《電子技術(shù)應(yīng)用》
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用CompactRIO和LabVIEW開發(fā)下一代機器人控制系統(tǒng)
摘要: FIRST機器人競賽的參賽方與美國國家儀器公司合作,用CompactRIO和LabVIEW開發(fā)下一代機器人控制系統(tǒng),FRC團隊打造的機器人必須應(yīng)對現(xiàn)實世界中的設(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)。
Abstract:
Key words :

  The Challenge:

  為超過40,000名參加FIRST機器人競賽(FRC)的高中學生提供靈活、功能強大的機器人設(shè)計平臺。

  The Solution:

  將配備功能強大的NI LabVIEW圖形化編程軟件的NI CompactRIO嵌入式控制器作為下一代FRC機器人控制平臺。

  "我們希望學生能夠通過CompactRIO控制器在6周時間內(nèi)快速設(shè)計并開發(fā)出先進的機器人。使用該控制平臺開發(fā)的機器人將用于應(yīng)對復(fù)雜的挑戰(zhàn),因此必須是聰明、快速、靈活、耐用、易于編程的。"

機器人

  FRC團隊打造的機器人必須應(yīng)對現(xiàn)實世界中的設(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,鼓勵及認識科學技術(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)青少年成為科學技術(shù)的未來領(lǐng)袖。FIRST 將學生們吸引到激動人心的機器人競賽中,學生團隊在專業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行復(fù)雜的機器人系統(tǒng)設(shè)計。項目結(jié)合了數(shù)學、工程學和技術(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,因為FIRST 學生相比同齡學生更多地取得了工程、科學或數(shù)學學位,并繼續(xù)完成研究生學習。

   FIRST 項目由各個不同等級的競賽組成,針對從小學到高中學校的學生。最高等級的是FIRST 機器人競賽(FRC),這是一項獨特的“青年學生頭腦運動”,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)采用標準"Kit of Parts"及通用的規(guī)則來解決復(fù)雜的問題。團隊完成設(shè)計并建造機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,因為學生們已從出色的設(shè)計、團隊精神、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。此時獲得更高的分數(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機器人是一個段令人難忘的體驗,它真實地反映了現(xiàn)實世界中的工程項目。每年,學生們必須解決機器人設(shè)計中的機械設(shè)計、電子設(shè)計、編程等問題。所有FRC團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,需要快速學習新“Kit of Parts”。舉例來說,2009年的競賽中,要求團隊設(shè)計可行進于低摩擦力表面,同時收集目標物的機器人。幾乎所有團隊都將機器人程序編程為自主式或操縱桿操作模式的。有經(jīng)驗的團隊甚至集成了各類傳感器和激勵器,如電機馬達和攝像頭。

  FRC機器人需要新的大腦

  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)參賽學生。我們希望學生能夠接觸大學甚至將來職業(yè)中廣泛使用的工業(yè)標準技術(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,功能強大的視覺處理能力,幫助學生創(chuàng)建高級機器人系統(tǒng)。參賽團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的平臺上對機器人進行編程。

   NI提供獨特的軟硬件組合的平臺可應(yīng)對復(fù)雜的機器人應(yīng)用。例如,每年的挑戰(zhàn)中都包含部分自主控制操作,參賽團隊只允許通過遠程方式操控機器人;遠程控制下機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。我們讓學生接觸到當前工業(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。NI FIRST機器人社團包括LabVIEW范例代碼、討論論壇及視頻教程,幫助參賽團隊快速應(yīng)用新技術(shù)。該社團還培養(yǎng)了一個獨特的支持項目 – LabVIEW虛擬導(dǎo)師 – 使學生可以在線獲得專業(yè)工程師對機器人問題的指導(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,從而影響到更多學生。通過在競賽中的機器人平臺上加入CompactRIO和LabVIEW,我們提升了參賽團隊機器人的技術(shù)能力,使得該項目能夠吸引更多的學生參加。

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