基于LabVIEW和NI myRIO的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳小寧

摘? 要 依托世界移動(dòng)機(jī)器人技能大賽背景需求，采用中德棟梁移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，基于LabVIEW和NI myRIO進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，借助直流電機(jī)、伺服舵機(jī)及傳感器等，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)、智能距離檢測(cè)及路徑自主循跡等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較好地完成移動(dòng)機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)以及智能距離檢測(cè)的路徑自主循跡功能。此外，該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了完善的用戶操作界面，且具有高效靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)和較好的兼容性等特點(diǎn)，對(duì)探究智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展方向具有重要意義。

關(guān)鍵詞 LabVIEW;NI myRIO;移動(dòng)機(jī)器人;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）13-0027-03

1 引言

移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的重要組成部分，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)并在社會(huì)服務(wù)方面發(fā)揮重要作用。我國的移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步晚，但是隨著智能制造的發(fā)展浪潮以及“中國制造2025”的提出，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)將會(huì)迎來新的發(fā)展階段 [1]。

該設(shè)計(jì)以“第44屆世界技能大賽移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目”為背景，采用中德棟梁移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)模塊資源豐富，底層配置模塊完善，更有利于聚焦移動(dòng)機(jī)器人的功能設(shè)

計(jì)[2]。該比賽中的走廊區(qū)為移動(dòng)機(jī)器人自主路徑循跡區(qū)，機(jī)器人從起點(diǎn)位置出發(fā)，自主循跡通過走廊，沿途不能碰到走廊墻壁;通過走廊區(qū)后進(jìn)入下一個(gè)比賽區(qū)，完成后面的任務(wù)后，還要再回來自動(dòng)循跡通過走廊區(qū)以返回到起點(diǎn)?；谝陨峡刂埔螅疚脑O(shè)計(jì)一種基于LabVIEW和NI myRIO的路徑規(guī)劃及循跡的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該智能距離檢測(cè)循跡的輪式機(jī)器人是基于NI myRIO設(shè)計(jì)的，能夠借助智能距離檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)設(shè)方向路徑的自主循跡。其中，NI myRIO實(shí)物和移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物如圖1所示。

移動(dòng)機(jī)器人硬件由控制器、驅(qū)動(dòng)電路、多種傳感器及電源模塊等組成。其中，NI myRIO控制器作為核心處理器，負(fù)責(zé)采集所有傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，完成各個(gè)模塊間的通信連接并進(jìn)行控制等[3]。傳感器主要通過超聲波來檢測(cè)與前方墻體的距離，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給控制器。驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)控制四個(gè)輪上電機(jī)的啟動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和差速轉(zhuǎn)向控制。該系統(tǒng)配備一個(gè)12 V的可充電電池，為各個(gè)電路模塊提供電能。軟件方面，該系統(tǒng)使用LabVIEW進(jìn)行軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制程序的編寫，NI myRIO將處理后的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并在LabVIEW界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。該移動(dòng)機(jī)器人會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)功能邏輯在遇到墻體后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車、自動(dòng)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)自主循跡。其中，本控制系統(tǒng)的模塊組成如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

NI myRIO控制模塊? NI myRIO作為移動(dòng)機(jī)器人的大腦，完成了實(shí)時(shí)距離數(shù)據(jù)的檢測(cè)采集、數(shù)據(jù)處理與算法邏輯、電機(jī)和舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制以及模塊間的交互通信等功能。Xilinx FPGA的I/O可實(shí)現(xiàn)隨意的定制化功能，以更好地滿足系統(tǒng)需求;Xilinx FPGA采用的并行運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理方

式，更是滿足了移動(dòng)機(jī)器人對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、可靠性的需求。ARM Cortex A9 MCU具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，更是滿足了移動(dòng)機(jī)器人對(duì)數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度的需求。

距離檢測(cè)模塊? 本設(shè)計(jì)使用MaxBotix MB1010超聲波模塊進(jìn)行距離檢測(cè)，其測(cè)量距離范圍為2～400 cm，測(cè)量角度為15°。檢測(cè)的工作原理：控制器的DIO1端口輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，觸發(fā)聲波信號(hào)發(fā)射，當(dāng)信號(hào)碰到障礙物后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射信號(hào)，通過測(cè)量超聲波發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的時(shí)間差，將測(cè)量差乘以空氣的聲速，就可計(jì)算出前方障礙物的距離。該超聲波模塊由發(fā)射電路、接收電路以及控制電路組成。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊? 該系統(tǒng)通過NI myRIO控制器上的A端口產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)L298N進(jìn)行驅(qū)動(dòng)功率放大后，以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，完成移動(dòng)機(jī)器人的基本移動(dòng)。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分借助LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件架構(gòu)，各主要模塊的設(shè)計(jì)思路如下。

驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)? NI myRIO通過對(duì)四個(gè)直流電機(jī)的速度及方向的協(xié)同控制，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人在工作環(huán)境中的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及原地旋轉(zhuǎn)的全向移動(dòng)，使其按照期望路線行走。因此，電機(jī)的速度控制是該模塊非常重要的一部分。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中建立了直流電機(jī)的速度閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過編碼器反饋的脈沖數(shù)計(jì)算電機(jī)的反饋速度，使用PID調(diào)節(jié)器控制電機(jī)恒速運(yùn)行。通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)，電機(jī)可以快速達(dá)到目標(biāo)速度并且穩(wěn)定地運(yùn)行。帶PID調(diào)節(jié)的直流電機(jī)調(diào)速的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。

距離檢測(cè)模塊? 距離檢測(cè)功能是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行控制以及自主循跡非常重要的一個(gè)模塊。該模塊由多個(gè)子程序組成，將檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給控制系統(tǒng)。

在主程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須對(duì)超聲波傳感器的參數(shù)、前方墻體距離檢測(cè)算法的參數(shù)、Wi-Fi與上位機(jī)之間的通信等進(jìn)行初始化設(shè)置，使各個(gè)功能模塊都進(jìn)入正常工作狀態(tài)，為后續(xù)的一系列數(shù)據(jù)檢測(cè)及算法邏輯做準(zhǔn)備。智能距離檢測(cè)功能中，超聲波脈沖觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生通過調(diào)用while（） 循環(huán)程序持續(xù)產(chǎn)生。當(dāng)碰到障礙時(shí)，接收端會(huì)接收到反射信號(hào)。計(jì)數(shù)器記錄所用時(shí)間，待到高電平結(jié)束時(shí)，通過公式計(jì)算距離：

L=[聲速（340 m/s）×T]/2

計(jì)算所得距離將對(duì)比預(yù)設(shè)安全距離，當(dāng)大于安全距離時(shí)前進(jìn)，如圖4a所示;當(dāng)小于安全距離時(shí)停止，然后按預(yù)設(shè)方向順序進(jìn)行轉(zhuǎn)向，如圖4b所示。轉(zhuǎn)向完成之后，繼續(xù)向前移動(dòng)，如此循環(huán)往復(fù)，直到機(jī)器人到達(dá)終點(diǎn)。同時(shí)，控制器會(huì)通過Wi-Fi通信，實(shí)時(shí)將與前方墻體的實(shí)測(cè)距離數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端上位機(jī)進(jìn)行顯示，方便用戶監(jiān)控調(diào)試。該模塊的軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。

PC端的操作? 為方便用戶的使用操作以及增加可移植復(fù)用性，該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了完善的用戶界面。該項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的PC端上位機(jī)通過Wi-Fi與NI myRIO控制器之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各功能模塊關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)和最直觀的觀察。還可以通過該上位機(jī)界面上的啟停鍵、轉(zhuǎn)向鍵對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)進(jìn)行控制。此外，該移動(dòng)機(jī)器人還可通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)圖像傳輸?shù)墓δ?，為其廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)基礎(chǔ)。該P(yáng)C端上位機(jī)操作界面如圖5所示。

5 結(jié)論

本文以NI myRIO控制器為核心平臺(tái)，使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)制作了一種自主循跡的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)以世界技能大賽移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目作為應(yīng)用背景，對(duì)該系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性進(jìn)行了充分驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠很好地完成移動(dòng)機(jī)器人的基本移動(dòng)和距離檢測(cè)。

本項(xiàng)目成功地將myRIO強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力與LabVIEW 圖形化編程的優(yōu)勢(shì)完美結(jié)合，涉及多種先進(jìn)的專業(yè)技術(shù)，包括自動(dòng)控制原理、無線Wi-Fi通信、視頻采集、圖像傳輸、傳感器技術(shù)等。該機(jī)器人控制系統(tǒng)具有高可靠性、高實(shí)時(shí)性以及可擴(kuò)展性優(yōu)越等特點(diǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)了智能控制、自主避障循跡、人機(jī)交互等基本功能，還可進(jìn)行圖像處理及傳輸，搭載的NI myRIO控制器大大提高了該控制系統(tǒng)的運(yùn)算能力，為移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展提供了一個(gè)新的參考方向。■

參考文獻(xiàn)

[1]蔡卓凡.基于多超聲波傳感器避障機(jī)器人小車的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014（5）：85-89.

[2]陳威，陳靜.基于多傳感器的智能小車避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2018（7）：41-42.

[3]董存輝，擺玉龍，柴乾隆.基于模糊控制的自主尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012（5）：139-141.