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從廣義范疇上，機器人主要包括移動(dòng)機器人、機械手、教育機器人三大種類(lèi)。機械手與教育機器人已經(jīng)有了相對成熟的行業(yè)解決方案，而移動(dòng)機器人構成復雜、應用靈活，目前商業(yè)化程度還不高，主要處于前沿研究的階段，一直以來(lái)都是科學(xué)家和工程師們關(guān)注的重點(diǎn)，本文將主要探討移動(dòng)機器人的快速原型與開(kāi)發(fā)。 移動(dòng)機器人簡(jiǎn)介 移動(dòng)機器人的應用領(lǐng)域非常廣泛，如圖1所示，從軍用、航空航天——無(wú)人飛行器 (UAV) 、無(wú)人潛航器 (UUV) 和無(wú)人地面車(chē) (UGV) ，到工農業(yè)裝備——采收機器人、智能化耕作機械，到家用服務(wù)機器人等，不一而足。而隨著(zhù)應用領(lǐng)域和環(huán)境的不同，機器人需要具備相對應的自主程度，這也為機器人的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了不同的技術(shù)難點(diǎn)。全自主機器人通常會(huì )涉及到控制系統、自定位、實(shí)時(shí)視覺(jué)、多傳感器融合等關(guān)鍵技術(shù)，而遙操作機器人則往往側重于雙向力反饋控制、虛擬環(huán)境建模、力覺(jué)接口等方面的研究。 
圖1 移動(dòng)機器人的應用領(lǐng)域 盡管按照不同的應用場(chǎng)合機器人分類(lèi)復雜且關(guān)鍵技術(shù)眾多，但他們具有某些共同的構架和組成部分，是一個(gè)融合了眾多機電系統和子系統的綜合體系，并通過(guò)這些組成部分與子系統的有機結合協(xié)調工作。由于移動(dòng)機器人構成復雜、應用靈活，雖然部分子系統已有現成的軟硬件工具和解決方案，但如何快速地把各子系統集成在一起，進(jìn)行早期的整體功能性驗證，就成了決定機器人設計成敗的關(guān)鍵性環(huán)節。 機器人設計的前沿方法：圖形化系統設計 在Google X PRIZE機構、FIRST組織（科學(xué)技術(shù)的啟示與認知組織）、RoboCup，以及美國國防高級研究計劃局（DARPA）之間展開(kāi)的競爭，推進(jìn)了機器人學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng )新。富有創(chuàng )新思維的開(kāi)發(fā)者們將機器人學(xué)的前沿方法推進(jìn)到了圖形化系統設計。在LabVIEW圖形化編程平臺下，機器人學(xué)的領(lǐng)域專(zhuān)家能夠對復雜的機器人方案進(jìn)行快速的原型設計。他們可以不必關(guān)心底層的實(shí)現細節，將注意力集中到解決手上的工程問(wèn)題即可。 機器人設計通常包含以下部分的工作內容，如圖2所示。
圖2 機器人設計平臺 ● 傳感器連接：連接到陀螺儀、CCD、光電、超聲等傳感器，獲取并處理信息。 ● 控制設計與仿真：根據工作環(huán)境和應用需求，設計機器人的控制算法。 ● 嵌入式控制：嵌入式控制系統相當于機器人的“大腦”，根據算法進(jìn)行控制決策，完成管理協(xié)調、信息處理、運動(dòng)規劃等任務(wù)。 ● 運動(dòng)控制（執行器）：根據具體的作業(yè)指令，通過(guò)驅動(dòng)控制器、編碼器和電機完成機器人的伺服控制與運動(dòng)執行。 ● 網(wǎng)絡(luò )通信與控制：機器人各子系統間的通信網(wǎng)絡(luò )，完成分布式控制與實(shí)時(shí)控制。 過(guò)去，由于在每個(gè)領(lǐng)域中必須使用各自的傳統工具，其中涉及的知識具有較大的縱向深度，機械工程師、電氣工程師以及程序員團隊都各自領(lǐng)導機器人學(xué)的開(kāi)發(fā)。 LabVIEW和NI硬件提供了一個(gè)獨特的、功能多樣的平臺，它提供了一套標準的可供所有機器人設計人員使用的工具，從而使機器人開(kāi)發(fā)得到了統一。 通過(guò)LabVIEW，設計人員無(wú)須成為計算機專(zhuān)家或程序員，就可以開(kāi)發(fā)高級機器人。例如，一位只有有限LabVIEW和機器視覺(jué)經(jīng)驗的學(xué)生在短短幾小時(shí)之內，就設計了一個(gè)讓機器人利用它帶有的IEEE 1394相機和NI機器視覺(jué)開(kāi)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，就可以使用功能強大的圖形化編程語(yǔ)言快速地設計并開(kāi)發(fā)復雜算法的原型；并通過(guò)代碼生成方便地將控制算法部署到PC、FPGA、微控制器或實(shí)時(shí)系統之中；還可以與幾乎所有的傳感器、執行器進(jìn)行連接。此外，通過(guò) LabVIEW和NI硬件平臺，可以支持CAN、以太網(wǎng)、串口、USB等多種接口，方便地構建機器人系統的通信網(wǎng)絡(luò )�，F在，領(lǐng)域專(zhuān)家不僅僅能夠完成機械工程師的工作，還能夠成為機器人設計者。 實(shí)例分析 本實(shí)例介紹的是弗吉尼亞理工大學(xué)如何使用NI LabVIEW設計全自主地面車(chē)參加DARPA城市挑戰賽。 DARPA城市挑戰賽需要設計一輛能夠在城市環(huán)境中自動(dòng)導航行駛的全自主地面車(chē)。在整個(gè)賽程中，全自主車(chē)需要在6小時(shí)內穿越60英里，途經(jīng)道路、路口和停車(chē)場(chǎng)等各種交通狀態(tài)。在比賽開(kāi)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(fǎng)問(wèn)的檢查站。 為了盡快到達檢查站，車(chē)輛需要考慮所選道路的車(chē)速限制，可能的道路堵塞，以及其他交通狀況。車(chē)輛在行駛中必須遵守交通規則，在十字路口注意安全駕駛和避讓?zhuān)咨频靥幚砼c其他車(chē)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(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)的團隊需要在12個(gè)月開(kāi)發(fā)出全自主地面車(chē)，他們將開(kāi)發(fā)任務(wù)分成四個(gè)主要部分：基礎平臺、感知系統、決策規劃和通信架構。 每一部分都基于NI的軟硬件平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā)：通過(guò)NI硬件與現有車(chē)載系統進(jìn)行交互，并提供操作接口；使用LabVIEW圖形化編程環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)系統軟件，包括通信架構、傳感器處理和目標識別算法、激光測距儀和基于視覺(jué)的道路檢測、駕駛行為控制、以及底層的車(chē)輛接口。 1 基礎平臺 弗吉尼亞理工大學(xué)的參賽車(chē)Odin是 2005年福特翼虎(Escape)混合動(dòng)力型越野車(chē)，如圖3所示，并為自主駕駛做了一定程度的改裝。NI CompactRIO系統與翼虎操控系統進(jìn)行交互，通過(guò)線(xiàn)控驅動(dòng)(drive-by-wire)的方式控制油門(mén)、方向盤(pán)、轉向和制動(dòng)。學(xué)生們利用 LabVIEW控制，設計與仿真模塊開(kāi)發(fā)了路徑曲率和速度控制系統，并通過(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和FPGA模塊部署到CompactRIO硬件平臺加以實(shí)現，從而建立了一個(gè)獨立的車(chē)輛控制平臺。與此同時(shí)，學(xué)生使用LabVIEW觸摸屏模塊和NI TPC-2006觸摸屏構建用戶(hù)界面并安裝在控制臺。
圖3 弗吉尼亞理工大學(xué)的參賽車(chē)Odin 2 感知系統 為了滿(mǎn)足城市挑戰賽的競賽規則，Odin需要能夠定位自身的位置，探測周?chē)穆访鏍顩r和可用的行駛車(chē)道，識別路徑中的所有障礙，并適當分類(lèi)障礙車(chē)輛。 Odin安裝了多種傳感器以滿(mǎn)足這些需求，其中包括3枚四平面激光測距儀（ LRF ）安裝在保險杠，另有4枚LRF和2架計算機視覺(jué)相機安裝在車(chē)頂行李架，以及高精度的全球定位系統/慣性測量裝置系統(GPS/IMU)。 對于每一類(lèi)感知需求，都通過(guò)多個(gè)傳感器以實(shí)現最大的保真度和可靠性。為了達到靈活的傳感器融合，規劃軟件忽略傳感器原始數據，并使用一套由特定任務(wù)組件產(chǎn)生的獨立于傳感器的感知信息。例如，定位組件使用了LabVIEW卡爾曼濾波器來(lái)跟蹤車(chē)輛的位置和方向；道路檢測組件使用NI視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊，結合相機及 LRF的數據，確定路面狀況和附近路段的每個(gè)車(chē)道；對象分類(lèi)組件使用LabVIEW處理LRF數據以檢測障礙并對障礙進(jìn)行分類(lèi)，然后預測動(dòng)態(tài)障礙和其他車(chē)輛的路徑及下一步行動(dòng)。
圖4 Odin系統組成框架 3 決策規劃 路線(xiàn)規劃組件使用的是A*搜索算法，以確定Odin應該經(jīng)過(guò)哪些路段從而遍歷所有的檢查站。駕駛行為組件采用了基于行為的LabVIEW狀態(tài)機架構，負責遵守交通規則并引導車(chē)輛沿計劃路線(xiàn)行駛。運動(dòng)規劃組件進(jìn)行迭代軌跡搜索，避讓障礙并引導車(chē)輛沿理想軌跡行駛。最后決策判定系統將運動(dòng)序列傳遞給車(chē)輛控制接口并轉換為驅動(dòng)器控制信號。 4 通信架構 整個(gè)通信框架都基于LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現了汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )(SAE) AS-4無(wú)人系統聯(lián)合架構（JAUS）協(xié)議，每個(gè)軟件模塊都是JAUS組件，所有模塊之間的交互都是通過(guò)LabVIEW框架來(lái)完成的，每個(gè)軟件模塊可作為獨立組件異步運行在Windows或 Linux操作系統之下。完成整個(gè)通信構架中需要使用多種編程語(yǔ)言，由于LabVIEW的開(kāi)放性，可以很方便地在其他編程環(huán)境中調用LabVIEW軟件模塊或與之接口。 5 使用LabVIEW的優(yōu)勢 LabVIEW平臺提供了一個(gè)直觀(guān)，易于使用的調試環(huán)境，可以讓開(kāi)發(fā)團隊實(shí)時(shí)地監測源代碼的運行，從而方便地實(shí)現硬件在環(huán)調試。通過(guò) LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，團隊快速可以構建系統原型并加快設計的往復周期。此外， LabVIEW與硬件的無(wú)縫連接，對于執行某些關(guān)鍵操作如傳感器處理和車(chē)輛控制是至關(guān)重要的。由于城市挑戰賽問(wèn)題復雜且開(kāi)發(fā)時(shí)間很短，這些因素對于開(kāi)發(fā)團隊的成功發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 總結 圖形化系統設計對于繼續加快機器人設計中的創(chuàng )新而言是必不可少的。復雜的傳統工具可能會(huì )阻礙機器人技術(shù)的進(jìn)步。LabVIEW提供了一個(gè)綜合的、可擴展的平臺，能夠橫跨設計、原型開(kāi)發(fā)和部署階段，因此工程師們能夠不用為微小的實(shí)現細節所困擾，可以更加關(guān)注機器人本身。他們可以使用同樣強大的平臺，對微控制器直至FPGA等各種控制器進(jìn)行編程；還可以同幾乎任何傳感器和執行器發(fā)送與接收信號；設計并仿真動(dòng)態(tài)控制系統；以及實(shí)現進(jìn)行遠程監視或控制機器人的接口。LabVIEW圖形化系統設計平臺通過(guò)為所有機器人設計者提供一個(gè)統一的平臺，鼓勵設計更為精妙的機器人。 作者：NI資深技術(shù)市場(chǎng)工程師 湯敏 日期：2009-7-4 |
