多机器人遥操作分布式虚拟环境关键技术的研究

论文摘要

随着Internet技术和虚拟现实技术的飞速发展,分布式虚拟环境应运而生,并被广泛应用在教育、工程、商业和娱乐等多个领域。把分布式虚拟环境引入遥操作系统,给遥操作技术带来了新的前进方向和发展动力。与传统的遥操作系统相比,它能够有效地弥补仅依靠视频图像作为主要反馈信息的不足,同时允许分布在不同地理位置的多个操作者协同操作,共享昂贵的设备资源,在空间作业、深海探测、远程医疗等领域显示出巨大的应用潜力。首先分析了基于Internet的多操作者多机器人遥操作系统组成、控制模式和信息传递等特征,分析不同分布式虚拟环境结构特征及优缺点,在此基础上提出了应用于多操作者多机器人遥操作系统的分布式虚拟环境的体系结构。根据多机器人遥操作系统特点及功能需求,构建了分布式虚拟环境平台分层构架。基于Java/Java3D开发了分布式虚拟环境软件平台,结合遥操作系统特点设计了用户交互、控制中介、算法实现和虚拟环境组成的分层软件结构,采用接口驱动控制模式实现虚拟环境驱动,使用胖客户端/服务器模式和RMI通讯技术实现分布式网络信息传输。针对遥操作系统分布式虚拟环境一致性问题,首先分析了分布式虚拟环境一致性相关的重要概念以及遥操作系统环境更新一致性问题;根据系统延时的模型,实现了本地滞后的一致性控制方法,研究该方法对系统性能影响,研究了遥操作系统环境更新模式;最后基于分布式虚拟环境平台进行了一致性控制的相关实验测试和分析。针对遥操作系统操作效率和安全性的问题,结合虚拟环境虚物实化、实物虚化的特点,设计了多机器人遥操作系统虚拟向导。引入了虚拟向导统一描述,结合人机交互方式划分了虚拟向导体系结构。给出向导激活判断条件,建立了基于弹簧力、斥力场模型的虚拟向导力转化模型,在虚拟环境内实现视觉与力觉感知融合的机器人操作虚拟向导,以及状态指示、路径控制、虚拟检测的机器人移动虚拟向导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 分布式虚拟环境发展综述
• 1.2.1 分布式虚拟环境概念
• 1.2.2 国内外分布式虚拟环境的发展概述
• 1.3 基于虚拟现实技术的遥操作系统发展综述
• 1.4 遥操作系统中分布式虚拟环境的关键技术
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 MOMR 遥操作系统分布式虚拟环境平台设计与开发
• 2.1 引言
• 2.2 基于Internet 的多操作者多机器人遥操作系统
• 2.2.1 系统的物理结构
• 2.2.2 系统的控制模式
• 2.2.3 系统信息传递
• 2.3 MOMR 遥操作系统分布式虚拟环境结构设计
• 2.3.1 分布式虚拟环境结构分析
• 2.3.2 MOMR 遥操作系统分布式虚拟环境结构分析
• 2.4 分布式虚拟环境平台开发
• 2.4.1 分布式虚拟环境软件分层结构
• 2.4.2 基于接口模式驱动的虚拟场景控制
• 2.4.3 基于RMI 的分布式网络通讯
• 2.4.4 虚拟环境的建模
• 2.4.5 系统的运行环境
• 2.5 本章小结
• 第3章 遥操作系统分布式虚拟环境平台一致性研究
• 3.1 引言
• 3.2 遥操作系统分布式虚拟环境一致性分析
• 3.2.1 基于复制的分布式虚拟环境一致性分析
• 3.2.2 遥操作系统环境更新一致性分析
• 3.3 遥操作系统分布式虚拟环境一致性控制
• 3.3.1 基于本地滞后的分布式虚拟环境一致性控制
• 3.3.2 基于传感器信息的虚拟环境更新一致性控制
• 3.4 分布式虚拟环境一致性控制实验与分析
• 3.4.1 时钟同步校正实验
• 3.4.2 网络时延测试
• 3.4.3 一致性控制效果测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 多移动机器人遥操作系统虚拟向导的设计
• 4.1 引言
• 4.2 虚拟向导模型描述与体系结构
• 4.2.1 虚拟向导的定义及描述
• 4.2.2 虚拟向导体类型
• 4.3 基于视觉与力觉感知的机器人操作虚拟向导的研究
• 4.3.1 虚拟向导的创建
• 4.3.2 机器人末端手在约束空间中的判别
• 4.3.3 机器人末端手在约束空间中的运动
• 4.3.4 虚拟向导力转化模型
• 4.3.5 基于视觉与力觉感知虚拟向导在虚拟环境中的实现
• 4.4 多模式机器人移动虚拟向导的研究
• 4.4.1 状态指示虚拟向导
• 4.4.2 路径控制移动虚拟向导
• 4.4.3 基于虚拟检测的车体移动虚拟向导
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢