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基于增强现实的遥操作关键技术研究

熊友军  
【摘要】:由于现有的人工智能的局限性,在可以预见的相当长一段时间内还不能满足特定环境中的智能设备的安全有效的全自主作业,这使得智能设备的发展方向从早期的全自主方式向有人参与的方向发展,将人的智能同智能设备的自主性能有机的结合起来,形成了现在的遥操作系统。遥操作系统可以拓展人类的感知和操作能力,代替人类在危险、恶劣以及极限环境下的完成作业任务,因而在诸多领域具有广阔的应用前景,是当前的一个重要前沿课题和研究热点。 增强现实技术是一种高级的人机交互技术,具有实时注册、虚实结合、人机交互三个特点。本文针对遥操作系统的通讯时延,提出将增强现实技术引入到遥操作系统中提高系统的可操作性和安全性。围绕系统中的增强现实的遥操作环境的构建问题、友好人机交互技术问题、遥操作的预测控制技术及网络时延等展开了研究,主要研究内容如下: 针对遥操作中对未知远程环境的先验知识匮乏或非结构化环境建模困难,提出了一种基于视觉的增强现实跟踪注册方法,构建了增强现实的遥操作系统; 对影响注册精度的相机径向畸变进行了研究,提出了一种改进算法,提高了注册精度。研究了基于头盔显示器的立体视觉显示原理,为遥操作者提供具有临场感的视觉反馈。 为了改善遥操作的可操作性,研究了操作者——虚拟执行机构的多通道人机交互技术。提出了一种基于数据手套的手势输入技术,设计了手势输入的数据手套接口组件; 研究了基于位置跟踪技术的机械臂的控制技术,实现了基于鸟群电磁跟踪系统的虚拟执行机构的控制; 研究了虚拟手建模和人手到虚拟手的运动映射关系,提出了一种虚拟手的人机交互技术,并采用数据手套、FOB鸟群传感器、虚拟手技术等建立了操作者-虚拟执行机构的多通道的人机交互,提高了系统的可操作性。 对典型的网络遥操作系统的时延进行了分类,研究了各类时延产生的机理,建立了遥操作的网络时延模型,分析了时延对遥操作的视觉、力觉反馈、操作安全性和可操作性的影响。进行了大量网络时延测试实验并在此基础上对网络时延模型进行了修正,为遥操作的预测控制提供参考。 遥操作中的时延问题使得操作者不能获得实时的操作反馈,操作者基于时延的反馈信息遥操作,一方面易造成操作疲劳,另一方面对系统动态响应性差,易造成误操作。为了提高系统的安全性,提出了增强现实环境中的遥操作预测控制技术,


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