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機(jī)器人項(xiàng)目為機(jī)械、電子和軟件工程師們提供親手實(shí)踐設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。從FIRST機(jī)器人高中競(jìng)賽到某些最高級(jí)的機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究，學(xué)生們都能將NI CompactRIO作為機(jī)器人設(shè)計(jì)平臺(tái)。本文調(diào)研了幾項(xiàng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)采用CompactRIO作為嵌入式機(jī)器人控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的成果。 FIRST 機(jī)器人競(jìng)賽(FRC) 從1989開(kāi)始FIRST 就鼓勵(lì)年輕人成為科學(xué)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。如今，世界范圍內(nèi)有將近200,000名學(xué)生參與到FIRST 的項(xiàng)目中，其中最重要的一項(xiàng)是FIRST 機(jī)器人競(jìng)賽(FRC)。 FRC是專(zhuān)門(mén)針對(duì)高中學(xué)生設(shè)計(jì)的項(xiàng)目。競(jìng)賽要求每個(gè)團(tuán)隊(duì)在6周時(shí)間內(nèi)通過(guò)設(shè)計(jì)和搭建機(jī)器人來(lái)解決一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。然后這些學(xué)生需要與其他團(tuán)隊(duì)比賽，比賽的項(xiàng)目每年都不相同。每個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)擁有一個(gè)或兩個(gè)導(dǎo)師，一般都為專(zhuān)業(yè)工程師。最終，每個(gè)團(tuán)隊(duì)將因他們出色的設(shè)計(jì)和專(zhuān)業(yè)精神而獲得獎(jiǎng)勵(lì)。 
圖1. 2009 FIRST機(jī)器人世界冠軍賽于2009年4月在亞特蘭大的Georgia Dome舉辦。 FRC向高中學(xué)生提出現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題和任務(wù)，提供給每個(gè)參賽隊(duì)相同的工具；此外，參賽隊(duì)還可以花費(fèi)一定資金來(lái)購(gòu)買(mǎi)他們選擇的工具作為補(bǔ)充。這就要求每個(gè)參賽隊(duì)嚴(yán)格地管理資金。參賽隊(duì)必須在他們的設(shè)計(jì)中集成各類(lèi)不同供應(yīng)商的傳感器、攝像頭和電機(jī)。此外，參賽者必須遵守嚴(yán)格的時(shí)間限制，并做出包括軟件、電子和機(jī)械等組件的設(shè)計(jì)考量。 2008年FIRST官方宣布他們將采用NI CompactRIO嵌入式控制平臺(tái)作為競(jìng)賽的下一代FRC機(jī)器人控制器。CompactRIO平臺(tái)讓高中學(xué)生體驗(yàn)了高級(jí)控制能力和高端性能，它配備了 400 MHz PowerPC和基于FPGA的I/O。CompactRIO模塊化I/O系統(tǒng)可以連接相當(dāng)多種類(lèi)的傳感器和執(zhí)行器，并具有功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)視覺(jué)處理能力，可搭建出高級(jí)的機(jī)器人。學(xué)生能通過(guò)包括無(wú)線(xiàn)監(jiān)視和仿真在內(nèi)的最新技術(shù)設(shè)計(jì)出由駕駛員控制或全自主的機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)更多的臨場(chǎng)控制和更多精確的設(shè)計(jì)。 兩項(xiàng)使用CompactRIO的大型應(yīng)用 許多教育和研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者采用CompactRIO成功開(kāi)發(fā)了復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。本部分討論兩個(gè)特殊的應(yīng)用：弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)學(xué)生開(kāi)發(fā)的無(wú)人駕駛地面車(chē)，以及麻省理工大學(xué)(MIT)學(xué)生設(shè)計(jì)的橋梁檢測(cè)機(jī)器人。 Victor Tango團(tuán)隊(duì)的Odin：DARPA城市挑戰(zhàn)賽 Victor Tango是由弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)，他們成功搭建了一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)控制該團(tuán)隊(duì)的2005 Ford Escape混合動(dòng)力車(chē)Odin。該團(tuán)隊(duì)在由89名參賽者參加的美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)城市挑戰(zhàn)賽中獲得第三名。Victor Tango團(tuán)隊(duì)采用LabVIEW圖形化編程及CompactRIO來(lái)進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建模。
圖2. Victor Tango的Odin全自主車(chē)輛在擁有89名參賽者的DARPA城市挑戰(zhàn)賽中獲得第三名。 CompactRIO和LabVIEW為這個(gè)主要由機(jī)械工程師組成的團(tuán)隊(duì)提供了高級(jí)算法設(shè)計(jì)能力，而無(wú)需涉及太多的計(jì)算機(jī)科學(xué)背景�？焖儆布蛙浖芍С种庇^的應(yīng)用調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)快速原型開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)優(yōu)化。此外， CompactRIO可以為圖像采集，傳感器信號(hào)采集和系統(tǒng)控制提供時(shí)間關(guān)鍵處理, 在團(tuán)隊(duì)的成功中起到了關(guān)鍵作用。 MIT用于橋梁檢測(cè)的機(jī)器人 在麻省理工大學(xué)(MIT)，機(jī)械工程學(xué)研究生在Harry Asada博士的指導(dǎo)下采用CompactRIO和LabVIEW開(kāi)發(fā)了用于橋梁檢測(cè)的緊湊型機(jī)器人。研究人員嘗試采用可懸掛在需要監(jiān)測(cè)的橋梁上的低功率機(jī)器人來(lái)創(chuàng)建虛擬傳感器網(wǎng)絡(luò)。機(jī)器人裝備有攝像頭和加速度計(jì)，從而可連續(xù)進(jìn)行測(cè)量。
圖3. MIT橋梁檢測(cè)機(jī)器人的最終設(shè)計(jì)中采用了磁鐵來(lái)將其懸掛在橋梁下。 最終的設(shè)計(jì)中采用了磁鐵將機(jī)器人永久倒立懸掛，允許機(jī)器人以最小的功率在各類(lèi)表面上行動(dòng)。最后，團(tuán)隊(duì)采用了CompactRIO和LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)控制算法。在機(jī)器人軌跡跟蹤的設(shè)計(jì)和記錄來(lái)自機(jī)器人攝像頭和傳感器數(shù)據(jù)等方面，CompactRIO起到了關(guān)鍵作用。機(jī)器人上搭載的FPGA用于高速電機(jī)控制及傳感器反饋。 總結(jié) 美國(guó)國(guó)家儀器公司的機(jī)器人圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法向?qū)W生和工程師提供了高效解決工程問(wèn)題的能力。通過(guò)CompactRIO和 LabVIEW圖形化編程，使參加FIRST 機(jī)器人競(jìng)賽的學(xué)生能夠接觸到與MIT研究人員和弗吉尼亞理工大學(xué)工程系學(xué)生所用的相同的技術(shù)。 工業(yè)和學(xué)術(shù)界的每個(gè)人都能使用NI平臺(tái)成功進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模和發(fā)布。美國(guó)國(guó)家儀器公司支持將機(jī)器人作為培養(yǎng)數(shù)學(xué)和科學(xué)明日之星的工具。從 FRC機(jī)器人到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，LabVIEW和CompactRIO作為普適且直觀式平臺(tái)可用于解決當(dāng)今大多數(shù)復(fù)雜問(wèn)題。 NI公司供稿 |
