无线图传技术在机器人中的应用

   [摘要]：无线图传技术可以形象的理解为：无线图像传输的技术。近年来，世界各地频发自然灾害、恐怖活动和各种突发事故，严重威胁着人们的生命安全，从而促进了救援机器人的迅速发展。为顺利完成任务，指挥人员需对机器人进行远程控制并根据图像作出判断，这就涉及到远程无线图像、声音、各种传感器采集的信息以及控制指令的传输，因此，无线图传技术便在救援机器人中得到了广泛的应用。         

   救援机器人的远程无线图传技术可分为：移动通信网络(GPRS）、3G无线系统、2.4GHz无线网络技术。其中前2项技术是利用公众移动网络传输图像，2.4GHz无线网络技术是用于应急突发事件的专用图像传输技术，它们均属于移动视频图像传输系统。

   Ⅰ、GPRS移动通信网络

   GPRS是一种基于全球移动通讯（global system for mobilecommunications，GSM）系统的无线分组技术，是由英国BTCellnet公司在1993年提出的。GPRS网络采用900MHz频段，峰值速率为115.2Kbit/s，平均业务率可以到20～40Kbit/s。GPRS最主要的优势在于永远在线和按流量计费，不用拨号即可随时接入互联网，不受距离远近影响，随时与网络保持联系，资源利用率高。但它的缺点是带宽较小，只适合于低帧率、低画质视频的传输，主要面向个人用户。

  利用GPRS网络传输图像可以真正实现移动机器人的远程监控，但由于受到环境中各种因素影响，传输速率较低，传输1帧3KB的JPG格式图像大约要用30~60s的时间。GPRS组网方式结构图如图1所示.

    Ⅱ、3G无线系统

   第三代无线网络（3G）所支持的传输量大约为室外384Kbit/s，室内2Mbit/s带宽，已能实现其在无线连接上的可视化通信。采用3G通信数据传输的优点有：频谱利用率高、费用低廉、快速登录、信息高速传输、非视距传输、高保密性等。

   3G通信模块有效地解决了机器人采用有线或无线远程监控中出现的控制距离有限及图像传输质量问题，使得大量数据实时传输成为可能，从而完善了系统终端的强大功能。

2008年，我国第二炮兵工程学院针对救援机器人在救援区进行图像采集的问题，提出了一种基于3G的远程监控系统。该系统设计中应用了3G通信技术对救援机器人进行指挥和实时视频传输，而且配备GPS卫星导航仪进行精确导航。机器人控制系统主要包括终端模块、3G传输网络、后台监控系统，用于对机器人的现场环境、位置、传感器等指数进行远程实时监控，为机器人的指挥控制创造有利的条件。该系统基于3G网络进行图像传输，在处理器端增加了一个视频传输流量控制模块，而且监控端可以通过接收缓冲区尺寸变化的反馈来解决3G环境下视频传输系统的稳定性。它解决了目前救援机器人在有线和无线远程监控中遥控距离短、定位困难、传输数据量少的问题。远程监控系统总体组成如图2所示，带流量控制的视频传输系统框图如图3所示。

   GPS是由美国国防部的陆海空三军在20世纪70年代联合研制的新型卫星导航系统， 它的英文名称是“navigationsatellite timing andranging ／ global positioning system”，其意为

“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称“GPS”。它可以为陆地、海上、空中的用户提供全方位的实时三维导航与精确定位，具有自动化、高效益、全天候、高精度等优点，是现代航空航天、军事、通信、气象、交通运输、资源勘探等领域中不可或缺的技术手段和方法。随着全球定位技术的不断改进，GPS作为图像传输的一种辅助工具也发挥着极其重要的作用，与图像传输网络共同构成一个完善的整体，为移动机器人的远程监控及定位提供精确的信息。

  Ⅲ、2.4GHz无线网络技术

2.4GHz ISM（industry science medicine）是世界公开使用的无线频段，因其辐射超低且整体频宽胜于其它ISM频段被称为一个全球性的绿色环保频段。2.4GHz ISM频段的图像传输设备和天线体积相当小，安装十分便捷。有跳频和直序列扩频2种工作方式：

◆跳频方式吞吐速率低，传输速率较低，但是抗干扰能力较强且跳频序列可以同址复用。

◆直序列扩频方式有较高的吞吐速率但抗干扰性能较差，且多套系统同址受限制。2.4GHz频道虽有传输距离较近、穿透遮挡物能力较差的弱点，但2.4GHz射频技术有很大的市场机会，它不需要许可证，因此是一个开放的市场，而且由于频率较高，因而干扰信号较少，图像传输效果也较好。且支持双向通信，收发信号时不受外物遮挡，不受角度或方位的限制。

   2006 年，Timothy Kinkaid博士针对微型飞行器由于飞行过程不稳定而导致拍摄到的图像信号不稳定的问题，提出了一种新型的无线图像传输系统。如图4所示，该系统采用2.4GHz发射频率，功耗为50mW，视频发射器质量为1.6g，飞行器上携带的摄像头质量约为3.3g，天线采用全向探测，通过2.4GHz无线通讯系统，可以及时将侦察到的图像信息传回地面控制站。采用该系统传输的图像非常稳定，减小了飞行不稳定对图像质量的影响。

   另外，1.2GHz、5.8GHz在无线图像传输方面也有一定的应用(如图5)，但是由于其对无线环境要求过高，所以只能在特定的环境下进行使用，比如1.2GHz在空中无人机的无线图像传输，5.8GHz在楼宇顶端点对点无线网桥的图像传输。

  【展望未来】

目前，随着3G技术的发展和服务成本的降低，3G无线图传技术将依其强大的优势占据民用方面很大的市场。由此可见，移动机器人的无线图像传输技术不仅在运用在军事上，在民用方面(尤其无线电玩具)也极受欢迎。