图 3- 7 传感器状态查询界面 Fig.3- 7 Sensor status quer

92、y interface 服务器端由于其工作在井下恶劣环境，进入现场后基本不用直接操作软件界面，只要当机器人进入现场之前，单击“启停机器人”按钮，运行服务器端程序，服务器就处于监听状态，等待客户端的连接，进入工作状态。对机器人基本参数和视频采集设备可以进行设置，太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1如视频格式、保存路径等的设置，如图 3- 8 所示。 图 3- 8 视频配置界面 Fig.3- 8 Video configuration interface 3.6 本章小结 本章通过对两种软件结构模型 C/S 和 B/S 的分析，确定了系统软件采用的结构模型。介绍了 TCP/IP 协议、Windo

93、ws Sockets 和多线程编程技术。对客户端和服务器端软件功能进行了分析，从而对软件进行了设计，并且根据用户软件主界面的设计要求，设计了具有人机交互特点的主界面。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 2第 4 章 煤矿井下探测机器人通信系统设计 4.1 煤矿井下机器人通信研究 4.1.1 机器人通信特点分析 移动机器人的应用场合通常比较特殊，多用于未知领域或危险环境以及机器人比赛等。根据其自身的特点以及应用场合的特殊性，对于机器人通信通常需要考虑以下几个方面： 1）QoS（Quality of Service）保障 目前机器人的智能水平并不是很高，机器人和现场信息的传回以及控制指令的发送，

94、都要求通信系统有较好的实时性。因此，通信系统必须能够提供较好的通信质量和需要的视频数据传输带宽，且尽量降低网络延迟。 2）能量有限 移动机器人多采用电池供电，因此可提供的能量极其有限，而运动机构、通信系统等模块对能量均有较大需求。一般来讲，通信模块的能耗，包括发射接收能耗、计算能耗、存储能耗等。因此，在设计移动机器人通信系统时，必须考虑其能量特性，尽可能采用能量消耗较少的系统设计。 3）设备昂贵 机器人属于多种技术综合应用的高科技产品，成本较高，价格比较昂贵，而且由于其通常担负着科学考察等特殊任务，搭载设备比较昂贵，其作业结果和数据采集具有重要意义，因此通信系统必须有较好的鲁棒性，以确保任务的

95、完成。 4）结构体积 通信模块过大，不但带来安装上的不便，还会给机器人驱动模块带来额外的负荷，增加能耗。同时，还会降低机器人的灵活性，限制其应用场合。因此，通信设备的体积应该与机器人整个结构相适应。 4.1.2 井下有线通信特点分析 目前正在使用的远程监控系统，在井下通信通常有有线和无线两种方式。许多煤矿采用有线电缆方式来进行通信，有线通信通常具有受干扰较小，可靠性好，保密性强等特点，但是对于井下通信而言，也暴露出许多缺陷： 1）布线繁琐，安装维护成本大 监控系统所需的大量光缆、电缆价格不菲，此外在复杂的地下环境布设线路同样需要消太原理工大学硕士研究生学位论文 3 3耗大量的人力物力。 2）覆

96、盖范围有限 由于地形环境复杂多变，矿井中存在着大量难以布线的区域，有线监控系统很难遍布矿井的各个地区，无法实现对整个矿井的全方位监测，为安全生产留下了隐患。 3）线路依赖性强 有线网络的自我修复性能较差，局部线路遭到破坏很可能造成整个监控系统的瘫痪。特别是发生矿难时，线缆往往会受到致命的破坏，不能为搜救工作及事态检测传送信息。 4.1.3 井下无线通信特点分析 矿井无线通信的主要形式有动力线载波通信、漏泄无线通信和感应通信等28- 29。动力线载波通信在矿井架线电机车上有所应用，但因传输阻抗匹配困难和抗干扰性能差，至今性能尚未完善。漏泄通信是利用漏泄电缆在巷道中起到长天线的作用，实现移动电台之

97、间或与基站之间的可逆耦合，已获得较好的通信质量；其缺点是系统造价昂贵，又需敷设专用传输线，传输线架设和维护需花一定代价，且离开漏泄电缆的覆盖区域（如采煤工作面）就不起作用了。感应通信是利用电磁感应原理实现的通信，发话时移动通信机的磁性天线十分接近感应线且发射天线尺寸较大，因传输参数不稳定和干扰噪声大，国内使用率并不高。 与地面相比，矿井地质条件和生产环境对通信频率影响较大。由文献30对井下实验结果的论述可知，在没有金属导体的条件下，矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型，如图4- 1 所示。 图 4- 1 井下无线电传输 Fig.4- 1 Underground radio transmissi

98、on 在甚低频段、低频、中频的低端，随着频率的增大，衰减增大；在中频高端、高频频段，衰减达到最大，最不利于传输；进入甚高频后，衰减随频率上升而减小。 同时，井下巷道是由岩壁组成的相对封闭的限定空间，电磁波的传播受到岩壁的限制，0.03 0.3 3 30 300 3000 30000 频率/MHz 衰减/dB 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 4传输衰减很大，而发射功率又受到易爆环境的制约。因此，煤矿井下选择低功耗、短距离的无线通信方式是必然趋势。 4.2 通信子系统功能要求分析 4.2.1 通信系统任务分析 煤矿事故发生后，井下情况非常复杂，煤矿井下探测机器人需要获取井下的温度、风速、风压、

99、有害气体浓度等信息，还必须能够采集巷道和事故现场的图像信息并实时发回到监控中心，监控中心根据机器人发送回的信息，制定救援方案，向机器人发出指令，控制其完成运动、视频采集等工作。 煤矿井下探测机器人通信系统负责完成机器人与监控中心之间的信息传递，这些信息包括控制指令、传感器状态信息和现场视频图像等。按照信息的流向分为两类数据：一类是事故后井下的环境数据和机器人的状态参数以及现场环境视频图像，这类数据是由机器人加载的各个传感器采集经车载 PC 再传到监控中心上位机，称为数据流。另一类数据是监控中心向机器人发送的控制命令。这类数据从监控中心上位机流到车载 PC 再到各个执行器的控制器，称为控制流。煤

100、矿井下探测机器人通信系统就是要解决好数据流和控制流准确而可靠的传输。 4.2.2 通信网络要求 通信网络是远程监控系统的传输环境，对信息的传输和交换都提出了新的更高的要求，网络的带宽、交换方式及通信协议都将直接影响能否提供准确可靠的通信质量。对通信网络的要求主要体现在以下几方面： 1）数据种类的多样化，能同时支持音频、视频和数据传输。 2）交换节点的高吞吐量。 3）有足够的可靠带宽。 4）具有良好的传输性能，如同步、延迟、误比特率等必须满足要求。 5）具备呼叫连接控制、拥塞控制、服务质量控制和网络管理功能。 这五项是实现宽带数据通信必备的技术要求，即通信网络应该具有高带宽、实时性、高可靠性以及

101、时空约束能力强等特点。表 4- 1 列出了当前各类通信数据对网络传输能力的要求。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 5表 4- 1 通信数据对网络传输能力的要求 Table 4- 1 Requirements of communication data to transmission capacity of the network 多媒体数据 最大延迟（s） 最大延迟抖动（ms） 平均吞吐率（Mbit/s） 可接受的误码率 可接受的误分组率 音频 0.25 10 0.64 小于10- 1 小于10- 1 视频 0.25 10 100 小于10- 2 小于10- 3 压缩视频 0.25 1 2

102、20 小于10- 6 小于10- 9 数据文件 1.00 - 2100 0 0 实时数据 0.0011 - 小于10 0 0 图形、静止图像 1.00 - 210 小于10- 4 小于10- 9 4.3 地面与井下监控中心通信方案设计 基于系统要求和有线通信的特点，在本方案中，井下监控中心和地面指挥中心采用有线通信的方式。在有线通信方式中，光纤以其独特的优势，正在逐渐成为各种信息网的主要传输工具。光纤通信与电缆、微波等电通信方式相比，具有以下优势： 1）通信容量大。光纤的传输频带很宽，理论上可达到 30 亿兆赫。 2）传输距离远。由于光纤具有极低的衰耗系数，因此在无中继的情况下，信息在光纤中的

103、传输距离非常远，可达几十到上百公里，通过中继后可传输数百公里。 3）串扰小，信号传输质量高。 4）电磁绝缘性能好。光纤电缆中传输的光束不受外界电磁场的干扰与影响，而且本身也不向外辐射信号，因此它适用于长距离的信息传输以及要求高度安全的场合。 5）保密性能好。光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能极好。 6）适应能力强。光纤耐化学腐蚀，可挠性强，使用环境温度范围宽，使用寿命长。 7）体积小、重量轻、便于施工维护。 8）光纤通讯不带电，使用安全，可用于易燃易爆场所。 光纤通信的以上特点满足远程、大容量和实时性的要求，因此是合适的信息传输方式。 4.4 井下监控中

104、心与机器人通信方案设计 4.4.1 无线通信技术概述 近年来，井下无线通信技术逐步向射频方向发展，特别是突出近距离组网的应用，将无线接入作为有线接入的有效支持、补充和延伸。以下为几种主要的近距离无线通信技术31。 1）Wi- Fi（IEEE802.11） 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 6Wi- Fi（Wireless Fidelity）即为 IEEE802.11x，其最初规范是在 1997 年提出的。作为目前WLAN 的主要技术标准，目的是提供无线局域网的接入，可实现几 Mbps 至几十 Mbps 的无线接入。WLAN 最大的特点是便携性，解决了用户“最后 100m”的通信需求，主要用于

105、解决办公室无线局域网和校园网中用户与用户的无线接入。 IEEE802.1l流行的几个版本包括： 802.11a，在 5.8GHz频段最高速率为 54Mbps； 802.11b，在 2.4GHz频段速率为 lMbps1lMbps； 802.11g，在 2.4GHz频段与 802.1lb 兼容，最高速率亦可达到 54Mbps。 Wi- Fi 规定了协议的物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC） ，并依赖 TCP/IP 作为网络层。由于其优异的带宽是以较高的功耗为代价的，因此大多数便携 Wi- Fi 装置都需要较高的电能储备，这限制了它在工业场合的推广和应用。 2）ZigBee 技术 ZigBee

106、 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线网络通信技术。ZigBee 的网络标准由 IEEE 802.15 工作组负责制订，ZigBee 是 IEEE 802.15.4 标准在商业推广上的名称。 它主要用于近距离无线连接，适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。它有自己的无线电标准，可以在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。而这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机。 ZigBee 具有以下特点： （1）低功耗。发射功率仅为 1mW，两

107、节 5 号电池就可支持 ZigBee 节点设备工作 6 个月以上。 （2） 低成本。 ZigBee协议免收专利费， 并且工在免费的ISM2.4GHz频段上。 单个的ZigBee节点设备可控制在几百元以内。 （3）网络容量大，组网方式灵活。一个 ZigBee 网络可容纳最多 255 个网络节点。若是通过网络协调器，最多可组成超过具有 65536 个节点的大网。 （4）可靠性。ZigBee 采取了碰撞避免策略，避开了发送数据的竞争和冲突。 3）超宽带通信 UWB 超宽带技术 UWB（Ultra Wide Band）是一种无线载波通信技术32。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据

108、，因此其所占的频谱范围很宽。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 7UWB可在非常宽的带宽上传输信号，美国 FCC 对 UWB的规定为：在 3.110.6GHz频段中占用 500MHz以上的带宽。由于 UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输，因此在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内，采用低功耗脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网（WPAN） 。UWB最具特色的应用是视频消费娱乐方面的无线个人局域网（PAN） 。与其他传统的无线通信技术相比

109、较，UWB传输速率高，通信距离短，平均发射功率低，多径分辨率极高，适合于便携式型应用。 4）蓝牙 蓝牙（Bluetooth）工作在 2.4GHz的频段，最早是爱立信公司在 1994 年开始研究的一种能使手机及其附件（如耳机）之间互连通信的无线模块，采用 FHSS 扩频方式，蓝牙信道带宽为 1MHz，异步非对称连接最高数据速率为723.2kbps。蓝牙被归入了 IEEE802.15.1，规定了包括 PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。为对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供 250KB 系统开销，从而制约了其在大型传感器网络中的应用。蓝牙支持高达 10Mbps的速率，使用蓝牙技术的无线电

110、收发器的连接距离可达 10m，使用高增益天线可以将有效通信距离扩展到 100m。蓝牙在休眠状态下消耗的电流及激活延迟，一般电池使用寿命为 24个月。由于蓝牙的上述特性，使得它可以应用于无线设备、图像处理设备、人员识别卡、身份识别等安全产品，以及娱乐消费、家用电器、医疗健身和建筑等领域。 5）红外线数据通信 IrDA IrDA 是一种利用红外线进行点对点通信的技术。IrDA 标准的无线设备传输速率已从115.2kbps 逐步发展到 4Mbps、16Mbps。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如 PDA、手机、笔记本电脑）上已被广泛使用。它具有移动通信设备所需的体积小、功耗低、连接

111、方便、简单易用、成本低等特点。由于 IrDA 只能同时在 2 台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题，因此一般不会用于工业网络上。 4.4.2 井下通信方案设计 矿难发生后，在井下安全地带设立井下监控中心，通过无线方式控制机器人在井下作业，是一种可行的通信方案。通过上述分析可知，灾后井下探测时，监控中心距机器人不宜太近，而且，随着机器人的深入作业，点对点的控制模式已经难以满足要求，因此，需要通过无线方式组网，扩展通信距离。由于井下的特殊性，组网节点需要电池供电。因此，通过 ZigBee节点组网和 Wi- Fi 加中继模块组建无线局域网（WLAN）是两种可行的方案，本设计通过分太原理工大学硕士

112、研究生学位论文 3 8析对比确定其中一个方案。 方案一： 机器人自身携带 Zigbee 全功能网络节点，利用机器人的移动搭建成井下的 ZigBee网络。ZigBee 全功能节点具有信息获取、信号处理、路由计算和信息转发功能。通过网络的自组织和多跳路由，将数据发送至井下监控中心的计算机当中。 根据 ZigBee 网络的特点，其含有两种不同类型的网络设备：FFD（全功能设备）和 RFD（简单功能设备） 。FFD 在所支持的网络模式中可作为整个网络的协调器、路由器或网络中的应用设备，FFD 可与 RFD或者是 FFD 之间进行通信。而 RFD只是网络中的一个应用设备，并且只能与 FFD 进行通信。Z

113、igBee 节点之间的通信距离相对较短，一般为 75100m 之间，难以应用于较远距离通信。然而 ZigBee 的 FFD 具有接替路由功能，从而可以利用其这一特点采取接力通信的方法实现节点之间的远距离通信。 ZigBee 无线网络有多种拓扑结构：星型（Star） 、点对点（Peer to Peer） 、树状（Tree）和网状（Mesh）结构等33。根据各种结构的应用特点，本方案选用网状结构，每个节点只与在它通信范围之内的相邻节点进行通信，这样通过路由算法，可以实现一种带部分分支的链状拓扑结构形式，从而将信息从一个地方经过多跳传到另一个较远的地方，实现井下监控中心上位机对危险区域工作的机器人的

114、远程操控、对周围环境的监测以及被困人员的定位。 网状结构网络如图 4- 2 所示，采集数据的节点由 RFD设备担任，主节点和数据传输节点由 FFD 设备担任。这种拓扑结构的好处在于利用了 ZigBee 网络多跳路由的特性，弥补了ZigBee 设备不能进行远距离通信的缺点。同时，网状的多分支结构使节点之间的组网方式不再单一，如果与某节点相邻的一个节点出现故障，不能正常通信，可通过其它与之相邻的节点继续完成接力通信，这样，就使得组建的井下 ZigBee 无线网络更加稳定、可靠。 图 4- 2 网状无线网络 Fig.4- 2 Mesh wireless network 太原理工大学硕士研究生学位论文

115、 3 9方案二： 无线组网有点对点、点对多点、混合组网等方式。根据井下的空间特点，选用适合的组网模式，达到可靠的高带宽覆盖，传输视频和数据的目的。 1）点对点。用点对点的方式进行无线回传和中继服务，不仅大大延伸了无线网络覆盖范围，还可为 WLAN 提供无线中继传输，同时可以用于局域网的远程互联和接入。 2）点对多点。点对多点适用于固定、移动和便携模式。在 xDSL或者 Cable 接入方式难以覆盖的地方，无线网桥将是最有竞争力的替代方案。在救灾救援工作中，网桥可以发挥安装快速的特点，比 DSL或者 Cable 接人方式拥有更大的灵活性。 3）混合组网。混合组网适合于组建独立的、使用环境比较复杂

116、的场合，其覆盖范围广，接入方式灵活，集合多种组网模式来适应客户需求。同时采用有线和无线混合组网的方式。 本方案采用基于 802.11 系列协议的 Wi- Fi模块构建 WLAN，井下监控中心计算机和机器人车载 PC 分别通过 RJ- 45 以太网口同无线网桥相连接， 机器人自身携带采用锂电池供电的无线中继模块，当机器人运动到无线信号减弱的极限位置时，监控人员控制机器人放置中继模块，从而扩大无线局域网覆盖范围，增强无线信号强度。系统结构如图 4- 3 所示。 无线网桥的通信速率可调（IEEE802.11b 的传输速率为 11，5.5，2，1Mbit/s） ，同时系统会随着信号的衰减自动降低速率，

117、相邻的 2 个节点组成 1 个链路，并且采用相同的信道和频段确保能够相互交换数据。 图 4- 3 井下通信系统示意图 Fig.4- 3 Underground communication system diagram 无线中继器可以增加现有的无线网的射频范围，是扩展无线网的一个好方法。特别是在安装额外一个接入点并不现实时，这可以成为一处很不错的选择。但是，使用无线中继器也有弊端，它会减少无线网的吞吐量。中继器必须在同样的射频频道上接收和发送每一帧，它会使通过无线网的帧数量增加一倍。在使用多个中继器时，这个问题会更复杂，因为每一个中继器都会复制所发送的帧。所以，在部署中继器时也并不是多多益善。

118、图 4-3 井下通信系统示意图Fig.4-3 Underground communication system diagram无线中继器可以增加现有的无线网的射频范围是扩展无线网的一个好方法特别是在安装额外一个接入点并不现实时这可以成为一处很不错的选择但是使用无线中继器也有弊端它会减少无线网的吞吐量中继器必须在同样的射频频道上接收和发送每一帧它会使通过无线网的帧数量增加一倍在使用多个中继器时这个问题会更复杂因为每一个中继器都会复制所发送的帧所以在部署中继器时也并不是多多益善太原理工大学硕士研究生学位论文 4 0中继器必须在同一信道上接收和转发帧，这就意味着带宽实际分成了两半，所以最多能支持 3

119、 级中继，传输带宽急剧下降。考虑到这个问题，可以使用两个子网连接，支持 6 级以上的中继，从而使得网络得到延伸。因此，在研制下一代无线长距离高带宽传输系统时，要在保持带宽不变的基础上提高系统的中继能力。 方案一中，ZigBee 是一种低功耗低数据传输率的设备，终端设备和上位机及机载 PC 通过串口连接，因此对于井下探测机器人实时监控的要求难以满足。同方案一相比，方案二中无线设备具有高带宽传输特性，虽然功耗大于 ZigBee，且采用中继组网方式，网络可靠性和安全性稍差一些，但是对于本设计中的井下探测机器人工作要求可以完全满足，所以本设计采用方案二中继组网方式。采用串行布点法，将发射端和接收端平行

120、放置，固定发射端，接收端向需要通信的方向移动，到一定距离检测无线信号强度，直到信号降到最低要求，然后放置中继模块。 4.5 井下监控中心与机器人通信实现 4.5.1 通信协议使用 TCP/IP 协议在传输层分为传输控制协议TCP 和用户数据报协议 UDP 两种类型。下面通过对两种协议的分析比较，来确定本系统所使用的通信协议。 1）TCP 协议与 UDP 协议特点的比较 首先， TCP 是一种面向连接的协议， 而 UDP 是无连接的协议。这其中的区别在于： 第一，TCP 协议是以连接作为协议数据的最终目标的。UDP 协议则是以目标端口作为协议数据的最终目标。因此，TCP 的协议端口是可以复用的，

121、UDP 协议的端口在同一时间则只能为一个应用程序所用。第二，一个连接是由两个端点构成的。要使用 TCP 进行通信必须先在通信。双方之间建立连接，连接的两端必须就连接的一些问题进行协商（如最大数据段长度、窗口大小、初始序列号等），并为该连接分配一定的资源（缓冲区）。UDP 协议则不需要这个过程，可以直接发送和接收数据。 其次，TCP 提供的是可靠的传输服务，而 UDP 协议提供的是不可靠的服务。使用不可靠的服务进行数据传输时，数据可能会丢失、失序、重复等。而可靠的服务能保证发送方发送的数据能原样到达接收方。 最后，TCP 提供的是面向字节流的服务。应用程序只需将要传输的数据以字节流的形式提交给

122、TCP 协议，在连接的另一端，数据以同样的字节流顺序出现在接收程序中。而 UDP协议的传输单位是数据块，一个数据块只能封装在一个 UDP 数据包中。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 12）TCP 协议与 UDP 协议应用的比较 根据 TCP 协议和 UDP 协议的特点，其应用环境也有所不同。 因为 TCP 协议提供了可靠的面向字节流的服务，而且有一套高效的机制保证数据的高效传输，所以对于有大量数据需要进行可靠传输的应用是很适合的，因为应用程序无需关心如何保证数据传输的可靠性，如何进行超时重发等。这种应用的典型例子就是文件传输协议（FTP）。 由于 TCP 协议要先建立连接之后才能进行通信，

123、而连接的建立过程需要一定的时间。所以如果应用程序只有少量数据（例如可以在一个数据包中进行封装）需要传输则不适合使用TCP 协议，因为连接建立的开销大于其方便性的优点。但对于虽然数据量少但需要时间较长且可靠性要求高的应用 TCP 也是比较适合的。 实时应用不管数据量大小，不管对可靠性要求高低都不适合使用 TCP 协议，因为 TCP协议对数据的传输是有先后顺序的，只有前面的传输成功才会开始后面的数据传送。这显然是不符合实时应用的要求的。 对于不适合使用 TCP 协议的应用使用 UDP 协议，使用 UDP 协议进行通信时应用程序必须自己处理下列问题34： （1）应用程序必须自己提供机制来保证可靠性。

124、应用程序必须有自己的超时重发机制、数据失序的处理、流量控制等。当然对于一些可靠性要求不高的应用可以不用这些机制，但通常都需要区分数据的先后关系。 （2）应用程序必须自己处理大块数据的分割，以让其能封装在一个 UDP 数据包中。在接收力还必须再将分割的数据进行重纠。 通过以上分析比较，在本系统中，对控制命令、机器人状态信息等传输采用 TCP 协议，而对视频信息的传输则采用 UDP 协议。原因如下： 1）可靠性：对机器人的控制命令可靠性要求高，一旦控制命令传输失误，机器人可能无所适从，甚至可能做出异常动作。而另一方面，机器人的动作是机械的，对时间的响应不是非常敏感。多数情况下对网络传输的时延是可以

125、容忍的。因此，采用 TCP 协议来传输控制命令信息，这样就能保证控制命令信息传输的可靠性。而网络传输的时延对机器人的动作不会有太明显的影响。 2）实时性：视频信息传输的实时性要求高，在对机器人的远程控制中，希望在传输带宽有限的情况下，尽可能保证实时性，做到有较好的现场感，这就要尽量减少网络协议的开销，本文视频传输侧重于数据的实时性，对可靠性要求相对不高（人眼有一定的视像延迟和容错太原理工大学硕士研究生学位论文 4 2能力） ，选用 UDP 协议来传输视频信息。 4.5.2 数据传输实现 在本系统中，客户端与服务器的通信主要包括：客户端控制命令、服务器状态信息等数据的传输和视频图像的传输。 数据

126、传输使用有连接流式套接字方式，使用 CSocket 类进行编程，CSocket 类提供了阻塞机制，即服务器端调用 Accept（）函数等待对方连接时，如果没有连接，则一直处于等待状态。同样，客户端调用 Connect（）函数连接服务端时，如果没有连接成功，则一直处于连接状态，这样简化了编程操作。数据传输的调用顺序如图 4- 4 所示。 服务器端发送、客户端接收机器人状态信息的实现过程如下： 在服务器端，程序启动后，创建的 Socket 开始监听客户端的连接请求，并处于闭塞状态，当收到客户端的连接请求时，创建一个通信套接字，定时（间隔 3 秒）向客户端发送一个计数值，同时关闭监听套接字。 在客户

127、端，启动接收数据时，创建的 Socket 开始连接服务器，如果没有连接到服务器，它就处于闭塞状态，直到与服务器建立了连接，开始接收数据，并显示数据。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 3 图 4- 4 CSocket 类实现数据传输的调用顺序 Fig.4- 4 CSocket class implements the call sequence of data transmission 发送数据使用 Send（）函数，使用代码如下： int iLen; / 要发送数据长度 int iSend; / 发送到对方应用程序的数据总量 CSocket m_sock构造 服务器端Socket对象 Cr

128、eate()函数创建 流式套接字 Bind()函数将套接字 与本地地址相连 Listen()函数通知TCP 服务器准备好连接请求 Accept()函数等待、接受 客户端的连接请求 建立连接，Accept()函数 返回，创建通信套接字 Send()/Read()函数在通信套接字读写数据，完成通信 Close()函数关闭 通信套接字 Close()函数关闭 原始套接字m_sock CSocket m_sock2构造 客户端Socket对象 Create()函数创建 流式套接字 Connect()函数将套接字 与服务器主机连接 Send()/Read()函数在套接字上读写数据，完成交互 Close(

129、)函数 关闭套接字 服务器端 客户端 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 4iLen=str.GetLength(); / str 为要发送的 CString 类型数据 iSend=m_sock.Send(LPCTSTR(str),iLen); / 发送 TCP 数据 if(iSend=SOCKET_ERROR) / 发送不成功错误处理代码 else / 发送成功处理代码 接收数据使用 Receive（)函数，使用代码如下： char *pBuf=new char1024; / 创建接收数据缓冲区 int iRecv; / 接收数据总量 CString strReceive; / 存储接收的数

130、据 iRecv=m_sock.Receive(pBuf,1024); / 接收 TCP 数据 if(iRecv=SOCKET_ ERROR); / 发送不成功错误处理代码 else pBufiRecv=NULL; strReceive=pBuf; / 将数据拷贝到 strReceive 变量中 客户端控制命令的发送、服务器端接收命令的实现过程同上述服务器端发送、客户端接收状态信息。 4.5.3 视频传输实现 视频传输采用 UDP 协议，使用 CAsyncSocket 类实现无连接通信。在客户端和服务器端程序启动后， 首先在服务器端视频采集发送子线程生成一个套接字 （需要指明 SOCK_DGRA

131、M标记，及支持无连接的数据报） ，然后使用 SendTo（）函数向客户端固定的端口定时（间隔 3太原理工大学硕士研究生学位论文 4 5秒）发送视频数据，客户端视频接收子线程也生成一个同样的套接字，使用 ReceiveFrom（）函数从服务器端固定的端口定时（间隔 3 秒）接收发送的视频数据。其调用顺序如图 4- 5 所示。 图 4- 5 CAsyncSocket 类实现视频传输的调用顺序 Fig.4- 5 CAsyncSocket class implements the call sequence of video transmission 传输中所使用的数据结构如下： UDP 发送数据包：

132、 struct UdpSendData int nVideoHeight; /视频图像高度 int nVideoWidth; /视频图像宽度 int nVideoSize; /视频图像大小 ; UDP 接收数据包: struct UdpRecvData CAsyncSocket m _ s o c k 构造服务器端S o c k e t 对象 Create()函数创建 数据报套接字 Bind()函数将套接字 与本地地址相连 SendTo()函数 向客户端发送数据 Close()函数 关闭套接字 CAsyncSocket m _ s o c k 2 构造客户端S o c k e t 对象 Cre

133、ate()函数创建 数据报套接字 ReceiveFrom()函数 从服务器端接收数据 Close()函数 关闭套接字 Bind()函数将套接字 与本地地址相连 服务器端 客户端 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 6CLIENT_REQUEST enRequest; /客户端请求 int nPort; /客户端视频数据端口 int nVideoIndex /请求的视频编号 ; 4.6 本章小结 本章主要对煤矿井下机器人的通信特点进行了研究，通过对通信方式的分析，设计了通信系统的方案，根据传输信息的特点，选择使用了不同的传输层协议，实现了数据信息和视频信息的传输。 太原理工大学硕士研究生学位论文

134、 4 7第 5 章 煤矿井下探测机器人远程视频监控实现 5.1 机器人视觉系统 5.1.1 机器人视觉概述 人类主要通过视觉、听觉、嗅觉、触觉等方式来不断感知外部世界，从外界获得的所有信息中，大约有 80%以上是通过眼睛来获得的。当视觉信息进入大脑以后，大脑依据已有的知识对输入信息进行加工处理，同时进行判断和识别，以便据此做出进一步的决策。因此，如何赋予机器以人类视觉类似的功能，就成为一个新的学科机器视觉。机器视觉研究始于上世纪 60 年代初期，到 80 年代初，在美国 MIT（Massachusetts Institute of Technology）大学的 Marr 教授提出的视觉计算理论

135、指导下，经过数年的蓬勃发展，机器视觉研究已成为现代高新技术行业的一个热点，广泛应用于工业生产、军事领域、航空航天和科学研究领域等。 美国制造工程师协会机器视觉分会和美国机器人工业协会自动化视觉分会关于机器视觉的定义35是：“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置” 。表 5- 1 是机器视觉与人的视觉的对比36。 表 5- 1 机器视觉与人的视觉对比 Table 5- 1 Contrast between machine vision and human vision 能力 机器视觉 人的视觉 测距 能力有限 定量估

136、计 定方向 定量计算 定量估计 运动分析 定量分析，但受限制 定量分析 检测边界区域 对噪声比较敏感 定量、定性分析 图像形状 受分割，噪声制约 高度发达 图像机构 需要专用软件，能力有限 高度发达 阴影 初级水平 高度发达 二维解释 对分割完善的目标能较好解释 高度发达 三维解释 较为低级 高度发达 总的能力 最适合于结构环境的定量测量 最适合于复杂的、非结构化环境的定量解释 机器人视觉是针对机器人的机器视觉，其研究目标是构建使机器人具有视觉感知功能的系统，这个系统通过视觉传感器获取环境信息，并通过处理器进行分析和解释，从而让机器人能够检测和识别物体，完成特定的任务。 机器视觉或机器人视觉关

137、注于视觉系统的构建、图像的获得和算法的实现等。机器人视太原理工大学硕士研究生学位论文 4 8觉是机器视觉研究的一个重要方向，其主要任务是为各种机器人构建视觉系统，这样更有利于机器人灵活、自主地适应自身所处的环境，以便更好地满足诸如航空航天、军事科技、工业生产和日常生活中的种种需要。在现代机器人研究中，视觉系统已成为大多数机器人不可或缺的组成部分，在视觉导航、视频监控等方面发挥着巨大作用，对于机器人的类人化发展具有积极的推动作用。 5.1.2 机器人视觉系统分类 根据使用的摄像机数目的不同，机器人视觉系统可以分为：单目视觉系统、双目视觉系统和多目视觉系统等。一般将后两种系统统称为立体视觉系统。

138、单目视觉系统采用一台摄像机对目标进行测量，常用于平面视觉，如机器人足球、工业机器人的 Eye- in- Hand 系统以及移动机器人的变焦测距视觉系统等。单目视觉系统中，摄像机的内参数一般不需要标定，使用比较简单。但是，单目视觉系统对深度信息的恢复能力较弱。 双目视觉系统采用两台摄像机对目标进行测量，是最为常见的一类视觉系统，广泛应用于机器人的各个领域。双目视觉系统在测量目标的三维信息时，需要对两台摄像机的内参数和外参数进行标定。虽然近年来出现了无标定的视觉控制系统，但摄像机的参数标定，特别是自标定，依然是视觉领域研究的一个重要问题。双目视觉系统恢复三维信息能力强，但测量精度与摄像机的标定精度

139、密切相关。 多目视觉系统采用多台摄像机对目标进行测量，多见于三维重构和运动测量，在机器人系统中多为 Eye- in- Hand 和 Eye- to- Hand 结合的系统。 5.1.3 机器人视觉系统组成 根据机器视觉的原理和功能要求，机器视觉系统通常主要由图像采集、图像处理和分析以及结果输出或执行三大部分组成。与此相适应的一个典型的机器人视觉系统一般具体由如下几部分构成：图像采集部分包括照明光源、光学系统（如光学镜头） 、CCD/CMOS 摄像机、视频采集卡（或具有相同功能的图像采集软件）等，图像处理部分包括图像处理设备（如计算机）以及输出或执行机构（如机器人）等。图 5- 1 为机器人视觉

140、系统示意图。 计算机是整个机器视觉系统的核心，它除了控制整个系统的各个模块的正常运行外，还承担着视觉系统的最后结果运算和播出。由图像采集系统输出的数字图像可以直接传送到计算机，由计算机采用统软件方式完成所有的图像处理和其他运算。如果通过软件处理能够满足视觉系统的要求，专用硬件处理系统就不出现在机器视觉系统中。这样.一个实用机器视觉系统的结构、性能、处理时间和价格等都可以根据具体应用而定，因此比较灵活。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 9 图 5- 1 机器人视觉系统示意图 Fig.5- 1 Robot vision system schematic diagram 5.2 煤矿井下探测机器

141、人视觉系统硬件设计 根据煤矿井下探测机器人远程视频监控的原理及功能要求，构建机器人视觉系统，对视频采集部分的硬件设计主要包括：照明光源、摄像机和图像采集卡等部件的选用和设计。 5.2.1 照明光源的选用 光源不是简单的照亮物体而已，照明是影响煤矿井下探测机器人视觉系统输入图像质量以及后期图像处理难度的重要因素。通过适当的光源照明设计，保证足够的亮度和稳定性，使图像中的目标信息特征突出，增加足够的对比度，能够改善整个系统的分辨率，降低噪声，简化图像分析与处理的软件算法，同时提高视觉系统的定位、测量精度，使系统的鲁棒性和综合性能得到提高。因此在机器视觉应用系统中，好的光源与照明方案往往对整个系统起

142、着非常重要的提升作用，是视觉图像采集中一个关键的环节。对光源和照明系统设计的原则要求“照明均匀，避免反光” 。表 5- 2 为几种常见照明光源的对比。 机器人视觉系统 图像采集 图像处理 执行机构 光 源 摄像机 采集卡 图像处理机 机 器 人 附加设备 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 0表 5- 2 几种常见光源对比 Table 5- 2 Comparison of several common sources 参数 类型 颜色 寿命（小时） 发光亮度 特点 卤素灯 白色，偏黄 5000- 7000 很亮 发热多，较便宜 荧光灯 白色，偏绿 5000- 7000 亮 较便宜 LED灯 红

143、，黄，绿，白蓝 60000- 100000 较亮 能做成很多形状，耗电小 氙灯 白色，偏蓝 3000- 7000 亮 发热多，持续光 电致发光管 由发光频率决定 5000- 7000 较亮 发热少，较便宜 因为矿井下很多地方，特别是矿难发生后，几乎没有可见光的存在，而且有瓦斯等易燃易爆气体的存在，必须选用安全性高、照明效果好的光源。LED 灯效率高、体积小、发热少、功耗低、寿命长、发光稳定，因此我们选用了北京维视公司的机器视觉专用 LED 光源VS- RL300，如图 5- 2 所示，采用主动照明方式。 图 5- 2 LED 光源 Fig.5- 2 LED light source V S -

144、 R L 3 0 0 分区控制L E D 光源，四区可控，满足不同角度的光射，减少物体反光，使图像更清晰、性能更稳定、超长寿命，亮度可调、低温、均衡、无闪烁、无阴影等特点，还可根据需要加装偏光片来控制照明光线，减少炫光干扰，提高成像质量。该产品广泛用于各种机器视觉工业领域。主要技术指标如下： 灯的颜色：红（R ），白（W ），蓝（B ）； 输入电压：D C 1 2 V ； 灯的数量：8 0 粒； 外形尺寸（m m ）：内孔4 0 ，外径9 0 ，高度4 4 ； 有效光斑距离（m m ）：8 1 ； 有效光斑直径：2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 5.2.2 摄像机的选用 根据图像传感器类

145、型分，目前摄像机主要有 CCD（Charge Coupled Device）和 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）两种。 CCD 是上世纪 70 年代诞生于贝尔实验室的一种半导体光学器件，具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能，并且集成度高、能耗小，其输出信号通常是符合电视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于进行图像存储、增强、识别等处理37。图像信号经过光学系统成像在 CCD 的控制面板上，经过光电转换成电信号，然后电荷转移到读出寄存器中，按照一定的时钟控制输出视频信号。其工作流程如图 5- 3 所示。 景物读出寄

146、存器电荷转移CCD控制面板光学系统光电转换时钟控制信号输出 图 5- 3 CCD 摄像头工作流程 Fig.5- 3 CCD camera workflow 随着半导体微电子技术的发展，CCD 传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用，成为现代光电子

147、学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。 CMOS 传感器是上世纪 80 年代为克服 CCD 生产工艺复杂、功耗较大、价格高、不能单片集成和有光晕、拖尾等不足之处而研制出的一种图像传感器，其主要类型如表 5- 3 所示。 51太原理工大学硕士研究生学位论文 5 2表 5- 3 CCD 传感器类型 Table 5- 3 CCD sensor type 类型（英寸） 芯片面积（mm2） 宽高 对角线（mm2） 1 12.79.6 16 2/3 8.86.6 11 1/2 6.44.8 8 1/3 4.83.6 6 1/4 3.22.4 4 1英寸=2.54 cm CCD 图像传感器在影像品

148、质等方面均优于 CMOS，而 CMOS 则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过随着 CCD 与 CMOS 传感器技术的进步，两者的差异将逐渐减少，新一代的 CCD 传感器一直在功耗上做改进，而 CMOS 传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足。工业上应用较为普遍的是 CCD 摄像机。 煤矿井下探测机器人对井下信息的采集同时依靠视觉系统和加载的其他传感器来完成。单目视觉系统可以基本满足任务的需要，而立体视觉系统就比较复杂，虽然可以获得三维环境信息，但是如何选择合理的匹配特征和匹配准则，以及实时性问题，都是立体视觉系统需要重点关注的。考虑到机器人的自身携带能力有限，本系统采用单目视觉系统，

149、选用两自由度云台摄像机 SONY D100，它可以在远程控制旋转/倾斜/变焦的运作下要获得高质量的彩色图像，并且封装简易、紧密。其主要技术指标如下： 视频制式：PAL/NTSC 成像元件：1/4 英寸 CCD 有效像素（H V） ：752 582 镜头：F1.4，f=4.173.8mm，广角 48/远角 2.7 变焦倍数总变焦：36X（光学变焦 18X；数码变焦 2X） 控制接口：RS485/422、RS232 电源：12VDC 5.2.3 视频采集卡的选用 视频采集卡又称视频捕捉卡，是机器视觉系统中的一个重要部件，它是图像采集部分和图像处理部分的接口。用它可以获取数字化视频信息，并将其存储和

150、播放出来。很多视频采集卡能在捕捉视频信息的同时获得伴音，使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 3通过视频采集卡可以接收来自视频输入端的模拟视频信号，对该信号进行采集、量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频。大多数视频卡都具备硬件压缩的功能，在采集视频信号时首先在卡上对视频信号进行压缩， 然后再通过 PCI 接口把压缩的视频数据传送到主机上。一般的 PC 视频采集卡采用帧内压缩的算法把数字化的视频存储成 AVI 文件，高档一些的视频采集卡还能直接把采集到的数字视频数据实时压缩成 MPEG- 1 格式的文件。 由于模拟视频输入端可以提供不间断的信息

151、源，视频采集卡要采集模拟视频序列中的每帧图像，并在采集下一帧图像之前把这些数据传入 PC 系统。因此，实现实时采集的关键是每一帧所需的处理时间。如果每帧视频图像的处理时间超过相邻两帧之间的相隔时间，则要出现数据的丢失，也即丢帧现象。采集卡都是把获取的视频序列先进行压缩处理，然后再存入硬盘，也就是说视频序列的获取和压缩是在一起完成的，免除了再次进行压缩处理的不便。不同档次的采集卡具有不同质量的采集压缩性能。 在 PC 系统中，图像采集卡都是基于 PCI 形式的，这就有一个数据流量大小的问题。PCI接口的最大理论带宽为 132MB/s38，总线接口，负责通过 PC 机内部总线高速输出数字数据，一般

152、是 PCI 接口，传输速率可高达 130Mbps，完全能胜任高精度图像的实时传输，且占用较少的 CPU 时间。本系统选用 Osprey 200 采集卡，其基本参数如下： 接口类型：PCI/S 端子/复合端口 视频输入格式：模拟视频信号 视频输出格式：AVI/MPEG- 1/MPEG- 2 图像分辨率（dpi） ：640480 功能特效：一个系统里可同时实用多卡/采集全帧视频可达到 30 帧/秒 5.3 远程视频监控的实现 本系统的远程视频监控的实现主要包括现场视频采集压缩、视频传输和视频解压显示三个过程。其中，视频传输已在第 4 章中详述，本节主要实现其余两个过程。 5.3.1 视频采集 视频

153、采集是实现视频监控的首要步骤，它关系到采集视频数据的质量，通常有 3 种采集视频的方法，分别为 VFW、DirectShow和 SDK。 VFW（Video for Windows）是微软公司推出的数字视频软件包，提供了一组库函数，能够实现视频捕捉、压缩及播放等功能。其优点是随 Windows 操作系统一起安装，不依赖于专用的硬件设备，可执行文件不需要附带额外的库文件就可以运行，提供了通用的数字视频开太原理工大学硕士研究生学位论文 5 4发方案。DirectShow是微软公司推出的流媒体开发包，使用它可以在多种监控卡上采集数据，开发通用的视频监控程序。SDK（Software Developm

154、ent Kit）是监控卡厂家提供的开发视频监控系统的一组库函数，由于不同厂家提供的监控卡 SDK 并不兼容，因此编写的应用程序无法移植到新的环境中去。 本系统利用 VFW 完成了视频的采集、压缩、解压和显示过程。 视频采集流程如图 5- 4 所示： 图 5- 4 视频采集流程 Fig.5- 4 Video Capture Process 其具体实现过程为：首先引用“vfw.h”头文件并导入 vfw32.lib 库，然后创建一个线程，在线程函数中调用 capCreateCaptureWindow创建视频捕捉窗口， 调用 capDriveConnect连接驱动程序，设置视频捕捉窗口风格、大小及显示

155、位置。最后调用 capPreviewRate 函数设置预览速率，调用 capPreview函数进行视频预览。 5.3.2 编码方式的选择 由于采集的原始视频占用大量的带宽，在传输之前必须进行压缩以便实施高效传输。视频图像的信息量非常大，而实际的网络带宽有限，因此要对视频图像进行压缩，从而减少数据的传输量。 现在应用于网络视频监控的主流编码方式主要有 ISO（国际标准化组织）的 MPEG系列和 ITU（国际电信联盟）的 H 系列。MPEG- 4 为音视频对象的编码，是基于对象的多媒体数结束捕获，断开 与视频设备的连接 捕获图像并作相应处理 设置捕获窗口显示模式 连接视频采集设备 设置捕获参数 注

156、册回调函数 建立视频捕获窗口 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 5据压缩编码的国际标准。MPEG- 4（ISO/IEC14496）通过帧重建技术来压缩和传输数据，以最少的数据量获得了最佳的图像效果， 已成为目前市场上数字视频编解码技术的主流。 MPEG- 4适用于较低带宽，如 200kbit/s到 800kbit/s；视频分辨率中等；存储量小，适用于大量录像场合。MPEG- 4 的传输速率为 4.864kbit/s，使用时占用的存储空间较小。 H.264 标准是由 JVT（Joint Video Team，视频联合工作组）组织提出的新一代数字视频编码标准。H.264 最大的优势是具有很高的数

157、据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是 MPEG- 2 的 2 倍以上，是 MPEG- 4 的 1.52 倍。H.264 在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像。H.264 不仅比 H.263 和 MPEG- 4 节约了 50的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能。它引入了面向 IP 包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输。H.264 具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。H.264 支持不同网络资源下的分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。H.264 能适应于不同网络中的视频传输，网络亲和性好。 通过以上分析，

158、本系统采用 H.264 编解码方式。 5.3.3 编解码器的选择 编解码器有软件和硬件之分。 硬件编解码就是图形芯片厂家提出的用 GPU资源解码视频流的方案，与之相对的是软件编解码，也就是传统的用 CPU 承担编解码工作的方案。硬件编解码的优点就是效率高，功耗低、热功耗低，缺点是缺乏有力的支持（包括滤镜、字幕等） ，局限性较大，设置较为复杂。硬件编解码需要有硬件编解码模块、相关的驱动配合、合适的播放软件以及对播放软件正确的设置，缺一而不能开启硬件编解码功能。而软件编解码器相对灵活，且易于实现，现有主流计算机的配置完全可以满足，不会对系统性能造成影响。故本系统采用软件实现编解码。 现在主要的基于

159、 H.264 标准的开源编码器有三种：JM、X264、T264。 JM 是 H.264 的官方测试源码，有以下特点：实现了 264 所有的特性，由于是官方的测试源码，所以学术研究的算法都是在 JM 基础上实现并和 JM 进行比较。但其程序结构冗长，只考虑引入各种新特性以提高编码性能，忽视了编码复杂度，其编码复杂度极高，不宜实用。 X264 是网上自由组织联合开发的兼容 264 标准码流的编码器，注重实用。和 JM 相比，在不明显降低编码性能的前提下，努力降低了编码的计算复杂度。但是 X264 只有编码器，没有解码器。 T264 是中国视频编码自由组织联合开发的 264 编解码器，编码器编码输出

160、标准的 264 码流，解码器只能解 T264 编码器生成的码流。其特点是和 X264 的出发点相似，并吸收了 JM、太原理工大学硕士研究生学位论文 5 6X264、XVID 的优点。 因此，选用 T264 编解码器，在服务器端计算机安装 T264 编码器，在客户端的计算机安装 T264 解码器。 5.3.4 压缩解压与显示的实现 利用 VFW 中的视频压缩管理器 VCM（Video Compression Manager）提供的接口完成数据的压缩解压缩功能。当客户端和服务器端程序去调用 VCM的时候，VCM把这个调用动作封装到一个消息中。然后通过使用 ICSendMessage（）函数，把这个

161、消息发送到压缩器或解压器。VCM接收到压缩器或解压器的返回值后，就把控制返回给应用程序。服务器端程序可以使用一个连串的 ICCompress（）函数和宏去压缩数据。这个函数和宏决定使用压缩格式、准备压缩器、压缩数据、结束压缩工作。客户端程序使用一连串的 ICDecompress（）函数去控制解压器。这些函数可以选择一个解压器、解压器准备、数据解压、结束解压工作。处理数据解压的过程和数据压缩的过程类似，只不过解压的输入格式是一个压缩了的格式，输出格式是一个可以显示的格式。视频显示部分利用 VFW 中提供的 DrawDib 函数组来完成。 5.4 视频图像处理 5.4.1 引言 由于井下环境的恶劣

162、性，特别是光线不足，粉尘多等导致视频监控系统摄像机工作时，采集到的视频清晰度受到影响，图像细节不清、画面模糊。另外，在视频图像的编码、传输和解码过程中，由于受到多种因素的影响，如光学系统失真、通信系统噪声干扰和编解码信息损失等，客户端显示的视频图像质量不高，无法达到监控要求。特别是当需要对包含重要信息的视频画面进行分析，提取重要特征时尤为如此，因此，视频信号应尽可能逼真地重现景物，必须对客户端解码后得到的某些视频图像进行增强处理。 图像增强是指按预定的需要，对视频图像的某些特征，如对比度、色彩、边缘和轮廓进行强调或尖锐化，以便于显示观察或进一步的分析与处理。增强将不增加视频图像数据中的相关信息

163、，但它将增加所选择特征的动态范围，从而使这些特征检测或认识更加容易。图像增强不考虑图像质量下降的原因，只将图像中感兴趣的特征有选择的突出，而衰减不需要的特征，因此，图像增强的目的有两个：是改善图像的视觉效果，提高图像成分的清晰度；二是将图像转换成一种更适合人眼观察或计算机自动分析的形式。 5.4.2 灰度变换 灰度变换是图像增强的重要手段之一，它能有效地改善图像的对比度，可使图像动态范太原理工大学硕士研究生学位论文 5 7围增大，对比度扩展，图像更加清晰，特征更加明显。 所谓对比度，是指一般成像系统具有一定的亮度范围，亮度的最大值与最小值之比称为对比度。由于成像系统的亮度有限（曝光不足或曝光过

164、度等） ，生成的图像常常对比度不足，导致人眼观察时的视觉效果很差，不易分辨图像的细节。反映在图像的直方图上就是图像没有充分利用（显示装置）所容许的灰度级范围。 灰度变换可以大大改善人的视觉效果，主要有线性、非线性等几种形式。 1）线性变换 如图 5- 5（a）所示，原图像的灰度范围为a，b，范围较小，现将灰度范围扩展到a ，b （在显示装置容许范围内） ，如图 5- 5（b）所示，可采用图 5- 6（a）所示的线性变换，该变换的表达式为： g(, )= ( , )bai jf i jaaba+ （5- 1） 其中，( , )f i j为待处理像素( , )i j的灰度值，g(, )i j为处理

165、后像素( , )i j的灰度值。 (a) （b） 图 5- 5 图像直方图的扩展 Fig.5- 5 Histogram expansion 2）分段线性变换 为了突出感兴趣的目标或灰度区间，相对抑制那些不感兴趣的灰度区域，常采用分段线性法。常用的三段线性变换法，可用公式（5- 2）和图 5- 6（b）表示。 ( , )g(, )= ( , ) ( , )af i jabai jf i jaabacbf i jbbcb+ 0( , )( , )( , )f i jaaf i jbbf i jc （5- 2） a b 255 255 a b 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 8原图像的灰度区间为

166、0，c变换后的灰度区间为0，c 。由图 5- 6（b）可以看出对灰度区间a，b进行了分段线性变换（扩展） ，对区间0，a及b，c进行了压缩，通过调整折线拐点及分段直线的斜率，可对任一灰度区间进行扩展和压缩。 （a） （b） 图 5- 6 灰度变换 Fig.5- 6 Gray- scale transformation 3）非线性灰度变换 采用一些非线性函数如对数函数、指数函数等作为映射函数，对图像灰度进行变换。对数变换的一般形式为： ln ( , ) 1( , )lnf i jg i jabc+=+ （5- 3） 指数变换的一般形式为： ( ( , )( , )1c f x yag i jb=

167、 （5- 4） a，b，c 是为了调整曲线的位置和形状而引入的参数。 对数变换可使低灰度范围的( , )f i j得以扩展，而高灰度范围的( , )f i j得到压缩。指数变换将减弱整个图像的亮度，它以牺牲低灰度区域的对比度为代价增加高灰度区域的对比度。 5.4.3 直方图均衡化 一般情况下，如果图像的灰度分别集中在较窄的区间，从而引起图像细节的模糊，为了使图像细节清晰，并使一些目标得到突出，达到增强图像的目的，可通过改善各部分亮度的比例关系，即通过直方图均衡化的方法来实现。 直方图均衡化是以概率论为基础，将一已知灰度概率密度分布的图像，经过某种变换，变成一幅具有均匀灰度概率密度分布的新图像，

168、其结果是扩展了像元取值的动态范围，从而a a b a ( , )f i j ( , )f i j 0 0 b b c a b c ( , )g i j 变换前的灰度 变换后的灰度 变换前的灰度 变换后的灰度 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 9达到增强图像整体对比度的效果。 设一幅图像总像元数为n、分L个灰度级，kn 代表第k个灰度级kr 出现的频数，则第k灰度级出现的概率为： ( )/ (01,0,1,1)rkkkp rnnrkL=L （5- 5） 此时变换函数可表示为： 00( )( )(01,0,1,1)kkjkkrjkjjnsT rp rrkLn=L （5- 6） 因此，根据原图像的

169、直方图统计值就可算出均衡化后各像元的灰度值。按上式对视频图像进行均衡化处理时，直方图上灰度分布较密的部分被拉伸；灰度分布较稀疏的部分被压缩，从而使一幅图像的对比度在总体上得到很大的增强。 5.4.4 视频图像处理结果及分析 1）灰度变换法 当煤矿视频监控系统图像由于成像时感光不足或过度，或成像、记录设备的非线性动态范围太窄等因素，都会造成对比度不足的弊病，使得图像中的细节分辨不清。如图 5- 7 所示，图像中像素点的灰度全部集中在 30140 灰度级范围内，因此，如果利用图像灰度线性扩展，可以显著改善图像的观看质量。 经过图像处理后，原图像的灰度范围从原来的 30140 扩展到 0255，得到

170、线性变换后的图像如图 5- 8 所示，可以看出图像质量有明显的改善。 分段线性变换后得到的图像如图 5- 9 所示。从图中可以看出，通过此变换，原图中灰度值在 020 和 180255 之间的动态范围减小了， 而原图中灰度值在 180255 之间的动态范围增加了，从而这个范围内的对比度增加了，具体表现为变换后图像中矿井亮度明显增强。 图 5- 7 原始图像及直方图 Fig.5- 7 Original image and histogram 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 0 图 5- 8 线性变换后图像和增强对比度的变换曲线 Fig.5- 8 Image after linear tran

171、sformation and transformation curve after enhance contrast 图 5- 9 分段线性变换后图像和增强对比度的变换曲线 Fig.5- 9 Image after segmental linear transformation and transformation curve after enhance contrast 当原图的动态范围太大，超出了某些显示设备所允许的动态范围时，可采用对数形式的变换函数进行动态范围压缩，变换后得到的图像如图 5- 10 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 1 图 5- 10 对数形式变换后的图像和对

172、数形式变换曲线 Fig.5- 10 Image and curve after logarithmic transformation 从图中可以看出，通过这样一个变换，图像对比度增强了，同时突出了图像的某些细节。 2）直方图均衡化法 井下监视图像明暗程度分布不均，而且灰度范围比较窄，由图 5- 11 直方图可以看出多密集在一起且两侧较小中间突出一个高峰，大部分像素集中于灰度值 150 或 200 以下，使得图像信息不够丰富，图像结构不够清晰，我们可以通过直方图均衡化的方法进行图像增强。 图 5- 11 原始图像及其直方图 Fig.5- 11 Original image and histogr

173、am 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 2 图 5- 12 直方图均衡化后图像及其直方图 Fig.5- 12 Image and histogram after histogram equalization 经过均衡化的图像如图 5- 12 所示，可以看出均衡化后，图像动态范围增加了，在每个灰度级上图像都有像素点。反差也有所增强，原来图像中较暗区域中的一些细节更清晰，改善了图像的视觉质量，但灰度等级却减少了。直方图均衡化存在着两个缺点：第一，变换后图像的灰度级减少，某些细节消失；第二，某些图像，如直方图有高峰，经处理后对比度不自然的过分增强。 在实际应用中，应针对不同的图像应采用不同的图像增

174、强方法，或同时采用几种适当的增强算法进行实验，从中选出视觉效果较好的、计算不复杂的、又合乎应用要求的一种算法。 5.5 本章小结 本章介绍了机器人视觉系统的分类和组成，构建了煤矿井下探测机器人视觉系统，对视频采集设备进行了选型和设计，包括照明光源、摄像机以及视频采集卡的选用。通过对比分析，确定了视频编码方式，选择了合适的软件编码器，并采用 VFW 编程实现了远程视频监控，包括视频采集过程以及视频解压显示过程。最后给出了视频图像的两种增强方法，进行了对比分析。 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 3第 6 章 总结与展望 6.1 总结 本文以煤矿井下探测机器人为研究对象，通过将机器人远程控制技术

175、与视频监控技术相结合，设计研究了煤矿井下探测机器人远程监控系统。本文主要完成的工作有以下几个方面： 1）对机器人远程监控技术进行了研究，分析了煤矿井下探测机器人远程监控系统的功能要求，对煤矿井下探测机器人远程监控系统进行了总体设计，介绍了探测机器人的本体结构，对系统的部分硬件进行了选型。 2）通过对两种软件结构模型 C/S 和 B/S 的分析，确定了系统软件采用的结构模型。引入了多线程编程技术和模块化设计，根据对客户端和服务器端软件功能的分析，设计了客户端和服务器端软件，并且根据用户软件主界面的设计要求，设计了适用于煤矿井下探测机器人的人机交互主界面。 3）对煤矿井下探测机器人通信方式进行了研

176、究，通过对通信特点和方式的对比分析，设计了通信系统的方案， 并根据传输信息的特点， 选择使用了不同的传输层协议， 通过 Windows Sockets 编程实现了数据信息和视频信息的传输。 4）对机器人视觉技术进行了研究，构建了煤矿井下探测机器人视觉系统，对视频采集设备进行了选型和设计，包括照明光源、摄像机以及视频采集卡的选用。通过对比分析，确定了视频编码方式，选择了合适的软件编码器，并采用 VFW 编程实现了远程视频监控，包括视频采集过程和视频解压显示过程，采用灰度变换法和直方图均衡化法对某些视频图像进行了图像增强处理。 6.2 展望 在对煤矿井下探测机器人远程监控系统的研究过程中，发现了许

177、多感兴趣的问题，也同时发现了许多不足之处，有待于在今后的工作中进一步研究。 1）由于煤矿事故后井下环境十分复杂，对远程控制系统的稳定性和可靠性提出了很高的要求，由于项目进度原因，机器人系统正在装配之中，未能在实际环境中应用，因此，本系统还需要在以后的实践中进一步改进和完善。 2）任何用于煤矿井下作业的仪器设备必须满足国家规定的防爆标准，国家明确规定煤矿井下用测量仪器必须是本质安全的。特别是本机器人用于井下探测，必须具有很好的防爆性太原理工大学硕士研究生学位论文 6 4能。另外，煤矿井下湿度大，同时还经常有泥浆、煤尘等恶劣环境的出现，因此，井下探测机器人需要有更好的防水性能和鲁棒性。 由于课题的

178、研究性质和研究目的，在本设计中，不论是电源还是传感器都还不能满足防爆防水和本质安全的要求。因此，在以后的研究中，需从机器人系统整体防爆防水性能方面考虑，也可以根据井下环境要求，对机器人系统的模块防爆防水性能进行设计。 3）机器人视频监控硬件设备以及本身加载的传感器数量，受机器人能量提供方式、防爆防水性等制约，因此视频监控系统的性能还有很大的提升空间，比如采用机器人立体视觉系统，以及通信性能更好的无线设备等。 4）在通信协议方面，可以深入的研究更适合于视频实时传输的协议，对于视频数据准确可靠的传输和远程视频监控的有效性提升有很重要的作用。在软件设计方面，功能完整性与操作简单化、算法复杂性与运行高

179、效性之间的矛盾需要更好的解决。 5）在无线传输方面，如何解决井下环境远距离的通讯问题以及将有线和无线通讯有效结合需要进一步研究。 总之，煤矿井下探测机器人远程监控系统的研制及推广应用是一个系统工程，对于未来机器人在煤矿救灾中发挥更大作用和机器人在特殊环境中的应用研究都有很重要的意义。 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 5参考文献 1 Saeed B.Niku著，孙富春等译机器人学导论分析、系统及应用M北京：电子工业出版社，2004 2 熊有伦机器人技术基础M武汉：华中理工大学出版社，1999 3 蔡自兴机器人学M北京：清华大学出版社，2000 4 张毅等移动机器人技术及其应用M北京：电子工业

180、出版社，2007 5 王忠民灾难搜救机器人研究现状与发展趋势J现代电子技术，2007，(17)：152- 155 6 王勇，朱华，王永胜等煤矿救灾机器人研究现状及需要重点解决的技术问题J煤矿机械，2007，28(4)：107- 109 7 Mine Safety and Health Administration(MSHA)Mine Rescue RobotEB/OL http:/www.msha.gov/sagomine/robotdetails.asp，2009- 11- 19 8 iRobot CorporationThe Multi- Mission Tactical Mobile R

181、obotEB/OL http:/ 11- 19 9 钱善华，葛世荣，王永胜等救灾机器人研究现状与煤矿救灾的应用J机器人，2006，28(3)：350- 354 10 李允旺，葛世荣，朱华煤矿救灾机器人应用探讨J煤矿机械，2009，30(1)：164- 167 11 Cui Yi- an，Cai Zixing，Wang LuScene recognition for mine rescue robot localization based on visionJTransactions of Nonferrous Metals Society of China，2008，18(2)：432- 43

182、7 12 Garcia E，Gonzalez de Santos PMobile- robot navigation with complete coverage of unstructured environmentsJRobotics and Autonomous Systems，2004，46(4)：195- 204 13 段华室外移动机器人视觉导航关键技术研究D南京：南京航空航天大学，2006 14 Bambang RTDevelopment of architectures for internet telerobotics systemsJJournal of Bionic Eng

183、ineering，2007，(4)291- 297 15 Fong T，Nourbakhsh I，Dautenhahn KA survey of socially interactive robotsJ Robotics and Autonomous Systems，2003，42(3)：143- 166 16 Sheridan TBTeleoperation，telerobotics and telepresence：a progress reportJControl Engineering Practice，1995，3(2)：205- 214 17 阮锋移动机器人控制系统研究D杭州：浙江

184、大学，2004 18 李文锋，张帆，闫新庆等移动机器人控制系统结构的研究与进展J中国机械工程，太原理工大学硕士研究生学位论文 6 62008，19(1)：114- 119 19 Sheridan TB Telerobotics， automation and human supervisory controlJ Automatica， 1994，30(6)：1072- 1073 20 Sheridan TBSpace teleoperation through time delay:review and prognosisJIEEE Transactions on Robotics and A

185、utomation，1993，9(5)：592- 606 21 Soglo AB ， Yang Xianhui Networked control system simulation design and its applicationJTsinghua Science&Technology，2006，11(3)：287- 294 22 宋华基于 Web 的远程机器人控制技术的研究D哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003 23 朱孟强移动机器人控制系统的研究D杨凌：西北农林科技大学，2008 24 Tanenbaum AS，熊桂喜译计算机网络(第三版)M北京：清华大学出版社，2002 25 Rich

186、ard STCP/IP 详解 卷 1：协议M北京：机械工业出版社，2004 26 蒋东兴Windows Sockets 网络程序设计大全M北京：清华大学出版社，2000 27 郑慧，范忠诚等零基础学 Visual C+M北京：机械工业出版社，2009 28 李文峰，李华矿山无线救援通信技术研究J煤炭科学技术，2008，36(7)：80- 83 29 刘建等，煤矿救援机器人的通信系统设计J煤炭科学技术，2009，37(8)：87- 90 30 张文祥，马银花短距离无线通信技术在煤矿井下的应用探讨J移动通信，2009，(2)：144- 146 31 Egea- Lopez E，Martinez-

187、Sala A，Vales- Alonso J，etcWireless communications deployment in industry:a review of issues，options and technologiesJComputers in Industry，2005，56(1)：29- 53 32 Akyildiz IF，Melodiaa T，Chowdhurya KRA survey on wireless multimedia sensor networksJComputer Networks，2007，51(4)：921- 960 33 李肪基于 ZigBee 的井下

188、救灾机器人自主通信研究J科学技术与工程，2008，8(14)：3934- 3936 34 施伟提高移动机器人远程通信质量的研究D长沙：中南大学，2005 35 穆向阳等机器视觉系统的设计西安石油大学学报J2007，22(6)：104- 109 36 贾云得机器视觉M北京：科学出版社，2000：1- 15 37 章毓晋机器视觉和图像技术J自动化博览，2009，(02)：20- 25 38 曹国斌，刘雪蛟，王花图像和机器视觉技术概述J电子工业专用设备，2008，37(8)：27- 31 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 739 石玲远程控制中视频传输的设计与实现J电脑与信息技术，2005，13(

189、3)：59- 62 40 文平耿，陈钢视频传输远程控制设计新方案J企业技术开发，2007，26(10)：15- 16 41 范路桥等排爆机器人视频图像系统的研究与实现J科学技术与工程，2007，7(19)：4904- 4908 42 Stallings W，高传善译局域网与城域网(第五版)M北京：电子工业出版社，1998 43 李在铭数字图像处理压缩与识别技术M成都：电子科技大学出版社，2000 44 何斌Visual C+数字图像处理M北京：人民邮电出版社，2002 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 8致 谢 本论文是在导师牛志刚教授的悉心指导和热情帮助下完成的，从课题的确定到研究方法的选

190、择都凝聚了牛老师的心血。三年的学习生活和研究工作中，牛老师严谨的治学态度、渊博的学术知识、精深的学术造诣和谦逊的学者风范，无疑将成为我受益终生的宝贵财富。在此对牛老师致以最诚挚的谢意！ 在硕士学习期间，机器人实验室的董志国老师、张晓东老师和王园宇老师以及郝鹏飞博士都给了我不少的指导和帮助，在此也向他们表示由衷的感谢！ 同时，还要特别感谢同实验室的付志超、刘晓恒和王梁等同学在研究过程中给予我的很多启发和帮助，感谢和我一起学习生活的王树志、董然、孙贝等同学，是你们使我愉快的度过了充满美好回忆的研究生生活。 最后，衷心感谢所有曾关心过我、帮助过我的师长、朋友和同学们，特别是我的家人在学习生活上给予了我莫大的关心和帮助。 邓勇军 2010 年 4 月于太原理工大学 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 9攻读硕士期间发表论文目录 1 邓勇军， 牛志刚等 煤矿井下探测机器人远程控制系统J机械工程与自动化， 2010，(3)，已录用 2 Niu Zhigang，Li Zhong，Deng YongjunPrinciple and experiment of PRS- XY hybrid NC machine toolJKey Engineering Materials，2009，(2)，407- 408：131- 134