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挑戰：機電一體化設計方式下快速實(shí)現思維車(chē)模型 方案：CompactRIO 和LabVIEW 提供了統一平臺，為團隊合作掃除障礙,圖形化的LabVIEW開(kāi)發(fā)工具為機電一體化設計提供了一個(gè)極佳的平臺 賽格威（Segway）公司開(kāi)發(fā)的思維車(chē)，作為一種全新的交通工具，自2001 年商業(yè)化量產(chǎn)銷(xiāo)售以來(lái)，被認為是劃時(shí)代的科技發(fā)明。美國倫斯勒理工學(xué)院（RPI）的教授Kevin Craig 決定帶領(lǐng)學(xué)生仿制一個(gè)類(lèi)似裝置，挑戰機電一體化的設計模式。按照傳統的設計流程，一次試驗失敗可能就要整體返工，不僅耽誤時(shí)間，而且浪費研究經(jīng)費。然而借助NI CompactRIO 平臺，這一切變得不再困難。 
Segway思維車(chē)實(shí)物 賽格威（Segway）思維車(chē)是一種前所未見(jiàn)的嶄新交通工具，借助內置的精密固態(tài)陀螺儀和高速的中央微處理器，它可以自動(dòng)驅動(dòng)馬達來(lái)達到平衡，駕駛人只要改變自己身體的角度就能夠自如地左右旋轉或者前進(jìn)后退。這是一款真正意義上的人類(lèi)運輸器，并且不需要任何平衡技巧。倫斯勒理工學(xué)院的Craig教授負責“機電一體化系統設計”課程的教學(xué)工作，在這一門(mén)交叉學(xué)科中，學(xué)生們在課程學(xué)習中可以接觸到電氣工程、機械工程、自動(dòng)控制和計算機科學(xué)等多領(lǐng)域的相關(guān)知識。在征得Segway 公司許可后，Craig 教授領(lǐng)導的開(kāi)發(fā)團隊決定對思維車(chē)進(jìn)行仿制，讓學(xué)生直接體驗機電一體化的設計模式。
Craig 教授展示自己的雙輪平衡車(chē) CompactRIO 和LabVIEW 提供了統一平臺，為團隊合作掃除障礙 一切從零開(kāi)始，工作量不可小覷。然而在開(kāi)發(fā)伊始，Craig教授就遇到了不小的困難：系統設計工作分為若干部分，如果讓某些學(xué)生專(zhuān)心負責一部分（例如設計控制器或傳感器的外圍電路），那么他們就只能得到某一方面的實(shí)踐經(jīng)驗，這顯然與Craig教授的初衷相違背。而且如果某一部分的設計出現失誤，可能導致其他人也需要返工，這不但將花費更多時(shí)間，也會(huì )使Craig教授在經(jīng)費方面為難。顯然，Craig教授需要一個(gè)現成的可編程自動(dòng)控制平臺，將學(xué)生從具體而細節的工作中解放出來(lái)，從而能夠有更多精力考慮并設計不同的控制算法——這才是這門(mén)課程最重要的內容。令人興奮的是，Craig 教授找到了NI 可編程自動(dòng)化控制器CompactRIO。CompactRIO 結合圖形化的LabVIEW開(kāi)發(fā)工具為機電一體化設計提供了一個(gè)極佳的平臺。CompactRIO 機箱小巧而堅固，能非常方便地固定在小車(chē)上。此平臺還兼具靈活性，可以插接多種模擬或數字I/O 模塊，即使反復修改設計也不需要擔心因硬件返工而耽誤時(shí)間，此外還可以將算法代碼部署到不同的執行平臺上。掃除障礙的Craig 教授終于可以全力指導學(xué)生完成整個(gè)設計了。 軟硬件的無(wú)縫結合 為期四個(gè)月的開(kāi)發(fā)過(guò)程大致可以分為模型仿真驗證、原型設計驗證、系統整合調試等階段。在每個(gè)階段，都有NI的軟硬件產(chǎn)品協(xié)助Craig 教授的團隊盡快實(shí)現目標。在模型仿真階段，開(kāi)發(fā)團隊利用LabVIEW控制與仿真模塊設計了全狀態(tài)反饋（FSF）控制器，控制算法中采用了線(xiàn)性二次調節（LQR）技術(shù)。隨后，他們決定搭建兩個(gè)驗證原型：一個(gè)形制較小，主要用于測試各種傳感器，取得傳感器數據并驗證控制算法；另一個(gè)更接近真實(shí)尺寸，電機馬力也更強勁，可以搭載真人或重物。 NI LabVIEW軟件為基于CompactRIO的應用提供了極為友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得軟硬件聯(lián)合調試非常順利。由于整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程使用了統一的軟件環(huán)境，因此從仿真設計階段到兩次原型驗證，代碼只需要做很少的修改。例如，將代碼從第一個(gè)驗證原型移植到第二個(gè)驗證原型只需要將部分I/O 接口重新定義，整個(gè)過(guò)程僅用了幾個(gè)小時(shí)�？芍赜玫拇a大大提高了系統的開(kāi)發(fā)效率。 在平衡車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，整個(gè)團隊發(fā)揮才智，戰勝了許多困難和挑戰，但是Craig教授認為他們最引以為傲的成就在于：從概念設計到建模分析驗證、控制設計、原型設計、再到最終系統實(shí)現，他們一共只用了短短的四個(gè)月！Craig教授將這歸功于采用了統一的NI 平臺：“NI 軟硬件平臺天衣無(wú)縫的緊密結合，才使我們所做的這一切成為可能�！�
雙輪平衡車(chē)內部結構 遙控操作同樣成為可能 僅僅達到復制的要求？不，我們可以設計出更強大的平衡車(chē)。團隊在LabVIEW PDA模塊的幫助下開(kāi)發(fā)了平衡車(chē)的遙控裝置。通過(guò)PDA 就能夠直接連線(xiàn)CompactRIO 控制器，觀(guān)察小車(chē)的運行狀態(tài)（例如車(chē)速及電池剩余電量等）。在未來(lái)，無(wú)線(xiàn)將不是夢(mèng)想，借助CompactRIO 配合無(wú)線(xiàn)路由，未來(lái)的使用者甚至不需要站在車(chē)上，就可以遠程操作裝載著(zhù)重物的平衡車(chē)進(jìn)行移動(dòng)。 平衡的秘訣 自動(dòng)平衡車(chē)的運動(dòng)過(guò)程主要建立在“動(dòng)態(tài)穩定”的基本原理上。以?xún)戎玫膫鞲衅鱽?lái)判斷車(chē)身所處的姿態(tài)，通過(guò)控制器快速計算出適當的指令，驅動(dòng)電機運動(dòng)達到平衡的效果。假設我們以站在車(chē)上的駕駛者與車(chē)輛的總體重心縱軸作為參考線(xiàn)，當這條軸向前傾斜時(shí)，電機會(huì )產(chǎn)生向前的力量，一方面可以平衡人與車(chē)向前傾斜所產(chǎn)生的扭矩，另一方面產(chǎn)生讓車(chē)輛前進(jìn)的加速度。相反，當傳感器發(fā)現駕駛者的重心后傾時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生向后的力量達到平衡效果。因此，駕駛者只要改變自己身體的角度向前或向后傾斜，小車(chē)就會(huì )根據傾斜的方向前進(jìn)或后退，而速度則與駕駛者身體傾斜的程度呈正比。只要小車(chē)有足夠的電力，車(chē)上的人就不用擔心會(huì )傾倒跌落，這與一般需要靠駕駛者自己進(jìn)行平衡的獨輪車(chē)或滑板車(chē)等工具大大不同。
平衡車(chē)原理 作者信息： National Instruments China shanghai China Tel: 021-50509800 Fax: 021-65556244 china.wen@ni.com NI公司供稿 |
