CN106131493A - 基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统 - Google Patents

基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统，包括终端机、遥控器、无线传感网络和头戴式显示模块；终端机采集遥控器对机器人的控制数据，并将其传送给无线传感网络，还接收并显示从消防现场传回的环境参数；无线传感网络将控制数据实时发送给机器人，还实时采集消防现场的环境参数并传送给终端机；头戴式显示模块接收机器人采集到的消防现场的视频图像并进行3D视觉显示，还实时采集人的头部的三维运动矢量，并将其映射到机器人的头部运动模拟系统中。本发明可以远程实施消防和更加系统详细的监测周围环境指数，从而做出更加科学系统的实时消防方案，本发明还可用于自然科学研究、灾情救援、环保、军事等诸多领域。

Description

基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术应用于远程消防领域，具体是一种基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统。
背景技术
虚拟现实远端临场机器人是一种新型、便捷的人类代替工具，其配有两个远程摄像机，捕捉周围发生的一切，让操作者可以360度无死角环顾四周各个方向的动静，可以代替人类完成一些危险性高、强度大的工作，其具备轻便、与人互动、以及远程医疗等多种优点于一身，但由于其采用的硬件在技术上的缺陷，使得本机器人在进行人机交互时控制距离不能太远，距离太远会导致控制滞后现象，并且所用器件对高温承受能力有限。在高温下，例如消防等场合不能进行长时间稳定工作。
发明内容
为了克服现有技术的不足，以及在一定程度上减少人员伤亡和财产损失，本发明提供一种基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统。
本发明的技术方案是：基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统，包括终端机、遥控器、无线传感网络和头戴式显示模块；所述终端机用于采集遥控器对机器人的控制数据，并将所述控制数据传送给无线传感网络；所述终端机还用于接收并显示从消防现场传回的环境参数；所述无线传感网络将所述控制数据实时发送给远端的机器人；所述无线传感网络还用于实时采集消防现场的环境参数，并将所述环境参数传送给终端机；所述头戴式显示模块用于接收机器人采集到的消防现场的视频图像并将所述视频图像进行3D视觉显示；所述头戴式显示模块还用于实时采集人的头部的三维运动矢量，进而将所述三维运动矢量映射到机器人的头部运动模拟系统中，以实现人机交互的同时可以对现场环境进行更加真实的全方位的查看。
较佳地，所述终端机包括主控芯片、无线收发器一和显示屏幕；所述主控芯片用于采集遥控器对机器人的控制数据，以及接收从消防现场传回的环境参数；所述无线收发器一用于将控制数据传送给无线传感网络；所述显示屏幕用于显示所述主控芯片接收到的从消防现场传回的环境参数。
较佳地，所述无线传感网络包括arduino主控芯片一、温湿度传感器、无线收发器二以及中继站；所述arduino主控芯片一用于控制所述温湿度传感器实时采集消防现场的温湿度环境参数，并将所述温湿度环境参数传送给所述无线收发器二；所述无线收发器二用于将所接收到的温湿度环境参数发送给所述中继站；所述无线收发器二还用于将来自中继站的遥控器对机器人的控制数据实时发送给机器人；所述中继站用于将所接收到的温湿度环境参数发送给所述终端机；所述中继站还用于接收来自遥控器对机器人的控制数据。
较佳地，所述头戴显示模块包括MPU6050模块、用于采集磁场数据的电子罗盘以及液晶屏幕；所述MPU6050模块用于采集人的头部的三维运动矢量中的三轴角速度和三轴加速度；所述液晶屏幕用于将机器人采集到的消防现场的视频图像进行3D视觉显示。
本发明的有益效果：本发明可以远程实施消防任务和监测消防现场周围环境指数，达到对环境更加系统详细的监测，从而根据丰富的经验做出更加科学系统的实时方案，从而减少了人员伤亡和财产损失，本发明还可用于自然科学研究、灾情救援、环保、军事等诸多领域。
附图说明
图1本发明的控制系统框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统，包括终端机、遥控器、无线传感网络和头戴式显示模块；所述终端机用于采集遥控器对机器人的控制数据，并将所述控制数据传送给无线传感网络；所述终端机还用于接收并显示从消防现场传回的环境参数；所述无线传感网络将所述控制数据实时发送给远端的机器人；所述无线传感网络还用于实时采集消防现场的环境参数，并将所述环境参数传送给终端机；所述头戴式显示模块用于接收机器人采集到的消防现场的视频图像并将所述视频图像进行3D视觉显示；所述头戴式显示模块还用于实时采集人的头部的三维运动矢量，进而将所述三维运动矢量映射到机器人的头部运动模拟系统中，以实现人机交互的同时可以对现场环境进行更加真实的全方位的查看。
进一步地，所述终端机包括主控芯片、无线收发器一和显示屏幕；所述主控芯片用于采集遥控器对机器人的控制数据，以及接收从消防现场传回的环境参数；所述无线收发器一用于将控制数据传送给无线传感网络；所述显示屏幕用于显示所述主控芯片接收到的从消防现场传回的环境参数。
进一步地，所述无线传感网络包括arduino主控芯片一、温湿度传感器、无线收发器二以及中继站；所述arduino主控芯片一用于控制所述温湿度传感器实时采集消防现场的温湿度环境参数，并将所述温湿度环境参数传送给所述无线收发器二；所述无线收发器二用于将所接收到的温湿度环境参数发送给所述中继站；所述无线收发器二还用于将来自中继站的遥控器对机器人的控制数据实时发送给机器人；所述中继站用于将所接收到的温湿度环境参数发送给所述终端机；所述中继站还用于接收来自遥控器对机器人的控制数据。
进一步地，所述头戴显示模块包括MPU6050模块、用于采集磁场数据的电子罗盘以及液晶屏幕；所述MPU6050模块用于采集人的头部的三维运动矢量中的三轴角速度和三轴加速度；所述液晶屏幕用于将机器人采集到的消防现场的视频图像进行3D视觉显示。
以下对本发明的技术方案进行进一步的详述：
1)所述终端机通过使用STM32F103作为主控芯片采集遥控器对机器人的控制数据通过SPI协议挂载NRF24L01芯片的无线收发器将控制数据实时发送给远端的机器人。通过主控芯片STM32F103最小系统板采集头戴式显示模块的虚拟现实眼镜盒中的电子罗盘(HMC5883L)和MPU6050的数据进行算法处理后输出一个头部矢量数据后和采集到的遥控器的摇杆的数据以打包后通过SPI协议采用NRF24L014模块发送给机器人从而远程控制机器人的运动以及机械臂的运动。通过采集遥控器的摇杆的数据从而发送给机器人，控制机器人的在现场的自由移动和机械臂的运动，从而在一定程度上简化了控制数据的采集，在一定程度上降低了控制芯片CPU的利用率，在体现低功耗的同时可以增加了控制芯片对数据的处理速率，更加体现了远程操作的实时性。
2)终端机，通过使用labview编写开发的上位机软件通过图像数据的形式实时将无线传感网络通过无线串口模块传回的现场的各项环境参数直观显示在电脑屏幕上，使工作人员对现场的各项环境指数一目了然；
3)无线传感网络中采用三个arduino作为主控芯片控制温湿度传感器(dth11)实时采集现场的温湿度数据后通过外接的NRF24L01无线收发器发送到中继站，其中中继站同样采用arduino作为主控芯片控制NRF24L01无线收发器进行收集无线传感网络采集的数据从而实现多发一收的控制后通过外接无线串口发送到终端机上进行直观显示。
4)头戴显示模块通过VR眼镜盒中设置的一个显示屏链接一个同屏器，将机器人的双目摄像头采集到的图像经过机器人上挂载的mini主机处理后通过无线WiFi投射至7寸液晶屏幕上并显示出3D效果，更加具有真实感，同时在眼镜盒中装有采集三轴角速度和三轴加速度的MPU6050模块和采集磁场数据的电子罗盘(HMC5883L)电子模块，实时采集戴上眼镜盒后的头部的三维运动矢量，从而映射到机器人的头部运动模拟系统中，在实现人机交互的同时可以对现场环境进行更加真实的全方位的查看。其中主控芯片STM32F103需要对NRF24L014发回的MPU6050和电子罗盘传回的数据包及时的融合并运用卡尔曼滤波处理后对人头部的运动状态和姿态角度计算输出，实时的确定从而控制云台中舵机的运行，从而更好地达到模拟人的头部运动，实现三维空间的视频采集。双目摄像头采集的视频数据，经核心处理模块处理后，通过同屏器实时传送回地面站，以让控制人员通过实时查看远端现场环境后根据经验做出系统的实施方案。
本发明的虚拟现实眼镜的设计需要对屏幕的分辨率和数据的传送方式有一定的要求，所以，我们采用了比眼镜盒稍微大一点和同屏器数据传送的液晶屏幕，并且和眼镜盒采用封闭式的连接，从而达到通过虚拟显示眼镜考到的图像视屏有3D效果，进一步增加真实感，和远端临场的效果，同时为了更加体现云台对人头部运动的模拟，将MPU6050和电子罗盘安装在了虚拟现实眼镜盒上，达到了对人头部姿态矢量的实时捕捉并映射到机器人的头部动作模拟系统，进行动作模拟。通过让消防人员佩戴虚拟现实眼镜和机械臂控制手套进行在远端实时查看事故现场的环境进行制定系统方案后进行有计划地在远端操作机器人。
本发明中涉及的虚拟现实远端临场机器人是一种新型、便捷的人类代替工具，其配有两个远程摄像机，捕捉周围发生的一切，让操作者可以360度无死角环顾四周各个方向的动静，可以代替人类完成一些危险性高、强度大的工作、轻便、与人互动、以及远程医疗等多种优点于一身，本发明致力于在虚拟现实远端临场机器人的基础上进行深入创新，自行设计机械结构、使用最优化的控制算法以及应用嵌入式技术的人机交互平台，让其能更好地满足人们的生产和生活需求。充分发挥了远程临场(telepresence)的“Tele”(远传)加上“Presence”(临场、存在)的作用近端使用者有身处远程环境的临场感。本发明采用虚拟现实(VR)技术，结合机器人上设置的双目摄像头和三维云台技术进行图像采集；采用OculusRift SDK来进行开发，使用uni ty 3d开发软件对双目摄像头的图像进行处理显示在虚拟现实眼镜中屏幕上的两边，并结合鱼眼效果和3D效果以及黑色边框的渲染使之产生3D效果的同时避免眩晕感。采用体感控制双机械臂模拟人的双臂和双手活动，并和灭火喷头结合在一起，实现灵活作业的同时还可以进行高效率的定点准确消防。本发明将灭火材料的喷头和机器人的机械臂结合在一起，可以在远端通过观察现场环境和机械臂的运动来实现定点灭火和高效率的灭火，因为机器人所带的灭火材料有限，需要适应得当，实现资源的最大利用化；同时可以通过控制机械臂实现对事故现场的一些易燃易爆等危险品进行及时的搬运到安全区域，并且对其进行快速降温或隔离。通过远程搭建的无线传感网络(WSN)，结合无线中继实现对远程各种环境指标的全面系统的检测了解，以便做出更加系统合理的执行方案和进行一系列活动，更好的体现远端临场的特点。
本发明的视频处理软件使用Uni ty 3D开发，同时使用Oculus Rift SDK开发包将摄像头捕捉的图像分左右眼显示(就是左眼和右眼看到的是两组画面，一般通过两台播放设备的镜头前安装圆偏正镜，然后带上3D眼镜，分别左眼和右眼看到的画面是单独的，这所谓单独的就是左眼的能看到的画面，戴上眼镜后右眼是看不到的，然后右眼能看到的画面左眼是看不到的。通过对焦调整处理，产生了景深的立体效果)再加上鱼眼的效果结合黑色边框渲染效果，再将处理后的图像由WIFI发送出去，投射到虚拟现实眼镜盒中的7寸液晶屏幕上进行显示，使之呈现3D效果，画面更加真实；
为了防止二次事故的发生以及对事故现场及周围的环境进行全面系统的实时监测，可以操作机器人到达事故现场后，通过360度无死角的对现场进行观察后临时搭建高密度的无线传感网络，达到对事故现场环境指数的实时。同时，采用labview编写的上位机，在终端机上对无线传感网络传回的数据进行处理后直观的显示在显示平台上，达到对事故现场的环境指数一目了然，也可以实时收集环境参数，分析后对后期的维护工作提供科学依据。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统，其特征在于，包括终端机、遥控器、无线传感网络和头戴式显示模块；
所述终端机用于采集遥控器对机器人的控制数据，并将所述控制数据传送给无线传感网络；所述终端机还用于接收并显示从消防现场传回的环境参数；
所述无线传感网络将所述控制数据实时发送给远端的机器人；所述无线传感网络还用于实时采集消防现场的环境参数，并将所述环境参数传送给终端机；
所述头戴式显示模块用于接收机器人采集到的消防现场的视频图像并将所述视频图像进行3D视觉显示；所述头戴式显示模块还用于实时采集人的头部的三维运动矢量，进而将所述三维运动矢量映射到机器人的头部运动模拟系统中，以实现人机交互的同时可以对现场环境进行更加真实的全方位的查看。
2.如权利要求1所述的基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统，其特征在于，所述终端机包括主控芯片、无线收发器一和显示屏幕；
所述主控芯片用于采集遥控器对机器人的控制数据，以及接收从消防现场传回的环境参数；
所述无线收发器一用于将控制数据传送给无线传感网络；
所述显示屏幕用于显示所述主控芯片接收到的从消防现场传回的环境参数。
3.如权利要求1所述的基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统，其特征在于，所述无线传感网络包括arduino主控芯片一、温湿度传感器、无线收发器二以及中继站；
所述arduino主控芯片一用于控制所述温湿度传感器实时采集消防现场的温湿度环境参数，并将所述温湿度环境参数传送给所述无线收发器二；
所述无线收发器二用于将所接收到的温湿度环境参数发送给所述中继站；所述无线收发器二还用于将来自中继站的遥控器对机器人的控制数据实时发送给机器人；
所述中继站用于将所接收到的温湿度环境参数发送给所述终端机；所述中继站还用于接收来自遥控器对机器人的控制数据。
4.如权利要求1所述的基于虚拟现实远端临场智能消防机器人的体感控制系统，其特征在于，所述头戴显示模块包括MPU6050模块、用于采集磁场数据的电子罗盘以及液晶屏幕；
所述MPU6050模块用于采集人的头部的三维运动矢量中的三轴角速度和三轴加速度；
所述液晶屏幕用于将机器人采集到的消防现场的视频图像进行3D视觉显示。
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