基于ＬａｂＶＩＥＷ構(gòu)建智能的移動(dòng)機(jī)器人及無(wú)人駕駛車(chē)

湯　敏

摘要：本文基于一些機(jī)器人開(kāi)發(fā)工程實(shí)例，介紹了基于LabVIEW圖形化系統(tǒng)在智能移動(dòng)機(jī)器人和無(wú)人駕駛車(chē)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用技巧以及帶來(lái)的全新設(shè)計(jì)方法和理念，從而幫助開(kāi)發(fā)者更有效率地設(shè)計(jì)出更智能化的機(jī)器人。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；LabVIEW；圖形化系統(tǒng)；移動(dòng)機(jī)器人；無(wú)人駕駛車(chē)

引言

移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)成復(fù)雜、應(yīng)用靈活，目前商業(yè)化程度還不高，相對(duì)處于前沿研究的階段，因此一直以來(lái)都是科學(xué)家和工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人具有某些共同的構(gòu)架和組成部分，是一個(gè)融合了眾多機(jī)電系統(tǒng)和子系統(tǒng)的綜合體系。并通過(guò)這些組成部分與子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合協(xié)調(diào)工作，雖然部分子系統(tǒng)已有現(xiàn)成的軟硬件工具和解決方案，但如何快速地把各子系統(tǒng)集成在一起、進(jìn)行早期的整體功能性驗(yàn)證，就成了決定機(jī)器人設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。

圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)一機(jī)器人設(shè)計(jì)的前沿方法

在Google x PRIZE機(jī)構(gòu)、FIRST組織(科學(xué)技術(shù)的啟示與認(rèn)知組織)、RoboCup以及美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)之間展開(kāi)的競(jìng)爭(zhēng)推進(jìn)了機(jī)器入學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新。富有創(chuàng)新思維的開(kāi)發(fā)者們將機(jī)器人學(xué)的前沿方法推進(jìn)到了圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在LabVIEW圖形化編程平臺(tái)下，機(jī)器人學(xué)的領(lǐng)域?qū)＜夷軌驅(qū)?fù)雜的機(jī)器人方案進(jìn)行快速的原型設(shè)計(jì)。這些創(chuàng)新工作者能夠不用關(guān)心底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，可以將注意力集中到解決手上的工程問(wèn)題中去。

機(jī)器人設(shè)計(jì)通常包含以下部分的工作內(nèi)容，如圖1所示。

感知系統(tǒng)——連接到陀螺儀、CCD、光電、超聲等傳感器，獲取并處理信息。

決策規(guī)劃——相當(dāng)于機(jī)器人的‘大腦，根據(jù)算法進(jìn)行控制決策，完成管理協(xié)調(diào)、信息處理、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等任務(wù)。

執(zhí)行控制——根據(jù)具體的作業(yè)指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制器、編碼器和電機(jī)完成機(jī)器人的伺服控制與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行。

網(wǎng)絡(luò)通訊與控制——機(jī)器人各子系統(tǒng)間的通訊網(wǎng)絡(luò)，完成分布式控制與實(shí)時(shí)控制。

過(guò)去，由于在每個(gè)領(lǐng)域中必須使用各自的傳統(tǒng)工具，其中涉及的知識(shí)具有較大的縱向深度，機(jī)械工程師、電氣工程師以及程序員團(tuán)隊(duì)都各自領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人學(xué)的開(kāi)發(fā)。LabVIEW和NI硬件提供了一個(gè)獨(dú)特的、功能多樣的平臺(tái)，它提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的可供所有機(jī)器人設(shè)計(jì)人員使用的工具，從而使機(jī)器人開(kāi)發(fā)得到了統(tǒng)一。

來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)器入學(xué)與機(jī)械實(shí)驗(yàn)室(KoMeLa)正在進(jìn)行智能動(dòng)態(tài)擬人機(jī)器人(DARwin)的雙足類(lèi)人機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和研究，目的是對(duì)假肢進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。DARwin使用NILabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)全范圍運(yùn)動(dòng)，并且能夠準(zhǔn)確地模擬人類(lèi)運(yùn)動(dòng)。LabVIEW可以分析動(dòng)態(tài)雙足運(yùn)動(dòng)、設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)機(jī)器人控制系統(tǒng)的原型。如果開(kāi)發(fā)的原型能夠令人滿(mǎn)意地工作，他們就將控制算法部署到運(yùn)行LabVIEw實(shí)時(shí)模塊的PC／104單板計(jì)算機(jī)上。

通過(guò)LabVIEW，設(shè)計(jì)人員無(wú)需成為計(jì)算機(jī)專(zhuān)家或程序員、就可以開(kāi)發(fā)高級(jí)機(jī)器人。例如，一位只有有限LabVIEw和機(jī)器視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生在短短幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)，就設(shè)計(jì)了一個(gè)讓機(jī)器人利用它帶有的IEEE 1394相機(jī)和NI機(jī)器

視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊跟蹤一個(gè)紅球的算法。工程師們使用LabVIEW和NI硬件，就可以使用功能強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言快速地設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)復(fù)雜算法的原型：并通過(guò)代碼生成方便地將控制算法部署到PC、FPGA、微控制器或?qū)崟r(shí)系統(tǒng)之中：還可以與幾乎所有的傳感器、執(zhí)行器進(jìn)行連接。通過(guò)LabVIEW和NI硬件平臺(tái)、可以支持CAN、以太網(wǎng)、串口、USB等多種接口，方便構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。領(lǐng)域?qū)＜也粌H僅能夠完成機(jī)械工程師的工作，還能夠成為機(jī)器人設(shè)計(jì)者。

實(shí)例分析1：南洋理工大學(xué)使用NILabVIEW設(shè)計(jì)救生機(jī)器人蜘蛛

南洋理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于支持營(yíng)救工作的六足機(jī)器人蜘蛛。它是一個(gè)尺寸較小、可移動(dòng)的智能機(jī)器人，在搜尋被陷的受害者時(shí)，它可以越過(guò)障礙并到達(dá)通常難以觸及的地方。替代如清掃雷區(qū)使之無(wú)雷化等危險(xiǎn)任務(wù)中的工作人員也是機(jī)器人蜘蛛的另一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)高度可移動(dòng)的行走方案，它由六只獨(dú)立的下肢組成，可以任意方向移動(dòng)機(jī)器人，即使在機(jī)器人移動(dòng)通常不可行或過(guò)于危險(xiǎn)的地帶。行走與旋轉(zhuǎn)均屬于模仿六足昆蟲(chóng)而得的基本的高層次運(yùn)動(dòng)模式。通過(guò)三條下肢移動(dòng)而另外三條下肢抬高，機(jī)器人可以達(dá)到期望的行走速度，并提供惡劣地帶所需的足夠平衡。爬行時(shí)，機(jī)器人可以擠壓通過(guò)緊湊的空間和狹縫。單下肢的低層次運(yùn)動(dòng)步態(tài)是3D空間內(nèi)的幾何原語(yǔ)，如長(zhǎng)方形或圓形軌道。

24個(gè)自由度的多功能機(jī)電系統(tǒng)及智能運(yùn)動(dòng)控制

下肢結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)控制構(gòu)成了機(jī)器人蜘蛛關(guān)鍵特性的一部分。24只智能Dc有刷電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)這些下肢，并充當(dāng)行走結(jié)構(gòu)中不可或缺的關(guān)節(jié)。這樣得到了一個(gè)堅(jiān)固的輕型結(jié)構(gòu)、從而降低了功耗并改善了運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性。

除了這些下肢，機(jī)器人蜘蛛的特性還在于典型的自主機(jī)器人子系統(tǒng)，其中包括機(jī)器視覺(jué)、遠(yuǎn)程測(cè)量和無(wú)線通信。機(jī)器人堅(jiān)固的殼體內(nèi)包含有嵌入式硬件、兩節(jié)7.2伏的锃聚合物電池和電量測(cè)量裝置。任務(wù)參數(shù)、I／O設(shè)置和新的運(yùn)動(dòng)步態(tài)均可以通過(guò)無(wú)線通信或可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)傳遞。

機(jī)器人蜘蛛的低層次運(yùn)動(dòng)有賴(lài)于運(yùn)行時(shí)計(jì)算的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型。憑借ADI公司的Blackfin處理器的高級(jí)嵌入式計(jì)算能力和LabVIEW的確定性實(shí)時(shí)性能，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)得有力而平穩(wěn)?；贜I LabVIEw嵌入式模塊的程序連續(xù)運(yùn)行一個(gè)逆動(dòng)力學(xué)算法，算法包含三角函數(shù)和矩陣運(yùn)算，求解恰當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)角θ1與θ2，以沿著3D空間內(nèi)的期望軌線精確移動(dòng)末端執(zhí)行裝置。

所有六足的關(guān)節(jié)角度的計(jì)算并行完成以確保動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)地也得到了連續(xù)計(jì)算所得的24個(gè)電機(jī)的設(shè)置點(diǎn)。這些設(shè)置點(diǎn)通過(guò)一個(gè)串行RS485網(wǎng)絡(luò)傳遞至每只電機(jī)，并由分散PD控制器轉(zhuǎn)換為實(shí)際執(zhí)行動(dòng)作。通過(guò)同樣的網(wǎng)絡(luò)，完成所有24只執(zhí)行裝置的位置、反饋和溫度讀數(shù)的采集。

圖形化的實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)

機(jī)器人蜘蛛應(yīng)用軟件是利用面向Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊編程實(shí)現(xiàn)的。LabVIEw為高層次編程、圖形化調(diào)試、圖形化多任務(wù)處理和確定性的實(shí)時(shí)行為，提供了一個(gè)理想的嵌入式軟件平臺(tái)。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式有助于進(jìn)一步控制圖形化層次上的復(fù)雜度。例如電機(jī)或傳感器等主要對(duì)象，通過(guò)LabVIEW中表示類(lèi)的功能性全局變量加以抽象。主要的應(yīng)用框架由以下多個(gè)任務(wù)組成。

·頂層主循環(huán)對(duì)由一個(gè)經(jīng)典狀態(tài)機(jī)表示的動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃，而狀態(tài)機(jī)通過(guò)軟件隊(duì)列和同步方法(如信號(hào)量)與其他循環(huán)連接。通信任務(wù)保持一個(gè)與外部世界的無(wú)線數(shù)據(jù)連接。

·視覺(jué)任務(wù)負(fù)責(zé)低層次的圖像處

理和距離讀數(shù)。

·運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)管理高層次的運(yùn)動(dòng)模式與低層次的肢體控制，并監(jiān)測(cè)馬達(dá)的位置與狀態(tài)。

·日常任務(wù)充當(dāng)一個(gè)通用錯(cuò)誤處理器。檢測(cè)事件與異常，并將其及時(shí)間記錄到可移動(dòng)的存儲(chǔ)介質(zhì)，以供后續(xù)讀取。

通過(guò)采用LabVIEw嵌入式模塊所提供的圖形化編程環(huán)境，以及Blackfin處理器的高處理器性能，開(kāi)發(fā)周期也大為縮短?；贚abVIEW的圖形化快速調(diào)試模式在算法的工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中非常有用，縮短了s倍的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

實(shí)例分析2：弗吉尼亞理工大學(xué)使用NI LabVIEW設(shè)計(jì)全自主地面車(chē)參加DARPA城市挑戰(zhàn)賽

DARIIA城市挑戰(zhàn)賽需要設(shè)計(jì)一輛全自主地面車(chē)能夠在城市環(huán)境中自動(dòng)導(dǎo)航行駛。在整個(gè)賽程中、全自主車(chē)需要在6小時(shí)內(nèi)穿越60英里，途經(jīng)道路、路口和停車(chē)場(chǎng)等各種交通狀態(tài)。

來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)需要在12個(gè)月開(kāi)發(fā)出全自主地面車(chē)，他們將開(kāi)發(fā)任務(wù)分成4個(gè)主要部分：基礎(chǔ)平臺(tái)、感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃和通訊架構(gòu)，如圖4所示。每一部分都基于NI的軟硬件平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)：通過(guò)NI硬件與現(xiàn)有車(chē)載系統(tǒng)進(jìn)行交互，并提供操作接口；使用LabVIEW圖形化編程環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件，包括通訊架構(gòu)、傳感器處理和目標(biāo)識(shí)別算法、激光測(cè)距儀和基于視覺(jué)的道路檢測(cè)、駕駛行為控制、以及底層的車(chē)輛接口。

參賽車(chē)Odin是2005年福特翼虎(Escape)混合動(dòng)力型越野車(chē)，并為自主駕駛做了一定程度的改裝。NICompactRIO系統(tǒng)與翼虎操控系統(tǒng)進(jìn)行交互，通過(guò)線控驅(qū)動(dòng)的方式控制油門(mén)、方向盤(pán)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)。利用LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真模塊開(kāi)發(fā)了路徑曲率和速度控制系統(tǒng)，并通過(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和PPGA模塊部署到CompactRIO硬件平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)，從而建立了一個(gè)獨(dú)立的車(chē)輛控制平臺(tái)。與此同時(shí)使用LabVIEw觸摸屏模塊和NI TPC－2006觸摸屏構(gòu)建用戶(hù)界面并安裝在控制臺(tái)。

通過(guò)LabVIEw開(kāi)發(fā)環(huán)境，團(tuán)隊(duì)快速可以構(gòu)建系統(tǒng)原型并加快設(shè)計(jì)的往復(fù)周期。LabVIEw與硬件的無(wú)縫連接，對(duì)于執(zhí)行某些關(guān)鍵操作如傳感器處理和車(chē)輛控制是至關(guān)重要的。由于城市挑戰(zhàn)賽問(wèn)題復(fù)雜且開(kāi)發(fā)時(shí)間很短，這些因素對(duì)于開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的成功發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

結(jié)語(yǔ)

圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于繼續(xù)加快機(jī)器人設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新而言是必不可少的。復(fù)雜的傳統(tǒng)工具可能會(huì)阻礙機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步。LabVIEWe提供了一個(gè)綜合的、可擴(kuò)展的平臺(tái)，能夠橫跨設(shè)計(jì)、原型開(kāi)發(fā)和部署階段，因此工程師們能夠不用為微小的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)所困擾，可以更加關(guān)注機(jī)器人本身。他們可以使用同樣強(qiáng)大的平臺(tái)，對(duì)微控制器直至FPGA等各種控制器進(jìn)行編程：還可以同幾乎任何傳感器和執(zhí)行器發(fā)送與接收信號(hào)；設(shè)計(jì)并仿真動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)：以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視或控制機(jī)器人的接口。LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)通過(guò)為所有機(jī)器人設(shè)計(jì)者提供一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，鼓勵(lì)設(shè)計(jì)更為精妙的機(jī)器人。