如前所述Lucene构筑智能的终端机器人及超高速车

2023-07-20 07:25:35

　　如前所述LabVIEW构筑智能的终端机器人及超高速车

　　先进制造 ◇ 系列技术讲座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中国机器人行业典型研讨会

　　结语

　　1956年，基尼伯格和乔治迪沃尔发明了第两个真正意义上的机器人，Unimate，能继续执行存储在波季尔存储器中的掌控系统各项任务。到1961年，Unimate已经被成功应用于纸类的运输和焊接，现代上这样的组织工作由工人担任——冒着因排出气体中毒或丧失肢体的风险。 Unimate是机器人用于危险各项任务场合的晚期例子，如今，机器人掌控系统已经被广为应用于工业、农业、军事、航空航天、基础教育等各个应用领域。

机器人分类繁杂且关键性技术为数众多，从广义范畴上说，一般来说所说的机器人主要包括基础教育机器人、终端机器人、工业机械臂三大类。机械臂发展时间早，产业化某种程度高，相对已经有了成熟的行业化解方案，特别在汽车制造等应用领域，机械臂已被广为的运用于生产线装配。终端机器人形成繁杂、应用灵活，目前商业化某种程度还不高，相对处于最前沿科学研究的阶段，因此一直以来都是科学家和技师们关注的重点。本文将主要探讨终端机器人及超高速车的科学研究和开发。

　　图1 机器人掌控系统的分类

尽管终端机器人形成繁杂且关键性技术为数众多，但具有某些共同的构架和重要组成部分，是两个融合了为数众多机电掌控系统和组件的综合体系，并透过这些重要组成部分与组件的有机结合协同组织工作，虽然部分组件已有现成的软硬体辅助工具和化解方案，但如何快速地把各组件集成在一起、展开晚期的整体机能性验证，就成了决定机器人设计成败的关键性性环节。

　　GUI掌控系统设计——机器人设计的最前沿方法

　　在Google X PRIZE机构、FIRST组织（科学技术的启示与认知组织）、RoboCup以及美国国防高级科学研究计划处（DARPA）之间展开的竞争大力推进了机器人学应用领域的创新。富有创新思维的开发者们将机器人学的最前沿方法大力推进到了GUI掌控系统设计。在LabVIEWGUI编程平台下，机器人学的专家能对繁杂的机器人方案展开快速的原型设计。这些创新工能不用关心底层的实现细节，能将注意力集中到化解手上的工程问题中去。

　　机器人设计一般来说包含以下部分的组织工作内容，如图2所示：

　　感知掌控系统

－相连到陀螺仪、CCD、光电、超声等感应器，获取并处理信息

　　重大决策总体规划

　　－相当于机器人的‘大脑’，根据演算法展开掌控重大决策，顺利完成管理协同、信息处理、体育运动总体规划等各项任务

　　继续执行掌控

　　－根据具体的作业指令，透过驱动掌控器、编解码器和电机顺利完成机器人的转换器掌控与体育运动继续执行

　　互联网通讯与掌控

　　－机器人各组件间的通讯互联网，顺利完成分布式系统掌控与实时掌控

　　过去，由于在每个应用领域中必须采用各别的现代辅助工具，其中涉及的知识具有较大的纵向深度，机械技师、电气技师以及开发相关人员团队都各别党委机器人学的开发。LabVIEW和NI硬体提供了两个独特的、机能多样的平台，它提供了一套标准的可供所有机器人设计相关人员采用的辅助工具，从而使机器人开发得到了统一。

来自弗吉尼亚理工大学机器人学与机械实验室（RoMeLa）的科折粉，在Dennis Hong教授的党委下正在展开智能静态隐喻机器人（DARwin）的四足类人机器人的开发和科学研究，目的是对义肢展开科学研究和开发。DARwin采用NI LabVIEWGUI掌控系统设计平台，能实现全范围体育运动，并且能准确地模隐喻类体育运动。小学生采用LabVIEW分析静态四足体育运动、设计并开发机器人掌控掌控系统的原型。如果开发的原型能令人满意地组织工作，他们就将Bilaspur布署到运行LabVIEW实时组件的PC/104希伯尼安斯排序机上。

透过LabVIEW，设计相关人员无需成为排序机专家或开发相关人员，就能开发高级机器人。例如，一位只有有限LabVIEW和机器听觉经验的小学生在短短几个小时之内，就设计了两个让机器人利用它带有的IEEE 1394相机和NI机器听觉开发组件跟踪两个号球的演算法。技师们采用LabVIEW和NI硬体，就能采用机能强大的GUIC语言快速地设计并开发繁杂演算法的原型；并透过DDL方便快捷地将Bilaspur布署到PC、FPGA、微掌控器或实时掌控系统之中；还能与几乎所有的感应器、继续开伞器展开相连。此外，透过LabVIEW和NI硬体平台，能支持CAN、调制解调器、串行、USB等多种接口，方便快捷地构筑机器人掌控系统的通讯互联网。现在，专家不仅仅能顺利完成机械技师的组织工作，还能成为机器人设计者。

　　实例分析1：两广理工大学采用NI LabVIEW设计救生机器人蜘蛛

两广理工大学开发了两个用于支持营救组织工作的六足机器人蜘蛛。它是两个尺寸较小、可终端的智能机器人，在搜寻被陷的受害者时，它能越过障碍并到达一般来说难以触及的地方。替代如清扫雷区使之无雷化等危险各项任务中的组织工作相关人员也是机器人蜘蛛的另两个潜在应用应用领域。

他们设计了两个高度可终端的行走方案，它由六只独立的下肢组成，能任意方向终端机器人，即使在机器人终端一般来说不可行或过于危险的地带。行走与旋转均属于模仿六足昆虫而得的基本的高层次体育运动模式。透过三条下肢终端而另外三条下肢抬高，机器人能达到期望的行走速度，并提供恶劣地带所需的足够平衡。爬行时，机器人能挤压透过紧凑的空间和狭缝。单下肢的低层次体育运动步态是3D空间内的几何原语，如长方形或圆形轨道。

　　图3如前所述NI LabVIEW设计的救生机器人蜘蛛

　　1、24个自由度的多机能机电掌控系统及智能体育运动掌控下肢结构与体育运动掌控形成了机器人蜘蛛关键性特性的一部分。24只智能DC有刷电机共同驱动这些下肢，并充当行走结构中不可或缺的关节。这样得到了两个坚固的轻型结构，从而降低了功耗并改善了体育运动静态特性。

　　除了这些下肢，机器人蜘蛛的特性还在于典型的自主机器人组件，其中包括机器听觉、远程测量和无线通信。机器人坚固的壳体内包含有嵌入式硬体、两节7.2伏的锂聚合物电池和电量测量装置。各项任务参数、I/O设置和新的体育运动步态均能透过无线通信或可终端存储介质传递。

机器人蜘蛛的低层次体育运动有赖于运行时排序的繁杂数学模型。凭借ADI公司的Blackfin处理器的高级嵌入式排序能力和LabVIEW的确定性实时性能，机器人的体育运动表现得有力而平稳。如前所述NI LabVIEW嵌入式组件的程序连续运行两个逆动力学演算法，演算法包含三角函数和矩阵运算，求解恰当的关节角Θ1与Θ2，以沿着3D空间内的期望轨线精确终端末端继续执行装置。

　　所有六足的关节角度的排序并行顺利完成以确保静态体育运动，相应地也得到了连续排序所得的24个电机的设置点。这些设置点透过两个串行RS485互联网传递至每只电机，并由分散PD掌控器转换为实际继续执行动作。透过同样的互联网，顺利完成所有24只继续执行装置的位置、反馈和温度读数的采集。

　　2、GUI的实时掌控系统设计平台

机器人蜘蛛应用软件是利用面向Blackfin处理器的LabVIEW嵌入式组件编程实现的。LabVIEW为高层次编程、GUI调试、GUI多各项任务处理和确定性的实时行为，提供了两个理想的嵌入式软件平台。面向对象的设计模式有助于进一步掌控GUI层次上的繁杂度。例如电机或感应器等主要对象，透过LabVIEW中表示类的机能性全局变量加以抽象。

　　主要的应用框架由以下多个各项任务组成：

　　?顶层主循环对由两个经典状态机表示的动作展开总体规划，而状态机透过软件队列和同步方法（如信号量）与其它循环相连。通信各项任务保持两个与外部世界的无线数据相连。

　　?听觉各项任务负责低层次的图像处理和距离读数。

?体育运动掌控各项任务管理高层次的体育运动模式与低层次的肢体掌控，并监测马达的位置与状态。

　　?日常各项任务充当两个通用错误处理器。检测事件与异常，并将其及时间记录到可终端的存储介质，以供后续读取。

　　透过采用LabVIEW嵌入式组件所提供的GUI编程环境，以及Blackfin处理器的高处理器性能，开发周期也大为缩短。如前所述LabVIEW的GUI快速调试模式在演算法的工程实现过程中非常有用，缩短了5倍的开发时间。

　　实例分析2：弗吉尼亚理工大学采用NI LabVIEW设计全自主地面车参加DARPA 城市挑战赛

DARPA城市挑战赛需要设计一辆全自主地面车能在城市环境中自动导航行驶。在整个赛程中，全自主车需要在6小时内穿越60英里，途经道路、路口和停车场等各种交通状态。在比赛开始时，参赛者会拿到各项任务档案公路网地图，并指定需要按一定顺序访问的检查站。车辆需要考虑所选道路的车速限制，可能的道路堵塞，以及其他交通状况。车辆在行驶中必须遵守交通规则，在十字路口注意安全驾驶和避让，妥善地处理与其他车辆之间的互动，以最高30英里的时速避让静态和静态的障碍物。

来自弗吉尼亚理工大学的团队需要在12个月开发出全自主地面车，他们将开发各项任务分成四个主要部分：基础平台、感知掌控系统、重大决策总体规划和通讯架构，如图4所示。每一部分都如前所述NI的软硬体平台展开开发：透过NI硬体与现有车载掌控系统展开交互，并提供操作接口；采用LabVIEWGUI编程环境来开发掌控系统软件，包括通讯架构、感应器处理和目标识别演算法、激光测距仪和如前所述听觉的道路检测、驾驶行为掌控、以及底层的车辆接口。

　　图4 超高速车Odin的掌控系统构架

他们的参赛车Odin是2005年福特翼虎(Escape)混合动力型越野车，并为自主驾驶做了一定某种程度的改装。NI CompactRIO掌控系统与翼虎操控掌控系统展开交互，透过线控驱动(drive-by-wire)的方式掌控油门、方向盘、转向和制动。小学生们利用LabVIEW掌控设计与仿真组件开发了路径曲率和速度掌控掌控系统，并透过LabVIEW实时组件和FPGA组件布署到CompactRIO硬体平台加以实现，从而建立了两个独立的车辆掌控平台。与此同时，小学生采用LabVIEW触摸屏组件和NI TPC - 2006触摸屏构筑用户界面并安装在掌控台。

　　LabVIEW平台提供了两个直观，易于采用的调试环境，能让开发团队实时地监测源代码的运行，从而方便快捷的实现硬体在环调试。透过LabVIEW开发环境，团队快速能构筑掌控系统原型并加快设计的往复周期。此外， LabVIEW与硬体的无缝相连，对于继续执行某些关键性操作如感应器处理和车辆掌控是至关重要的。由于城市挑战赛问题繁杂且开发时间很短，这些因素对于开发团队的成功发挥了关键性作用。

　　总结

GUI掌控系统设计对于继续加快机器人设计中的创新而言是必不可少的。繁杂的现代辅助工具可能会阻碍机器人技术的进步。LabVIEW提供了两个综合的、可扩展的平台，能横跨设计、原型开发和布署阶段，因此技师们能不用为微小的实现细节所困扰，能更加关注机器人本身。他们能采用同样强大的平台，对微掌控器直至FPGA等各种掌控器展开编程；还能同几乎任何感应器和继续开伞器发送与接收信号；设计并仿真静态掌控掌控系统；以及实现展开远程监视或掌控机器人的接口。LabVIEWGUI掌控系统设计平台透过为所有机器人设计者提供两个统一的平台，鼓励设计更为精妙的机器人。

　　( 文章来源：互联网 )

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