VR远程无线控制系统设计与仿真.pdf
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1、信息记录材料 年 月 第 卷第 期 远程无线控制系统设计与仿真刘雪林,王晓东(通信作者),范知遥(厦门大学嘉庚学院 福建 漳州)(北京林业大学经济管理学院 北京)【摘摘要要】为了降低工业设备操作的人员风险、提升工作效率,有必要实现远程无线控制。在此需求背景下,利用虚拟现实(,)、冗余通信、信号处理技术,设计了一种多通路、低延时,具有时滞滤波功能的 远程无线控制系统模型。首先对远程控制系统的设计需求进行了分析,重点指出安全性、可靠性、逼真性方面的要求;其次列举了满足这些需求的关键技术;再次进行系统框架模块设计,框架包括了数据采集子系统、网络通信子系统、远程控制子系统、视景显示子系统;最后,利用嵌
2、入式开发板与 图形工具,通过实例仿真验证了该系统的有效性。【关关键键词词】;高高可可靠靠;远远程程控控制制系系统统【中中图图分分类类号号】【文文献献标标识识码码】【文文章章编编号号】()基金项目:厦门大学嘉庚学院大学生创新项目“塔吊远程操控一体化 仿真训练系统”()。作者简介:刘雪林(),女,重庆,本科,研究方向:人工智能与 研究。引言在工业控制领域,很多一线操作 驾驶人员身处高空、高腐蚀性、高辐射、高温、高压、缺氧等恶劣环境,工作安全风险高,这是导致此类岗位人力成本提升和恶性事故频发的直接原因。针对该问题,领域专家及工程技术人员建议采用远程控制技术,以帮助操作员规避环境风险。所谓远程控制是指
3、本地计算机通过网络系统对远端的设备进行监测与控制。目前,很多先进的远程控制解决方案已经被设计出来,并应用于工程实践,具体包括:煤矿掘进机、油田注水井、机械系统、机器人等。随着近些年来、虚拟现实(,)、物联网、人工智能技术的日渐成熟,打造新一代、高可靠、高逼真的远程无线控制的条件业已成熟。基于此,为了进一步提升工业设备操作的可靠性以及操作体验,本文提出设计一种新型具有高可靠性的 远程无线控制系统方案。通过该方案的应用,一方面可以显著降低操作人员的工作安全风险,远离高危环境,另一方面也为未来建立多设备集中远程控制室,从而为实现“一人多机”(单一操作人员同时操控多台设备)、批量操作(通过自动化手段整
4、合多项操作)等高级运行模式提供条件。系统设计需求分析实现工业设备无线远程控制,必须确保操作的安全性、可靠性、逼真性,才能满足工程实践的需求。安全性对于远程控制系统,必须考虑时延带来的安全性影响。由于网络控制系统的状态参数采样、通讯结构的延迟、数据传输和接收的等待等行为,必然会造成整个控制闭环回路的传输延迟现象。即使存在轻微的时延,也会导致设备运转过程中产生较大的位移偏差,造成难以估计的安全损失。可靠性远程控制操作必须是高可靠的,这就要求设计者采取特殊保障手段确保指令传输在各种恶劣条件下都通畅可达。鉴于进行远程控制通信距离长、网络设备多,通信不稳定性大大增加的实际问题,系统设计对远程网络可靠性和
5、时滞指标需要制定严苛的指标。逼真性在现场远程操作视景呈现时,如果仅仅采用简单的二维图像方式实现,显然会丧失操作人员的空间感。因此新一代的远程控制系统应该更多引入三维图像技术,使得操作人员具有身临其境的感觉。同时,为了实现与日前逐渐流行起来的驾驶培训三维技术无缝结合,远程控制界面向三维图像过渡也成为必然趋势。系统设计关键技术针对上文提出的问题,本节针对性引入关键技术加以解决。冗余通信对于重要、昂贵系统的现场通信来说,冗余通信一般是指在任何两个通信端点之间存在两条或者更多的通信信道并且能将这两个端点之间的通信在这些信道之间作动态切换。在此情况下,如果使用单一信道进行远程数据的通信,往往无法满足上述
6、远程通信可靠性的需求。为此就需要采用冗余通信方式。时延控制网络机械控制系统需要考虑传输延迟,这对于安全尤其重要。目前,针对这种通信时延的抑制 补偿主要有两种解决方案,一种是改善网络的带宽和通信结构,例如:采用更大的网络带宽,通过改进网络任务的调度策略来减少网络传输的拥堵问题。另一种方案通过分析网络的传输特性,改进相关的控制策略,对网络滞后信号进行鲁棒控制等。信息记录材料 年 月 第 卷第 期 时滞滤波操作的时延问题可以通过信号处理加以解决,也就是引入时滞滤波器。时滞滤波器是一种专门用于处理含有时滞信号的滤波器。在控制系统、信号处理和仿真等领域中,延时信号经常会引入不稳定性和不平滑性,影响系统的
7、性能和稳定性。时滞滤波器可以对这种含有时滞信号进行滤波和补偿,从而提高系统的响应速度、稳定性和平滑度。技术通过结合网络技术、仿真技术、人工智能技术、三维图形技术、多传感交互技术等多种高新技术,使得机器可以生成逼真的虚拟环境,可以确保交互性、感知性、动态性、实时性,这使其成为远程现场演示的理想选择。并且,近年来在德国、美国和其他一些工业发达国家的实践也表明,技术有助于实现工业控制领域中最优成本、质量和安全性的统一。系统框架模块设计本节提出设计的高可靠 远程无线控制系统是软硬件综合的复杂系统,主要由四个子系统构成,分别为:数据采集子系统、网络通信子系统、远程控制子系统、视景显示子系统,如图 所示。
8、图 无线远程无线控制系统模型 数据采集子系统该子系统的主要任务在于收集设备的现场数据,并将数据发送到控制中心,这是整个远程控制系统交互功能的重要基础。为了保证远程操作端体验的真实性,数据采集子系统将选用基于模块化的信号采集驱动板,包括:多路摄像头、音频采集、设备状态传感器、电源、输入输出等模块。主控芯片采用高性能单片机,并选择专用采集通信板采集外部模拟量和数字输入量。此外,还需要保证整个数据采集子系统接口的一致性和可拓展性,以保证未来可以连接更多的监控设备与传感器。网络通信子系统该子系统是控制器与远程控制中心之间的传输桥梁,数据之间的交换和通信都需要由网络系统来完成,才能使得整个系统呈现出典型
9、的分布式交互式系统特征。该子系统具有显著的分布性、交互性、实时性和异构性。为了实现上述冗余通信和时延控制,系统采用多路通信,各路并发进行信号传输,一方面确保信号可达,另一方面相当于增加了网络带宽。远程控制子系统该子系统用以获取及发送用户远程操作指令,分为本地端和设备端,内部包括:指令输入输出器、指令编解码器、指令收发器模块。通过远程控制,使得控制不再需要操作者亲临现场,保证了操作者的安全,节约时间,且充分提高了操作者的工作效率、舒适度、体验等。该子系统内含多路信号的比较器,依据传输时延估算和数据完整性校验,选取网络通信子系统中时延最小一路信号。该子系统还整合了的时滞滤波算法,实现对操作信号的修
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