通過圖形化開發(fā)平臺快速構(gòu)建移動機(jī)器人原型

從廣義范疇上，機(jī)器人主要包括移動機(jī)器人、機(jī)械手、教育機(jī)器人三大種類。機(jī)械手與教育機(jī)器人已經(jīng)有了相對成熟的行業(yè)解決方案，而移動機(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，主要處于前沿研究的階段，一直以來都是科學(xué)家和工程師們關(guān)注的重點(diǎn)，本文將主要探討移動機(jī)器人的快速原型與開發(fā)。

移動機(jī)器人簡介
移動機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如圖1所示，從軍用、航空航天――無人飛行器 (UAV) 、無人潛航器 (UUV) 和無人地面車 (UGV) ，到工農(nóng)業(yè)裝備――采收機(jī)器人、智能化耕作機(jī)械，到家用服務(wù)機(jī)器人等，不一而足。而隨著應(yīng)用領(lǐng)域和環(huán)境的不同，機(jī)器人需要具備相對應(yīng)的自主程度，這也為機(jī)器人的開發(fā)帶來了不同的技術(shù)難點(diǎn)。全自主機(jī)器人通常會涉及到控制系統(tǒng)、自定位、實(shí)時(shí)視覺、多傳感器融合等關(guān)鍵技術(shù)，而遙操作機(jī)器人則往往側(cè)重于雙向力反饋控制、虛擬環(huán)境建模、力覺接口等方面的研究。

圖1 移動機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域

盡管按照不同的應(yīng)用場合機(jī)器人分類復(fù)雜且關(guān)鍵技術(shù)眾多，但他們具有某些共同的構(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，并通過這些組成部分與子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合協(xié)調(diào)工作。由于移動機(jī)器人構(gòu)成復(fù)雜、應(yīng)用靈活，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)。

機(jī)器人設(shè)計(jì)的前沿方法：圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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，以及美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）之間展開的競爭，推進(jìn)了機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新。富有創(chuàng)新思維的開發(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)。他們可以不必關(guān)心底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，將注意力集中到解決手上的工程問題即可。

機(jī)器人設(shè)計(jì)通常包含以下部分的工作內(nèi)容，如圖2所示。

圖2 機(jī)器人設(shè)計(jì)平臺

● 傳感器連接：連接到陀螺儀、CCD、光電、超聲等傳感器，獲取并處理信息。

● 控制設(shè)計(jì)與仿真：根據(jù)工作環(huán)境和應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制算法。

● 嵌入式控制：嵌入式控制系統(tǒng)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)動規(guī)劃等任務(wù)。

● 運(yùn)動控制（執(zhí)行器）：根據(jù)具體的作業(yè)指令，通過驅(qū)動控制器、編碼器和電機(jī)完成機(jī)器人的伺服控制與運(yùn)動執(zhí)行。

● 網(wǎng)絡(luò)通信與控制：機(jī)器人各子系統(tǒng)間的通信網(wǎng)絡(luò)，完成分布式控制與實(shí)時(shí)控制。

過去，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)的開發(fā)。LabVIEW和NI硬件提供了一個(gè)獨(dú)特的、功能多樣的平臺，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)器人開發(fā)得到了統(tǒng)一。

通過LabVIEW，設(shè)計(jì)人員無須成為計(jì)算機(jī)專家或程序員，就可以開發(fā)高級機(jī)器人。例如，一位只有有限LabVIEW和機(jī)器視覺經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生在短短幾小時(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)器視覺開發(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)大的圖形化編程語言快速地設(shè)計(jì)并開發(fā)復(fù)雜算法的原型；并通過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。此外，通過LabVIEW和NI硬件平臺，可以支持CAN、以太網(wǎng)、串口、USB等多種接口，方便地構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在，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
本實(shí)例介紹的是弗吉尼亞理工大學(xué)如何使用NI LabVIEW設(shè)計(jì)全自主地面車參加DARPA城市挑戰(zhàn)賽。

DARPA城市挑戰(zhàn)賽需要設(shè)計(jì)一輛能夠在城市環(huán)境中自動導(dǎo)航行駛的全自主地面車。在整個(gè)賽程中，全自主車需要在6小時(shí)內(nèi)穿越60英里，途經(jīng)道路、路口和停車場等各種交通狀態(tài)。在比賽開始時(shí)，參賽者會拿到任務(wù)檔案公路網(wǎng)地圖，并指定需要按一定順序訪問的檢查站。

為了盡快到達(dá)檢查站，車輛需要考慮所選道路的車速限制，可能的道路堵塞，以及其他交通狀況。車輛在行駛中必須遵守交通規(guī)則，在十字路口注意安全駕駛和避讓，妥善地處理與其他車輛之間的互動，以最高30英里的時(shí)速避讓靜態(tài)和動態(tài)的障礙物。

來自弗吉尼亞理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)需要在12個(gè)月開發(fā)出全自主地面車，他們將開發(fā)任務(wù)分成四個(gè)主要部分：基礎(chǔ)平臺、感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃和通信架構(gòu)。

每一部分都基于NI的軟硬件平臺進(jìn)行開發(fā)：通過NI硬件與現(xiàn)有車載系統(tǒng)進(jìn)行交互，并提供操作接口；使用LabVIEW圖形化編程環(huán)境來開發(fā)系統(tǒng)軟件，包括通信架構(gòu)、傳感器處理和目標(biāo)識別算法、激光測距儀和基于視覺的道路檢測、駕駛行為控制、以及底層的車輛接口。