将NI CompactRIO用于机器人技术：适合所有年龄段学生的亲手

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机器人项目为机械、电子和软件工程师们提供亲手实践设计的机会。从FIRST机器人高中竞赛到某些最高级的机器人系统开发研究，学生们都能将NI CompactRIO作为机器人设计平台。本文调研了几项学生团队采用CompactRIO作为嵌入式机器人控制平台实现的成果。

<strong>FIRST 机器人竞赛(FRC)</strong>

从1989开始FIRST 就鼓励年轻人成为科学技术的领导者。如今，世界范围内有将近200,000名学生参与到FIRST 的项目中，其中最重要的一项是FIRST 机器人竞赛(FRC)。

FRC是专门针对高中学生设计的项目。竞赛要求每个团队在6周时间内通过设计和搭建机器人来解决一个复杂问题。然后这些学生需要与其他团队比赛，比赛的项目每年都不相同。每个学生团队拥有一个或两个导师，一般都为专业工程师。最终，每个团队将因他们出色的设计和专业精神而获得奖励。


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2010-3-9 20:16:07 上传
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图1. 2009 FIRST机器人世界冠军赛于2009年4月在亚特兰大的Georgia Dome举办。

FRC向高中学生提出现实世界中的问题和任务，提供给每个参赛队相同的工具；此外，参赛队还可以花费一定资金来购买他们选择的工具作为补充。这就要求每个参赛队严格地管理资金。参赛队必须在他们的设计中集成各类不同供应商的传感器、摄像头和电机。此外，参赛者必须遵守严格的时间限制，并做出包括软件、电子和机械等组件的设计考量。

2008年FIRST官方宣布他们将采用NI CompactRIO嵌入式控制平台作为竞赛的下一代FRC机器人控制器。CompactRIO平台让高中学生体验了高级控制能力和高端性能，它配备了 400 MHz PowerPC和基于FPGA的I/O。CompactRIO模块化I/O系统可以连接相当多种类的传感器和执行器，并具有功能强大的实时视觉处理能力，可搭建出高级的机器人。学生能通过包括无线监视和仿真在内的最新技术设计出由驾驶员控制或全自主的机器人，从而实现更多的临场控制和更多精确的设计。

<strong>两项使用CompactRIO的大型应用</strong>

许多教育和研究领域的领导者采用CompactRIO成功开发了复杂的机器人系统。本部分讨论两个特殊的应用：弗吉尼亚理工大学工程学学生开发的无人驾驶地面车，以及麻省理工大学(MIT)学生设计的桥梁检测机器人。

<i>Victor Tango团队的Odin：DARPA城市挑战赛</i>

Victor Tango是由弗吉尼亚理工大学工程学学生组成的团队，他们成功搭建了一个完整的机器人系统来控制该团队的2005 Ford Escape混合动力车Odin。该团队在由89名参赛者参加的美国国防高级研究计划局(DARPA)城市挑战赛中获得第三名。Victor Tango团队采用LabVIEW图形化编程及CompactRIO来进行机器人控制系统的设计和建模。


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2010-3-9 20:16:09 上传
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图2. Victor Tango的Odin全自主车辆在拥有89名参赛者的DARPA城市挑战赛中获得第三名。

CompactRIO和LabVIEW为这个主要由机械工程师组成的团队提供了高级算法设计能力，而无需涉及太多的计算机科学背景。快速硬件和软件集成支持直观的应用调试，从而实现快速原型开发和设计优化。此外， CompactRIO可以为图像采集，传感器信号采集和系统控制提供时间关键处理, 在团队的成功中起到了关键作用。

<i>MIT用于桥梁检测的机器人</i>

在麻省理工大学(MIT)，机械工程学研究生在Harry Asada博士的指导下采用CompactRIO和LabVIEW开发了用于桥梁检测的紧凑型机器人。研究人员尝试采用可悬挂在需要监测的桥梁上的低功率机器人来创建虚拟传感器网络。机器人装备有摄像头和加速度计，从而可连续进行测量。


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图3. MIT桥梁检测机器人的最终设计中采用了磁铁来将其悬挂在桥梁下。

最终的设计中采用了磁铁将机器人永久倒立悬挂，允许机器人以最小的功率在各类表面上行动。最后，团队采用了CompactRIO和LabVIEW来实现控制算法。在机器人轨迹跟踪的设计和记录来自机器人摄像头和传感器数据等方面，CompactRIO起到了关键作用。机器人上搭载的FPGA用于高速电机控制及传感器反馈。

<strong>总结</strong>

美国国家仪器公司的机器人图形化系统设计方法向学生和工程师提供了高效解决工程问题的能力。通过CompactRIO和 LabVIEW图形化编程，使参加FIRST 机器人竞赛的学生能够接触到与MIT研究人员和弗吉尼亚理工大学工程系学生所用的相同的技术。

工业和学术界的每个人都能使用NI平台成功进行机器人系统的设计、建模和发布。美国国家仪器公司支持将机器人作为培养数学和科学明日之星的工具。从 FRC机器人到结构健康监测，LabVIEW和CompactRIO作为普适且直观式平台可用于解决当今大多数复杂问题。

NI公司供稿