单自由度遥操作系统的虚拟现实环境建模研究

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1、万方数据·62·《测控技术》2005年第24卷第2期文章编号：1000—8829(2005)02—0062—03单自由度遥操作系统的虚拟现实环境建模研究ModelingofVirtualRealityinSingle-DOFTeleoperationSystem(东南大学仪器科学与工程系，江苏南京210096)李会军，吴涓，刘威，宋爱国摘要：虚拟现实技术是目前解决遥操作控制系统中时延问题的有力手段。本研究建立了一个基于自主探测的单自由度遥操作视觉虚拟现实系统，根据视觉信息构建环境的虚拟模型。摄像机校准时选取机器人

2、不同位姿的棱角点作为标定点，减小了运动累积误差的影响，从而减少了停顿机器人运动以进行模型修正的次数，保持了运动的连续性。同时将现场返回的视频图像和虚拟模型进行动态融合，实现了基于虚拟现实的单自由度遥操作系统。关键词：遥操作；虚拟现实；相机标定；视频融合中图分类号：TP24；TP391．9文献标识码：AAbstract：Virtualrealitytechniqueisapowerfultooltosolvetheproblemoftimedelayintelepoperationsystematpresent．A

3、single—DOFteleoperationvirtualrealitysystembasedonautonomousdetectionissetup．Themodeloftheenvironmentisbuiltaccordingtovisualin-formation．Pointsonedgesandcornersoftherobotatdifferentposesarechosenasmarkerstocalibratethecamerainordertoreducetheaccumulationofmo

4、tionexecutionerrorsandthesnapshotsformodification．Thevirtualenvironmentismodifiedbydynamicoverlayingbetweentherealimagesandthesimulatedgraphicstomatchthemprecisely．Keywords：teleoperation；virtualreality；cameracali-bration；visualoverlay在遥操作机器人系统中，通信传输时延给系统带来极大的

5、影响，它将破坏整个系统的稳定性，从而降低遥操作的效率和安全性。目前针对临场感遥控作业收稿日期：2004—09—16基金项目：国家863计划资助项目(2002AA742048)；国家973资助项目(2002CD312102)作者简介：李会军(1976一)，女，河南人，在读博士生，主要研究方向为人机交互与虚拟现实技术、遥操作机器人等。系统中的时延问题，主要有两种解决方案：一是在时延较小时，通过选择合理的控制算法，使控制系统主端和从端的力和位置信息一致，以达到保证系统稳定和操作性能的目鲥1】；另一是在时延较大时采用虚拟

6、现实技术【2，3】。虚拟现实技术是在计算机屏幕上生成与远端机器人相同的虚拟机器人及工作环境的三维虚拟场景，操作者根据现场的情况和操作任务要求，通过人机交互设备发送出控制指令，操纵虚拟机器人和远端机器人。由于虚拟机器人的运动不存在时延，操作者可以实时观察到指令的执行情况，从而更好地完成操作任务。视觉虚拟现实本质上可以看作是虚拟环境和虚拟手的建模，操作者通过视觉信息看到的是远处环境和从机械手以及它们的相对运动。视觉虚拟现实的实现有两个要求：①虚拟环境和虚拟手等效于真实的远处环境和从机械手；②虚拟手的运动和位置等于时延

7、后的从机械手的运动和位置，同时等于主机械手的运动和位置。但由于系统不可避免地存在建模误差与运动累积误差，会导致虚拟环境中的仿真模型与实际机器人的运动存在偏差，这些误差的存在不但降低了预测的效果和精度，还可能导致误操作，因此必须尽可能减小建模误差，并利用现场真实的传感器信息去修正虚拟模型，以保证在相对运动时，虚拟手的运动轨迹、位置和虚拟环境的变化等同于时延后的从机械手的运动轨迹、位置和远处环境的变化。目前大部分虚拟现实系统都是将机器人的真实情况拍摄下来，传到本地操作端，与仿真模型在同一窗口中叠加显示，运动过程中实际

8、机器人与仿真模型相差大于一定的阈值时，采用交互技术对仿真模型进行修正【4’5J。但这种方法繁琐，不易操作，且需要停顿机器人运动，所以应尽可能减小运动累积误差，减少修正的次数。本研究针对部分未知环境，结合在线探测的信息与已知信息，利用CCD摄像机采集工作场景，以PC机构成操作端的硬件平台，在OpenGL环境下设计实现了单自由度遥操作系统虚拟现实环境的建模。为减小运动累积误差