机器人的远程无线图像传输探索

2008年，第二炮兵工程学院针对救援机器人在救援区进行图像采集的问题，提出了一种基于3G的远程监控系统。该系统设计中应用了3G通信技术对救援机器人进行指挥和实时视频传输，而且配备GPS卫星导航仪进行精确导航。机器人控制系统主要包括终端模块、3G传输网络、后台监控系统，用于对机器人的现场环境、位置、传感器等指数进行远程实时监控，为机器人的指挥控制创造有利的条件。该系统基于3G网络进行图像传输，在处理器端增加了一个视频传输流量控制模块，而且监控端可以通过接收缓冲区尺寸变化的反馈来解决3G环境下视频传输系统的稳定性[11]。它解决了目前救援机器人在有线和无线远程监控中遥控距离短、定位困难、传输数据量少的问题。远程监控系统总体组成如图3所示[12]，带流量控制的视频传输系统框图如。GPS[13]是由美国国防部的陆海空三军在20世纪70年代联合研制的新型卫星导航系统，它的英文名称是“navigationsatellitetimingandranging／globalpositioningsystem”，其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称“GPS”。GPS定位的基本原理[14]是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。它可以为陆地、海上、空中的用户提供全方位的实时三维导航与精确定位，具有自动化、高效益、全天候、高精度等优点，是现代航空航天、军事、通信、气象、交通运输、资源勘探等领域[15]中不可或缺的技术手段和方法。随着全球定位技术的不断改进，GPS作为图像传输的一种辅助工具也发挥着极其重要的作用，与图像传输网络共同构成一个完善的整体，为移动机器人的远程监控及定位提供精确的信息。

该系统除了具备基本的视频传输功能外，还具备本地存储、语音对讲、兼容客户端软件和浏览器观看、完善的管理、码率可调、视频压缩、多通道捆绑等多种功能。其中系统兼容客户端软件和浏览器观看是指系统同时具备C/S和B/S2种方式，可同时在计算机端和3G手机端观看现场的画面。这样即使指挥员没有在计算机旁，也可以通过手机掌握现场的情况，为指挥决策提供第一手的资料[16]。2.4GHz无线网络技术2.4GHzISM（industrysciencemedicine）是世界公开使用的无线频段，因其辐射超低且整体频宽胜于其他ISM频段被称为一个全球性的绿色环保频段[17]。2.4GHzISM频段的图像传输设备和天线体积相当小，安装十分便捷，采用扩频技术，可同时传输几路MPEG-4的压缩图像。有跳频和直序列扩频2种工作方式，跳频方式吞吐速率低，传输速率较低，但是抗干扰能力较强且跳频序列可以同址复用。直序列扩频方式有较高的吞吐速率但抗干扰性能较差，且多套系统同址受限制[18]。2.4GHz频道虽有传输距离较近、穿透遮挡物能力较差的弱点，但2.4GHz射频技术有很大的市场机会，它不需要许可证，因此是一个开放的市场，而且由于频率较高，因而干扰信号较少，图像传输效果也较好。且支持双向通信，收发信号时不受外物遮挡，不受角度或方位的限制。2004年，浙江大学在对微型无人自主直升机目标识别系统的研究中讨论了一种图像无线传输系统[19]，该系统采用2.4GHz发射频率，通过无线图像传输来执行侦测任务，但该系统质量较重、体积较大、在传输图像的过程中比较容易受到干扰。2006年，TimothyKinkaid博士针对微型飞行器由行过程不稳定而导致拍摄到的图像信号不稳定的问题，提出了一种新型的无线图像传输系统[20]。如图5所示，该系统采用2.4GHz发射频率，功耗为50mW，视频发射器质量为1.6g，飞行器上携带的摄像头质量约为3.3g，天线采用全向探测，通过2.4GHz无线通讯系统，可以及时将侦察到的图像信息传回地面控制站。采用该系统传输的图像非常稳定，减小了飞行不稳定对图像质量的影响。美军在阿富汗战争中使用的Packbot系列机器人，由美国领先的机器人技术公司IRobot开发，针对阿富汗与伊拉克战场的实际需要来执行侦察及排爆任务。Packbot机器人配备有远程图像传输系统，采用2.4GHz发射频率，霍尼韦尔摄像机保密性强，可提供高质量的图像、音频信号，无线传输距离约600~1000m。监控端采用LCD液晶屏实时显像，无线手柄进行遥控，通过FalconView软件进行机器人周围区域的数字式卫星图像的MAV数据定位。如图7所示，Packbot系统可以利用摄像头从不同角度获得的图像信息来对近距离内物体进行三维建模与贴图，实时反映真实的物体形态与距离关系。该技术可以大大增强远程图像传输系统的可靠性与稳定性。另外，1.2GHz、5.8GHz在无线图像传输方面也有一定的应用，但是由于其对无线环境要求过高，所以只能在特定的环境下进行使用，比如1.2GHz在空中无人机的无线图像传输，5.8GHz在楼宇顶端点对点无线网桥的图像传输。COFDM调制技术COFDM是一种多载波调制技术，源于OFDM，它是欧洲电信标准协会（ETSI）为欧洲的数字电视广播（DVB-T）和欧洲数字广播（DAB）制订的编码和传输标准。它的原理是通过采用子信道频谱重叠，但相互间又不影响的频分复用（FDM）方法来并行传输数据。COFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，判断哪个特定的载波存在高地信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信[21]。系统能在200km/h的移动环境中提供6~40Mbit/s的有效传输速率[23]。因其多载波等技术特点，COFDM设备具备非视距、绕射传输的优势，在城区、山地、建筑物内外等不可能可视及有阻挡的环境中，该设备能够以高概率实现图像的稳定传输，不受环境影响或受环境影响小。可以在机器人高速移动情况下或强电磁干扰环境下实现高码流、高画质音视频的实时传输。2009年，哈尔滨理工大学进行了移动机器人无线监控系统的设计，开发了一套基于TMS320DM642芯片和COFDM的无线图像传输系统。系统选用便捷式W2011B无线图像传输设备[22]，采用MPEG-4数字图像压缩技术，压缩率高，支持全实时的动态彩色图像和语音传输。视频输入为PAL/NTSC；传输的图像分辨率为325×288，传输速率为25帧/s，传输距离在有阻的条件下约700m；电池可连续工作4h。利用扩频通信技术，提供了较好的抗干扰能力，可以在比较复杂的环境，比如有阻挡、非通视和高速移动条件下，实现宽带高速图像的传输[23]。一组W2011B收发设备可完成多路图像传输工作，且不会互相干扰，解决了微波方式进行无线图像传输存在的问题，成为机器人无线监控系统进行非视距、远距离图像传输的最佳选择。

通过对上述多种机器人无线图像传输方式的研究，根据不同的需求可把本文详细介绍的5种图像传输技术进行对比。3展望综上所述，移动式机器人图像传输的实时性、稳定性、可靠性一直都是所有设计者追求的目标，随着无线图像传输技术的发展，无线图像传输系统今后的发展将趋于体积小、传输速率高、无线传输距离远、图像清晰度高、可移动性强、非视距传输、抗干扰、误码率低、保密性强等特点，真正实现图像的实时、稳定、可靠传输。图像传输作为机器人执行侦察、救援、排爆等任务的首要环节，占据了十分重要的地位。移动机器人的无线图像传输技术不仅在民用上受到欢迎，在军事方面上也受到了极大的关注。民用方面通常采用公众移动网络传输图像，比如GPRS、CDMA等，在3G技术成熟之前，使用当前的GPRS、CDMA无线公网远程监控移动机器人，不失为一个良好的尝试。所存在的挑战主要是目前无线通信公网的带宽尚不能满足实时视频传输的需求。随着3G技术的发展和服务成本的降低，该问题将得到缓解，3G无线图像传输技术将依其强大的优势占据民用方面很大的市场。军事方面，比如无信号的偏远山区或者由于地震、火灾等人为或自然灾害造成的可能信号中断的地域，GPRS、CDMA、3G通信网络可能失效。这时，微波传输就显示了其独特的优势，比如1.2GHz、2.4GHz、5.8GHz、COFDM图像传输技术等，由于微波传输具有直线性，那么COFDM多载波调制技术根据自身的特长，再配合GPS准确定位，将会在军事领域发挥重要的作用。目前，面向恶劣无线环境的图像传输技术尚未发展成熟，加强该方面的研究，对在特殊环境下执行侦察、排爆、救援等任务的移动机器人远程操作的研究具有重要的意义。

作者：王贺燕 侍才洪 杨康建 张建明 司跃元 张西正 单位：军事医学科学院卫生装备研究所 天津工业大学