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機器人項目為機械、電子和軟件工程師們提供親手實踐設(shè)計的機會。從FIRST機器人高中競賽到某些最高級的機器人系統(tǒng)開發(fā)研究，學(xué)生們都能將NI CompactRIO作為機器人設(shè)計平臺。本文調(diào)研了幾項學(xué)生團隊采用CompactRIO作為嵌入式機器人控制平臺實現(xiàn)的成果。 FIRST 機器人競賽(FRC) 從1989開始FIRST 就鼓勵年輕人成為科學(xué)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。如今，世界范圍內(nèi)有將近200,000名學(xué)生參與到FIRST 的項目中，其中最重要的一項是FIRST 機器人競賽(FRC)。 FRC是專門針對高中學(xué)生設(shè)計的項目。競賽要求每個團隊在6周時間內(nèi)通過設(shè)計和搭建機器人來解決一個復(fù)雜問題。然后這些學(xué)生需要與其他團隊比賽，比賽的項目每年都不相同。每個學(xué)生團隊擁有一個或兩個導(dǎo)師，一般都為專業(yè)工程師。最終，每個團隊將因他們出色的設(shè)計和專業(yè)精神而獲得獎勵。 
圖1. 2009 FIRST機器人世界冠軍賽于2009年4月在亞特蘭大的Georgia Dome舉辦。 FRC向高中學(xué)生提出現(xiàn)實世界中的問題和任務(wù)，提供給每個參賽隊相同的工具；此外，參賽隊還可以花費一定資金來購買他們選擇的工具作為補充。這就要求每個參賽隊嚴(yán)格地管理資金。參賽隊必須在他們的設(shè)計中集成各類不同供應(yīng)商的傳感器、攝像頭和電機。此外，參賽者必須遵守嚴(yán)格的時間限制，并做出包括軟件、電子和機械等組件的設(shè)計考量。 2008年FIRST官方宣布他們將采用NI CompactRIO嵌入式控制平臺作為競賽的下一代FRC機器人控制器。CompactRIO平臺讓高中學(xué)生體驗了高級控制能力和高端性能，它配備了 400 MHz PowerPC和基于FPGA的I/O。CompactRIO模塊化I/O系統(tǒng)可以連接相當(dāng)多種類的傳感器和執(zhí)行器，并具有功能強大的實時視覺處理能力，可搭建出高級的機器人。學(xué)生能通過包括無線監(jiān)視和仿真在內(nèi)的最新技術(shù)設(shè)計出由駕駛員控制或全自主的機器人，從而實現(xiàn)更多的臨場控制和更多精確的設(shè)計。 兩項使用CompactRIO的大型應(yīng)用 許多教育和研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者采用CompactRIO成功開發(fā)了復(fù)雜的機器人系統(tǒng)。本部分討論兩個特殊的應(yīng)用：弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)學(xué)生開發(fā)的無人駕駛地面車，以及麻省理工大學(xué)(MIT)學(xué)生設(shè)計的橋梁檢測機器人。 Victor Tango團隊的Odin：DARPA城市挑戰(zhàn)賽 Victor Tango是由弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)學(xué)生組成的團隊，他們成功搭建了一個完整的機器人系統(tǒng)來控制該團隊的2005 Ford Escape混合動力車Odin。該團隊在由89名參賽者參加的美國國防高級研究計劃局(DARPA)城市挑戰(zhàn)賽中獲得第三名。Victor Tango團隊采用LabVIEW圖形化編程及CompactRIO來進行機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計和建模。
圖2. Victor Tango的Odin全自主車輛在擁有89名參賽者的DARPA城市挑戰(zhàn)賽中獲得第三名。 CompactRIO和LabVIEW為這個主要由機械工程師組成的團隊提供了高級算法設(shè)計能力，而無需涉及太多的計算機科學(xué)背景。快速硬件和軟件集成支持直觀的應(yīng)用調(diào)試，從而實現(xiàn)快速原型開發(fā)和設(shè)計優(yōu)化。此外， CompactRIO可以為圖像采集，傳感器信號采集和系統(tǒng)控制提供時間關(guān)鍵處理, 在團隊的成功中起到了關(guān)鍵作用。 MIT用于橋梁檢測的機器人 在麻省理工大學(xué)(MIT)，機械工程學(xué)研究生在Harry Asada博士的指導(dǎo)下采用CompactRIO和LabVIEW開發(fā)了用于橋梁檢測的緊湊型機器人。研究人員嘗試采用可懸掛在需要監(jiān)測的橋梁上的低功率機器人來創(chuàng)建虛擬傳感器網(wǎng)絡(luò)。機器人裝備有攝像頭和加速度計，從而可連續(xù)進行測量。
圖3. MIT橋梁檢測機器人的最終設(shè)計中采用了磁鐵來將其懸掛在橋梁下。 最終的設(shè)計中采用了磁鐵將機器人永久倒立懸掛，允許機器人以最小的功率在各類表面上行動。最后，團隊采用了CompactRIO和LabVIEW來實現(xiàn)控制算法。在機器人軌跡跟蹤的設(shè)計和記錄來自機器人攝像頭和傳感器數(shù)據(jù)等方面，CompactRIO起到了關(guān)鍵作用。機器人上搭載的FPGA用于高速電機控制及傳感器反饋。 總結(jié) 美國國家儀器公司的機器人圖形化系統(tǒng)設(shè)計方法向?qū)W生和工程師提供了高效解決工程問題的能力。通過CompactRIO和 LabVIEW圖形化編程，使參加FIRST 機器人競賽的學(xué)生能夠接觸到與MIT研究人員和弗吉尼亞理工大學(xué)工程系學(xué)生所用的相同的技術(shù)。 工業(yè)和學(xué)術(shù)界的每個人都能使用NI平臺成功進行機器人系統(tǒng)的設(shè)計、建模和發(fā)布。美國國家儀器公司支持將機器人作為培養(yǎng)數(shù)學(xué)和科學(xué)明日之星的工具。從 FRC機器人到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，LabVIEW和CompactRIO作為普適且直觀式平臺可用于解決當(dāng)今大多數(shù)復(fù)雜問題。 NI公司供稿 |
