機(jī)器人技術(shù)是發(fā)展最快的工程領(lǐng)域之一，也是最具有挑戰(zhàn)性的一個領(lǐng)域。幾乎所有的機(jī)器人，都有不同的操作環(huán)境，行為或任務(wù)也不同，連接的傳感器和執(zhí)行器也不同。因此，人們經(jīng)常在不同的硬件平臺上使用不同的開發(fā)工具來開發(fā)機(jī)器人。一個工程師開發(fā)的成功用于某個機(jī)器人的可用控制系統(tǒng)很難再用于另一個機(jī)器人，因為應(yīng)用于傳感、自治和電機(jī)控制的應(yīng)用程序接口（API）在語法上是不同的。

在設(shè)計、原型開發(fā)和部署機(jī)器人應(yīng)用時，面臨三個最大的挑戰(zhàn)：集成傳感器和執(zhí)行器，實現(xiàn)自治以及部署確定性的控制算法至嵌入式硬件。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)， LabVIEW Robotics提供了一整套全新的機(jī)器人專用傳感器和執(zhí)行器驅(qū)動，以及實現(xiàn)復(fù)雜導(dǎo)航運算的新代碼庫。而且，有了LabVIEW，開發(fā)人員只需要使用一個軟件開發(fā)環(huán)境就可以設(shè)計控制算法，連接實際I/O，以及部署至確定性硬件目標(biāo)。

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1. 集成傳感器和執(zhí)行器

如果設(shè)計者可以得到實際的傳感器輸入以及控制實際執(zhí)行器，比如馬達(dá)的能力，那么他們就能加快機(jī)器人的原型開發(fā)。LabVIEW Robotics包含新的VI選版來配置、控制和獲取自主車輛中的一些最常用的傳感器的數(shù)據(jù)，其接收到的數(shù)據(jù)可以使用。無論是低成本的紅外線傳感器還是高分辨率的光定向和測距（LIDAR）傳感器，LabVIEW Robotics都可以讓使用者快速地檢索傳感器數(shù)據(jù)，從而使他們能更加關(guān)注于高級智能和控制的實現(xiàn)。另外，無論是無刷馬達(dá)，有刷直流馬達(dá)，還是步進(jìn)馬達(dá)，LabVIEW Robotics都提供了多種連接、控制馬達(dá)的方法。

圖1. LabVIEW Robotics包括一整套針對自治系統(tǒng)中最常用的傳感器的新驅(qū)動。

美國弗吉尼亞理工大學(xué)設(shè)計的盲人駕駛車輛是一個典型的依賴于傳感器的反饋和執(zhí)行器的控制的機(jī)器人例子。這個半自動車輛有一個基于觸覺的人機(jī)界面，可以讓盲人駕駛員做出駕駛決定。傳感器根據(jù)車輛的狀態(tài)來采集重要信息，比如通過霍爾效應(yīng)傳感器采集速度信息，通過弦絲電位計采集轉(zhuǎn)向角。光定向和測距（LIDAR）傳感器掃描駕駛環(huán)境，然后確定障礙或者交通路標(biāo)。--學(xué)生們可以快速采集這些傳感器獲得的數(shù)據(jù)，然后在LabVIEW中使用NI CompactRIO內(nèi)嵌式平臺的高速現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）進(jìn)行直接處理。

處理完這些傳感器數(shù)據(jù)后，學(xué)生們使用LabVIEW和CompactRIO來控制大量的晶體管和繼電器，以不同強(qiáng)度開動駕駛員身上穿的馬甲中的馬達(dá)。駕駛員可以使用觸感式馬甲對速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而自如的駕駛直至到達(dá)速度上限，速度達(dá)到上限時，馬甲會提示駕駛員需要多大的剎車力度來使車輛回到安全速度。學(xué)生們在FPGA上使用LabVIEW實現(xiàn)這種電機(jī)控制，從而極大地縮短了從探測到障礙，到馬達(dá)全速振動之間的時間，對于駕駛員來說，這在緊急情況下是至關(guān)重要的。

圖2. 弗吉尼亞理工大學(xué)的盲人駕駛車輛使用LabVIEW和CompactRIO完成與傳感器、執(zhí)行器的通信，算法開發(fā)以及部署。阿迪?哈根，16歲，駕駛盲人汽車，帶著弗吉尼亞理工大學(xué)的設(shè)計師格雷格?加納曼（乘客座）出去兜風(fēng)。

僅僅用了兩個學(xué)期，9名大學(xué)生就完成了設(shè)計，盲人駕駛員可以安全地實現(xiàn)基本的駕駛?cè)蝿?wù)。

“LabVIEW具有直觀的圖形化操作界面，LIDAR等傳感器的驅(qū)動也是現(xiàn)成的，這對由機(jī)械工程專業(yè)大學(xué)生組成的團(tuán)隊來說，可以讓我們快速、有效的搭建定制的嵌入式軟件?！薄窭赘?加納曼，弗吉尼亞理工大學(xué)的學(xué)生，團(tuán)隊隊長。

2. 自治代碼庫

實現(xiàn)機(jī)器人的自治是一個既有挑戰(zhàn)，又非常重要的任務(wù)。對于像導(dǎo)航這樣的任務(wù)，算法越來越復(fù)雜，這往往需要軟件開發(fā)人員具有計算機(jī)科學(xué)方面的背景知識。另外，如果不能實現(xiàn)代碼的重復(fù)利用，每開始一個新項目，工程師總要從底層對算法進(jìn)行開發(fā)。

為了幫助機(jī)器人工程師進(jìn)行算法開發(fā)，NI定義了一些在自治系統(tǒng)中最常用的算法，并將這些算法打包，這樣，即使工程師沒有計算機(jī)科學(xué)的背景知識，也可以讓他們實現(xiàn)機(jī)器人的自治。LabVIEW Robotics包括一些新的VI和例子，比如基于傳感器反饋的避障算法，計算開始位置和目標(biāo)位置之間的最短距離，以及將一個標(biāo)準(zhǔn)的或者可度量的空間變換成可搜索的網(wǎng)格，從而使移動機(jī)器人實現(xiàn)導(dǎo)航。

圖3. LabVIEW Robotics可以實現(xiàn)高級的自治算法，比如A*搜索路徑規(guī)劃。

LabVIEW Robotics中的算法都是模塊化的，他們被細(xì)分為一些獨立的任務(wù)。這種模塊化使得開發(fā)人員可以輕松地修改現(xiàn)有的代碼，或者在多個項目中重復(fù)利用同一套代碼或算法。這樣一來，開發(fā)者就可以在從最底層算法開發(fā)上節(jié)省時間，從而可以把更多時間用在針對特定應(yīng)用的高級或者自定義算法上。

3. 部署控制算法至確定性硬件

機(jī)器人所使用的算法從設(shè)計到實際在硬件中執(zhí)行是一個很困難的過程，這需要機(jī)器人開發(fā)人員在兩者之間建立一個橋梁。對于像導(dǎo)航和定位這樣的任務(wù)，現(xiàn)代機(jī)器人需要高響應(yīng)的控制。許多工程師首先使用高級數(shù)學(xué)軟件對算法進(jìn)行建模和測試，然后再將算法植入到C語言嵌入式系統(tǒng)中，再對低成本、低檔次的硬件進(jìn)行匯編編程。這經(jīng)常需要在嵌入式硬件上對控制算法進(jìn)行重新實現(xiàn)和測試。

LabVIEW改進(jìn)了這個過程，將與硬件的通信抽象化，從而使在嵌入式實時和FPGA目標(biāo)上訪問分析、數(shù)學(xué)、自治代碼庫和在臺式電腦上訪問這些庫函數(shù)一樣方便。這使得工程師可以將理論的算法設(shè)計與實際的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，從而更準(zhǔn)確的對結(jié)果和行為進(jìn)行核實及確認(rèn)。

圖4. LabVIEW連接了原本傳統(tǒng)的工具在設(shè)計和部署之間的鴻溝。

使用NI的產(chǎn)品，開發(fā)人員可以輕松地將LabVIEW Robotics和實時以及基于FPGA的硬件結(jié)合在一起，從而獲得高響應(yīng)的控制。這些產(chǎn)品包括堅固的CompactRIO嵌入式平臺，低成本且只有單板的Single-Board RIO。有了這種可重復(fù)配置I/O（RIO）硬件架構(gòu)，機(jī)器人開發(fā)人員可以使用FPGA邏輯來實現(xiàn)硬件接口，信號處理，以及任何對時間確定性要求比較高的控制算法；從而使處理器騰出時間來處理像導(dǎo)航或任務(wù)規(guī)劃這樣的高級任務(wù)。

圖5. NI基于FPGA的實時硬件CompactRIO和Single-Board RIO

通過使用LabVIEW這種圖形化編程環(huán)境和NI的Single-Board RIO，由來自加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）的本科生和研究生組成的團(tuán)隊，開發(fā)了一款地面無人車輛，它可以穿越復(fù)雜的地形，比如瓦礫和樓梯，同時保持一個小的外形格局用于密閉空間導(dǎo)航。僅用了幾個月的時間，學(xué)生們就可以實現(xiàn)所有的底層編程和調(diào)試，并能夠把他們的軟件部署到機(jī)器人中進(jìn)行測試。軟件使用的是復(fù)雜的控制和估計算法，能夠獲得不同的運動模式，其中包括保持平衡。

“LabVIEW和Single-Board的結(jié)合使我們可以在車輛的運行過程中調(diào)整增益系數(shù)，并且實時監(jiān)控它的性能表現(xiàn)，這大大減少了控制系統(tǒng)的開發(fā)時間。硬件與軟件的無縫整合讓我們能把時間更多的用在控制算法上，而不是用在連接傳感器和執(zhí)行器上?！?——尼克?馬洛卓斯基，機(jī)械工程專業(yè)博士研究生，“彈簧刀”項目團(tuán)隊隊長。

圖6. 多模式機(jī)器人“彈簧刀”，由UCSD的學(xué)生使用LabVIEW和NI的Single-Board 設(shè)計

4. 總結(jié)

從革命性的醫(yī)療器械到尖端機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器，圖形化系統(tǒng)設(shè)計可以幫助開發(fā)人員進(jìn)行快速原型設(shè)計和開發(fā)，并且部署至嵌入式系統(tǒng)。LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境和基于FPGA的嵌入式實時硬件之間的無縫結(jié)合可以讓開發(fā)人員快速的設(shè)計，原型開發(fā)，以及部署他們的系統(tǒng)。加上最近加入NI平臺的LabVIEWRobotics模塊，開發(fā)人員現(xiàn)在已經(jīng)有了設(shè)計精密的機(jī)器人或者自治系統(tǒng)的所有工具。