基于Labview用于微軟XBOX電玩手柄遙控樂(lè)高機(jī)器人

XBOX 360是世界最大的電腦軟件公司微軟所開(kāi)發(fā)的第二代家用視頻游戲軟硬件系統(tǒng)，其中的電玩手柄是一種USB接口的人機(jī)輸入設(shè)備，而Labview軟件里有讀取人機(jī)輸入設(shè)備數(shù)據(jù)的功能組件，所以可以方便地讀取手柄數(shù)據(jù)到Labview軟件里進(jìn)行處理。

XBOX手柄上有2個(gè)X、Y軸向搖桿，它的每個(gè)軸向搖桿能控制各自的X軸和Y軸坐標(biāo)，當(dāng)操作軸向搖桿時(shí)，由LabVIEW的輸入數(shù)據(jù)采集模塊（LabVIEW的程序模塊稱為VI）模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的軸向坐標(biāo)數(shù)據(jù)也發(fā)生相應(yīng)變化。電玩手柄把軸向搖桿的坐標(biāo)分為65536個(gè)刻度，搖桿的一個(gè)軸的正負(fù)方向剛好各是32768個(gè)刻度。操縱輸入設(shè)備，可以產(chǎn)生從-32768到32768連續(xù)變化的數(shù)字，這種設(shè)備習(xí)慣上稱為模擬量設(shè)備，或者說(shuō)這種搖桿稱為模擬搖桿。XBOX手柄上表面有兩個(gè)顯而易見(jiàn)的X、Y軸向搖桿，另外還有2個(gè)模擬量推桿在手柄的前端面上，它可以控制Z軸的正負(fù)坐標(biāo)。XBOX手柄一共可以控制5個(gè)軸向坐標(biāo)，一個(gè)模擬搖桿控制X、Y兩個(gè)軸，兩個(gè)搖桿就控制4個(gè)軸，2個(gè)模擬量推桿控制1個(gè)軸，一共5個(gè)軸。

值得注意的是：XBOX電玩手柄上表面的兩個(gè)搖桿，若不搖動(dòng)它，而是按下它，兩個(gè)搖桿就變成了兩個(gè)數(shù)位按鍵。所謂數(shù)位按鍵，就是按下按鍵，產(chǎn)生的值為“true”，松開(kāi)按鍵，則值為“false”，手柄上還有其它8個(gè)數(shù)位按鍵。除了數(shù)位按鍵，還有一個(gè)POV視角單元，包括4個(gè)方向按鍵，按下這4個(gè)按鍵，會(huì)分別產(chǎn)生0、90、180、270數(shù)字。

看圖1所示電玩手柄，可以看到2個(gè)X、Y軸向搖桿，2個(gè)Z軸推桿，10個(gè)數(shù)位按鍵和4個(gè)方向按鍵。

圖1 微軟XBOX 360電玩手柄的輸入部件指示圖

要把操縱微軟XBOX手柄的搖桿、推桿和按鍵所產(chǎn)生的信息以數(shù)字的形式讀到PC機(jī)的LabVIEW軟件中進(jìn)行處理，需用到4個(gè)VI，它們是“查詢輸入設(shè)備”VI、“初始化操縱桿”VI、“輸入設(shè)備采集”VI和“關(guān)閉輸入設(shè)備”VI。如何找到這些VI，首先打開(kāi)“框圖程序”界面，在界面工作頁(yè)面空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，出現(xiàn)“函數(shù)”庫(kù)面板，接著點(diǎn)擊“互連接口”圖標(biāo)，在隨之出現(xiàn)的“互連接口”面板里，再點(diǎn)擊“輸入設(shè)備控制”圖標(biāo)，就出現(xiàn)了“輸入設(shè)備控制”子面板，在這個(gè)子面板中可以找到這4個(gè)與手柄數(shù)據(jù)采集相關(guān)的VI。如圖2。

圖2 四個(gè)與電玩手柄數(shù)據(jù)采集相關(guān)的LabVIEW軟件VI

下面是XBOX手柄的LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序。

圖3 XBOX手柄的LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序

圖3所示LabVIEW程序中應(yīng)用了一個(gè)平鋪式順序結(jié)構(gòu)，它具有兩個(gè)幀，每個(gè)幀分別包含一個(gè)while循環(huán)結(jié)構(gòu)。平鋪式順序結(jié)構(gòu)的幀按照從左至右的順序執(zhí)行。第一個(gè)幀里的while循環(huán)采用了一個(gè)“查詢輸入設(shè)備”VI，查詢出目前正在使用的手柄輸入設(shè)備索引號(hào)，如果電腦上插入了鼠標(biāo)和鍵盤(pán)，那么再連接電玩手柄，電玩手柄的設(shè)備索引號(hào)就為2。

在順序結(jié)構(gòu)的第二幀里，把查詢出的索引號(hào)數(shù)字填入“初始化操縱桿”VI的設(shè)備索引端子，然后就可以通過(guò)while結(jié)構(gòu)里的“輸入設(shè)備采集”VI，獲得手柄的5個(gè)軸的坐標(biāo)，10個(gè)數(shù)位按鍵的布爾值和4個(gè)方向按鍵的角度值，并以簇?cái)?shù)據(jù)類型顯示在前面板上。在前面板上按下“STOP”按鍵，結(jié)束while循環(huán)，執(zhí)行“關(guān)閉輸入設(shè)備”VI。

圖4 XBOX電玩手柄的LabVIEW前面板

圖4是XBOX手柄的LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序前面板，用于人機(jī)交流。從前面板看到，只有把設(shè)備索引切換到2時(shí)，手柄的信息才能看到，模擬搖桿和推桿的軸總數(shù)是5，按鍵總數(shù)是10，視角POV單元數(shù)是1，設(shè)備名稱是Controller。把手柄的左搖桿向Y軸正上方推到極限位置，按下“B”數(shù)位按鍵，同時(shí)再按下POV單元的右向按鍵，在前面板實(shí)時(shí)顯示的手柄輸入信息是：左搖桿Y axis值為-32768，button 2按鍵值為true，POV方向值為90（在圖4用圓圈進(jìn)行了標(biāo)注）。

LabVIEW軟件采集到XBOX電玩手柄的操控?cái)?shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和代數(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生的控制數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信傳遞給NXT機(jī)器人上的控制器，驅(qū)動(dòng)NXT電機(jī)，使機(jī)器人執(zhí)行指定動(dòng)作。

2 XBOX手柄遙控樂(lè)高NXT機(jī)器人的LabVIEW程序設(shè)計(jì)

完整程序請(qǐng)下載（labview2010版）：

XBOX_NXTcar.zip

本文通過(guò)機(jī)械手小車(chē)抓取球形物體的任務(wù)，來(lái)介紹通過(guò)LabVIEW程序，XBOX手柄遙控NXT機(jī)器人的方法。該任務(wù)是：用手指向前或者向后撥動(dòng)左搖桿，小車(chē)會(huì)前進(jìn)或后退，若左搖桿向前撥動(dòng)的同時(shí)，按下“B”按鍵，小車(chē)右向行駛，按下“X”按鍵，小車(chē)左向行駛。當(dāng)小車(chē)上的機(jī)械手接近球形物體時(shí)，按下右搖桿按鈕，機(jī)械手抓取物體，然后遙控小車(chē)把物體搬運(yùn)到其它指定位置，再按下左搖桿按鈕，機(jī)械手松開(kāi)物體，完成任務(wù)。

實(shí)驗(yàn)實(shí)景圖如下：

圖5 實(shí)驗(yàn)全景圖

完成上述任務(wù)的LabVIEW程序如下圖所示：

圖6 XBOX手柄遙控樂(lè)高NXT機(jī)器人程序

程序中用到三個(gè)有關(guān)NXT機(jī)器人的VI，首先是“Specify NXT”VI，該VI指定了NXT控制器的名稱以及Labview與NXT機(jī)器人的通訊方式?！癝teering On”VI用于控制小車(chē)兩驅(qū)動(dòng)輪上的NXT電機(jī)，這兩個(gè)NXT電機(jī)連線在NXT控制器B、C電機(jī)端子上。通過(guò)賦值給“Steering On”VI的“Power”端口，決定小車(chē)的行駛速度，賦值給“Steering”端口，決定小車(chē)轉(zhuǎn)向的程度。“PolyMotor”VI用于驅(qū)動(dòng)單個(gè)電機(jī)，這個(gè)電機(jī)連線在控制器的A端子上，控制機(jī)械手抓取或松開(kāi)物體。

上圖程序中“輸入設(shè)備采集”VI采用“按名稱解除簇捆綁”函數(shù)把左搖桿“Y axis”模擬數(shù)據(jù)從“軸向信息”簇里提取出來(lái)。由于XBOX手柄的模擬搖桿將軸向分成65536個(gè)刻度，所以搖桿的正負(fù)向剛好是32768個(gè)刻度，除以327.68之后就可對(duì)應(yīng)電機(jī)功率值的范圍為-100~100，又由于小車(chē)如果速度太快，不方便遙控它來(lái)定位其機(jī)械手到球形物體，于是“Y axis”數(shù)據(jù)還需再除以3，以較小的功率值范圍提供給“Steering On”VI的“Power”端口。（本文所說(shuō)的功率值是針對(duì)NXT電機(jī)的功率程度值，100表示小車(chē)正方向滿功率行使，0表示小車(chē)停止。-100表示小車(chē)負(fù)方向滿功率行使。）

從“按鍵信息”簇里提取四個(gè)按鍵信息，“button 2”指示的是“B”按鍵，“button 3”指示的是“X”按鍵，“button9”指示的是左搖桿按鍵，“button10”指示的是右搖桿按鍵。通過(guò)一個(gè)條件選擇結(jié)構(gòu)來(lái)判斷，當(dāng)按下“B”按鍵，就把數(shù)值60賦給“Steering On”VI的“Steering”端口，小車(chē)右向行駛，當(dāng)按下“X”按鍵，賦值-60，小車(chē)左向行駛，若兩按鍵松開(kāi)，賦值0，小車(chē)直行。程序中另一個(gè)條件判斷結(jié)構(gòu)，用來(lái)選擇給 “PolyMotor”VI的端口賦值不同的參數(shù)，當(dāng)按下右搖桿按鍵，A端子的電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓取物體，當(dāng)按下左搖桿按鍵，則機(jī)械手松開(kāi)物體。

整個(gè)程序包裹在一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)里面，每100ms時(shí)間，程序循環(huán)執(zhí)行一次，直到按下軟件菜單里的“中止執(zhí)行”圖標(biāo)，程序強(qiáng)行結(jié)束。

LabVIEW與NXT控制器有兩種執(zhí)行模式，一種是在線模式，另一種是離線模式。在線模式下，程序邏輯在PC機(jī)上運(yùn)行，并通過(guò)USB或藍(lán)牙發(fā)控制命令給NXT控制器，控制器僅是命令的執(zhí)行者，程序并沒(méi)有下載到控制器里。而離線模式下，需要下載程序到NXT控制器，然后在控制器里運(yùn)行程序，不需要PC機(jī)干預(yù)。

程序界面的左下角有個(gè)“在線模式與離線模式切換”選項(xiàng)，右擊選項(xiàng)，出現(xiàn)快捷菜單，從中選擇在線模式或離線模式。選擇“主應(yīng)用程序?qū)嵗?選項(xiàng)，則處于在線模式，選擇“NXT [Bluetooth]”，則處于離線模式。

不管是在線模式和離線模式，必須首先建立起LabVIEW軟件與NXT控制器的通信連接。插入藍(lán)牙適配器到PC機(jī)USB插槽，windows XP操作系統(tǒng)的右下邊任務(wù)欄會(huì)出現(xiàn)藍(lán)牙圖標(biāo)，點(diǎn)擊這個(gè)圖標(biāo)，出現(xiàn)windows自帶的藍(lán)牙程序窗口，通過(guò)該程序添加藍(lán)牙設(shè)備，然后選擇下圖的“查找NXT…”選項(xiàng)，建立起LabVIEW軟件與NXT控制器的通信連接。

圖7 藍(lán)牙通信建立和在線控制模式的選擇

由于NXT控制器的運(yùn)算速度和內(nèi)存空間有限，LabVIEW的許多VI并不支持離線模式，所以XBOX手柄通過(guò)LabVIEW軟件遙控NXT機(jī)器人是采取在線控制模式。

樂(lè)高NXT機(jī)器人套件是由丹麥樂(lè)高公司和美國(guó)麻省理工學(xué)院的媒體實(shí)驗(yàn)室以及國(guó)家儀器公司（NI）等共同開(kāi)發(fā)的一種可編程機(jī)器人積木套件。自1998年上市以來(lái)，便受到國(guó)外教育和科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注, 樂(lè)高NXT套件已經(jīng)被全球25000個(gè)以上的機(jī)構(gòu)采用，應(yīng)用于教學(xué)、科研和工業(yè)產(chǎn)品原型開(kāi)發(fā)。這個(gè)套件將模型搭建與機(jī)器人編程有效地結(jié)合，使用戶可以設(shè)計(jì)和制造自己的機(jī)器人，套件自帶的軟件是NXT-G軟件，它是以國(guó)家儀器公司的LabVIEW軟件為核心架構(gòu)的，NXT-G軟件界面簡(jiǎn)單易懂，但要進(jìn)行復(fù)雜功能的程序開(kāi)發(fā)，還需采用更高階的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，如NI公司的LabVIEW或微軟的MSRDS。NI公司已在2009年推出LabVIEW的LEGO MINDSTORMS NXT組件，用戶現(xiàn)在可以在LabVIEW軟件平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)及實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)及更完整的NXT機(jī)器人程序。本文就是借助安裝了LEGO MINDSTORMS NXT組件的LabVIEW軟件，實(shí)現(xiàn)了微軟XBOX電玩手柄遙控NXT機(jī)器人。