機(jī)器人絕對是當(dāng)前的一個熱門話題之一。從工業(yè)機(jī)器人到掃地機(jī)器人，從實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人到各種創(chuàng)新玩具機(jī)器人，機(jī)器人逐漸走進(jìn)了大眾的視野，進(jìn)入了普通人的生活。不管是技術(shù)發(fā)燒友還是普通消費(fèi)者，都越來越多的把目光投向了機(jī)器人。隨著網(wǎng)絡(luò)眾籌的興起，技術(shù)創(chuàng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)門檻降低，一個又一個明星眾籌項目也激發(fā)了越來越多的技術(shù)愛好者從關(guān)注到實(shí)踐，紛紛投身機(jī)器人開發(fā)的懷抱。每個人都期待著自己開發(fā)的創(chuàng)新原型，能稱為下一個被投資人或公眾所矚目的焦點(diǎn)。

古人云，“工欲善其事，必先利其器。” 現(xiàn)在讓我們來看看如何使用MATLAB 這個“利器” 來幫助我們快速實(shí)現(xiàn)我們的創(chuàng)意。

MATLAB 平臺

MATLAB 是全球知名的數(shù)據(jù)分析和處理軟件，這個紅色的二次曲面 LOGO 幾乎出現(xiàn)在每一所大學(xué)的教科書里。

圖1 MATLAB LOGO

但事實(shí)上，它不再僅僅是那個我們在學(xué)生時代所認(rèn)識的僅僅用于數(shù)據(jù)處理與畫圖的“超級計算器”，它在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用遠(yuǎn)比教育領(lǐng)域更為廣泛和深入。從下圖的工具箱結(jié)構(gòu)可以窺知一二?？梢钥吹接覀?cè)的深藍(lán)色模塊，它也為各個專門的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)了一系列工具箱。

圖2 MATLAB 工具箱

MATLAB/Simulink 算法開發(fā)平臺也幾乎是汽車、軍工等行業(yè)進(jìn)行控制算法設(shè)計的必備工具?；?Simulink模型的建模、仿真、測試驗(yàn)證以及代碼生成，這種基于模型的設(shè)計理念 （MBD）也正在替代傳統(tǒng)的手寫 C 代碼的開發(fā)流程，成為算法開發(fā)的主流與未來的趨勢。

圖3 基于模型的設(shè)計

那么，這對于開發(fā)機(jī)器人意味著什么呢？這意味著，你不僅可以擺脫繁復(fù)的 C 代碼編程，還可以借助 MATLAB 強(qiáng)大的工具箱系列，通過仿真來幫助你測試算法、優(yōu)化參數(shù)等等。如果用戶購買了代碼生成工具箱，還可以提取所生成的嵌入式 C/C++ 算法函數(shù)，集成到自己外部的工程項目中去，如圖4左側(cè)箭頭，這也是商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的主流選擇。

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MATLAB/Simulink Support Package

我這里主要想介紹一下免費(fèi)硬件支持包： MATLAB/Simulink Support Package。它相當(dāng)于是 MATLAB 與各種低成本硬件之間的橋梁。

下載安裝官方免費(fèi)的 MATLAB/Simulink Support package，簡單設(shè)置好對應(yīng)的板卡后，Simulink 框圖或者 MATLAB腳本便可以一鍵編譯下載到硬件運(yùn)行了，如下圖右側(cè)箭頭。這對于快速實(shí)現(xiàn)早期創(chuàng)意非常有用，尤其是對小的開發(fā)團(tuán)隊來說，可以將注意力更多的放到算法設(shè)計與開發(fā)上，而不是基本的 C 代碼實(shí)現(xiàn)。

圖4 從模型到實(shí)現(xiàn)

MATLAB/Simulink Support Package為一系列所支持的板卡提供了基本的驅(qū)動模塊，只需要在軟件界面上進(jìn)行簡單的配置，就可以將實(shí)現(xiàn)框圖式的算法模型一鍵下載到硬件板卡上去，有助于我們快速實(shí)現(xiàn)早期創(chuàng)意，縮短原型開發(fā)周期。

通過它，我們可以很容易實(shí)現(xiàn)與這些硬件通訊，讀取數(shù)據(jù)到 MATLAB 環(huán)境進(jìn)行分析和處理，輕松下載 Simulink這種框圖式的算法來實(shí)現(xiàn)各種有創(chuàng)意的應(yīng)用。

圖5 MATLABSimulink Support Package

案例介紹

下面，我們使用 Arduino MEGA 2560來演示如何實(shí)現(xiàn)將模型一鍵下載到硬件。這是一個非常簡單的例子：使用光敏電阻來控制LED燈的明暗。

硬件連線

簡單的說就是利用光敏電阻與固定電阻串聯(lián)形成分壓電路，并將分壓電壓讀入Arduino，然后用這個值來輸出控制發(fā)光二極管的明暗。將分壓電壓值讀入Arduino的A1 引腳；將發(fā)光二極管的正極連接PWM的第二個引腳，如下圖所示。其它的基本連線不再繁述。

圖6 硬件連線圖

軟件準(zhǔn)備

通過 MATLAB 主界面上的 Add-Ons 的 Get Hardware Support Packages向?qū)Вx擇所需要安裝的支持包。

圖7 安裝包下載入口

選擇 Arduino，根據(jù)向?qū)崾鞠螺d或安裝支持包。

圖8 下載安裝向?qū)?/p>

安裝完成后，打開Simulink Library Browser 中的Simulink Support Package for Arduino Hardware庫，如下圖。我們可以看到為 Arduino提供的一系列驅(qū)動模塊，從模塊的示意圖以及端口的符號，我們可以大概推測它的作用：從各種類型的板卡接口讀取或輸出信號。

另外從左側(cè)樹狀圖可以看到，還提供了 Ethernet Shield 與 Wifi Shield 的驅(qū)動模塊。

圖9 Arduino 支持庫

建模

Simulink 建模簡單可以描述為模塊的拖拽與連線的過程。

我們需要從A1端口（分壓線接入）讀取分壓信號，所以從庫里拖入一個 Analog Input模塊，并雙擊設(shè)置端口號為1，設(shè)置采樣時間為 0.01 S。另外還需要輸出到 PWM的第二個引腳（ LED連接處），所以拖入一個 PWM 模塊，并雙擊設(shè)置端口號為2。

為了簡化整個下載過程，我們這里對信號不做任何算法處理，直接將兩個模塊連接起來，如下圖。這也就意味著 LED 的亮度與光敏電阻狀態(tài)直接相關(guān)。

圖10 模型截圖

編譯下載

Simulink Support Package for Arduino Hardware支持幾乎所有的 Arduino 型號。在點(diǎn)擊紅色方框的按鈕編譯下載之前，需要通過配置頁面來指定當(dāng)前所使用的 Arduino 板卡類型，如下圖。

圖11 設(shè)置Arduino板卡

確保 Arduino 與電腦相連，點(diǎn)擊上圖模型截圖中紅色方框的編譯按鈕，框圖將會自動生成C/C++ 代碼，并后臺自動調(diào)用 Arduino IDE 進(jìn)行編譯下載到 Arduino板卡上去。

此時，你用手捂住光敏電阻，便會看到 LED 燈亮度的變化。

在線調(diào)試

對于 Arduino MEGA 2560等型號，還支持在線調(diào)試。在配置頁面，除了選擇型號外，如下圖設(shè)置為 ‘External mode’。

圖12 設(shè)置在線調(diào)試運(yùn)行

點(diǎn)擊圖中的綠色仿真按鈕。

圖13 在線調(diào)試

此時，框圖同樣被生成代碼并編譯下載到 Arduino 上運(yùn)行，同時 Simulink 模型運(yùn)行，雙擊打開示波器 Scope 模塊實(shí)時看到當(dāng)前所讀取的傳感器信號。這個數(shù)據(jù)也可以保存下載，做后期傳感器標(biāo)定與分析。

圖14 信號波形

傳感器標(biāo)定，也就是經(jīng)常都需要將原始值進(jìn)行線性或非線性縮放以及平移，得到有物理含義的數(shù)值，比如自定義的光照強(qiáng)度等級。如下圖，中間接入一個簡單的查表模塊進(jìn)行線性縮放。

后續(xù)

支持一鍵下載的硬件除了舉例的 Arduino之還有很多，算法的設(shè)計也可以非常復(fù)雜。實(shí)際上，越是復(fù)雜的算法，才越能體現(xiàn)框圖式算法設(shè)計方法的優(yōu)勢。

下載安裝對應(yīng)的硬件支持包之后，幫助文檔里都會提供由淺入深的應(yīng)用案例。如下圖是一個LEGO解魔方算法的一個案例。

圖15 LEGO解魔方算法模型

打開這個模型，點(diǎn)擊編譯，就可以把這個算法完整下載到 LEGO 機(jī)器人上去了，有興趣的可以自己親自動手試一試。

圖16 LEGO解魔方

結(jié)語

使用MATLAB/Simulink Support Package 相當(dāng)于鋪平了從Simulink 到硬件實(shí)現(xiàn)的路，使得不擅長寫 C 代碼的人可以徹底擺脫代碼實(shí)現(xiàn)的困擾，借助 Simulink 平臺也能輕易的開發(fā)出更多有趣的應(yīng)用來。