如何使用LabVIEW和CompactRIO控制平臺開發(fā)機(jī)器人

The Challenge:

為超過40,000名參加FIRST機(jī)器人競賽（FRC）的高中學(xué)生提供靈活、功能強(qiáng)大的機(jī)器人設(shè)計(jì)平臺。

The Solution:

將配備功能強(qiáng)大的NI LabVIEW圖形化編程軟件的NI CompactRIO嵌入式控制器作為下一代FRC機(jī)器人控制平臺。

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

NI CompactRIO可編程自動(dòng)控制器（PAC）是一種先進(jìn)的嵌入式控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，被設(shè)計(jì)用于需要高性能和高可靠性的應(yīng)用。由于采用了開放和嵌入式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，尺寸小，極其堅(jiān)固，且極具靈活性，您可以使用現(xiàn)成的商品硬件迅速的建立常用的嵌入式系統(tǒng)。當(dāng)與NI 視覺開發(fā)模塊2009或更新的版本結(jié)合時(shí)，CompactRIO是一種用于嵌式，工業(yè)化，實(shí)時(shí)機(jī)器視覺應(yīng)用的有效平臺。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括自主機(jī)器人，醫(yī)療器械，工業(yè)監(jiān)測應(yīng)用以及嵌入式應(yīng)用。

"我們希望學(xué)生能夠通過CompactRIO控制器在6周時(shí)間內(nèi)快速設(shè)計(jì)并開發(fā)出先進(jìn)的機(jī)器人。使用該控制平臺開發(fā)的機(jī)器人將用于應(yīng)對復(fù)雜的挑戰(zhàn)，因此必須是聰明、快速、靈活、耐用、易于編程的。"

FRC團(tuán)隊(duì)打造的機(jī)器人必須應(yīng)對現(xiàn)實(shí)世界中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，能夠完成諸如圖像處理和多傳感器數(shù)據(jù)采集等復(fù)雜任務(wù)。

FIRST （For Inspiration and Recognition of Science and Technology，鼓勵(lì)及認(rèn)識科學(xué)技術(shù)）是工程師、發(fā)明家Dean Kamen先生于1989年創(chuàng)立的一個(gè)非營利組織，目的是激發(fā)青少年成為科學(xué)技術(shù)的未來領(lǐng)袖。FIRST將學(xué)生們吸引到激動(dòng)人心的機(jī)器人競賽中，學(xué)生團(tuán)隊(duì)在專業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目結(jié)合了數(shù)學(xué)、工程學(xué)和技術(shù)；鼓勵(lì)創(chuàng)新；培養(yǎng)全方位的能力，包括自信心、交流及領(lǐng)導(dǎo)力。

FIRST 項(xiàng)目由各個(gè)不同等級的競賽組成，針對從小學(xué)到高中學(xué)校的學(xué)生。最高等級的是FIRST 機(jī)器人競賽（FRC），這是一項(xiàng)獨(dú)特的“青年學(xué)生頭腦運(yùn)動(dòng)”，幫助年輕人開發(fā)興趣并從工程和研究過程中獲得回報(bào)。FRC向?qū)W生和導(dǎo)師，一般為專業(yè)工程師發(fā)出挑戰(zhàn)，要求在六周內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)"Kit of Parts"及通用的規(guī)則來解決復(fù)雜的問題。團(tuán)隊(duì)完成設(shè)計(jì)并建造機(jī)器人來滿足每屆競賽的特定挑戰(zhàn)。

FLL、FVC、FRC都是以迪安卡門為首的FIRST組織所創(chuàng)導(dǎo)的全球性的青少年機(jī)器人競賽。FLL是以9—16歲約為小學(xué)和初中學(xué)生為對象的機(jī)器人競賽。FVC是FIRST組織與Innovation First公司合作，應(yīng)用Vex機(jī)器人套裝，進(jìn)行的是對抗性的球類比賽，分手動(dòng)型和自動(dòng)型兩種，適用于高中生參與。

FIRST重新定義了獲勝的條件，因?yàn)閷W(xué)生們已從出色的設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)精神、專業(yè)技能和成熟、以及克服困難的能力等方面獲得了回報(bào)。此時(shí)獲得更高的分?jǐn)?shù)已經(jīng)成為次要的了。

艱難的設(shè)計(jì)限制反映了工業(yè)挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)和建造FRC機(jī)器人是一個(gè)段令人難忘的體驗(yàn)，它真實(shí)地反映了現(xiàn)實(shí)世界中的工程項(xiàng)目。每年，學(xué)生們必須解決機(jī)器人設(shè)計(jì)中的機(jī)械設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)、編程等問題。所有FRC團(tuán)隊(duì)只擁有有限的資金，僅有六周有限的時(shí)間，并且每年需要滿足不同的設(shè)計(jì)要求，需要快速學(xué)習(xí)新“Kit of Parts”。舉例來說，2009年的競賽中，要求團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)可行進(jìn)于低摩擦力表面，同時(shí)收集目標(biāo)物的機(jī)器人。幾乎所有團(tuán)隊(duì)都將機(jī)器人程序編程為自主式或操縱桿操作模式的。有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)甚至集成了各類傳感器和激勵(lì)器，如電機(jī)馬達(dá)和攝像頭。

FRC機(jī)器人需要新的大腦

在2007和2008年，我們開始計(jì)劃采用最新工業(yè)技術(shù)來升級FRC控制系統(tǒng)，在競賽中不斷挑戰(zhàn)參賽學(xué)生。我們希望學(xué)生能夠接觸大學(xué)甚至將來職業(yè)中廣泛使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。此外，我們希望找到一個(gè)靈活的嵌入式設(shè)計(jì)平臺，提供軟硬件工具之間的緊密集成性。系統(tǒng)還需要能夠集成各類I/O和傳感器，并且在競賽環(huán)境的操作中足夠耐用。

FIRST 選擇美國國家儀器公司作為戰(zhàn)略伙伴

我們采用美國國家儀器公司的CompactRIO平臺作為下一代FRC 控制器，或稱為機(jī)器人控制系統(tǒng)的“大腦”。通過與NI的合作，我們向高中生提供了高性能控制設(shè)備，包括400 MHz PowerPC以及基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的I/O。CompactRIO模塊化 I/O系統(tǒng)提供了與傳感器、激勵(lì)器陣列的連接性，功能強(qiáng)大的視覺處理能力，幫助學(xué)生創(chuàng)建高級機(jī)器人系統(tǒng)。參賽團(tuán)隊(duì)能夠通過最新技術(shù)開發(fā)集成驅(qū)動(dòng)控制和全自主系統(tǒng)的機(jī)器人，包括用于更多競賽中控制和精確設(shè)計(jì)的無線監(jiān)視及仿真技術(shù)。仿真技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的 或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)驗(yàn)。學(xué)生可以通過 LabVIEW圖形化編程軟件或ANSI C/C++語言在基于CompactRIO的平臺上對機(jī)器人進(jìn)行編程。

可編程邏輯器件：即PLD,PLD是做為一種通用集成電路產(chǎn)生的，他的邏輯功能按照用戶對器件編程來確定。一般的PLD的集成度很高，足以滿足設(shè)計(jì)一般的數(shù)字系統(tǒng)的需要。這樣就可以由設(shè)計(jì)人員自行編程而把一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)“集成”在一片PLD上，而不必去請芯片制造廠商設(shè)計(jì)和制作專用的集成電路芯片了。PLD與一般數(shù)字芯片不同的是：PLD內(nèi)部的數(shù)字電路可以在出廠后才規(guī)劃決定，有些類型的PLD也允許在規(guī)劃決定后再次進(jìn)行變更、改變，而一般數(shù)字芯片在出廠前就已經(jīng)決定其內(nèi)部電路，無法在出廠后再次改變，事實(shí)上一般的模擬芯片、混訊芯片也都一樣，都是在出廠后就無法再對其內(nèi)部電路進(jìn)行調(diào)修。

NI提供獨(dú)特的軟硬件組合的平臺可應(yīng)對復(fù)雜的機(jī)器人應(yīng)用。例如，每年的挑戰(zhàn)中都包含部分自主控制操作，參賽團(tuán)隊(duì)只允許通過遠(yuǎn)程方式操控機(jī)器人；遠(yuǎn)程控制下機(jī)器人得分比有線操控下的得分擁有更大的分值。以前，自主控制僅僅是一小部分團(tuán)隊(duì)能夠掌握的操控模式。在新平臺更加鼓勵(lì)自主式操作的規(guī)則下，更多的團(tuán)隊(duì)開始成功地應(yīng)用自主式操控方案。

同時(shí)，多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的工程師正在使用CompactRIO也是我們決定選擇高品質(zhì)及應(yīng)用廣泛的工業(yè)技術(shù)的重要原因之一。我們讓學(xué)生接觸到當(dāng)前工業(yè)工程中的挑戰(zhàn)，以及行業(yè)領(lǐng)先的工具及技術(shù)。NI與其供應(yīng)商，如Analog Devices、Texas Instruments、AnalogDevice公司推出的SoundMAX，是一種集成在主板上或安裝在CNR插槽上的聲卡技術(shù)，主要有高性能的硬件解碼器（Codec）組成，擁有硬件級的數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換能力和最高94dB（分貝）的專業(yè)音質(zhì)回放能力，是高質(zhì)量AC97音頻方案的杰出代表。也就是說通過使用SoundMAX，可以讓我們廉價(jià)的AC97聲卡發(fā)出高品質(zhì)的3D音效和優(yōu)秀的MIDI合成效果。Xilinx、Wind River、Freescale、Altera、Boston Engineering、ChipX、Dove Electronics、MSI、TTI及Westak合作，專門為FIRST提供CompactRIO控制器。除了為競賽提供高品質(zhì)技術(shù)，NI還提供了專職的技術(shù)支持工程師及針對競賽的培訓(xùn)資源。為了滿足導(dǎo)師和學(xué)生在競賽及設(shè)計(jì)中的培訓(xùn)和支持需求，NI為FIRST參與者發(fā)起了一個(gè)在線用戶社團(tuán)。NI FIRST機(jī)器人社團(tuán)包括LabVIEW范例代碼、討論論壇及視頻教程，幫助參賽團(tuán)隊(duì)快速應(yīng)用新技術(shù)。

分享成功的愿景

我們相信NI與我們有共同的愿景，那就是使FIRST更趨全球化，從而影響到更多學(xué)生。通過在競賽中的機(jī)器人平臺上加入CompactRIO和LabVIEW，我們提升了參賽團(tuán)隊(duì)機(jī)器人的技術(shù)能力，使得該項(xiàng)目能夠吸引更多的學(xué)生參加。