通過創(chuàng)新圖形化開發(fā)平臺(tái)快速構(gòu)建移動(dòng)機(jī)器人的原型
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來自弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)器人學(xué)與機(jī)械實(shí)驗(yàn)室（RoMeLa）的工科學(xué)生，在Dennis Hong教授的領(lǐng)導(dǎo)下正在進(jìn)行智能動(dòng)態(tài)擬人機(jī)器人（DARwin）的雙足類人機(jī)器人的開發(fā)和研究，目的是對(duì)假肢進(jìn)行研究和開發(fā)。DARwin使用NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)全范圍運(yùn)動(dòng)，并且能夠準(zhǔn)確地模擬人類運(yùn)動(dòng)。由于動(dòng)作模擬十分有效，因此很快就對(duì)它進(jìn)行了修改，用于參加RoboCup足球比賽。
RoMeLa的學(xué)生使用LabVIEW，就可以分析動(dòng)態(tài)雙足運(yùn)動(dòng)、設(shè)計(jì)并開發(fā)機(jī)器人控制系統(tǒng)的原型。如果開發(fā)的原型能夠令人滿意地工作，他們就將控制算法部署到運(yùn)行LabVIEW實(shí)時(shí)模塊的PC/104單板計(jì)算機(jī)上。
通過LabVIEW，設(shè)計(jì)人員無需成為計(jì)算機(jī)專家或程序員，就可以開發(fā)高級(jí)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)生在短短幾個(gè)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(tái)，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)的通訊網(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：弗吉尼亞理工大學(xué)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)一輛全自主地面車能夠在城市環(huán)境中自動(dòng)導(dǎo)航行駛。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(chǎng)等各種交通狀態(tài)。在比賽開始時(shí)，參賽者會(huì)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(dòng)，以最高30英里的時(shí)速避讓靜態(tài)和動(dòng)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(tái)、感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃和通訊架構(gòu)。
每一部分都基于NI的軟硬件平臺(tái)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，包括通訊架構(gòu)、傳感器處理和目標(biāo)識(shí)別算法、激光測(cè)距儀和基于視覺的道路檢測(cè)、駕駛行為控制、以及底層的車輛接口。
1、基礎(chǔ)平臺(tái)
弗吉尼亞理工大學(xué)的參賽車Odin是2005年福特翼虎(Escape)混合動(dòng)力型越野車，如圖3所示，并為自主駕駛做了一定程度的改裝。NI CompactRIO系統(tǒng)與翼虎操控系統(tǒng)進(jìn)行交互，通過線控驅(qū)動(dòng)(drive-by-wire)的方式控制油門、方向盤、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)。學(xué)生們利用LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真模塊開發(fā)了路徑曲率和速度控制系統(tǒng)，并通過LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和FPGA模塊部署到CompactRIO硬件平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)，從而建立了一個(gè)獨(dú)立的車輛控制平臺(tái)。與此同時(shí)，學(xué)生使用LabVIEW觸摸屏模塊和NI TPC - 2006觸摸屏構(gòu)建用戶界面并安裝在控制臺(tái)。
2、感知系統(tǒng)
為了滿足城市挑戰(zhàn)賽的競(jìng)賽規(guī)則，Odin需要能夠定位自身的位置，探測(cè)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(cè)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(cè)量裝置系統(tǒng)(GPS/IMU)。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/195606.htm
圖3 弗吉尼亞理工大學(xué)的參賽車Odin
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。比如定位組件使用了LabVIEW卡爾曼濾波器來跟蹤車輛的位置和方向；道路檢測(cè)組件使用NI視覺開發(fā)模塊結(jié)合相機(jī)以及LRF的數(shù)據(jù)來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(cè)障礙并對(duì)障礙進(jìn)行分類，然后預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)障礙和其他車輛的路徑及下一步行動(dòng)。
評(píng)論