基于CompactRIO和LabVIEW的下一代机器人控制系统设计

用CompactRIO和labview开发下一代机器人控制系统
Author(s):
Bill Miller - FIRST
Frank Merrick - FIRST
Kate Pilotte - FIRST
Industry:
Mechatronics, Education
Products:
LabVIEW, CompactRIO
The Challenge:
为超过40,000名参加FIRST机器人竞赛(FRC)的高中学生提供灵活、功能强大的机器人设计平台。
The Solution:
将配备功能强大的NI LabVIEW图形化编程软件的NI CompactRIO嵌入式控制器作为下一代FRC机器人控制平台。

FRC团队打造的机器人必须应对现实世界中的设计挑战，能够完成诸如图像处理和多传感器数据采集等复杂任务。

FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology，鼓励及认识科学技术)是工程师、发明家Dean Kamen先生于1989年创立的一个非营利组织，目的是激发青少年成为科学技术的未来领袖。FIRST 将学生们吸引到激动人心的机器人竞赛中，学生团队在专业导师的指导下进行复杂的机器人系统设计。项目结合了数学、工程学和技术；鼓励创新；培养全方位的能力，包括自信心、交流及领导力。目前，已有将近200,000名来自世界各地的学生加入到FIRST项目中。加入到该组织往往会改变一个人的人生，因为FIRST 学生相比同龄学生更多地取得了工程、科学或数学学位，并继续完成研究生学习。
FIRST 项目由各个不同等级的竞赛组成，针对从小学到高中学校的学生。最高等级的是FIRST 机器人竞赛(FRC)，这是一项独特的“青年学生头脑运动”，帮助年轻人开发兴趣并从工程和研究过程中获得回报。FRC向学生和导师，一般为专业工程师发出挑战，要求在六周内采用标准"Kit of Parts"及通用的规则来解决复杂的问题。团队完成设计并建造机器人来满足每届竞赛的特定挑战。
FIRST重新定义了获胜的条件，因为学生们已从出色的设计、团队精神、专业技能和成熟、以及克服困难的能力等方面获得了回报。此时获得更高的分数已经成为次要的了。
艰难的设计限制反映了工业挑战
设计和建造FRC机器人是一个段令人难忘的体验，它真实地反映了现实世界中的工程项目。每年，学生们必须解决机器人设计中的机械设计、电子设计、编程等问题。所有FRC团队只拥有有限的资金，仅有六周有限的时间，并且每年需要满足不同的设计要求，需要快速学习新“Kit of Parts”。举例来说，2009年的竞赛中，要求团队设计可行进于低摩擦力表面，同时收集目标物的机器人。几乎所有团队都将机器人程序编程为自主式或操纵杆操作模式的。有经验的团队甚至集成了各类传感器和激励器，如电机马达和摄像头。
FRC机器人需要新的大脑
在2007和2008年，我们开始计划采用最新工业技术来升级FRC控制系统，在竞赛中不断挑战参赛学生。我们希望学生能够接触大学甚至将来职业中广泛使用的工业标准技术。此外，我们希望找到一个灵活的嵌入式设计平台，提供软硬件工具之间的紧密集成性。系统还需要能够集成各类I/O和传感器，并且在竞赛环境的操作中足够耐用。参照机器人的复杂特性和较短的开发时间，以上所有要求都是非常必要的。
FIRST 选择美国国家仪器公司作为战略伙伴
我们采用美国国家仪器公司的CompactRIO平台作为下一代FRC 控制器，或称为机器人控制系统的“大脑”。通过与NI的合作，我们向高中生提供了高性能控制设备，包括400 MHz PowerPC以及基于现场可编程门阵列(FPGA)的I/O。CompactRIO模块化 I/O系统提供了与传感器、激励器阵列的连接性，功能强大的视觉处理能力，帮助学生创建高级机器人系统。参赛团队能够通过最新技术开发集成驱动控制和全自主系统的机器人，包括用于更多竞赛中控制和精确设计的无线监视及仿真技术。学生可以通过 LabVIEW图形化编程软件或ANSI C/C++语言在基于CompactRIO的平台上对机器人进行编程。
NI提供独特的软硬件组合的平台可应对复杂的机器人应用。例如，每年的挑战中都包含部分自主控制操作，参赛团队只允许通过远程方式操控机器人；远程控制下机器人得分比有线操控下的得分拥有更大的分值。以前，自主控制仅仅是一小部分团队能够掌握的操控模式。在新平台更加鼓励自主式操作的规则下，更多的团队开始成功地应用自主式操控方案。
同时，多个工业领域的工程师正在使用CompactRIO也是我们决定选择高品质及应用广泛的工业技术的重要原因之一。我们让学生接触到当前工业工程中的挑战，以及行业领先的工具及技术。NI与其供应商，如Analog Devices、Texas Instruments、Xilinx、Wind River、Freescale、Altera、Boston Engineering、ChipX、Dove Electronics、MSI、TTI及Westak合作，专门为FIRST提供CompactRIO控制器。除了为竞赛提供高品质技术，NI还提供了专职的技术支持工程师及针对竞赛的培训资源。为了满足导师和学生在竞赛及设计中的培训和支持需求，NI为FIRST参与者发起了一个在线用户社团。NI FIRST机器人社团包括LabVIEW范例代码、讨论论坛及视频教程，帮助参赛团队快速应用新技术。该社团还培养了一个独特的支持项目 – LabVIEW虚拟导师 – 使学生可以在线获得专业工程师对机器人问题的指导。
分享成功的愿景
我们相信NI与我们有共同的愿景，那就是使FIRST更趋全球化，从而影响到更多学生。通过在竞赛中的机器人平台上加入CompactRIO和LabVIEW，我们提升了参赛团队机器人的技术能力，使得该项目能够吸引更多的学生参加。