用CompactRIO和LabVIEW開發(fā)下一代機(jī)器人控制系統(tǒng)

Author(s):
Bill Miller - FIRST
Frank Merrick - FIRST
Kate Pilotte - FIRST

Industry:
Mechatronics, Education

Products:
LabVIEW, CompactRIO

The Challenge:
為超過40,000名參加FIRST機(jī)器人競賽(FRC)的高中學(xué)生提供靈活、功能強(qiáng)大的機(jī)器人設(shè)計平臺。

The Solution:
將配備功能強(qiáng)大的NI LabVIEW圖形化編程軟件的NI CompactRIO嵌入式控制器作為下一代FRC機(jī)器人控制平臺。

FRC團(tuán)隊打造的機(jī)器人必須應(yīng)對現(xiàn)實(shí)世界中的設(shè)計挑戰(zhàn)，能夠完成諸如圖像處理和多傳感器數(shù)據(jù)采集等復(fù)雜任務(wù)。

FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology，鼓勵及認(rèn)識科學(xué)技術(shù))是工程師、發(fā)明家Dean Kamen先生于1989年創(chuàng)立的一個非營利組織，目的是激發(fā)青少年成為科學(xué)技術(shù)的未來領(lǐng)袖。FIRST 將學(xué)生們吸引到激動人心的機(jī)器人競賽中，學(xué)生團(tuán)隊在專業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計。項目結(jié)合了數(shù)學(xué)、工程學(xué)和技術(shù)；鼓勵創(chuàng)新；培養(yǎng)全方位的能力，包括自信心、交流及領(lǐng)導(dǎo)力。目前，已有將近200,000名來自世界各地的學(xué)生加入到FIRST項目中。加入到該組織往往會改變一個人的人生，因?yàn)镕IRST 學(xué)生相比同齡學(xué)生更多地取得了工程、科學(xué)或數(shù)學(xué)學(xué)位，并繼續(xù)完成研究生學(xué)習(xí)。

?FIRST 項目由各個不同等級的競賽組成，針對從小學(xué)到高中學(xué)校的學(xué)生。最高等級的是FIRST 機(jī)器人競賽(FRC)，這是一項獨(dú)特的“青年學(xué)生頭腦運(yùn)動”，幫助年輕人開發(fā)興趣并從工程和研究過程中獲得回報。FRC向?qū)W生和導(dǎo)師，一般為專業(yè)工程師發(fā)出挑戰(zhàn)，要求在六周內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)"Kit of Parts"及通用的規(guī)則來解決復(fù)雜的問題。團(tuán)隊完成設(shè)計并建造機(jī)器人來滿足每屆競賽的特定挑戰(zhàn)。

FIRST重新定義了獲勝的條件，因?yàn)閷W(xué)生們已從出色的設(shè)計、團(tuán)隊精神、專業(yè)技能和成熟、以及克服困難的能力等方面獲得了回報。此時獲得更高的分?jǐn)?shù)已經(jīng)成為次要的了。

艱難的設(shè)計限制反映了工業(yè)挑戰(zhàn)
設(shè)計和建造FRC機(jī)器人是一個段令人難忘的體驗(yàn)，它真實(shí)地反映了現(xiàn)實(shí)世界中的工程項目。每年，學(xué)生們必須解決機(jī)器人設(shè)計中的機(jī)械設(shè)計、電子設(shè)計、編程等問題。所有FRC團(tuán)隊只擁有有限的資金，僅有六周有限的時間，并且每年需要滿足不同的設(shè)計要求，需要快速學(xué)習(xí)新“Kit of Parts”。舉例來說，2009年的競賽中，要求團(tuán)隊設(shè)計可行進(jìn)于低摩擦力表面，同時收集目標(biāo)物的機(jī)器人。幾乎所有團(tuán)隊都將機(jī)器人程序編程為自主式或操縱桿操作模式的。有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊甚至集成了各類傳感器和激勵器，如電機(jī)馬達(dá)和攝像頭。

FRC機(jī)器人需要新的大腦
在2007和2008年，我們開始計劃采用最新工業(yè)技術(shù)來升級FRC控制系統(tǒng)，在競賽中不斷挑戰(zhàn)參賽學(xué)生。我們希望學(xué)生能夠接觸大學(xué)甚至將來職業(yè)中廣泛使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。此外，我們希望找到一個靈活的嵌入式設(shè)計平臺，提供軟硬件工具之間的緊密集成性。系統(tǒng)還需要能夠集成各類I/O和傳感器，并且在競賽環(huán)境的操作中足夠耐用。參照機(jī)器人的復(fù)雜特性和較短的開發(fā)時間，以上所有要求都是非常必要的。

FIRST 選擇美國國家儀器公司作為戰(zhàn)略伙伴
我們采用美國國家儀器公司的CompactRIO平臺作為下一代FRC 控制器，或稱為機(jī)器人控制系統(tǒng)的“大腦”。通過與NI的合作，我們向高中生提供了高性能控制設(shè)備，包括400 MHz PowerPC以及基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的I/O。CompactRIO模塊化 I/O系統(tǒng)提供了與傳感器、激勵器陣列的連接性，功能強(qiáng)大的視覺處理能力，幫助學(xué)生創(chuàng)建高級機(jī)器人系統(tǒng)。參賽團(tuán)隊能夠通過最新技術(shù)開發(fā)集成驅(qū)動控制和全自主系統(tǒng)的機(jī)器人，包括用于更多競賽中控制和精確設(shè)計的無線監(jiān)視及仿真技術(shù)。學(xué)生可以通過 LabVIEW圖形化編程軟件或ANSI C/C++語言在基于CompactRIO的平臺上對機(jī)器人進(jìn)行編程。

NI提供獨(dú)特的軟硬件組合的平臺可應(yīng)對復(fù)雜的機(jī)器人應(yīng)用。例如，每年的挑戰(zhàn)中都包含部分自主控制操作，參賽團(tuán)隊只允許通過遠(yuǎn)程方式操控機(jī)器人；遠(yuǎn)程控制下機(jī)器人得分比有線操控下的得分擁有更大的分值。以前，自主控制僅僅是一小部分團(tuán)隊能夠掌握的操控模式。在新平臺更加鼓勵自主式操作的規(guī)則下，更多的團(tuán)隊開始成功地應(yīng)用自主式操控方案。

同時，多個工業(yè)領(lǐng)域的工程師正在使用CompactRIO也是我們決定選擇高品質(zhì)及應(yīng)用廣泛的工業(yè)技術(shù)的重要原因之一。我們讓學(xué)生接觸到當(dāng)前工業(yè)工程中的挑戰(zhàn)，以及行業(yè)領(lǐng)先的工具及技術(shù)。NI與其供應(yīng)商，如Analog Devices、Texas Instruments、Xilinx、Wind River、Freescale、Altera、Boston Engineering、ChipX、Dove Electronics、MSI、TTI及Westak合作，專門為FIRST提供CompactRIO控制器。除了為競賽提供高品質(zhì)技術(shù)，NI還提供了專職的技術(shù)支持工程師及針對競賽的培訓(xùn)資源。為了滿足導(dǎo)師和學(xué)生在競賽及設(shè)計中的培訓(xùn)和支持需求，NI為FIRST參與者發(fā)起了一個在線用戶社團(tuán)。NI FIRST機(jī)器人社團(tuán)包括LabVIEW范例代碼、討論論壇及視頻教程，幫助參賽團(tuán)隊快速應(yīng)用新技術(shù)。該社團(tuán)還培養(yǎng)了一個獨(dú)特的支持項目 – LabVIEW虛擬導(dǎo)師 – 使學(xué)生可以在線獲得專業(yè)工程師對機(jī)器人問題的指導(dǎo)。

分享成功的愿景
我們相信NI與我們有共同的愿景，那就是使FIRST更趨全球化，從而影響到更多學(xué)生。通過在競賽中的機(jī)器人平臺上加入CompactRIO和LabVIEW，我們提升了參賽團(tuán)隊機(jī)器人的技術(shù)能力，使得該項目能夠吸引更多的學(xué)生參加。