通過圖形化開發(fā)平臺快速構(gòu)建移動機器人原型
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弗吉尼亞理工大學(xué)的參賽車Odin是2005年福特翼虎(Escape)混合動力型越野車，如圖3所示，并為自主駕駛做了一定程度的改裝。NI CompactRIO系統(tǒng)與翼虎操控系統(tǒng)進行交互，通過線控驅(qū)動(drive-by-wire)的方式控制油門、方向盤、轉(zhuǎn)向和制動。學(xué)生們利用LabVIEW控制，設(shè)計與仿真模塊開發(fā)了路徑曲率和速度控制系統(tǒng)，并通過LabVIEW實時模塊和FPGA模塊部署到CompactRIO硬件平臺加以實現(xiàn)，從而建立了一個獨立的車輛控制平臺。與此同時，學(xué)生使用LabVIEW觸摸屏模塊和NI TPC-2006觸摸屏構(gòu)建用戶界面并安裝在控制臺。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/188847.htm
圖3 弗吉尼亞理工大學(xué)的參賽車Odin
2 感知系統(tǒng)
為了滿足城市挑戰(zhàn)賽的競賽規(guī)則，Odin需要能夠定位自身的位置，探測周圍的路面狀況和可用的行駛車道，識別路徑中的所有障礙，并適當(dāng)分類障礙車輛。Odin安裝了多種傳感器以滿足這些需求，其中包括3枚四平面激光測距儀（ LRF ）安裝在保險杠，另有4枚LRF和2架計算機視覺相機安裝在車頂行李架，以及高精度的全球定位系統(tǒng)/慣性測量裝置系統(tǒng)(GPS/IMU)。
對于每一類感知需求，都通過多個傳感器以實現(xiàn)最大的保真度和可靠性。為了達到靈活的傳感器融合，規(guī)劃軟件忽略傳感器原始數(shù)據(jù)，并使用一套由特定任務(wù)組件產(chǎn)生的獨立于傳感器的感知信息。例如，定位組件使用了LabVIEW卡爾曼濾波器來跟蹤車輛的位置和方向；道路檢測組件使用NI視覺開發(fā)模塊，結(jié)合相機及LRF的數(shù)據(jù)，確定路面狀況和附近路段的每個車道；對象分類組件使用LabVIEW處理LRF數(shù)據(jù)以檢測障礙并對障礙進行分類，然后預(yù)測動態(tài)障礙和其他車輛的路徑及下一步行動。
圖4 Odin系統(tǒng)組成框架
3 決策規(guī)劃
路線規(guī)劃組件使用的是A*搜索算法，以確定Odin應(yīng)該經(jīng)過哪些路段從而遍歷所有的檢查站。駕駛行為組件采用了基于行為的LabVIEW狀態(tài)機架構(gòu)，負責(zé)遵守交通規(guī)則并引導(dǎo)車輛沿計劃路線行駛。運動規(guī)劃組件進行迭代軌跡搜索，避讓障礙并引導(dǎo)車輛沿理想軌跡行駛。最后決策判定系統(tǒng)將運動序列傳遞給車輛控制接口并轉(zhuǎn)換為驅(qū)動器控制信號。
4 通信架構(gòu)
整個通信框架都基于LabVIEW進行開發(fā)，實現(xiàn)了汽車工程師協(xié)會(SAE) AS-4無人系統(tǒng)聯(lián)合架構(gòu)（JAUS）協(xié)議，每個軟件模塊都是JAUS組件，所有模塊之間的交互都是通過LabVIEW框架來完成的，每個軟件模塊可作為獨立組件異步運行在Windows或Linux操作系統(tǒng)之下。完成整個通信構(gòu)架中需要使用多種編程語言，由于LabVIEW的開放性，可以很方便地在其他編程環(huán)境中調(diào)用LabVIEW軟件模塊或與之接口。
5 使用LabVIEW的優(yōu)勢
LabVIEW平臺提供了一個直觀，易于使用的調(diào)試環(huán)境，可以讓開發(fā)團隊實時地監(jiān)測源代碼的運行，從而方便地實現(xiàn)硬件在環(huán)調(diào)試。通過LabVIEW開發(fā)環(huán)境，團隊快速可以構(gòu)建系統(tǒng)原型并加快設(shè)計的往復(fù)周期。此外， LabVIEW與硬件的無縫連接，對于執(zhí)行某些關(guān)鍵操作如傳感器處理和車輛控制是至關(guān)重要的。由于城市挑戰(zhàn)賽問題復(fù)雜且開發(fā)時間很短，這些因素對于開發(fā)團隊的成功發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
總結(jié)
圖形化系統(tǒng)設(shè)計對于繼續(xù)加快機器人設(shè)計中的創(chuàng)新而言是必不可少的。復(fù)雜的傳統(tǒng)工具可能會阻礙機器人技術(shù)的進步。LabVIEW提供了一個綜合的、可擴展的平臺，能夠橫跨設(shè)計、原型開發(fā)和部署階段，因此工程師們能夠不用為微小的實現(xiàn)細節(jié)所困擾，可以更加關(guān)注機器人本身。他們可以使用同樣強大的平臺，對微控制器直至FPGA等各種控制器進行編程；還可以同幾乎任何傳感器和執(zhí)行器發(fā)送與接收信號；設(shè)計并仿真動態(tài)控制系統(tǒng)；以及實現(xiàn)進行遠程監(jiān)視或控制機器人的接口。LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計平臺通過為所有機器人設(shè)計者提供一個統(tǒng)一的平臺，鼓勵設(shè)計更為精妙的機器人。
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