挑戰(zhàn)：機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方式下快速實(shí)現(xiàn)思維車模型

方案：CompactRIO 和LabVIEW 提供了統(tǒng)一平臺(tái)，為團(tuán)隊(duì)合作掃除障礙，圖形化的LabVIEW開發(fā)工具為機(jī)電一體化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)極佳的平臺(tái)

賽格威（Segway）公司開發(fā)的思維車，作為一種全新的交通工具，自2001 年商業(yè)化量產(chǎn)銷售以來，被認(rèn)為是劃時(shí)代的科技發(fā)明。美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院（RPI）的教授Kevin Craig 決定帶領(lǐng)學(xué)生仿制一個(gè)類似裝置，挑戰(zhàn)機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)模式。按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，一次試驗(yàn)失敗可能就要整體返工，不僅耽誤時(shí)間，而且浪費(fèi)研究經(jīng)費(fèi)。然而借助NI CompactRIO 平臺(tái)，這一切變得不再困難。

Segway思維車實(shí)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(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀和高速的中央微處理器，它可以自動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來達(dá)到平衡，駕駛?cè)酥灰淖冏约荷眢w的角度就能夠自如地左右旋轉(zhuǎn)或者前進(jìn)后退。這是一款真正意義上的人類運(yùn)輸器，并且不需要任何平衡技巧。倫斯勒理工學(xué)院的Craig教授負(fù)責(zé)“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)工作，在這一門交叉學(xué)科中，學(xué)生們?cè)谡n程學(xué)習(xí)中可以接觸到電氣工程、機(jī)械工程、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。在征得Segway 公司許可后，Craig 教授領(lǐng)導(dǎo)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)決定對(duì)思維車進(jìn)行仿制，讓學(xué)生直接體驗(yàn)機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)模式。

Craig 教授展示自己的雙輪平衡車

CompactRIO 和LabVIEW 提供了統(tǒng)一平臺(tái)，為團(tuán)隊(duì)合作掃除障礙

一切從零開始，工作量不可小覷。然而在開發(fā)伊始，Craig教授就遇到了不小的困難：系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作分為若干部分，如果讓某些學(xué)生專心負(fù)責(zé)一部分（例如設(shè)計(jì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這顯然與Craig教授的初衷相違背。而且如果某一部分的設(shè)計(jì)出現(xiàn)失誤，可能導(dǎo)致其他人也需要返工，這不但將花費(fèi)更多時(shí)間，也會(huì)使Craig教授在經(jīng)費(fèi)方面為難。顯然，Craig教授需要一個(gè)現(xiàn)成的可編程自動(dòng)控制平臺(tái)，將學(xué)生從具體而細(xì)節(jié)的工作中解放出來，從而能夠有更多精力考慮并設(shè)計(jì)不同的控制算法——這才是這門課程最重要的內(nèi)容。令人興奮的是，Craig 教授找到了NI 可編程自動(dòng)化控制器CompactRIO。CompactRIO 結(jié)合圖形化的LabVIEW開發(fā)工具為機(jī)電一體化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)極佳的平臺(tái)。CompactRIO 機(jī)箱小巧而堅(jiān)固，能非常方便地固定在小車上。此平臺(tái)還兼具靈活性，可以插接多種模擬或數(shù)字I/O 模塊，即使反復(fù)修改設(shè)計(jì)也不需要擔(dān)心因硬件返工而耽誤時(shí)間，此外還可以將算法代碼部署到不同的執(zhí)行平臺(tái)上。掃除障礙的Craig 教授終于可以全力指導(dǎo)學(xué)生完成整個(gè)設(shè)計(jì)了。

軟硬件的無縫結(jié)合

為期四個(gè)月的開發(fā)過程大致可以分為模型仿真驗(yàn)證、原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證、系統(tǒng)整合調(diào)試等階段。在每個(gè)階段，都有NI的軟硬件產(chǎn)品協(xié)助Craig 教授的團(tuán)隊(duì)盡快實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。在模型仿真階段，開發(fā)團(tuán)隊(duì)利用LabVIEW控制與仿真模塊設(shè)計(jì)了全狀態(tài)反饋（FSF）控制器，控制算法中采用了線性二次調(diào)節(jié)（LQR）技術(shù)。隨后，他們決定搭建兩個(gè)驗(yàn)證原型：一個(gè)形制較小，主要用于測(cè)試各種傳感器，取得傳感器數(shù)據(jù)并驗(yàn)證控制算法；另一個(gè)更接近真實(shí)尺寸，電機(jī)馬力也更強(qiáng)勁，可以搭載真人或重物。

NI LabVIEW軟件為基于CompactRIO的應(yīng)用提供了極為友好的開發(fā)環(huán)境，使得軟硬件聯(lián)合調(diào)試非常順利。由于整個(gè)開發(fā)過程使用了統(tǒng)一的軟件環(huán)境，因此從仿真設(shè)計(jì)階段到兩次原型驗(yàn)證，代碼只需要做很少的修改。例如，將代碼從第一個(gè)驗(yàn)證原型移植到第二個(gè)驗(yàn)證原型只需要將部分I/O 接口重新定義，整個(gè)過程僅用了幾個(gè)小時(shí)?？芍赜玫拇a大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。

在平衡車的開發(fā)過程中，整個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)揮才智，戰(zhàn)勝了許多困難和挑戰(zhàn)，但是Craig教授認(rèn)為他們最引以為傲的成就在于：從概念設(shè)計(jì)到建模分析驗(yàn)證、控制設(shè)計(jì)、原型設(shè)計(jì)、再到最終系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，他們一共只用了短短的四個(gè)月！Craig教授將這歸功于采用了統(tǒng)一的NI 平臺(tái)：“NI 軟硬件平臺(tái)天衣無縫的緊密結(jié)合，才使我們所做的這一切成為可能。”

雙輪平衡車內(nèi)部結(jié)構(gòu)

遙控操作同樣成為可能

僅僅達(dá)到復(fù)制的要求？不，我們可以設(shè)計(jì)出更強(qiáng)大的平衡車。團(tuán)隊(duì)在LabVIEW PDA模塊的幫助下開發(fā)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(yùn)行狀態(tài)（例如車速及電池剩余電量等）。在未來，無線將不是夢(mèng)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(yuǎn)程操作裝載著重物的平衡車進(jìn)行移動(dòng)。

平衡的秘訣

自動(dòng)平衡車的運(yùn)動(dòng)過程主要建立在“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”的基本原理上。以內(nèi)置的傳感器來判斷車身所處的姿態(tài)，通過控制器快速計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶?，?qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡的效果。假設(shè)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(dāng)這條軸向前傾斜時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生向前的力量，一方面可以平衡人與車向前傾斜所產(chǎn)生的扭矩，另一方面產(chǎn)生讓車輛前進(jìn)的加速度。相反，當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)駕駛者的重心后傾時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生向后的力量達(dá)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(huì)根據(jù)傾斜的方向前進(jìn)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(dān)心會(huì)傾倒跌落，這與一般需要靠駕駛者自己進(jìn)行平衡的獨(dú)輪車或滑板車等工具大大不同。