基于LabVIEW構(gòu)建智能的移動機(jī)器人及無人駕駛車

　　實(shí)例分析1：南洋理工大學(xué)使用NI LabVIEW設(shè)計(jì)救生機(jī)器人蜘蛛

　　南洋理工大學(xué)開發(fā)了一個用于支持營救工作的六足機(jī)器人蜘蛛。它是一個尺寸較小、可移動的智能機(jī)器人，在搜尋被陷的受害者時，它可以越過障礙并到達(dá)通常難以觸及的地方。替代如清掃雷區(qū)使之無雷化等危險任務(wù)中的工作人員也是機(jī)器人蜘蛛的另一個潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

　　他們設(shè)計(jì)了一個高度可移動的行走方案，它由六只獨(dú)立的下肢組成，可以任意方向移動機(jī)器人，即使在機(jī)器人移動通常不可行或過于危險的地帶。行走與旋轉(zhuǎn)均屬于模仿六足昆蟲而得的基本的高層次運(yùn)動模式。通過三條下肢移動而另外三條下肢抬高，機(jī)器人可以達(dá)到期望的行走速度，并提供惡劣地帶所需的足夠平衡。爬行時，機(jī)器人可以擠壓通過緊湊的空間和狹縫。單下肢的低層次運(yùn)動步態(tài)是3D空間內(nèi)的幾何原語，如長方形或圓形軌道。

　　24個自由度的多功能機(jī)電系統(tǒng)及智能運(yùn)動控制

　　下肢結(jié)構(gòu)與運(yùn)動控制構(gòu)成了機(jī)器人蜘蛛關(guān)鍵特性的一部分。24只智能DC有刷電機(jī)共同驅(qū)動這些下肢，并充當(dāng)行走結(jié)構(gòu)中不可或缺的關(guān)節(jié)。這樣得到了一個堅(jiān)固的輕型結(jié)構(gòu)，從而降低了功耗并改善了運(yùn)動動態(tài)特性。

　　除了這些下肢，機(jī)器人蜘蛛的特性還在于典型的自主機(jī)器人子系統(tǒng)，其中包括機(jī)器視覺、遠(yuǎn)程測量和無線通信。機(jī)器人堅(jiān)固的殼體內(nèi)包含有嵌入式硬件、兩節(jié)7.2伏的鋰聚合物電池和電量測量裝置。任務(wù)參數(shù)、I/O設(shè)置和新的運(yùn)動步態(tài)均可以通過無線通信或可移動存儲介質(zhì)傳遞。

　　機(jī)器人蜘蛛的低層次運(yùn)動有賴于運(yùn)行時計(jì)算的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型。憑借ADI公司的Blackfin處理器的高級嵌入式計(jì)算能力和LabVIEW的確定性實(shí)時性能，機(jī)器人的運(yùn)動表現(xiàn)得有力而平穩(wěn)?；?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/NI">NI LabVIEW嵌入式模塊的程序連續(xù)運(yùn)行一個逆動力學(xué)算法，算法包含三角函數(shù)和矩陣運(yùn)算，求解恰當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)角q1與q2，以沿著3D空間內(nèi)的期望軌線精確移動末端執(zhí)行裝置。

　　所有六足的關(guān)節(jié)角度的計(jì)算并行完成以確保動態(tài)運(yùn)動，相應(yīng)地也得到了連續(xù)計(jì)算所得的24個電機(jī)的設(shè)置點(diǎn)。這些設(shè)置點(diǎn)通過一個串行RS485網(wǎng)絡(luò)傳遞至每只電機(jī)，并由分散PD控制器轉(zhuǎn)換為實(shí)際執(zhí)行動作。通過同樣的網(wǎng)絡(luò)，完成所有24只執(zhí)行裝置的位置、反饋和溫度讀數(shù)的采集。

　　圖形化的實(shí)時系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺

　　機(jī)器人蜘蛛應(yīng)用軟件是利用面向Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊編程實(shí)現(xiàn)的。LabVIEW為高層次編程、圖形化調(diào)試、圖形化多任務(wù)處理和確定性的實(shí)時行為，提供了一個理想的嵌入式軟件平臺。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式有助于進(jìn)一步控制圖形化層次上的復(fù)雜度。例如電機(jī)或傳感器等主要對象，通過LabVIEW中表示類的功能性全局變量加以抽象。主要的應(yīng)用框架由以下多個任務(wù)組成。

　　● 頂層主循環(huán)對由一個經(jīng)典狀態(tài)機(jī)表示的動作進(jìn)行規(guī)劃，而狀態(tài)機(jī)通過軟件隊(duì)列和同步方法(如信號量)與其他循環(huán)連接。通信任務(wù)保持一個與外部世界的無線數(shù)據(jù)連接。

　　● 視覺任務(wù)負(fù)責(zé)低層次的圖像處理和距離讀數(shù)。

　　● 運(yùn)動控制任務(wù)管理高層次的運(yùn)動模式與低層次的肢體控制，并監(jiān)測馬達(dá)的位置與狀態(tài)。

　　● 日常任務(wù)充當(dāng)一個通用錯誤處理器。檢測事件與異常，并將其及時間記錄到可移動的存儲介質(zhì)，以供后續(xù)讀取。

　　通過采用LabVIEW嵌入式模塊所提供的圖形化編程環(huán)境，以及Blackfin處理器的高處理器性能，開發(fā)周期也大為縮短?；贚abVIEW的圖形化快速調(diào)試模式在算法的工程實(shí)現(xiàn)過程中非常有用，縮短了5倍的開發(fā)時間。