借助National Instruments的LabVIEW嵌入式視覺系統(tǒng)的機(jī)器人

挑戰(zhàn):

為了和具有不同編程技能水平的團(tuán)隊(duì)成員一起快速開發(fā)自治機(jī)器人系統(tǒng)，以便迅速、準(zhǔn)確執(zhí)行《2010年田地機(jī)器人競賽》的復(fù)雜任務(wù)。

解決方案:

借助National Instruments的LabVIEW和嵌入式視覺系統(tǒng)，使用多核并行循環(huán)程序設(shè)計(jì)，制造必將獲得比賽勝利的機(jī)器人。

"借助LabVIEW，我們制創(chuàng)造了一個(gè)可以比其他軟件更快、能夠更好執(zhí)行競賽任務(wù)并且更加容易操作的機(jī)器人?！狈教崴箲?yīng)用科技大學(xué)注重于把學(xué)生培養(yǎng)成為全面發(fā)展的機(jī)械電子和機(jī)器人工程師。此項(xiàng)教育的關(guān)鍵要素包括是給學(xué)生提供了把工程原理應(yīng)用到真實(shí)世界問題上的親自實(shí)踐機(jī)會。"

方提斯應(yīng)用科技大學(xué)“谷神星”正通過一片玉米地

方提斯應(yīng)用科學(xué)大學(xué)致力于將學(xué)生變成一個(gè)全面發(fā)展的機(jī)電和機(jī)器人技術(shù)工程師。對這種教育的一個(gè)關(guān)鍵因素是讓工程原則面對現(xiàn)實(shí)問題的實(shí)習(xí)機(jī)會。

來自方提斯應(yīng)用科技大學(xué)工程系的大三學(xué)生接受了在四個(gè)月時(shí)間內(nèi)從頭開始開發(fā)機(jī)器人的挑戰(zhàn)，以便參加在德國不倫瑞克市舉辦的《2010年田地機(jī)器人競賽》?！短锏貦C(jī)器人競賽》是一個(gè)泛歐洲的比賽，由來自歐洲主要大學(xué)的20個(gè)團(tuán)隊(duì)參加。每個(gè)團(tuán)隊(duì)將建造一臺機(jī)器人，以執(zhí)行以下三項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)：

1.在三分鐘時(shí)間內(nèi)盡可能遠(yuǎn)距離獨(dú)立行駛通過長線型、道路彎曲的玉米地行。

2.在寬達(dá)1米間隙的兩行直線型玉米地行之間導(dǎo)航，于三分鐘時(shí)間內(nèi)盡可能遠(yuǎn)地行駛。

3.探測玉米稈之間的種子、灑水或者對種子進(jìn)行有效處理。

機(jī)器人開發(fā)

我們把機(jī)器人命名為“谷神星(Ceres)”(以羅馬農(nóng)業(yè)女神命名)。谷神星包括兩個(gè)用于為四個(gè)車輪提供動(dòng)力的馬達(dá)以及兩個(gè)用于方向控制的馬達(dá)。因?yàn)闄C(jī)器人的倒車與向前驅(qū)動(dòng)完全一樣，從而簡化了軟件開發(fā)。

我們選擇LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和National Instruments的嵌入式視覺系統(tǒng)，從頭開始制造谷神星。視覺系統(tǒng)是一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)OS的嵌入式強(qiáng)固型計(jì)算機(jī)。我們在嵌入式系統(tǒng)上安裝了一個(gè)IEEE 1394彩色攝像機(jī)，它朝向一個(gè)安裝好的拋物面鏡并且提供機(jī)器人周圍區(qū)域360度景象。通過這種方法，我們用一臺攝像機(jī)就可以探測機(jī)器人周圍的物體，極大簡化了信號監(jiān)控和處理。嵌入式計(jì)算機(jī)使用串行端口與自行開發(fā)的馬達(dá)控制器通信。

可以進(jìn)行并行處理障礙探測和路徑規(guī)劃的LabVIEW

在2009年的競賽中，我們的機(jī)器人基于安裝有Linux系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)并且使用ANSI C算法。但是今年我們想要在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出具有更復(fù)雜的功能(與ANSI C算法相比較)的代碼。

對于2010年的競賽，我們選擇LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行更快、更容易地開發(fā)。沒有程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)成員同樣可以借助LabVIEW GUI毫不費(fèi)力地對項(xiàng)目做出貢獻(xiàn)。我們還使用LabVIEW 在代碼中實(shí)施并行處理，無需并行程序設(shè)計(jì)方面的大量經(jīng)驗(yàn)。

LabVIEW中的實(shí)時(shí)處理和視覺整合還能夠確保比以往更加無縫的程序設(shè)計(jì)，節(jié)省了短期開發(fā)窗口的珍貴時(shí)間。我們還在原型開發(fā)期間使用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，因此我們可以在獲得機(jī)器人硬件之前開發(fā)代碼。

攝像機(jī)可以獲得30每秒幀數(shù)的圖像， LabVIEW視覺開發(fā)模塊可以覆蓋彎曲的感興趣區(qū)域(ROI)并且采用過度綠色濾波器。這是一種計(jì)算密集型的濾波器并且軟件根據(jù)RGB值重新計(jì)算了每個(gè)像素值。為了提高計(jì)算速度，我們采用LabVIEW 2009中的新增特性 —— 并行For循環(huán)，在不同處理器核上自動(dòng)劃分For循環(huán)迭代，從而通過多線程處理器可以同時(shí)處理For循環(huán)的單個(gè)迭代。程序以感興趣區(qū)域(ROI)為閾值并且計(jì)算x軸上的累積直方圖。通過累積直方圖，軟件程序可以搜索玉米植株的邊緣并且相應(yīng)控制機(jī)器人的行駛方向。

結(jié)果

借助LabVIEW，我們制造了一個(gè)可以比其他軟件更快、更好執(zhí)行競賽任務(wù)并且更加容易操作的機(jī)器人。在《田地機(jī)器人競賽》中，谷神星在三項(xiàng)比賽中和16個(gè)團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人展開競爭并且贏得了其中兩項(xiàng)比賽的第一名，從而獲得了整體最高獎(jiǎng)項(xiàng)。機(jī)器人在第一項(xiàng)比賽中表現(xiàn)得特別好，其行使速度比第二名快了三倍。

明年，一組新的學(xué)生將進(jìn)一步改進(jìn)谷神星。擬定的增強(qiáng)措施包括更好地探測種子，改良車輪和和轉(zhuǎn)彎半徑以及進(jìn)一步優(yōu)化視覺代碼。