淺析無線圖傳技術在機器人中的應用

文章附圖

    無線圖傳技術可以形象的理解為:無線圖像傳輸的技術。近年來,世界各地頻發自然災害、恐怖活動和各種突發事故,嚴重威脅著人們的生命安全,從而促進了救援機器人的迅速發展。為順利完成任務,指揮人員需對機器人進行遠程控制并根據圖像作出判斷,這就涉及到遠程無線圖像、聲音、各種傳感器采集的信息以及控制指令的傳輸,因此,無線圖傳技術便在救援機器人中得到了廣泛的應用。


    救援機器人的遠程無線圖傳技術可分為:移動通信網絡(GPRS)、3G無線系統、2.4GHz無線網絡技術。其中前2項技術是利用公眾移動網絡傳輸圖像,2.4GHz無線網絡技術是用于應急突發事件的專用圖像傳輸技術,它們均屬于移動視頻圖像傳輸系統。


    Ⅰ、GPRS移動通信網絡

    GPRS是一種基于全球移動通訊(global system for mobilecommunications,GSM)系統的無線分組技術,是由英國BTCellnet公司在1993年提出的。GPRS網絡采用900MHz頻段,峰值速率為115.2Kbit/s,平均業務率可以到20~40Kbit/s。GPRS最主要的優勢在于永遠在線和按流量計費,不用撥號即可隨時接入互聯網,不受距離遠近影響,隨時與網絡保持聯系,資源利用率高。但它的缺點是帶寬較小,只適合于低幀率、低畫質視頻的傳輸,主要面向個人用戶。


    利用GPRS網絡傳輸圖像可以真正實現移動機器人的遠程監控,但由于受到環境中各種因素影響,傳輸速率較低,傳輸1幀3KB的JPG格式圖像大約要用30~60s的時間。GPRS組網方式結構圖如圖1所示.


    Ⅱ、3G無線系統

    第三代無線網絡(3G)所支持的傳輸量大約為室外384Kbit/s,室內2Mbit/s帶寬,已能實現其在無線連接上的可視化通信。采用3G通信數據傳輸的優點有:頻譜利用率高、費用低廉、快速登錄、信息高速傳輸、非視距傳輸、高保密性等。


    3G通信模塊有效地解決了機器人采用有線或無線遠程監控中出現的控制距離有限及圖像傳輸質量問題,使得大量數據實時傳輸成為可能,從而完善了系統終端的強大功能。


    2008年,我國第二炮兵工程學院針對救援機器人在救援區進行圖像采集的問題,提出了一種基于3G的遠程監控系統。該系統設計中應用了3G通信技術對救援機器人進行指揮和實時視頻傳輸,而且配備GPS衛星導航儀進行精確導航。機器人控制系統主要包括終端模塊、3G傳輸網絡、后臺監控系統,用于對機器人的現場環境、位置、傳感器等指數進行遠程實時監控,為機器人的指揮控制創造有利的條件。該系統基于3G網絡進行圖像傳輸,在處理器端增加了一個視頻傳輸流量控制模塊,而且監控端可以通過接收緩沖區尺寸變化的反饋來解決3G環境下視頻傳輸系統的穩定性。它解決了目前救援機器人在有線和無線遠程監控中遙控距離短、定位困難、傳輸數據量少的問題。遠程監控系統總體組成如圖2所示,帶流量控制的視頻傳輸系統框圖。


    GPS是由美國國防部的陸海空三軍在20世紀70年代聯合研制的新型衛星導航系統, 它的英文名稱是“navigationsatellite timing andranging / global positioning system”,其意為

    “衛星測時測距導航全球定位系統”,簡稱“GPS”。它可以為陸地、海上、空中的用戶提供全方位的實時三維導航與精確定位,具有自動化、高效益、全天候、高精度等優點,是現代航空航天、軍事、通信、氣象、交通運輸、資源勘探等領域中不可或缺的技術手段和方法。隨著全球定位技術的不斷改進,GPS作為圖像傳輸的一種輔助工具也發揮著極其重要的作用,與圖像傳輸網絡共同構成一個完善的整體,為移動機器人的遠程監控及定位提供精確的信息。


    Ⅲ、2.4GHz無線網絡技術

    2.4GHz ISM(industry science medicine)是世界公開使用的無線頻段,因其輻射超低且整體頻寬勝于其它ISM頻段被稱為一個全球性的綠色環保頻段。2.4GHz ISM頻段的圖像傳輸設備和天線體積相當小,安裝十分便捷。有跳頻和直序列擴頻2種工作方式:


    跳頻方式吞吐速率低,傳輸速率較低,但是抗干擾能力較強且跳頻序列可以同址復用。


    直序列擴頻方式有較高的吞吐速率但抗干擾性能較差,且多套系統同址受限制。2.4GHz頻道雖有傳輸距離較近、穿透遮擋物能力較差的弱點,但2.4GHz射頻技術有很大的市場機會,它不需要許可證,因此是一個開放的市場,而且由于頻率較高,因而干擾信號較少,圖像傳輸效果也較好。且支持雙向通信,收發信號時不受外物遮擋,不受角度或方位的限制。


    2006 年,Timothy Kinkaid博士針對微型飛行器由于飛行過程不穩定而導致拍攝到的圖像信號不穩定的問題,提出了一種新型的無線圖像傳輸系統。該系統采用2.4GHz發射頻率,功耗為50mW,視頻發射器質量為1.6g,飛行器上攜帶的攝像頭質量約為3.3g,天線采用全向探測,通過2.4GHz無線通訊系統,可以及時將偵察到的圖像信息傳回地面控制站。采用該系統傳輸的圖像非常穩定,減小了飛行不穩定對圖像質量的影響。


    另外,1.2GHz、5.8GHz在無線圖像傳輸方面也有一定的應用,但是由于其對無線環境要求過高,所以只能在特定的環境下進行使用,比如1.2GHz在空中無人機的無線圖像傳輸,5.8GHz在樓宇頂端點對點無線網橋的圖像傳輸。


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