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挑戰：機電一體化設計方式下快速實現思維車模型 方案：CompactRIO 和LabVIEW 提供了統一平臺，為團隊合作掃除障礙,圖形化的LabVIEW開發工具為機電一體化設計提供了一個極佳的平臺 賽格威（Segway）公司開發的思維車，作為一種全新的交通工具，自2001 年商業化量產銷售以來，被認為是劃時代的科技發明。美國倫斯勒理工學院（RPI）的教授Kevin Craig 決定帶領學生仿制一個類似裝置，挑戰機電一體化的設計模式。按照傳統的設計流程，一次試驗失敗可能就要整體返工，不僅耽誤時間，而且浪費研究經費。然而借助NI CompactRIO 平臺，這一切變得不再困難。 
Segway思維車實物 賽格威（Segway）思維車是一種前所未見的嶄新交通工具，借助內置的精密固態陀螺儀和高速的中央微處理器，它可以自動驅動馬達來達到平衡，駕駛人只要改變自己身體的角度就能夠自如地左右旋轉或者前進后退。這是一款真正意義上的人類運輸器，并且不需要任何平衡技巧。倫斯勒理工學院的Craig教授負責“機電一體化系統設計”課程的教學工作，在這一門交叉學科中，學生們在課程學習中可以接觸到電氣工程、機械工程、自動控制和計算機科學等多領域的相關知識。在征得Segway 公司許可后，Craig 教授領導的開發團隊決定對思維車進行仿制，讓學生直接體驗機電一體化的設計模式。
Craig 教授展示自己的雙輪平衡車 CompactRIO 和LabVIEW 提供了統一平臺，為團隊合作掃除障礙 一切從零開始，工作量不可小覷。然而在開發伊始，Craig教授就遇到了不小的困難：系統設計工作分為若干部分，如果讓某些學生專心負責一部分（例如設計控制器或傳感器的外圍電路），那么他們就只能得到某一方面的實踐經驗，這顯然與Craig教授的初衷相違背。而且如果某一部分的設計出現失誤，可能導致其他人也需要返工，這不但將花費更多時間，也會使Craig教授在經費方面為難。顯然，Craig教授需要一個現成的可編程自動控制平臺，將學生從具體而細節的工作中解放出來，從而能夠有更多精力考慮并設計不同的控制算法——這才是這門課程最重要的內容。令人興奮的是，Craig 教授找到了NI 可編程自動化控制器CompactRIO。CompactRIO 結合圖形化的LabVIEW開發工具為機電一體化設計提供了一個極佳的平臺。CompactRIO 機箱小巧而堅固，能非常方便地固定在小車上。此平臺還兼具靈活性，可以插接多種模擬或數字I/O 模塊，即使反復修改設計也不需要擔心因硬件返工而耽誤時間，此外還可以將算法代碼部署到不同的執行平臺上。掃除障礙的Craig 教授終于可以全力指導學生完成整個設計了。 軟硬件的無縫結合 為期四個月的開發過程大致可以分為模型仿真驗證、原型設計驗證、系統整合調試等階段。在每個階段，都有NI的軟硬件產品協助Craig 教授的團隊盡快實現目標。在模型仿真階段，開發團隊利用LabVIEW控制與仿真模塊設計了全狀態反饋（FSF）控制器，控制算法中采用了線性二次調節（LQR）技術。隨后，他們決定搭建兩個驗證原型：一個形制較小，主要用于測試各種傳感器，取得傳感器數據并驗證控制算法；另一個更接近真實尺寸，電機馬力也更強勁，可以搭載真人或重物。 NI LabVIEW軟件為基于CompactRIO的應用提供了極為友好的開發環境，使得軟硬件聯合調試非常順利。由于整個開發過程使用了統一的軟件環境，因此從仿真設計階段到兩次原型驗證，代碼只需要做很少的修改。例如，將代碼從第一個驗證原型移植到第二個驗證原型只需要將部分I/O 接口重新定義，整個過程僅用了幾個小時。可重用的代碼大大提高了系統的開發效率。 在平衡車的開發過程中，整個團隊發揮才智，戰勝了許多困難和挑戰，但是Craig教授認為他們最引以為傲的成就在于：從概念設計到建模分析驗證、控制設計、原型設計、再到最終系統實現，他們一共只用了短短的四個月！Craig教授將這歸功于采用了統一的NI 平臺：“NI 軟硬件平臺天衣無縫的緊密結合，才使我們所做的這一切成為可能。”
雙輪平衡車內部結構 遙控操作同樣成為可能 僅僅達到復制的要求？不，我們可以設計出更強大的平衡車。團隊在LabVIEW PDA模塊的幫助下開發了平衡車的遙控裝置。通過PDA 就能夠直接連線CompactRIO 控制器，觀察小車的運行狀態（例如車速及電池剩余電量等）。在未來，無線將不是夢想，借助CompactRIO 配合無線路由，未來的使用者甚至不需要站在車上，就可以遠程操作裝載著重物的平衡車進行移動。 平衡的秘訣 自動平衡車的運動過程主要建立在“動態穩定”的基本原理上。以內置的傳感器來判斷車身所處的姿態，通過控制器快速計算出適當的指令，驅動電機運動達到平衡的效果。假設我們以站在車上的駕駛者與車輛的總體重心縱軸作為參考線，當這條軸向前傾斜時，電機會產生向前的力量，一方面可以平衡人與車向前傾斜所產生的扭矩，另一方面產生讓車輛前進的加速度。相反，當傳感器發現駕駛者的重心后傾時，也會產生向后的力量達到平衡效果。因此，駕駛者只要改變自己身體的角度向前或向后傾斜，小車就會根據傾斜的方向前進或后退，而速度則與駕駛者身體傾斜的程度呈正比。只要小車有足夠的電力，車上的人就不用擔心會傾倒跌落，這與一般需要靠駕駛者自己進行平衡的獨輪車或滑板車等工具大大不同。
平衡車原理 作者信息： National Instruments China shanghai China Tel: 021-50509800 Fax: 021-65556244 china.wen@ni.com NI公司供稿 |
