基于LabVIEW的足球機器人電機調試系統設計

吳繼偉，晏黑仂

（1.廣東工業大學，廣東 廣州 510075；2.華南理工大學廣州汽車學院，廣東 廣州 510800）

1 引 言

RobCup中型組足球機器人（以下簡稱機器人）系統是當今機器人研究的一個熱點，在近幾年內發展迅速，得到了國內外眾多研究人員的關注[1]。傳統基于一只導向輪、兩只驅動輪的三輪機構逐漸被四只驅動輪的四輪結構所代替，機器人運動控制系統是一個復雜的機電耦合系統，使得電機調試工作更為困難。

機器人運動控制系統中，目前在電機調試方式中多數直接采用串口調試助手等軟件進行調試，缺點表現在主要以單條指令進行調試，不利于調試數據的編輯與保存、批量數據自動發送及數值實時圖形化顯示等。實現的電機調試系統使用LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）軟件開發平臺，通過編程，使該系統兼顧了單條指令、多條指令調試方式，并能實現對機器人電機調試過程中實時采集到的電機轉速值自動保存和圖形化顯示等，可直接觀察到電機轉速值的實際變化。該系統為電機調試工作提供了極大的方便，克服了目前電機調試中的缺點，使得調試工作快速、直觀，極大地提高了調試效率。

LabVIEW是由美國國家儀器公司開發出的工程軟件包，稱之為虛擬儀器。隨著計算機技術的迅速發展，虛擬儀器在測試領域的使用越來越多，已經成為當今世界流行的一種儀器構成方案。LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序[2]，簡稱VI（Virtual Instruments）。

LabVIEW功能強大，靈活方便，與傳統的編程語言相比，編程簡單方便，界面形象直觀，大大地縮短了軟件的研發周期，可以方便地實現數據的采集、監控和分析，可以很容易地實現儀器控制。數據采集是LabVIEW的核心之一，它支持多種硬件接口，如GPIB、VXI、RS232和RS485等協議的硬件及數據采集卡。

2 電機調試系統的組成及其主程序設計

2.1 電機調試系統的組成

電機調試系統的組成如圖1所示。基于LabVIEW的電機調試系統通過串口給機器人發送四組電機設定轉速值，機器人運動控制系統接收到電機設定轉速指令后，驅動電機開始工作并對電機轉速值進行實時采樣，把采樣到的電機轉速值存放在發送緩沖區，以待調試系統通過串口讀取。調試系統將讀取到的數據進行自動保存并予以數據圖形化顯示在LabVIEW控制界面上。

圖1 電機調試系統組成

2.2 調試系統主程序設計

實現的電機調速系統是通過串口RS232與機器人進行通信的。LabVIEW中實現串口通信的方式有兩種：（1） 利用 VISA；（2） 使用 ActiveX（采用MScomm）。該文采用方式（1），即在虛擬環境中使用VISA子VI向串行設備讀寫數據，VISA功能模塊是LabVIEW獨有的一項技術。

一個LabVIEW程序包括三個主要部分：前面板、框圖程序（后面板）、圖標/接線端口[3]。前面板是LabVIEW程序的交互式圖形化用戶界面，用于設置用戶輸入和顯示程序輸出等控件；后面板則是利用圖形化語言對前面板上的各類控件進行控制；圖標/接線端口把LabVIEW程序定義成一個子程序，以便在其他程序中加以調用，這使LabVIEW得以實現層次化、模塊化編程。在LabVIEW程序設計中，后面板設計是整個程序設計的關鍵[4]。

如圖2所示為調試系統后面板LabVIEW主程序流程。在后面板的程序設計中，依據LabVIEW程序設計核心思想“數據流”[5]，該設計依據數據流方向，后面板程序采用自左至右的設計思路。主程序主要實現連接各子程序，控制整體的數據流向（自左至右），協調各子程序間的通信。子程序主要包括串口初始化、數據導入及寫入串口和串口數據讀取及導出等。在設計中實現LabVIEW串口通信和串口數據處理是重點，它直接關系到整個系統通信是否能實現，最終結果是否能真實準確反映在電機調試界面上。

圖2 LabVIEW主程序流程

3 調試系統子程序設計

3.1 LabVIEW串口初始化

串口初始化是LabVIEW實現串口通信程序的第一步，如圖3是通過VISA配置串口子VI實現串口初始化設置的后面板程序。串口初始化主要是確定通信過程中的串口號、波特率、數據位以及校驗位等。其中串口號和波特率通過編程可實現下拉框來進行選擇確定其值，實現過程如圖3所示，定義兩個系統下拉列表變量為各自條件結構的輸入變量，依據PC機端串口號和通信波特率的實際情況編輯條件結構的值，即可實現通過下拉框來進行選擇確定通信過程中串口號和波特率。數據位和校驗位默認設置即可。

3.2 串口數據導入程序設計

串口數據導入就是將設定的四組電機轉速值進行正確的數據格式轉換，以達到符合寫入VISA串口數據格式的要求。上位機LabVIEW控制端向機器人發送讀數據指令幀后啟動串口通信，該指令幀由5字節數據組成，數據幀第一字節為握手信號（0xFF），數據幀第二字節到第五字節分別為四個電機的設定轉速（0x00-0xFE）。如圖4所示為數據導入部分LabVIEW后面板框圖程序。

在圖4左邊CASE結構部分，選用LabVIEW中選項卡子VI做為case結構的輸入變量實現了單指令與多指令調試方式之間方便切換。單指令調試方式中，通過前面板十六進制數字符串輸入控件設定電機的轉速值；多指令方式中，采用的是通過以行讀取PC機端指定路徑下的文本文件方式實現。按照調試電機數據字節數的要求，該文件存放一定行的數據，每行數據值為設定的電機轉速，通過索引數組子VI可確定文本文件的唯一一行作為當前的串口的輸入數據，由于文本文件的一行是一個十六進制數字符串，需再通過截取字符串子VI，將該行十六進制數字符串分解為單個電機的設定轉速值。

VISA Write串口只能以字符串格式寫入，因此在寫入數據之前，必須進行十六進制數字符串至字符串之間的轉換，將要發送的命令幀變成一個字符串送VISA Write節點的Write Butter。圖4右邊部分即可實現十六進制數字符串至字符串的轉換。

3.3 串口數據導出程序設計

機器人接收到上位機LabVIEW控制端發送讀數據指令幀后，通過對電機碼盤信號的實時采集，將最新的四個電機轉速值加上數據指令幀頭存放在發送緩沖區，以待調試系統通過VISA Read讀取串口數據。

圖5是將串口讀取的數據進行判斷，如果數據正確則按照規定好的數據協議計算出電機實際轉速值再將它保存并顯示出來。VISA Read每次讀取5個字節的數據，數據幀頭由握手信號（0xFF）及四個電機的實際轉速值（0x00-0xFE）組成。由于VISA Read也只能以字符串的形式讀取串口數據，讀出5字節數據后，先通過字符串至字節數組轉換子VI得5字節數組，再通過數組索引子VI判斷讀取的5個字節數據的首字節是否是握手信號0xff（255），以判斷是否正確讀取串口數據，把此布爾變量作為case結構的輸入，為真則可以確定接下來的四個字節數據為對應電機的轉速值，并通過數組索引子VI得到各電機的實際轉速值，然后進行數據保存和顯示，為假則放棄保存和顯示該次讀取的數據。

圖5的右邊CASE結構部分，將采集到的四個電機轉速值連接至各波形圖表控件輸入端實現了數據的實時圖形化顯示。數據的自動存盤操作，是將同一次讀取的四電機轉速值創建一數組后轉換為動態數據類型，通過反饋節點追加寫入測量文件，保存是將轉速值與當地時間對應，以文本的形式保存在電腦磁盤中，保存路徑可以自己設置，方便隨時提取出來以便后期進行分析。

4 人機交互界面設計及系統測試

4.1 人機交互界面設計

機器人電機調試系統前面板如圖6所示。LabVIEW提供了很多圖形化控件，使得系統界面相當友好，操作簡單。界面主要分為操作區和觀測區，操作區主要包括串口的基本設置、電機調試指令方式選擇（單指令或多指令調試）及接受緩沖區的顯示方式設置；觀測區主要把讀回的電機轉速值實時地進行數值和圖形化顯示，通過觀察前面板觀測區，可以很直觀地知道電機轉速的實際變化。面板上的兩個布爾燈控件是分別用來顯示串口是否正常打開和判斷是否正確讀取串口數據。

4.2 系統測試

機器人運動控制系統中，電機有正轉和反轉，規定當設定電機轉速為0X7F時，給定電機轉速為0 r/s，設定電機轉速小于0X7F為正轉、大于0X7F為反轉[3]，類推可得，設定電機轉速為0x70則期望電機轉速是正轉15 r/s。圖6記錄了調試系統在單指令調試方式下機器人四組電機給定轉速為正轉15 r/s下電機響應曲線。通過觀測區四組電機響應曲線圖，觀察到四組電機各自轉速值的波動和變化趨勢，很直觀地了解到該參數下的電機調試效果，而且在該系統設置的數據自動存盤路徑下，打開相應文件可以得到更為詳盡的試驗數據。與往常用電機調試方式相比，該系統使得電機調試工作快速、直觀。

5 結束語

LabVIEW是一種功能很強大的虛擬儀器開發軟件，應用該軟件開發平臺，不僅成功實現了足球機器人中基于串口通信的電機調試系統設計，而且可以充分發揮LabVIEW這一圖形化編程語言的優點，得到界面元素豐富、交互式良好的人機界面。測試表明該系統較好克服了目前在電機調試方式中存在的缺點，提高了機器人電機調試效率，具有一定的實用價值。

[1]戎海龍.自主式足球機器人運動控制系統設計與完善[D].沈陽：東北大學，2006.

[2]楊樂平，李海濤，楊 磊.LabVIEW程序設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2005.

[3]陳錫輝，張銀鴻.LabVlEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[4]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業出版社，2003.

[5]Johnson G W，Jennings R.LabVIEW圖形編程[M].武嘉澍，陸勁昆，譯.北京：北京大學出版社，2002.

[6]黃永賢.全自主足球機器人運動控制系統的研制[D].廣州：廣東工業大學，2008.