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

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。

"我們希望學(xué)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(jìn)的機(jī)器人。使用該控制平臺開發(fā)的機(jī)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。"

FRC團(tuán)隊(duì)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(duì)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(duì)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(duì)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(xiàng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。