借助National Instruments的LabVIEW嵌入式視覺(jué)系統

挑戰:

為了和具有不同編程技能水平的團隊成員一起快速開(kāi)發(fā)自治機器人系統，以便迅速、準確執行《2010年田地機器人競賽》的復雜任務(wù)。

解決方案:

借助National Instruments的LabVIEW和嵌入式視覺(jué)系統，使用多核并行循環(huán)程序設計，制造必將獲得比賽勝利的機器人。

借助LabVIEW，我們制創(chuàng )造了一個(gè)可以比其他軟件更快、能夠更好執行競賽任務(wù)并且更加容易操作的機器人。”方提斯應用科技大學(xué)注重于把學(xué)生培養成為全面發(fā)展的機械電子和機器人工程師。此項教育的關(guān)鍵要素包括是給學(xué)生提供了把工程原理應用到真實(shí)世界問(wèn)題上的親自實(shí)踐機會(huì )。

方提斯應用科技大學(xué)“谷神星”正通過(guò)一片玉米地

方提斯應用科學(xué)大學(xué)致力于將學(xué)生變成一個(gè)全面發(fā)展的機電和機器人技術(shù)工程師。對這種教育的一個(gè)關(guān)鍵因素是讓工程原則面對現實(shí)問(wèn)題的實(shí)習機會(huì )。

來(lái)自方提斯應用科技大學(xué)工程系的大三學(xué)生接受了在四個(gè)月時(shí)間內從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)機器人的挑戰，以便參加在德國不倫瑞克市舉辦的《2010年田地機器人競賽》?！短锏貦C器人競賽》是一個(gè)泛歐洲的比賽，由來(lái)自歐洲主要大學(xué)的20個(gè)團隊參加。每個(gè)團隊將建造一臺機器人，以執行以下三項關(guān)鍵任務(wù)：

1.在三分鐘時(shí)間內盡可能遠距離獨立行駛通過(guò)長(cháng)線(xiàn)型、道路彎曲的玉米地行。

2.在寬達1米間隙的兩行直線(xiàn)型玉米地行之間導航，于三分鐘時(shí)間內盡可能遠地行駛。

3.探測玉米稈之間的種子、灑水或者對種子進(jìn)行有效處理。

機器人開(kāi)發(fā)

我們把機器人命名為“谷神星(Ceres)”(以羅馬農業(yè)女神命名)。谷神星包括兩個(gè)用于為四個(gè)車(chē)輪提供動(dòng)力的馬達以及兩個(gè)用于方向控制的馬達。因為機器人的倒車(chē)與向前驅動(dòng)完全一樣，從而簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)。

我們選擇LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和National Instruments的嵌入式視覺(jué)系統，從頭開(kāi)始制造谷神星。視覺(jué)系統是一個(gè)運行實(shí)時(shí)OS的嵌入式強固型計算機。我們在嵌入式系統上安裝了一個(gè)IEEE 1394彩色攝像機，它朝向一個(gè)安裝好的拋物面鏡并且提供機器人周?chē)鷧^域360度景象。通過(guò)這種方法，我們用一臺攝像機就可以探測機器人周?chē)奈矬w，極大簡(jiǎn)化了信號監控和處理。嵌入式計算機使用串行端口與自行開(kāi)發(fā)的馬達控制器通信。

可以進(jìn)行并行處理障礙探測和路徑規劃的LabVIEW

在2009年的競賽中，我們的機器人基于安裝有Linux系統的計算機并且使用ANSI C算法。但是今年我們想要在較短的時(shí)間內開(kāi)發(fā)出具有更復雜的功能(與ANSI C算法相比較)的代碼。

對于2010年的競賽，我們選擇LabVIEW圖形化系統設計軟件進(jìn)行更快、更容易地開(kāi)發(fā)。沒(méi)有程序設計經(jīng)驗的團隊成員同樣可以借助LabVIEW GUI毫不費力地對項目做出貢獻。我們還使用LabVIEW 在代碼中實(shí)施并行處理，無(wú)需并行程序設計方面的大量經(jīng)驗。

LabVIEW中的實(shí)時(shí)處理和視覺(jué)整合還能夠確保比以往更加無(wú)縫的程序設計，節省了短期開(kāi)發(fā)窗口的珍貴時(shí)間。我們還在原型開(kāi)發(fā)期間使用網(wǎng)絡(luò )攝像機，因此我們可以在獲得機器人硬件之前開(kāi)發(fā)代碼。

攝像機可以獲得30每秒幀數的圖像， LabVIEW視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊可以覆蓋彎曲的感興趣區域(ROI)并且采用過(guò)度綠色濾波器。這是一種計算密集型的濾波器并且軟件根據RGB值重新計算了每個(gè)像素值。為了提高計算速度，我們采用LabVIEW 2009中的新增特性 —— 并行For循環(huán)，在不同處理器核上自動(dòng)劃分For循環(huán)迭代，從而通過(guò)多線(xiàn)程處理器可以同時(shí)處理For循環(huán)的單個(gè)迭代。程序以感興趣區域(ROI)為閾值并且計算x軸上的累積直方圖。通過(guò)累積直方圖，軟件程序可以搜索玉米植株的邊緣并且相應控制機器人的行駛方向。

結果

借助LabVIEW，我們制造了一個(gè)可以比其他軟件更快、更好執行競賽任務(wù)并且更加容易操作的機器人。在《田地機器人競賽》中，谷神星在三項比賽中和16個(gè)團隊的機器人展開(kāi)競爭并且贏(yíng)得了其中兩項比賽的第一名，從而獲得了整體最高獎項。機器人在第一項比賽中表現得特別好，其行使速度比第二名快了三倍。

明年，一組新的學(xué)生將進(jìn)一步改進(jìn)谷神星。擬定的增強措施包括更好地探測種子，改良車(chē)輪和和轉彎半徑以及進(jìn)一步優(yōu)化視覺(jué)代碼。