用CompactRIO和LabVIEW開發下一代機器人控制系統

Author(s):
Bill Miller - FIRST
Frank Merrick - FIRST
Kate Pilotte - FIRST

Industry:
Mechatronics, Education

Products:
LabVIEW, CompactRIO

The Challenge:
為超過40,000名參加FIRST機器人競賽(FRC)的高中學生提供靈活、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。

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

FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology，鼓勵及認識科學技術)是工程師、發明家Dean Kamen先生于1989年創立的一個非營利組織，目的是激發青少年成為科學技術的未來領袖。FIRST 將學生們吸引到激動人心的機器人競賽中，學生團隊在專業導師的指導下進行復雜的機器人系統設計。項目結合了數學、工程學和技術；鼓勵創新；培養全方位的能力，包括自信心、交流及領導力。目前，已有將近200,000名來自世界各地的學生加入到FIRST項目中。加入到該組織往往會改變一個人的人生，因為FIRST 學生相比同齡學生更多地取得了工程、科學或數學學位，并繼續完成研究生學習。

?FIRST 項目由各個不同等級的競賽組成，針對從小學到高中學校的學生。最高等級的是FIRST 機器人競賽(FRC)，這是一項獨特的“青年學生頭腦運動”，幫助年輕人開發興趣并從工程和研究過程中獲得回報。FRC向學生和導師，一般為專業工程師發出挑戰，要求在六周內采用標準"Kit of Parts"及通用的規則來解決復雜的問題。團隊完成設計并建造機器人來滿足每屆競賽的特定挑戰。

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

艱難的設計限制反映了工業挑戰
設計和建造FRC機器人是一個段令人難忘的體驗，它真實地反映了現實世界中的工程項目。每年，學生們必須解決機器人設計中的機械設計、電子設計、編程等問題。所有FRC團隊只擁有有限的資金，僅有六周有限的時間，并且每年需要滿足不同的設計要求，需要快速學習新“Kit of Parts”。舉例來說，2009年的競賽中，要求團隊設計可行進于低摩擦力表面，同時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。有經驗的團隊甚至集成了各類傳感器和激勵器，如電機馬達和攝像頭。

FRC機器人需要新的大腦
在2007和2008年，我們開始計劃采用最新工業技術來升級FRC控制系統，在競賽中不斷挑戰參賽學生。我們希望學生能夠接觸大學甚至將來職業中廣泛使用的工業標準技術。此外，我們希望找到一個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I/O和傳感器，并且在競賽環境的操作中足夠耐用。參照機器人的復雜特性和較短的開發時間，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，或稱為機器人控制系統的“大腦”。通過與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以及基于現場可編程門陣列(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，功能強大的視覺處理能力，幫助學生創建高級機器人系統。參賽團隊能夠通過最新技術開發集成驅動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線監視及仿真技術。學生可以通過 LabVIEW圖形化編程軟件或ANSI C/C++語言在基于CompactRIO的平臺上對機器人進行編程。

NI提供獨特的軟硬件組合的平臺可應對復雜的機器人應用。例如，每年的挑戰中都包含部分自主控制操作，參賽團隊只允許通過遠程方式操控機器人；遠程控制下機器人得分比有線操控下的得分擁有更大的分值。以前，自主控制僅僅是一小部分團隊能夠掌握的操控模式。在新平臺更加鼓勵自主式操作的規則下，更多的團隊開始成功地應用自主式操控方案。

同時，多個工業領域的工程師正在使用CompactRIO也是我們決定選擇高品質及應用廣泛的工業技術的重要原因之一。我們讓學生接觸到當前工業工程中的挑戰，以及行業領先的工具及技術。NI與其供應商，如Analog Devices、Texas Instruments、Xilinx、Wind River、Freescale、Altera、Boston Engineering、ChipX、Dove Electronics、MSI、TTI及Westak合作，專門為FIRST提供CompactRIO控制器。除了為競賽提供高品質技術，NI還提供了專職的技術支持工程師及針對競賽的培訓資源。為了滿足導師和學生在競賽及設計中的培訓和支持需求，NI為FIRST參與者發起了一個在線用戶社團。NI FIRST機器人社團包括LabVIEW范例代碼、討論論壇及視頻教程，幫助參賽團隊快速應用新技術。該社團還培養了一個獨特的支持項目 – LabVIEW虛擬導師 – 使學生可以在線獲得專業工程師對機器人問題的指導。

分享成功的愿景
我們相信NI與我們有共同的愿景，那就是使FIRST更趨全球化，從而影響到更多學生。通過在競賽中的機器人平臺上加入CompactRIO和LabVIEW，我們提升了參賽團隊機器人的技術能力，使得該項目能夠吸引更多的學生參加。