用CompactRIO和LabVIEW開(kāi)發(fā)下一代機器人控制系統

　　The Challenge:

　　為超過(guò)40,000名參加FIRST機器人競賽(FRC)的高中學(xué)生提供靈活、功能強大的機器人設計平臺。

　　The Solution:

　　將配備功能強大的NI LabVIEW圖形化編程軟件的NI CompactRIO嵌入式控制器作為下一代FRC機器人控制平臺。

　　"我們希望學(xué)生能夠通過(guò)CompactRIO控制器在6周時(shí)間內快速設計并開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的機器人。使用該控制平臺開(kāi)發(fā)的機器人將用于應對復雜的挑戰，因此必須是聰明、快速、靈活、耐用、易于編程的。"

　　FRC團隊打造的機器人必須應對現實(shí)世界中的設計挑戰，能夠完成諸如圖像處理和多傳感器數據采集等復雜任務(wù)。

　　FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology，鼓勵及認識科學(xué)技術(shù))是工程師、發(fā)明家Dean Kamen先生于1989年創(chuàng )立的一個(gè)非營(yíng)利組織，目的是激發(fā)青少年成為科學(xué)技術(shù)的未來(lái)領(lǐng)袖。FIRST 將學(xué)生們吸引到激動(dòng)人心的機器人競賽中，學(xué)生團隊在專(zhuān)業(yè)導師的指導下進(jìn)行復雜的機器人系統設計。項目結合了數學(xué)、工程學(xué)和技術(shù)；鼓勵創(chuàng )新；培養全方位的能力，包括自信心、交流及領(lǐng)導力。目前，已有將近200,000名來(lái)自世界各地的學(xué)生加入到FIRST項目中。加入到該組織往往會(huì )改變一個(gè)人的人生，因為FIRST 學(xué)生相比同齡學(xué)生更多地取得了工程、科學(xué)或數學(xué)學(xué)位，并繼續完成研究生學(xué)習。

　　FIRST 項目由各個(gè)不同等級的競賽組成，針對從小學(xué)到高中學(xué)校的學(xué)生。最高等級的是FIRST 機器人競賽(FRC)，這是一項獨特的“青年學(xué)生頭腦運動(dòng)”，幫助年輕人開(kāi)發(fā)興趣并從工程和研究過(guò)程中獲得回報。FRC向學(xué)生和導師，一般為專(zhuān)業(yè)工程師發(fā)出挑戰，要求在六周內采用標準"Kit of Parts"及通用的規則來(lái)解決復雜的問(wèn)題。團隊完成設計并建造機器人來(lái)滿(mǎn)足每屆競賽的特定挑戰。

　　FIRST重新定義了獲勝的條件，因為學(xué)生們已從出色的設計、團隊精神、專(zhuān)業(yè)技能和成熟、以及克服困難的能力等方面獲得了回報。此時(shí)獲得更高的分數已經(jīng)成為次要的了。

　　艱難的設計限制反映了工業(yè)挑戰

　　設計和建造FRC機器人是一個(gè)段令人難忘的體驗，它真實(shí)地反映了現實(shí)世界中的工程項目。每年，學(xué)生們必須解決機器人設計中的機械設計、電子設計、編程等問(wèn)題。所有FRC團隊只擁有有限的資金，僅有六周有限的時(shí)間，并且每年需要滿(mǎn)足不同的設計要求，需要快速學(xué)習新“Kit of Parts”。舉例來(lái)說(shuō)，2009年的競賽中，要求團隊設計可行進(jìn)于低摩擦力表面，同時(shí)收集目標物的機器人。幾乎所有團隊都將機器人程序編程為自主式或操縱桿操作模式的。有經(jīng)驗的團隊甚至集成了各類(lèi)傳感器和激勵器，如電機馬達和攝像頭。

　　FRC機器人需要新的大腦

　　在2007和2008年，我們開(kāi)始計劃采用最新工業(yè)技術(shù)來(lái)升級FRC控制系統，在競賽中不斷挑戰參賽學(xué)生。我們希望學(xué)生能夠接觸大學(xué)甚至將來(lái)職業(yè)中廣泛使用的工業(yè)標準技術(shù)。此外，我們希望找到一個(gè)靈活的嵌入式設計平臺，提供軟硬件工具之間的緊密集成性。系統還需要能夠集成各類(lèi)I/O和傳感器，并且在競賽環(huán)境的操作中足夠耐用。參照機器人的復雜特性和較短的開(kāi)發(fā)時(shí)間，以上所有要求都是非常必要的。

　　FIRST 選擇美國國家儀器公司作為戰略伙伴

　　我們采用美國國家儀器公司的CompactRIO平臺作為下一代FRC 控制器，或稱(chēng)為機器人控制系統的“大腦”。通過(guò)與NI的合作，我們向高中生提供了高性能控制設備，包括400 MHz PowerPC以及基于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的I/O。CompactRIO模塊化 I/O系統提供了與傳感器、激勵器陣列的連接性，功能強大的視覺(jué)處理能力，幫助學(xué)生創(chuàng )建高級機器人系統。參賽團隊能夠通過(guò)最新技術(shù)開(kāi)發(fā)集成驅動(dòng)控制和全自主系統的機器人，包括用于更多競賽中控制和精確設計的無(wú)線(xiàn)監視及仿真技術(shù)。學(xué)生可以通過(guò) LabVIEW圖形化編程軟件或ANSI C/C++語(yǔ)言在基于CompactRIO的平臺上對機器人進(jìn)行編程。