通過圖形化開發(fā)平臺(tái)快速構(gòu)建移動(dòng)機(jī)器人原型

圖3 弗吉尼亞理工大學(xué)的參賽車Odin

2 感知系統(tǒng)
為了滿足城市挑戰(zhàn)賽的競賽規(guī)則，Odin需要能夠定位自身的位置，探測周圍的路面狀況和可用的行駛車道，識(shí)別路徑中的所有障礙，并適當(dāng)分類障礙車輛。Odin安裝了多種傳感器以滿足這些需求，其中包括3枚四平面激光測距儀（ LRF ）安裝在保險(xiǎn)杠，另有4枚LRF和2架計(jì)算機(jī)視覺相機(jī)安裝在車頂行李架，以及高精度的全球定位系統(tǒng)/慣性測量裝置系統(tǒng)(GPS/IMU)。

對(duì)于每一類感知需求，都通過多個(gè)傳感器以實(shí)現(xiàn)最大的保真度和可靠性。為了達(dá)到靈活的傳感器融合，規(guī)劃軟件忽略傳感器原始數(shù)據(jù)，并使用一套由特定任務(wù)組件產(chǎn)生的獨(dú)立于傳感器的感知信息。例如，定位組件使用了LabVIEW卡爾曼濾波器來跟蹤車輛的位置和方向；道路檢測組件使用NI視覺開發(fā)模塊，結(jié)合相機(jī)及LRF的數(shù)據(jù)，確定路面狀況和附近路段的每個(gè)車道；對(duì)象分類組件使用LabVIEW處理LRF數(shù)據(jù)以檢測障礙并對(duì)障礙進(jìn)行分類，然后預(yù)測動(dòng)態(tài)障礙和其他車輛的路徑及下一步行動(dòng)。

圖4 Odin系統(tǒng)組成框架

3 決策規(guī)劃
路線規(guī)劃組件使用的是A*搜索算法，以確定Odin應(yīng)該經(jīng)過哪些路段從而遍歷所有的檢查站。駕駛行為組件采用了基于行為的LabVIEW狀態(tài)機(jī)架構(gòu)，負(fù)責(zé)遵守交通規(guī)則并引導(dǎo)車輛沿計(jì)劃路線行駛。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃組件進(jìn)行迭代軌跡搜索，避讓障礙并引導(dǎo)車輛沿理想軌跡行駛。最后決策判定系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)序列傳遞給車輛控制接口并轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)。

4 通信架構(gòu)
整個(gè)通信框架都基于LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE) AS-4無人系統(tǒng)聯(lián)合架構(gòu)（JAUS）協(xié)議，每個(gè)軟件模塊都是JAUS組件，所有模塊之間的交互都是通過LabVIEW框架來完成的，每個(gè)軟件模塊可作為獨(dú)立組件異步運(yùn)行在Windows或Linux操作系統(tǒng)之下。完成整個(gè)通信構(gòu)架中需要使用多種編程語言，由于LabVIEW的開放性，可以很方便地在其他編程環(huán)境中調(diào)用LabVIEW軟件模塊或與之接口。

5 使用LabVIEW的優(yōu)勢
LabVIEW平臺(tái)提供了一個(gè)直觀，易于使用的調(diào)試環(huán)境，可以讓開發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)地監(jiān)測源代碼的運(yùn)行，從而方便地實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)調(diào)試。通過LabVIEW開發(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。此外， LabVIEW與硬件的無縫連接，對(duì)于執(zhí)行某些關(guān)鍵操作如傳感器處理和車輛控制是至關(guān)重要的。由于城市挑戰(zhàn)賽問題復(fù)雜且開發(fā)時(shí)間很短，這些因素對(duì)于開發(fā)團(tuán)隊(duì)的成功發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

總結(jié)
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。LabVIEW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。