CN1637786A - 使用无线局域网的远程控制交通工具 - Google Patents
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Abstract
本发明的若干实施方式给出了一种分布式监控交通工具控制系统，该系统具有交通工具，该交通工具包括：一个或多个监控处理接口和传感器组，传感器组包括用于测量一个或多个交通工具状态的传感器；通过数据包接收一个或多个外部生成的命令的无线网络接口；以及连接到无线网络接口的指引处理接口，其中指引处理接收传感器组信号，并且其中指引处理接口处理外部生成的命令，并提供交通工具系统命令。无线网络接口优选地按照传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)，以数据包形式接收外部生成的命令。
Description
技术领域
本发明主要涉及配备有无线网指引、导航和控制处理的交通工具，尤其涉及通过IP数据网相互进行无线通信的自动和半自动交通工具。
背景技术
传统的远程控制(RC)交通工具采用射频进行导航和指引。控制信号通常直接调制成模拟载波，随后由控制模块通过无线频段发送。这种交通工具配备有接收机，后者解调载波并对控制信号作出响应。对娱乐性的RC应用而言，交通工具本身除了控制器的可视监控之外，没有提供传感反馈。对特定的军事和航空应用而言，交通工具可以配备有由控制器监控的传感器。这种应用可能在反馈路径上消耗较大带宽，并且所需的功率和载频比娱乐性应用要高。
射频很容易受其它发射机的干扰。实际上，每个交通工具都需要自己的载频才能避免干扰。此外，发射机需要产生适度高的功率载波，同时仍需要便于携带。控制信号以及交通工具所提供的反馈信息受限于载波的相对较低的带宽。事实上，反馈信息需要自己的载频才能避免与控制信号发生冲突。
远程控制范围受限于发射机的功率。因为这些设备必须遵从FCC的规定，发射功率受限，导致控制的范围非常有限。此外，因为控制模块必须提供功率给发射机，同时要便于携带，所以电池的大小也是载波强度的一个限制因素。每个控制和反馈路径在无线频段中都需要它自身的频率，除非载波还被编码或调制，这会导致接收机的复杂度升高。
目前用于娱乐目的的机器人可以数据包形式从计算机用户接口接收无线命令，前述计算机用户接口通过局域网，利用因特网协议连接到无线接入点。无线接入点和中继器可以安装在陆地交通工具上，并且由该陆地交通工具提供动力。这需要移动无线接入点和无线节点能够接收指引指令，工作在全自动和半自动模式。
发明内容
本发明的若干实施方式给出了一种分布式监控交通工具控制系统，该系统具有交通工具，该交通工具包括：一个或多个监控处理接口和传感器组，传感器组包括用于测量一个或多个交通工具状态的传感器；通过数据包接收一个或多个外部生成的命令的无线网络接口；以及连接到无线网络接口的指引处理接口，其中指引处理接收传感器组信号，并且其中指引处理接口处理外部生成的命令，并提供交通工具系统命令。优选地，无线网络接口按照传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)，以数据包形式接收外部生成的命令。在某些实施方式中，一个或多个外部生成的命令包括来自一个或多个监控处理接口的一个或多个导航目标。在某些实施方式中，外部生成的命令包括来自一个或多个监控处理接口的一个或多个驾驶命令。优选地，无线网络接口发送测量得到的一个或多个地面交通工具状态给一个或多个监控处理器。对本系统的一些交通工具实施方式而言，无线网络接口还包括数据包转发处理，特别配备了无线网络接入点。除了车体传感器之外，传感器组还包括可视频段传感部件，其优选具有记录以及临时和永久本地存储器，以及本地信号处理，特别是对可视频段传感部件送来的信号进行滤波和稳定处理。此外，可视图像处理优选在自动交通工具上包括模式识别处理。对其它交通工具实施方式而言，传感器组可以包括红外频段传感部件，具有记录以及临时和永久存储器，以及信号处理，特别是对红外频段传感部件送来的信号进行滤波和稳定处理。在自动交通工具中，信号的红外处理装置优选包括模式识别处理。传感器组还可以是音频传感部件，例如麦克风和一个或多个温度传感部件，优选分布在交通工具中。在某些实施方式中，地面交通工具还包括臂状物，该臂状物配备有触觉反馈传感器和力反馈传感器。监控接口的指令处理器优选具有图形用户接口。对工作在室外环境的那些交通工具而言，传感器组优选包括全球定位系统。
附图说明
图1给出了本发明的总体系统体系结构；
图2给出了通过移动IP网络进行通信的自动和半自动交通工具的跨越(span)和切换特性；
图3说明了本发明自动和半自动交通工具的一般指引、导航和控制；
图4说明了作为移动IP无线接入点的自动或半自动交通工具周围的作为移动IP节点的半自动交通工具的移动组漫游和位置保持；以及
图5给出了空中交通工具作为移动IP无线接入点的自动和半自动空中交通工具周围的作为移动IP节点的半自动空中交通工具的移动组星座和位置保持，与蜂窝基站的协作以及作为蜂窝节点和移动IP无线接入点的增强型自动空中交通工具。
具体实施方式
图1中给出了本发明实施方式的例子，其中基于移动IP的无线接入点(MIPWAP)交通工具收发它们的监控命令，并分别提供状态反馈，一个或多个基于移动IP的无线节点(MIPWB)交通工具接收监控命令，发送状态反馈。在该例中，一个或多个监控人员可以通过监控接口102与一个或多个MIPWAP交通工具交互。监控接口102优选连接到网络104，然后通过第一网关路由器108连接到因特网106，或者监控接口103可以通过连接111直接连接到第二IP网关路由器109。支持TCP/IP并且例如按照IEEE 802.11b或802.11g工作的静态无线接入点114通过第三IP网关路由器110连接到因特网106。数据包优选按照移动IP从静态无线接入点114发送给第一MIPWAP 120。这样，连接到第一MIPWAP归属代理的路由器，也就是例如第一IP网关路由器108，是通信隧道进入点。出口点由移动IP的登记过程决定。登记过程采用外部代理发现，用以确定MIPWAP 120是否连接到外部链路，例如第三IP网关路由器110，并且得到第三IP网关路由器110的转交(care-of)地址，然后在归属代理中登记该转交地址。转交地址随后用于封装IP净荷，在第一IP网关路由器108和第三网关路由器110之间建立通信隧道。MIPWAP 120随后充当集线器或交换机，将包转发给与它相关的MIPWB 122，并从后者接收包。此外，在距离超过了静态IP无线接入点114，或者静态IP无线接入点114与专用包转发网络中两个或多个MIPWAP 120的组合的范围的情况下，第三IP网关路由器可以通过PSTN网关152连接到公共电话交换网(PSTN)150。蜂窝基站154连接到移动交换中心156。第二MIPWAP实施方式130具有蜂窝电话系统接口131，其中蜂窝信号通过计算机电话接口(CTI)经转换132转换成数据包，通过第二MIPWAP 130的IP无线部分133发送。第二MIPWAP或者增强的MIPWAP(EMIPWAP)130，随后充当集线器或交换机，转发包给与它相关的MIPWB 142，并从后者接收包。
在操作人员接口102的第一示例性实施方式中，用户(未示出)例如利用拨号调制解调器、数字用户线(DSL)，或者有线调制解调器或T1/T3线路，通过因特网业务提供商(ISP)传送信息到因特网106，并且从因特网106接收信息。ISP随后提供链路连接到核心路由器系统和能够与位于世界上任何位置的操作人员接口102进行指引和控制信息通信的其它网络设备。操作人员接口102可以直接连接到ISP，或者包含在某个子网中，该子网包括有LAN、WAN或MAN的边缘路由器。
另一操作人员接口可以包括与上述一致的计算机和/或操纵杆。但是，在该示例性实施方式中，接口包括无线调制解调器。该无线调制解调器可以用于通过第一基站154直接接入数字蜂窝系统154、156。因为一个或多个远程指引的地面交通工具120、122、130和空中交通工具520、522和530通过一个或多个基站交互，因此尽管该例中的用户接口可以位于基站子系统内，但操作人员接口102也可以地理上远离交通工具。在该示例性实施方式中，操作人员接口102以及远程指引的地面交通工具120、122、130和空中交通工具520、522和530能够在有蜂窝覆盖的区域漫游。
本发明不是针对控制信号采用专用载波，而是使用无线LAN(WLAN)作为IP WAP实施方式的承载。RC交通工具随后可以利用标准的移动LAN寻址方案来识别。远程指引的地面交通工具120、122、130和空中交通工具520、522和530的控制变成网络域的处理，而不是信号域。来自其它无线频段信号的干扰不再是个问题。WLAN一般作为基础设施建造在建筑物或社区中，它很宽的带宽和富足的服务提供点(POP)使得对它的干扰相当困难。此外，WLAN集线器具有300米的范围，并且完全可以中继，所以要比传统的射频载波的范围宽得多。
作为传统方式，WLAN内部实现有加密机制。利用加密提高了控制和反馈信号的安全和完整性，还能够进行鉴权。因为WLAN是一种完全网络化的基础设施，所以单个控制器可以控制多个交通工具，反之亦然，从而在控制交通工具的移动方面有很高的灵活性。除了采用基本的人员控制之外，每个控制器可以辅以人工智能来帮助驾驶。人工智能可以完全驻留在交通工具或控制器中，或者分布在两者之间，这取决于响应时间的要求。
当前的无线LAN标准，尤其是IEEE 802.11a，为交通工具和控制器之间的双向数据通信提供了足够量的带宽。控制模块不需要配备有专用的交通工具发射机/接收机。控制模块只要求网络连接，该网络连接可以是WLAN的一部分、包含WLAN或者连接到WLAN。事实上，控制模块电池不再是远程控制范围的限制因素。高带宽还提供了增强传感器反馈的性能。交通工具还可以有一个或多个臂状物或延伸，使得交通工具能够与交通工具通常范围外的环境交互。臂状物或延伸可以具有触觉、力反馈等。根据仪器的不同，可以有多个可视、可听以及触觉反馈。可以采用高级的仪表盘来达到更为深入的控制级，也就是比基本高级监控控制更为深入。这种增强的反馈等级为控制人员或监控人员提供了融入(immersive)经验。
图2进一步说明了由第一MIPWAP 120提供的无线IP网络，其中监控人员通过监控接口102、局域网104和IP无线接入点213与移动网络交互。在该例中，IP无线接入点213与第一MIPWAP 120直接通信，第一MIPWAP 120与MIPWB 122通信，MIPWB 122以顺时针方向，沿MIPWAP 120有效范围211的周界210移动。当MIPWB 122位于MIPWAP 120有效范围211之外时，MIPWB 122可以切换到与第一MIPWAP 120位于同一局域网的下一MIPWAP 220，或者MIPWB122可以切换到外部代理的MIPWAP 222，接着进行移动IP登记和发现过程。
图3通过例子给出了每个MIPWAP 120、EMIPWAP 130和MIPWB122交通工具的一般指引、导航和控制(GNC)处理300。这些交通工具可以是地面交通工具、空中交通工具或船只，或者这三者的综合。收发信接口302将到来的IP数据放入单个路径304，单个路径304又被放入级306，用于驾驶命令、轨道命令或者在支持附加自动性时用于目标命令。收发信接口302从交通工具输出级308接收交通工具的输出310，该输出通过无线IP网络发送给一个或多个监控级。在本例中，GNC处理300、低频命令312，例如驾驶命令，从轨道命令/目标级306发送给低频/总体运动控制器314。低频/总体运动控制器314优选有可执行的规则和微处理器中执行的步骤。在该例中，GNC处理300、目标316和低频命令316从轨道命令/目标级306发送给图像处理318，后者可以包含人工智能处理。人工智能处理可以包括专家系统、模糊逻辑、自适应神经网络、遗传算法、目标寻找算法以及它们的任意组合。图像处理可以包括场景匹配、边缘匹配、质心、星座匹配、投影三维图像匹配以及它们的任意组合。
图像处理318发送低频命令318，例如驾驶和速度快慢给低频/总体运动控制器314。低频/总体运动控制器314在图像处理低频命令318和轨道命令/目标级低频命令312之间进行协调或者仲裁。协调和仲裁的规则可以预先装入低频/总体运动控制器314，通过收发信接口302作为人工代用装置(override)发送，协调和仲裁的规则可以基于对图像处理318所提供情况的了解进行修改。在交通工具的总体运动需要修正时，低频/总体运动控制器314发送低频命令326给操纵装置(effectors)329。例如，如果需要驾驶变化，低频命令326指示操纵装置329产生交通工具的方向变化。低频/总体运动控制器314还发送命令315给高频/细微运动控制器322。高频控制可以包括例如空中交通工具的角速率控制，或者陆地交通工具的悬吊控制。细微运动控制可以包括例如控制交通工具的一个或多个可延伸臂状物，可以包括传感器组338的图像传感器的摇全景和变焦距。高频/细微运动控制器322发送命令信号330给操纵装置329，产生操纵装置329的速率、角度或位置变化。
操纵装置优选是一组分布的发动机(motor)或其它激励部件，包括电磁和压电设备，能够直接或者通过改变交通工具所在环境，改变交通工具上的力。对陆地交通工具而言，这可以改变与摩擦表面接触的一个或多个轮子的方向，或者在有轨交通工具中改变差动转矩(differential torque)变化。对于船只而言，这可以是舵偏角(rudderdelection)的变化，而对空中交通工具而言，这可以是舵的变化，可以包括例如升降器偏角的变化。操纵装置的器械可以提供操纵装置329中传感变化，例如改变舵偏角，这可以通过330发送给低频/总体运动控制器314、高频/细微运动控制器322和交通工具输出级308。操纵装置330状态的相应变化随后在交通工具的位置和方向以及交通工具与直接环境332的关系上产生了一个或多个改变。交通工具的这些直接环境332通过具有传感器340和传感器处理338的传感器组感知。传感器340可以测量交通工具的角速率、交通工具线性加速，并可以包括图像传感器以及不是仪器操纵装置329一部分的其它传感器。传感器组可以包括绝对位置和速度传感器，例如全球定位系统(GPS)。来自传感器组338的传感器处理342的高频反馈信号344被发送给高频/细微运动控制器322，并可以发送给图像处理318和交通工具输出级308。低频反馈信号346发送给低频/总体运动控制器314，并可以发送给图像处理318和交通工具输出级308。处理的感知信号包括交通工具状态反馈348，例如交通工具的位置、方向、速度和方位，它们可以被发送给轨道估计器350，后者提供精确的交通工具状态估计352，尤其是在它包括人工智能处理或者被人工智能处理替换的情况下，可以提供轨道状态预测给信号处理318，并可以提供给交通工具输出级308。其它地面交通工具命令315可以包括前进、倒车、停车或保持所在位置的命令，减速和加速命令。可以感知的其它交通工具状态指示包括电池电平、总负荷重量或估计净荷、实际加速、速度、振动值、外部、舱位净荷和引擎温度、地面倾斜度，也就是本地水平度，以及通过麦克风的音频值。
图4说明了作为移动IP无线接入点的自动或半自动交通工具周围的作为移动IP节点的半自动交通工具的移动组漫游和位置保持。图4还示出了对每个交通工具MIPWAP 120、EMIPWAP 130和MIPWB 122的自动或半自动性能的利用，这通过它们各自的GNC处理300来实现。在该例中，MIP WAP 120与静态IP无线接入点114通信，静态IP无线接入点114利用移动IP，通过外部代理的IP网关路由器110连接到因特网106及其监控器。在该例中，MIPWAP 120与两个MIPWB 122通信，向MIPWB 122提供包转发。虽然MIPWAP 120可以有有效的无线范围211和周界210，监控目标仍可以将MIPWB 122交通工具维持在高效范围411和周界410中。相应地，目标和驾驶命令可以是分离地，或者一起发送给每个MIPWB 122交通工具，以维持MIPWAP 120的高效范围411和周界410。此外，为了固定GNC所提供的MIPWB 122交通工具的自动属性，MIPWAP 120产生或传送相对位置保持的目标或半径，从而例如维持星座，或者作为另一个例子，防止一个MIPWB122交通工具与另一个碰撞。
图5给出了空中交通工具作为移动IP无线接入点的自动和半自动空中交通工具周围的作为移动IP节点的半自动空中交通工具的移动组星座和位置保持，与蜂窝基站的协作，以及作为蜂窝节点和移动IP无线接入点的增强型自动空中交通工具。图5通过例子，进一步说明了在本地地面502上的空中交通工具星座，其中蜂窝基站554发送蜂窝信号给蜂窝基站554有效小区周界506内的空中交通工具EMIPWAP530。有效蜂窝范围506典型地大于EMIPWAP 530的IP WAP范围511。EMIPWAP 530将接收到的蜂窝信号转换为数据包，转发数据包给空中交通工具MIPWAP 520，后者的有效范围561的周界560内有两个空中交通工具MIPWB 522。利用MIPWB 522、空中交通工具MIPWAP 520和空中交通工具EMIPWAP 530的内置GNC处理所提供的自动或半自动性能，给MIPWB 522的目标可以是维持在空中交通工具MIPWAP520的很有效的范围571和周界570内。此外，可以给MIPWB 522目标或参数来维持相对于空中交通工具MIPWAP 520的站550、560，这些站可以用于增强星座的搜索和力度，可以用于尽量减少空中碰撞。蜂窝基站554可以替换成无线发射塔和发射机，或者提供编码信号给MIPWAP 530的其他RF发射设施，MIPWAP 530能够接收编码信号并将信号转换成数据包，之后IP WAP发送给空中交通工具MIPWB 522。
对蜂窝基站实施方式而言，系统可以描述为分布式远程控制系统，操作人员可以利用该系统，按照本发明的一种实施方式对交通工具进行远程导航。蜂窝实施方式的远程控制系统包括一个或多个用户接口，由多个操作人员接口102表示，通信网包括数字蜂窝系统156、154以及远程指引的地面交通工具120、122、130和空中交通工具520、522和530，它们通过数字蜂窝系统接收操作人员接口发送的指引信息。在该实施方式中，优选的通信网络包括至少两个底层网络形式，分布式包交换(DPS)网络和无线电路交换通信(WCSC)网络。
在具有优选通信网络的实施方式中，DPS包括一个或多个节点，节点采用包协议，允许控制和传感信号通过扩展的地理区域传送，前述地理区域将操作人员接口102与远程指引的地面交通工具120、122、130和空中交通工具520、522和530分隔开。在优选实施方式中的网络是因特网106，主要依赖于例如TCP/IP协议栈在不同节点之间发送数据包，尽管其它形式的网络，例如令牌环和ATM也适合做这样的网络。这里所用的术语因特网一般包括这样的系统，它包括在操作人员接口102与远程指引的地面交通工具120、122、130和空中交通工具520、522和530之间交换信号所必需的一个或多个城域网(MAN)、广域网(WAN)或局域网(LAN)。
在优选蜂窝实施方式中，WCSC网络包括一个或多个射频接入点，尽管用户可以利用已有的通信基础设施来交换导航和传感信号。WCSC网络优选包括与PSTN 150协作的适当的数字蜂窝系统154、156。数字蜂窝系统包括一系列射频收发信机，也就是基站154，各个移动台在覆盖区域，也就是小区中可以通过这些基站连接。基站连接到移动交换中心(MSC)156，对主叫移动台进行登记，跟踪它们的位置。
用户接口102可以以多种不同形式表现。第一代表性用户接口可以例如由个人计算机、工作站、主机、因特网应用、个人数字助理或者平板计算机组成。代表性的计算机(未示出)一般包括具有随机存取存储器(未示出)的中央处理单元(未示出)、数据输入设备(例如键盘(未示出))、图形显示器(例如显示器(未示出))以及连接到因特网106的输入/输出设备(未示出)。运行在计算机(未示出)上的是操作系统和一个或多个软件程序，包括图形用户接口(GUI)，用于与用户交互，传达有关远程指引的地面交通工具120、122、130和空中交通工具520、522和530、一般RC交通工具的位置、方向和工作状态的可视或符号信息。
在一些实施方式中，接口102还包括操纵杆或其它手工对位置灵敏的控制器，用于输入导航或指引信号。在某些实施方式中，操纵杆包括力反馈和/或触觉响应。
实际上，远程控制的交通工具需要无线LAN收发信机、网络协议栈、控制逻辑和传感器。每个MIPWB交通工具象WLAN上的移动LAN端点一样工作。移动性构造在网络协议栈的第二层或第三层。在这些示例性实施方式中，本发明使用移动IP作为承载协议。控制器的网络地址为它控制下的所有RC交通工具所知。在加电时，每个RC交通工具使用该控制器进行自身的鉴权。同样，每个交通工具在主控制器上“签到”。交通工具和控制器之间的连接通过简单的“hello”和超时协议来保持有效。一旦建立了连接，RC交通工具利用控制器识别自己的身份，并提供自己的型号、性能和当前配置。如果必要，控制器可以下载新的配置到交通工具。一旦下载了新的配置，控制器就可以支持移动，开始驾驶或给RC交通工具设定目标。交通工具开始监控它的传感器，将信息发回控制器。例如，交通工具可以配备有数码照相机，视频反馈不断通过WLAN发回给控制器。当交通工具横跨不同的WLAN域时，它优选地利用移动IP，再次进行鉴权处理，重新建立与控制器的联系。
Claims (10)
1.一种分布式监控交通工具控制系统，该系统包括：
交通工具，该交通工具包括：
传感器组，包括用于测量一个或多个交通工具状态的传感器；
无线网络接口，用于通过数据包接收一个或多个外部生成的命令的；以及
连接到所述无线网络接口的指引处理接口，其中指引处理接收传感器组信号，并且其中指引处理接口处理所述外部生成的命令，并提供交通工具系统命令；以及
一个或多个监控处理接口。
2.根据权利要求1的地面交通工具，其中传感器组还包括记录装置和信号处理装置，用以处理来自可视频段传感部件的信号。
3.根据权利要求2的地面交通工具，其中传感器组中可视图像处理包括模式识别处理。
4.根据权利要求1的地面交通工具，其中传感器组还包括红外频段传感部件。
5.根据权利要求4的地面交通工具，其中传感器组还包括红外记录装置和信号处理装置，用以处理来自红外频段传感部件的信号。
6.根据权利要求1的地面交通工具，其中传感器组还包括音频传感部件。
7.根据权利要求1的地面交通工具，其中传感器组还包括温度传感部件。
8.根据权利要求1的地面交通工具，其中地面交通工具还包括臂状物，该臂状物配备有触觉反馈传感器。
9.根据权利要求1的地面交通工具，其中地面交通工具还包括臂状物，该臂状物配备有力反馈传感器。
10.根据权利要求1的地面交通工具，其中传感器组还包括全球定位系统。
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