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機器人開發(fā)平臺的進展主要集中在如何讓開發(fā)人員著手工作，但它們也提供更急需的軟件部件重用方法，如從一個機器人項目到另一個機器人項目。 設計者有很多現(xiàn)成可用的機器人開發(fā)平臺。 機器人平臺的工具正在逐步成熟，但仍有路要走。 機器人開發(fā)環(huán)境使設計者能夠快速完成設計到測試思想的重復。 玩具、游戲和“真實世界”應用之間的界限正在模糊。原本針對嚴格真實世界應用的技術(shù)卻不斷在更大規(guī)模的電動玩具、小器具和計算機游戲市場上找到自己的用途。與此同時，娛樂設備中的新型工程創(chuàng)新有越來越多的機會流入真實世界的應用。對于很多低價消費電子產(chǎn)品（如娛樂裝置），消費市場現(xiàn)在能接受的產(chǎn)品支持壽命周期遠小于那些高價產(chǎn)品，如汽車、其它車輛、工業(yè)與醫(yī)療設備，以及大型中心辦公室設備等。這些消費電子產(chǎn)品的較短支持壽命周期允許（甚至要求）用更高級技術(shù)進步來鑒別其工作。 為了制造工業(yè)機器人和半自動系統(tǒng)，開發(fā)人員使用的技術(shù)正日益跨越工業(yè)技術(shù)與消費、家用技術(shù)的邊界，如電動玩具、小器具、游戲機和其它個人娛樂設備。不幸的是，與 上世紀80 年代初的 PC 類似，今天機器人的軟件兼容性仍有很大的改進余地。去年以來開始出現(xiàn)的公開式機器人開發(fā)平臺試圖解決更快啟動機器人設計項目的問題。實現(xiàn)這一目標的部分方法是提供一種開發(fā)軟件部件的機制，設計者可將其用于一個機器人項目的開發(fā)，然后在其它機器人項目中獲得重用。自從本動手項目的第一部分發(fā)表以來（參考文獻 1），我又多知道了兩個公開的機器人開發(fā)平臺，一個來自 CoroWare，另一個則來自 Gostai（見附文“更多平臺”）。 機器人開發(fā)平臺及其不斷成長和發(fā)展是實現(xiàn)今天和未來項目復雜程度的增減，使其達到某種可控水平以保持設計者生產(chǎn)率的重要基礎(chǔ)。本動手項目主要關(guān)注 Lego NXT Mindstorms 平臺與 National Instruments 的 LabView 環(huán)境。我也在微軟的 Robotics Studio 上花了一些時間。 項目 本項目的硬件清單依據(jù)是 Brady Duggan 的一次展示，他是 National Instruments 的一名軟件工程師。Duggan 演示了一個用于電子“牧羊犬”的非官方參考設計。他使用了別人已在類似項目中用過的硬件配置，其價值是能為快速啟動和運行提供極大的幫助。硬件配置包括National Instruments基于德州儀器公司 TMS320VC33的Speedy-33 DSP模塊，它連接到一塊來自HiTechnic公司的原型板。該板再連接到Lego NXT控制器，后者控制Lego積木塊簡單平臺的傳動電機（圖 1）。 Speedy-33有兩個間距約5英寸的話筒，電路板支持48kHz的話筒采樣。LabView支持對電路板的直接編程，如同LabView支持的其它硬件部件一樣。Speedy-33用作機器人的耳朵。因為我需要在短時間內(nèi)了解有關(guān)聲音的更多信息，因此決定Speedy-33只作為一個傳感器，然后把數(shù)據(jù)送給NXT。項目后續(xù)內(nèi)容將包括實現(xiàn)兩個單元之間的雙向通信，這樣聲音探測算法可以在判斷聲音信號相對機器人的位置時，混合來自機器人平臺的信息。 為簡化項目的復雜性，我選擇了一個800Hz的聲源，它在整個測試期間都保持可辨別。選擇這個頻率的原因是：參考算法的實驗表明，系統(tǒng)在較高頻率下比低頻有更高的成功率，如440Hz。只尋找一個音調(diào)使 LabView DSP模塊包中的DSP函數(shù)更容易使用。實際上，算法會將話筒信號與目標頻率作交叉關(guān)聯(lián)，通過比較各個話筒峰值的采樣點，確定相對相位差。對于以后再做的項目，系統(tǒng)的終極目標是采用機器人平臺的運動反饋，在一個多噪聲環(huán)境中探測到任意聲音信號的相位差，能檢測出預定的任何信號。為實現(xiàn)這個終極目標，機器人平臺必須探測出自己的慣性位置，這樣在平臺旋轉(zhuǎn)或移動時，就可以準確地將運動傳送給檢測算法。這種功能需要為機器人平臺增加陀螺和加速度傳感器，如HiTechnic公司的產(chǎn)品。 HiTechnic原型板基本是Speedy-33 接口與 NXT 接口之間的一個橋梁，這樣，不需要在 NXT 上建立新的代碼就可以實現(xiàn)兩個部件的連接。原型板可以使設計者建立自己的傳感器，并更簡便地將其與 NXT 使用的物理接口與邏輯接口相連接。HiTechnic 板對 NXT 表現(xiàn)為遵循 NXT 傳感器協(xié)議的定制傳感器。對本項目，我使用了六個數(shù)字端口，用于從 Speedy-33 向 NXT 的通信。Speedy-33 有一個密封的外殼，可支持多種外設的端口。但要用到六個數(shù)字 I/O 端口，我就必須從外殼中取出板子，否則就無法連接數(shù)字 I/O。不過，本項目不必對 HiTechnic 原型板作直接編程。 我喜歡簡單化和節(jié)省時間，因此實現(xiàn)了一種從 Speedy-33; 到NXT 控制器的單向通信。我知道建立一種雙向通信方法會花時間，并增加對調(diào)試階段的需求。Speedy-33 會在檢測到目標聲音時報告出聲音的左、右方位。NXT 控制程序必須知道 Speedy-33 是否刷新了記錄，因此我將六個數(shù)字腳中的兩個用作計數(shù)器，其它四個腳表示從左至右之間的某個位置，四個腳可表示聲源的 16 個位置。這種方法使 Speedy-33 只有在聽到目標聲音時才發(fā)送一個更新，并且當出現(xiàn)一個新的聲音位置更新時，機器人控制器負責作出識別。 如 Speedy-33 一樣，我用 LabView 為 NXT 編程。但是，在為它們編程之間存在著微妙但卻重要的差異。LabView 并不像 LabView 系列中的那些普通硬件部件一樣正式地支持 NXT。如要用 LabView 建立 NXT 代碼，就必須將程序結(jié)構(gòu)用作 NXT 工具集插件。即使是普通的程序結(jié)構(gòu)（如循環(huán)與比較）也必須來自插件工具集，而不是普通的位置。這種限制仍允許你打開和固定住與 NXT 專用工具集菜單，這樣便于使用，而不會誤打開用于其它目標的工具。 NXT 裝有一只 32 bit ARM (www.arm.com) 處理器，為該系統(tǒng)提供了大量的處理能力。由于 Speedy-33 的檢測算法只有在聽到目標聲音時才會更新方向信息，因此 NXT 可以在兩次方向更新之間顯示狀態(tài)信息或保持空閑。使用這個檢測算法時，聲音越接近兩只話筒的等分位置，就越難以判斷聲音的方向。這種現(xiàn)象的部分原因是聲源到達每只話筒的時間差小于采樣速率。對本項目，這種情況是可以接受的。這種現(xiàn)象亦表明，由于機器人一直在調(diào)整，聲音的方向也越來越接近兩只話筒的中心。因此，隨著被檢聲音的方向與兩只話筒距離的接近，電機的運動也應越來越小。否則，運動粗放的機器人會在兩個位置之間來回彈跳。 建立軟件 使用 LabView 開發(fā)環(huán)境需要花點時間適應。我的編程經(jīng)驗主要以基于文字的編碼為主，如使用 C 語音和匯編語言。指導軟件有很大幫助作用，尤其是它們幫我熟悉了工具資源的訪問位置和意義。National Instruments 已經(jīng)對 LabView 的開放環(huán)境進行了 20 多年的改進，并且增加了很多針對特定領(lǐng)域應用的環(huán)境擴展工具。LabView 的虛擬儀器工具可用于數(shù)據(jù)采集、顯示與分析，很容易使用，你可以為數(shù)據(jù)分析與糾錯設定完備的顯示，這是 LabView 環(huán)境的優(yōu)點之一。 在上世紀 90 年代，我曾用過 LabView 的一個早期版本做過一個可調(diào)激光控制系統(tǒng)。我那時用虛擬語言工具做了一些編程工作，但多數(shù)還是用 C，因為我發(fā)現(xiàn)很難過渡到一個完全虛擬的編程形式。經(jīng)過對當前項目的仔細思考，我可以說明為什么這種過渡對我這么難。幾年來，我已經(jīng)形成了在代碼“空白”處說明含義與設計信息的編碼風格。換句話說，代碼的意圖、空行的位置，以及長指令串或復雜指令串的分行，等等，這些都能給熟悉軟件開發(fā)決策方式的讀者提供有價值的信息。 我從來沒有開發(fā)過一種在虛擬編程模式的空白中提供信息的類似方法，也不清楚業(yè)內(nèi)對這種策略的方法，當然我還沒找過。 在做這個項目時，我可以看到開發(fā)人員如何使用左右和上下程序流，在空白處表示出含義和其它信息。 使用 LabView 和微軟的 Robotics Studio 這種虛擬編程模型，可以更容易給出有關(guān)并行性的信息，而在文本式編程中要更困難。你可以確定排序結(jié)構(gòu)的位置，這樣就能看到它們可以同時運行，并且可以更容易看到它們是否在共享某些資源。這兩種環(huán)境都可以混合使用虛擬編程與基于文本的編碼，即將基于文本的代碼封裝為塊，再用于虛擬環(huán)境。Robotics Studio 教程中有一個例子提出了有關(guān)虛擬編程的一個擔憂。該例表示如何不采用原來方式而實現(xiàn)一個前述實例，該例原使用了一個變量和一個循環(huán)。我猜由于自己缺乏虛擬編程的經(jīng)驗，因此看循環(huán)就與重寫代碼一樣，但如只看代碼結(jié)構(gòu)，當循環(huán)不很明顯時我還是一籌莫展。 我很喜歡用 LabView 環(huán)境仿真機器人，并且，雖然可以將 LabView 與 MathWorks 的 Simulink 環(huán)境鏈接起來，但我未能對本項目嘗試這種方法。另一方面，我可以下載微軟的 Robotics Studio，并立即開始一臺機器人的仿真。不幸的是，據(jù)微軟高級開發(fā)人員 Kyle Johns 說，仿真環(huán)境為每個對象提供物理與虛擬模型，但現(xiàn)在缺少對聲音仿真的支持，而這正是項目需要的。公正地說，微軟的環(huán)境是針對機器人技術(shù)，而我只使用來自現(xiàn)有產(chǎn)品的預定機器人。但是，能將一臺機器人置于某個環(huán)境中，通過直觀的方法看到機器人在環(huán)境中的運行方式與功能，還是很不錯的。我無法確認要花多少工作量才能設置一個機器人名單，完成對它的仿真，但很多支持的機器人平臺都存在著一些基本配置，可以直接用作啟動工作。看這兩個環(huán)境最終能否相互補充，協(xié)同工作，將會是件有意思的事。 用于 Robotics Studio 的虛擬編程工具不像 LabView 環(huán)境那樣成熟，但工具運行良好。當執(zhí)行某些代碼時，我注意到了 Robotics Studio 中的一個有趣的問題。一個教程演示了有關(guān)循環(huán)以及將文字轉(zhuǎn)換為語音的方法。聽到系統(tǒng)的計數(shù)很有意思。但是，如果我在程序執(zhí)行時實現(xiàn)一個上下文開關(guān)，則讓人不安的是程序有時會混淆編號順序。換句話說，消息傳遞會表現(xiàn)為后進先出，這樣，如果系統(tǒng)在接收一條消息時碰巧很忙，消息就可能丟失，而在亂序情況下，后面會死鎖在前面的消息上。這種怪異現(xiàn)象可能是語音合成塊的特性，但卻是一種不希望出現(xiàn)的行為。如果與我使用的代碼相比，亂序執(zhí)行不太明顯，則這種類型的行為可能影響調(diào)錯階段。 還有一個有關(guān) Robotics Studio 開發(fā)環(huán)境接口完備性的例子，它出現(xiàn)在我在一個派生對話框中間向另一個程序作上下文切換時。當對話框在副窗口中時，有時候我無法回到對話框中，而副窗口也會鎖死，等候著派生窗口的結(jié)束。在 Windows XP 中對話框并不出現(xiàn)在任務欄上，不過我終于明白可以用 Alt 和 Tab 鍵手工選擇它。 本項目只是一系列項目中的第一步，我希望能挨個完成，逐漸增加復雜性，要實現(xiàn)的終極目標是用一個立體檢測系統(tǒng)在噪聲環(huán)境中辨別出一個任意聲音。除了項目的目標與價值以外，開發(fā)平臺的使用也提供了一個機會，能夠驗證開發(fā)人員現(xiàn)在可以使用的資源，輔助復雜機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)工作。一種常被表述的目標是：開發(fā)人員應能夠設計出一種公共的硬件規(guī)范，然后能夠在跨多種機器人平臺上通過運行時綁定使用這一規(guī)范，而無需重新設計。 我很高興有現(xiàn)在這些可用產(chǎn)品，也期望今后幾年所有這些開發(fā)平臺會有一系列后續(xù)動作，它們對于新機器人項目的啟動，以及使開發(fā)人員能夠重用以前項目的軟硬部件都做了很好的工作。我尤其高興的是，有些開發(fā)環(huán)境正將這些系統(tǒng)看作一組可以互相交互的分布式系統(tǒng)。對于那些建立包含多機器人協(xié)同工作系統(tǒng)的設計者來說，這一特性將成為一個重要能力。 自從本文第一部分印出以來，我知道了另外兩個機器人開發(fā)平臺：CoreWare 的 CoroBot 和 Gostai 的 URBI（通用實時行為接口），CoroBot 是一種四輪滑移轉(zhuǎn)向平臺，帶一只彩色攝像頭、IR 距離傳感器和 1.2 GHz PC 級處理器，運行 Windows XP、Xubuntu Linux，也可以兩者同時運行（圖 A）。設計者可以在產(chǎn)品的塑料頂板上鉆孔，作永久性固定，還可以接受多種粘接物（如 Velcro 魔術(shù)貼）作臨時固定。系統(tǒng)為開放式，簡化了對其多個部件的訪問，但將其使用限制于室內(nèi)環(huán)境。它的重量為 12 lbs，可以接收最多 5 lbs 的負荷。 CoroBot平臺有九種型號，起價為2799美元，向開發(fā)人員供應。對于預裝Windows XP的型號，軟件開發(fā)可以采用微軟的Robotics Studio，而對預裝Xubuntu Linux的型號則使用Player。平臺現(xiàn)可選雙靴型和可選四 DOF（自由度）臂并帶一個抓頭傳感器。帶臂型號有24 個可用伺服端口，無臂型號有30個可用伺服端口。現(xiàn)在沒有能夠支持平臺的C 或C++庫，但該公司稱它正在評審PlusPack for Microsoft Robotics Studio，以支持未來的開發(fā)。 Gostai正在將自己的產(chǎn)品URBI腳本接口語言定位成一種用于軟件模塊的通用機器人平臺。它在客戶/服務器結(jié)構(gòu)上工作，可遠程控制一臺機器人或任何復雜系統(tǒng)。URBI給出了一種通用方法，能夠控制一臺機器人、通過插入軟件部件而增加功能，并且以一種輕便的方式開發(fā)出完全交互的復雜機器人應用。該平臺能用于多種機器人系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和編程語言，如C++、Java和 Matlab。 Gostai 將面向?qū)ο蟮?URBI 基于一種原型方案，允許開發(fā)人員定義純 URBI 的對象，或者用向核心中插入 C++ 類或“UObjects”，為語言增加類，成為原生的 URBI 類。你甚至可以從核心中拔出 UObjects，將其運行為遠程自主應用，從 URBI 引擎獲得 IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）地址作為一個參數(shù)。 URBI 語言中有一個重要考慮因素，那就是在語義的核心中集成了并行與事件。URBI 語言支持四種類型的命令間臨時約束條件。一是 Task B 必須在 Task A 后面執(zhí)行。第二個是 Task B 必須在 Task A 結(jié)束時開始，而第一個約束條件允許兩個任務之間有一個時間間隙。第三個約束是 Task A 和 B 必須同時開始，即，如果一個任務還未準備好，則另一個要等待前一個準備好后才開始執(zhí)行。第四個約束是 Task B 的開始必須同時或晚于 Task A，但其開始不得晚于 Task A 完成前。 由于 URBI 是一種并行語言，它可以用互斥（互斥-排除）技術(shù)處理并行訪問，保證一個時間只有一種代碼能使用某種資源。URBI 支持七個混合模式，它們設定了系統(tǒng)應如何處理沖突性與同步任務問題。一個混合模式的例子是加法與混合模式，它將沖突任務的計算加到或平均到結(jié)果值上。隊列模式實現(xiàn)了一種經(jīng)典的互斥機制。 為提供更好的并行支持，時間概念成為 URBI 語義中的一部分。例如，URBI 中的一個簡單任務可以使一個變量在一個給定時間里或以某個給定速度達到一個值，否則就設為一個正弦振蕩。這些非瞬時的任務可以與其它設定同時執(zhí)行。舉例來說，考慮任務 neck.val=10 time:450ms&leg.val= -45 speed:7.5 & tail.val=14 sin:4s ampli:45;。這個任務使用 "time," "speed," "sin," 和 "ampli" 修改任務完成的方式。在本例中，"neck.val" 的值將在 450 ms內(nèi)達到10。其它支持的修飾語有 "phase," "getphase," 和 "smooth."。 URBI 自身能夠加快并行事件的處理速度，因為多個事件可以并行發(fā)生，并觸發(fā)一些可以并行運行和重疊的代碼。實際中，對 URBI 中一個事件作出反應的最簡單方式是使用 “at” 命令，它看似 “if” 語句，即當檢驗為真時執(zhí)行一條命令。不過，與 “if” 不同的是，”at” 命令會保持在后臺作再次觸發(fā)，而并不終止。另一種這類工具是 “whenever” 語句，它循環(huán)執(zhí)行命令，直到檢驗為真。該語句類似于 “while” 語句，不同的是當檢驗為假時它保持在后臺。語言還可以忽略有參數(shù)或沒有參數(shù)的事件。 |
