基于VR视角的远程体感控制特种车

万迪 张里 张永华 周添运

摘要：近年来，由于许多灾区乱石多、房屋倒塌、泥石流等，给救援工作大大增加了危险和难度系数，使得救援工作的效率无法提高。据了解，国内外没有一项机器能够实现搜救和营救两种机器的结合。基于VR视角的远程体感控制特种车，在车身安装了六自由度机械臂，采用履带及双轮并排带动设计，全地形通用，具有无线视频传输、VR体感操作、SLAM地图绘制、环境监测、运物取物等功能。该小车可深入灾区，而救援人员仅需在安全地带即可实施救援，能大大提升救援工作效率，还能保障救援人员的安全。

关键词：VR视角;体感控制;搜寻救助;无线通讯

1.引言

近年来，自然灾害频发，很多灾害地区由于乱石多、房屋倒塌、泥石流等，给救援工作增加很大的难度和危险系数，如若操作不慎，还可能造成二次灾难。目前，已有一些搜救设备可提前进入灾区，但并不能为处于灾难中的人们提供帮助;只能等到救援人员进入后才能得到救助。据了解，国内外没有一项机器能够实现搜救和营救两种机器的结合。基于VR视角的远程体感控制特种车，可深入灾区，而救援人员则可以在安全区域通过远程体感控制该设备，实现搜寻和救助。

2.总体方案设计

本方案包含两个部分，第一部分是上位机（救援人员操作上位机），主要由主控模块、无线通讯模块、体感传感器模块、手柄控制设备、PC端显示设备等多种模块组成;第二部分是下位机（即下位机），主要由主控模块、串口显示模块、音视频采集模块、按键模块、无线通讯模块、环境监测模块等组成。下位机监测到信息，能通过无线连接实时传输至上位机，救援人员操纵上位机，即可通过无线操纵下位机，从而实施救援。

基于VR视角的远程体感控制特种车的车身安装了六自由度机械臂，采用履带及双轮并排带动设计，全地形通用，具有无线视频传输、VR体感操作、SLAM地图绘制、环境监测、运物取物等功能。

3.硬件设计

3.1无线通讯模块

本设计采用Zigbee无线通讯模块传输相关信号。普通的通訊器（如：蓝牙、wifi）只能一对一或一对多地传输信号，传输距离较近，当线路遇到障碍时，信号则中断。而zigbee组网排除了普通传输信号器的弊端，当一条线路中断时，可选择另一条线路，以此保证信号的不中断。

3.2环境监测模块

车身所配备的气体检测器小巧且携带方便以及可拆卸。能够及时检测到危险气体及缺氧环境，为救援人员开展工作展开救援的周遭环境，提供第一手资料。除了气体浓度检测之外，车身还配备有温湿度监测，生命迹象检测，以及能见度评估等功能，在行进的同时能够最大限度的收取大量周围环境信息，对实时环境进行细致调查，为救援工作提供最为准确的环境信息。

3.3体感传感器模块

本设计用可穿戴的体感传感器模块，采集实际操作者的体感变化来远程操控救援设备进行相关操作，使本系统能在各种人为不可操作的环境下进行相关操作。同时，采用体感传感器还解决了机械控制操作的不便性。

3.4激光雷达模块

小车具有同步定位以及实时位置地图功能，小车从起点出发，前往未知地点，通过RBPF方法以及形心算法，逐步建立起周围环境的地图并确定在当前环境的位置，本作品使用一个高频激光扫描测距模块，该模块能以30rpm的速度扫描周围二维环境，将周围环境数据反馈给中央处理器。由处理器计算处理后将地图绘制。更由于VR具有全景视角，可以获得既丰富又完整的环境信息，也能更好的对目标进行连续跟踪及定位。在获得每一刻的深度信息之后，同时进行更新，达到实时绘制地图的功能。在小车行进过程中，通过车身本身所携带的装置，对周围环境，障碍，通道进行第一时间调查，并将实时周围道路绘制出来。深入到较为危险以及人员难以实现的区域，将地图绘制出来，然后显示到上位机所配备的LCD屏上，使得车身在不断行进的同时，能够及时绘制救援人员可以到达的路径。为救援工作开辟道路。

3.5六自由度机械臂

通过主控板控制驱动板驱动小型机械臂电机，能够运送一定数量的救援物资，加上机械手钳有较高的夹取力量，可以放取一定程度的重量物资。本设计中建立DH坐标系，建立起相关关节旋转角度与机械臂姿态之间的运算关系，通过建立运动学方程，可以即时算出机械臂末端爪的坐标，即可实现对末端的直接坐标控制，而非对各个关节电机单独操控。

4.软件设计

4.1中央处理部分

此部分是整个系统的核心，此接受处理信息，并对整个系统进行控制。下位机采用ROS系统为主要控制系统，统筹全局，协调全局。主要负责处理摄像头、激光雷达、机械臂等的数据，进行分析控制并上传到上位机或者PC端。同时与下位机stm32模块进行通信，控制电机以及传感器数据接收和发送。

4.2控制部分

控制模式分两种，分别是体感操作和手柄操作。当操作员选择操作模式后执行相应动作后，比如选择体感操作则通过佩戴体感仪动作，中央处理部分会接受体感仪发来的电信号并做出相应处理后发送给执行部分。当操作员手臂向左旋转，给出左移信号，机械车部分即做出左移动作。如果选择了传统手柄模式，通过手柄的无线接收器可以读取操作员的动作。通过中央处理器处理信号之后发送给执行机构。在程序内部，把采集到的陀螺仪数据进行处理，根据卡尔曼滤波算法，把数据稳定处理，解析3D姿态，并把处理结果传给执行部分。

4.3成像部分

一旦机器正常工作，由机械车上的无线摄像头会不断传递无线视频信号给成像部分，通过中央处理部分处理后经显示器显示。空中通过wifi传输信号，配合网桥中继站可进行超远距离传输。并且位于机械臂云台上的无线摄像头会随着操作者头部的旋转和移动实时跟随移动，增加操作者的代入感。

5.总结

本文介绍一种基于VR视角的远程体感控制特种车，该小车全地形通用，具有无线视频传输、VR体感操作、SLAM地图绘制、环境监测、运物取物等功能可深入灾区，而救援人员则可以在安全区域通过远程体感控制该设备，实现搜寻和救助。

参考文献：

[1]许延龙，韩坚洁，刘诚臣，谢秀峰[J]机械工程师2016.08

[2]高庆华、张业成[J]中国自认灾害危险性分析与区划2003.11

[3]徐勇[S]通信电子线路2017.03

[4]任侃[S]OpenNI体感应用开发实战2014