如何使用MATLAB這把“利器”開發(fā)機(jī)器人

機(jī)器人絕對(duì)是當(dāng)前的一個(gè)熱門話題之一。從工業(yè)機(jī)器人到掃地機(jī)器人，從實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人到各種創(chuàng)新玩具機(jī)器人，機(jī)器人逐漸走進(jìn)了大眾的視野，進(jìn)入了普通人的生活。不管是技術(shù)發(fā)燒友還是普通消費(fèi)者，都越來越多的把目光投向了機(jī)器人。隨著網(wǎng)絡(luò)眾籌的興起，技術(shù)創(chuàng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)門檻降低，一個(gè)又一個(gè)明星眾籌項(xiàng)目也激發(fā)了越來越多的技術(shù)愛好者從關(guān)注到實(shí)踐，紛紛投身機(jī)器人開發(fā)的懷抱。每個(gè)人都期待著自己開發(fā)的創(chuàng)新原型，能稱為下一個(gè)被投資人或公眾所矚目的焦點(diǎn)。

古人云，“工欲善其事，必先利其器。” 現(xiàn)在讓我們來看看如何使用MATLAB 這個(gè)“利器” 來幫助我們快速實(shí)現(xiàn)我們的創(chuàng)意。

MATLAB 平臺(tái)

MATLAB 是全球知名的數(shù)據(jù)分析和處理軟件，這個(gè)紅色的二次曲面 LOGO 幾乎出現(xiàn)在每一所大學(xué)的教科書里。

圖1 MATLAB LOGO

但事實(shí)上，它不再僅僅是那個(gè)我們?cè)趯W(xué)生時(shí)代所認(rèn)識(shí)的僅僅用于數(shù)據(jù)處理與畫圖的“超級(jí)計(jì)算器”，它在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用遠(yuǎn)比教育領(lǐng)域更為廣泛和深入。從下圖的工具箱結(jié)構(gòu)可以窺知一二。可以看到右側(cè)的深藍(lán)色模塊，它也為各個(gè)專門的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)了一系列工具箱。

圖2 MATLAB 工具箱

MATLAB/Simulink 算法開發(fā)平臺(tái)也幾乎是汽車、軍工等行業(yè)進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)的必備工具。基于 Simulink模型的建模、仿真、測試驗(yàn)證以及代碼生成，這種基于模型的設(shè)計(jì)理念 （MBD）也正在替代傳統(tǒng)的手寫 C 代碼的開發(fā)流程，成為算法開發(fā)的主流與未來的趨勢。

圖3 基于模型的設(shè)計(jì)

那么，這對(duì)于開發(fā)機(jī)器人意味著什么呢？這意味著，你不僅可以擺脫繁復(fù)的 C 代碼編程，還可以借助 MATLAB 強(qiáng)大的工具箱系列，通過仿真來幫助你測試算法、優(yōu)化參數(shù)等等。如果用戶購買了代碼生成工具箱，還可以提取所生成的嵌入式 C/C++ 算法函數(shù)，集成到自己外部的工程項(xiàng)目中去，如圖4左側(cè)箭頭，這也是商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的主流選擇。

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MATLAB/Simulink Support Package

我這里主要想介紹一下免費(fèi)硬件支持包： MATLAB/Simulink Support Package。它相當(dāng)于是 MATLAB 與各種低成本硬件之間的橋梁。

下載安裝官方免費(fèi)的 MATLAB/Simulink Support package，簡單設(shè)置好對(duì)應(yīng)的板卡后，Simulink 框圖或者 MATLAB腳本便可以一鍵編譯下載到硬件運(yùn)行了，如下圖右側(cè)箭頭。這對(duì)于快速實(shí)現(xiàn)早期創(chuàng)意非常有用，尤其是對(duì)小的開發(fā)團(tuán)隊(duì)來說，可以將注意力更多的放到算法設(shè)計(jì)與開發(fā)上，而不是基本的 C 代碼實(shí)現(xiàn)。

圖4 從模型到實(shí)現(xiàn)

MATLAB/Simulink Support Package為一系列所支持的板卡提供了基本的驅(qū)動(dòng)模塊，只需要在軟件界面上進(jìn)行簡單的配置，就可以將實(shí)現(xiàn)框圖式的算法模型一鍵下載到硬件板卡上去，有助于我們快速實(shí)現(xiàn)早期創(chuàng)意，縮短原型開發(fā)周期。

通過它，我們可以很容易實(shí)現(xiàn)與這些硬件通訊，讀取數(shù)據(jù)到 MATLAB 環(huán)境進(jìn)行分析和處理，輕松下載 Simulink這種框圖式的算法來實(shí)現(xiàn)各種有創(chuàng)意的應(yīng)用。

圖5 MATLABSimulink Support Package

案例介紹

下面，我們使用 Arduino MEGA 2560來演示如何實(shí)現(xiàn)將模型一鍵下載到硬件。這是一個(gè)非常簡單的例子：使用光敏電阻來控制LED燈的明暗。

硬件連線

簡單的說就是利用光敏電阻與固定電阻串聯(lián)形成分壓電路，并將分壓電壓讀入Arduino，然后用這個(gè)值來輸出控制發(fā)光二極管的明暗。將分壓電壓值讀入Arduino的A1 引腳；將發(fā)光二極管的正極連接PWM的第二個(gè)引腳，如下圖所示。其它的基本連線不再繁述。

圖6 硬件連線圖

軟件準(zhǔn)備

通過 MATLAB 主界面上的 Add-Ons 的 Get Hardware Support Packages向?qū)?，選擇所需要安裝的支持包。

圖7 安裝包下載入口

選擇 Arduino，根據(jù)向?qū)崾鞠螺d或安裝支持包。

圖8 下載安裝向?qū)?/p>

安裝完成后，打開Simulink Library Browser 中的Simulink Support Package for Arduino Hardware庫，如下圖。我們可以看到為 Arduino提供的一系列驅(qū)動(dòng)模塊，從模塊的示意圖以及端口的符號(hào)，我們可以大概推測它的作用：從各種類型的板卡接口讀取或輸出信號(hào)。

另外從左側(cè)樹狀圖可以看到，還提供了 Ethernet Shield 與 Wifi Shield 的驅(qū)動(dòng)模塊。

圖9 Arduino 支持庫

建模

Simulink 建模簡單可以描述為模塊的拖拽與連線的過程。

我們需要從A1端口（分壓線接入）讀取分壓信號(hào)，所以從庫里拖入一個(gè) Analog Input模塊，并雙擊設(shè)置端口號(hào)為1，設(shè)置采樣時(shí)間為 0.01 S。另外還需要輸出到 PWM的第二個(gè)引腳（ LED連接處），所以拖入一個(gè) PWM 模塊，并雙擊設(shè)置端口號(hào)為2。

為了簡化整個(gè)下載過程，我們這里對(duì)信號(hào)不做任何算法處理，直接將兩個(gè)模塊連接起來，如下圖。這也就意味著 LED 的亮度與光敏電阻狀態(tài)直接相關(guān)。

圖10 模型截圖

編譯下載

Simulink Support Package for Arduino Hardware支持幾乎所有的 Arduino 型號(hào)。在點(diǎn)擊紅色方框的按鈕編譯下載之前，需要通過配置頁面來指定當(dāng)前所使用的 Arduino 板卡類型，如下圖。

圖11 設(shè)置Arduino板卡

確保 Arduino 與電腦相連，點(diǎn)擊上圖模型截圖中紅色方框的編譯按鈕，框圖將會(huì)自動(dòng)生成C/C++ 代碼，并后臺(tái)自動(dòng)調(diào)用 Arduino IDE 進(jìn)行編譯下載到 Arduino板卡上去。

此時(shí)，你用手捂住光敏電阻，便會(huì)看到 LED 燈亮度的變化。

在線調(diào)試

對(duì)于 Arduino MEGA 2560等型號(hào)，還支持在線調(diào)試。在配置頁面，除了選擇型號(hào)外，如下圖設(shè)置為 ‘External mode’。

圖12 設(shè)置在線調(diào)試運(yùn)行

點(diǎn)擊圖中的綠色仿真按鈕。

圖13 在線調(diào)試

此時(shí)，框圖同樣被生成代碼并編譯下載到 Arduino 上運(yùn)行，同時(shí) Simulink 模型運(yùn)行，雙擊打開示波器 Scope 模塊實(shí)時(shí)看到當(dāng)前所讀取的傳感器信號(hào)。這個(gè)數(shù)據(jù)也可以保存下載，做后期傳感器標(biāo)定與分析。

圖14 信號(hào)波形

傳感器標(biāo)定，也就是經(jīng)常都需要將原始值進(jìn)行線性或非線性縮放以及平移，得到有物理含義的數(shù)值，比如自定義的光照強(qiáng)度等級(jí)。如下圖，中間接入一個(gè)簡單的查表模塊進(jìn)行線性縮放。

后續(xù)

支持一鍵下載的硬件除了舉例的 Arduino之還有很多，算法的設(shè)計(jì)也可以非常復(fù)雜。實(shí)際上，越是復(fù)雜的算法，才越能體現(xiàn)框圖式算法設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢。

下載安裝對(duì)應(yīng)的硬件支持包之后，幫助文檔里都會(huì)提供由淺入深的應(yīng)用案例。如下圖是一個(gè)LEGO解魔方算法的一個(gè)案例。

圖15 LEGO解魔方算法模型

打開這個(gè)模型，點(diǎn)擊編譯，就可以把這個(gè)算法完整下載到 LEGO 機(jī)器人上去了，有興趣的可以自己親自動(dòng)手試一試。

圖16 LEGO解魔方

結(jié)語

使用MATLAB/Simulink Support Package 相當(dāng)于鋪平了從Simulink 到硬件實(shí)現(xiàn)的路，使得不擅長寫 C 代碼的人可以徹底擺脫代碼實(shí)現(xiàn)的困擾，借助 Simulink 平臺(tái)也能輕易的開發(fā)出更多有趣的應(yīng)用來。