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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。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正。视景显示子系统该子系统构建视觉显示场景（视景），主要部件包括投影仪、投影控制设备、柱形投影幕等，特别是通过 眼镜可以有效增强控制器的体验真实感。在这种 环境中，操作者能够更加直观地查看平台各个系统的运行状态，如：通过手柄可以在平台上漫游行走，通过漫游查看能够直观地查看现场不同的操作情况等。该子系统实现技术主要包括：三维建模、图像生成、交互软件等。（）三维建模。将作业环境在虚拟的环境下进行还原，真实呈现现场物资分布、结构、高程参数等，从而以此为基础了解作业情况。本文三维建模基于 的多边形工具，其优点在于能够在输入参数和输出模型之间建立准确的联系，并保持模型的准确性和美观性。该方法有助于还原细节，并且提升后期渲染的速度。在建模的过程要特别注重保持实际设备的原始比例。（）图像生成。在三维建模的基础上，基于成像计算机获取真实图像，对其进行几何变形矫正、光学边缘融合等修饰调整工作，以确保各通道之间的完整性和连续性，从而保证图像的沉浸效果和完整性。（）交互软件。通过设备的运行实现用户与软件系统之间的交互，当操作者单击按钮时即可进入操作过程。系统还会将每个设备动作流程均备份到数据库，以确保操作整个过程可追溯。此外，具体的业务交互设计对于确保运营流程与实际活动兼容也至关重要，业务模块会进一步分为许多组件，以保证完整业务组合的完整性。组件一般包括：基础信息管理、流程管理、数据管理和统计查询等。此外，该子系统还内含一个警告系统来协助安全管理。远程无线控制系统仿真本文通过搭建塔吊 远程无线控制仿真系统对上述模型进行验证。信息记录材料 年 月 第 卷第 期 控制系统软硬件设计与设备选型主要利用嵌入式系统和，以及“轻量级”发布订阅模式通信协议实现控制平台系统。（）遥控器设计本远程无线控制子系统设备如图 所示。系统采用 主控芯片开发板实现模拟控制。该开发板正面装有一块 显示屏，用于显示当前的通信模式；两侧装有两个摇杆，通过两根摇杆的位置信息发出控制指令及进行指令编码，实现对模拟塔吊舵机的控制。另外，采用 开发板模拟接收器实现塔吊连接。图 主控芯片与 开发板（）通信协议系统网络通信子系统基于 和消息队列遥测传输协议（，）。是一种无连接 通信协议，旨在用于物联网设备之间的简单、可靠的通信，广泛应用于智能照明、远程控制、传感器等领域。设备之间的通信可以通过预定义的数据结构进行，不需要复杂的网络配置或路由设置。而 可以以极少的代码和有限的带宽，为远程连接设备提过实时可靠的消息服务。本仿真模拟系统通过多路 连接实现冗余信道。（）显示从工业实用性等多方面考虑，本仿真模拟系统选择 实现塔吊 头显。该款 头显具有高分辨率（像素 眼），提供清晰的视觉效果，有助于用户更好地进行塔吊操作。它具有 的视场角，为用户提供更广阔的视野，可提高沉浸感。此款设备还能够配合 基站实现六自由度跟踪，提供更高的精度和稳定性，以及针对企业级应用和专业训练场景进行了优化，具备更高的耐用性。设备选取 刷新率，有助于提高视觉舒适度，降低运动模糊，对长时间操作更为友好。与此同时，该设备还具有良好的软件兼容，可以直接运行或通过 连接计算机终端（本模拟系统中，将三维建模、信道比较、软时滞滤波器部署在该终端上），构成了本仿真模拟系统的 视景显示子系统。虚拟环境搭建本仿真模拟系统的设备部分是采用 与 搭建的虚拟设备，实现过程中采用了以下设计。（）渲染。包括：实时光照、阴影、抗锯齿等。开发对塔吊模型进行渲染设置，使得模型在 环境中呈现逼真的光照和阴影效果，增强用户的沉浸感。通过调整渲染参数、光源设置、材质属性等，以获得符合实际塔吊的视觉效果。（）物理模拟。通过设置塔吊的物理属性，如质量、惯性、摩擦力等，以模拟塔吊的运动行为；通过设置塔吊的运动轨迹、吊钩位置、荷载效应等，从而实现塔吊在虚拟现实环境中的逼真操作。（）互动性应用。利用 为塔吊模型添加与塔吊远程控制子系统操作互动性的应用，包括：控制塔吊的运动、调整吊钩位置、观察荷载效应等。具体采用 的脚本编程功能（蓝图系统或）来实现与前述嵌入式系统的互动逻辑。由于本仿真系统采用 模拟现场，因此无需现场图像采集。仿真结果分析在本仿真模拟系统上实现对虚拟 塔吊的操作，效果如图 所示。图 塔吊远程控制仿真 场景通过仿真测试对系统的进行定性分析，得出以下初步结论：基于 的远程无线控制系统可以较为逼真地实现现场的塔吊操作，浸入感强；通过抓包分析，确定通过冗余通信（多路）可以有效提高数据可靠性，包括降低时延和误码；数据分析表明，通过软件整合方法实现塔吊远程操作时滞滤波是可行且有效的。结语 技术通过计算机技术和感知设备创建虚拟环境，使用户能够在虚拟世界进行互动。随着 技术与无线通信技术的日渐成熟，将其应用于高危岗位的远程无线控制，在确保逼真性的同时提高了工作效率是一种非常具有现实意义的工作。本文结合目前远程无线控制的最新软硬件技术，设计并仿真实现了一种多通路、低延时，具有时滞滤波功能的 远程无线控制系统模型，较好地拓展了传统无线远程控制系统的功能，也开阔了相关设计思路。（下转第 页）信息记录材料 年 月 第 卷第 期安装 个，两侧各 个，通过辐射角，可实现全范围检测。系统选择压电收发一体的超声波检测，设计中由 单片机控制，发出工作指令，振荡器发出脉冲信号，驱动超声波传感器激励产生超声波，当遇到障碍物时，超声波会被反射回来，经过传感器的压电转换为电信号，经过信号处理送到单片机，控制运输车减速或者停车。实验分析基于理论探索研究，电路设计，进行了实物装配并进行功能测试，实验数据收集。将测试设备放置在环境中，地面辅助线贴好，设置好目标点，选择起始点，测试自动运输车的前行效果，现场测试图如图 所示。图 现场测试图实验效果理想，可以看出自动运输车能够自动循迹行驶，并且通过激光测距传感器保持直线行驶，同时能够识别角度进行转弯，车子的循迹行驶直线保持测试结果如图 所示。结语综上所述，本文提出了一种多传感器的车间自动运输作业的方法，将激光测距传感器、光电传感器以及超声波测距传感器安装于作业车辆上，实现自主循迹行驶，自主 图 直线保持测试结果避障，报警等功能。自动运输车获取任务信息，自主完成运输作业，经过实地测试，能够准确高效完成运输作业。由于工业应用场景复杂，自动运输作业的小车在不同场景下的应用，还需要进行探索，继续进一步的研究，为更多的小中企业自动化作业提供参考。【参考文献】叶昊宸，王会良，张志高，等 基于单片机控制的智能物料搬运小车的设计 科学技术创新，（）：郭根，过李峤，周振，等 基于多传感器的智能物料搬运小车设计 物联网技术，（）：，高月华 基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计 半导体光电，（）：，刘亚辉基于激光测距巷道顶底板移近量传感器的设计与应用煤炭工程，（）：曹双倩，袁培江，陈冬冬，等 激光测距传感器光束矢向和零点位置标定方法 北京航空航天大学学报，（）：刘家银，唐振民，王安东，等 基于多激光雷达与组合特征的非结构化环境负障碍物检测 机器人，（）：夏继强，郑昆，郑健峰，等 基于 的收发一体式超声波测距系统 仪表技术与传感器，（）：，（上接第 页）【参考文献】高斌斌，吴晓霞煤矿掘进机远程控制系统改造方案机械工程与自动化，（）：，王昆，王松，刘晓亮，等海上油田注水井远程控制优化设计与改造效果天津科技，（）：陈琼，吴武豪，陈少尉基于头戴设备和手柄的机械系统远程控制方法计算机测量与控制，（）：魏洪乾，王洪荣，赵文强，等考虑网络诱导时延的电动汽车主动安全控制策略北京理工大学学报，（）：丁宾，刘海平，邵晓根，等虚拟现实技术在塔吊模拟培训系统中的应用制造业自动化，（）：郝帅基于虚拟现实技术的海上平台远程运维系统设计研究现代制造技术与装备，（）：，厚国旺沉浸式塔式起重机操作模拟培训系统开发济南：山东建筑大学，