浅谈用CompactRIO和LabVIEW开发下一代机器人

　　The Challenge:

　　为超过40,000名参加FIRST机器人竞赛（FRC）的高中学生提供灵活、功能强大的机器人设计平台。

　　The Solution:

　　将配备功能强大的NI LabVIEW图形化编程软件的NI CompactRIO嵌入式控制器作为下一代FRC机器人控制平台。

　　LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显着区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

　　NI CompactRIO可编程自动控制器（PAC）是一种先进的嵌入式控制和数据采集系统，被设计用于需要高性能和高可靠性的应用。由于采用了开放和嵌入式结构的系统，尺寸小，极其坚固，且极具灵活性，您可以使用现成的商品硬件迅速的建立常用的嵌入式系统。当与NI 视觉开发模块2009或更新的版本结合时，CompactRIO是一种用于嵌式，工业化，实时机器视觉应用的有效平台。潜在的应用领域包括自主机器人，医疗器械，工业监测应用以及嵌入式应用。

　　"我们希望学生能够通过CompactRIO控制器在6周时间内快速设计并开发出先进的机器人。使用该控制平台开发的机器人将用于应对复杂的挑战，因此必须是聪明、快速、灵活、耐用、易于编程的。"

　　FRC团队打造的机器人必须应对现实世界中的设计挑战，能够完成诸如图像处理和多传感器数据采集等复杂任务。

　　FIRST （For Inspiration and Recognition of Science and Technology，鼓励及认识科学技术）是工程师、发明家Dean Kamen先生于1989年创立的一个非营利组织，目的是激发青少年成为科学技术的未来。FIRST将学生们吸引到激动人心的机器人竞赛中，学生团队在导师的指导下进行复杂的机器人系统设计。项目结合了数学、工程学和技术；鼓励创新；培养全方位的能力，包括自信心、交流及领导力。

　　FIRST 项目由各个不同等级的竞赛组成，针对从小学到高中学校的学生。等级的是FIRST 机器人竞赛（FRC），这是一项独特的“青年学生头脑运动”，帮助年轻人开发兴趣并从工程和研究过程中获得回报。FRC向学生和导师，一般为工程师发出挑战，要求在六周内采用标准"Kit of Parts"及通用的规则来解决复杂的问题。团队完成设计并建造机器人来满足每届竞赛的特定挑战。

　　FLL、FVC、FRC都是以迪安卡门为首的FIRST组织所创导的性的青少年机器人竞赛。FLL是以9—16岁约为小学和初中学生为对象的机器人竞赛。FVC是FIRST组织与Innovation First公司合作，应用Vex机器人套装，进行的是对抗性的球类比赛，分手动型和自动型两种，适用于高中生参与。

　　FIRST重新定义了获胜的条件，因为学生们已从出色的设计、团队精神、技能和成熟、以及克服困难的能力等方面获得了回报。此时获得更高的分数已经成为次要的了。

　　艰难的设计限制反映了工业挑战

　　设计和建造FRC机器人是一个段令人难忘的体验，它真实地反映了现实世界中的工程项目。每年，学生们必须解决机器人设计中的机械设计、电子设计、编程等问题。所有FRC团队只拥有有限的资金，仅有六周有限的时间，并且每年需要满足不同的设计要求，需要快速学习新“Kit of Parts”。举例来说，2009年的竞赛中，要求团队设计可行进于低摩擦力表面，同时收集目标物的机器人。几乎所有团队都将机器人程序编程为自主式或操纵杆操作模式的。有经验的团队甚至集成了各类传感器和激励器，如电机马达和摄像头。

　　FRC机器人需要新的大脑

　　在2007和2008年，我们开始计划采用工业技术来升级FRC控制系统，在竞赛中不断挑战参赛学生。我们希望学生能够接触大学甚至将来职业中广泛使用的工业标准技术。此外，我们希望找到一个灵活的嵌入式设计平台，提供软硬件工具之间的紧密集成性。系统还需要能够集成各类I/O和传感器，并且在竞赛环境的操作中足够耐用。

　　FIRST 选择美国国家仪器公司作为战略伙伴

　　我们采用美国国家仪器公司的CompactRIO平台作为下一代FRC 控制器，或称为机器人控制系统的“大脑”。通过与NI的合作，我们向高中生提供了高性能控制设备，包括400 MHz PowerPC以及基于现场可编程门阵列（FPGA）的I/O。CompactRIO模块化 I/O系统提供了与传感器、激励器阵列的连接性，功能强大的视觉处理能力，帮助学生创建机器人系统。参赛团队能够通过技术开发集成驱动控制和全自主系统的机器人，包括用于更多竞赛中控制和设计的无线监视及仿真技术。仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的 或设想的系统进行动验。学生可以通过 LabVIEW图形化编程软件或ANSI C/C++语言在基于CompactRIO的平台上对机器人进行编程。

　　可编程逻辑器件：即PLD,PLD是做为一种通用集成电路产生的，他的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。PLD与一般数字芯片不同的是：PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划决定，有些类型的PLD也允许在规划决定后再次进行变更、改变，而一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路，无法在出厂后再次改变，事实上一般的模拟芯片、混讯芯片也都一样，都是在出厂后就无法再对其内部电路进行调修。

　　NI提供独特的软硬件组合的平台可应对复杂的机器人应用。例如，每年的挑战中都包含部分自主控制操作，参赛团队只允许通过远程方式操控机器人；远程控制下机器人得分比有线操控下的得分拥有更大的分值。以前，自主控制仅仅是一小部分团队能够掌握的操控模式。在新平台更加鼓励自主式操作的规则下，更多的团队开始成功地应用自主式操控方案。

　　同时，多个工业领域的工程师正在使用CompactRIO也是我们决定选择高品质及应用广泛的工业技术的重要原因之一。我们让学生接触到当前工业工程中的挑战，以及行业的工具及技术。NI与其供应商，如Analog Devices、Texas Instruments、AnalogDevice公司推出的SoundMAX，是一种集成在主板上或安装在CNR插槽上的声卡技术，主要有高性能的硬件解码器（Codec）组成，拥有硬件级的数据处理转换能力和94dB（分贝）的音质回放能力，是高质量AC97音频方案的杰出代表。也就是说通过使用SoundMAX，可以让我们廉价的AC97声卡发出高品质的3D音效和的MIDI合成效果。Xilinx、Wind River、Freescale、Altera、Boston Engineering、ChipX、Dove Electronics、MSI、TTI及Westak合作，专门为FIRST提供CompactRIO控制器。除了为竞赛提供高品质技术，NI还提供了专职的技术支持工程师及针对竞赛的培训资源。为了满足导师和学生在竞赛及设计中的培训和支持需求，NI为FIRST参与者发起了一个在线用户社团。NI FIRST机器人社团包括LabVIEW范例代码、讨论论坛及视频教程，帮助参赛团队快速应用新技术。

　　分享成功的愿景

　　我们相信NI与我们有共同的愿景，那就是使FIRST更趋化，从而影响到更多学生。通过在竞赛中的机器人平台上加入CompactRIO和LabVIEW，我们提升了参赛团队机器人的技术能力，使得该项目能够吸引更多的学生参加。