路 朋, 謝麗蓉, 常一峰, 胡婷婷

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047)

基于LabVIEW探測車運(yùn)動(dòng)功能的設(shè)計(jì)

路 朋, 謝麗蓉, 常一峰, 胡婷婷

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047)

設(shè)計(jì)了一臺(tái)多功能探測車,介紹了探測車的各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)過程。該設(shè)計(jì)以PC機(jī)和DaNI探測車的硬件平臺(tái)為基礎(chǔ),以LabVIEW 2013為主軟件開發(fā)平臺(tái),以LabVIEW Robotics、FPGA、Real-Time為輔助軟件,并配備了超聲波傳感器。通過LabVIEW Robotics 2013軟件編寫程序,可以控制探測車的運(yùn)動(dòng),完成自動(dòng)避開障礙物、手動(dòng)運(yùn)行、正多邊形運(yùn)行和S形軌跡運(yùn)行等多種功能。

探測車； LabVIEW； DaNI平臺(tái)； 運(yùn)動(dòng)控制； 避障功能

為了使探測車順利完成探測任務(wù),通常要求探測車的移動(dòng)具有靈活避障、越障、爬坡和較好被動(dòng)適應(yīng)地形的能力。先進(jìn)的導(dǎo)航技術(shù)和控制技術(shù)固然可使探測車的避障能力得以加強(qiáng),然而發(fā)展先進(jìn)的移動(dòng)系統(tǒng)、提高移動(dòng)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)中的行駛性能和工作穩(wěn)定性也是探測車研制的重要內(nèi)容[1]。在很多文獻(xiàn)中都有利用LabVIEW軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的記載[2-13],本文根據(jù)這些文獻(xiàn)的思路,以LabVIEW 2013為主軟件,以DaNI為測試平臺(tái),以LabVIEW Robotics、FPGA、Real-Time為輔助軟件,完成了探測車自動(dòng)避障、手動(dòng)控制、S形行走軌跡等功能的設(shè)計(jì)。

1 硬件系統(tǒng)介紹

采用的硬件為PC機(jī)和美國NI公司開發(fā)的DaNI探測車測試平臺(tái)(見圖1)及其配套設(shè)備。NI LabVIEW探測車起步包,也被稱為DaNI(NI公司研制的小型運(yùn)動(dòng)機(jī)器人),是一類工業(yè)級(jí)、現(xiàn)成的探測車平臺(tái),在設(shè)計(jì)上既適合傳授探測車和機(jī)電一體化概念,也適合探測車系統(tǒng)的原型開發(fā)。該套件提供了傳感器、電機(jī)以及用于嵌入式控制的NI Single-Board RIO設(shè)備,采用LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境,可對(duì)套件內(nèi)含的探測車進(jìn)行編程。

圖1 DaNI 2.0探測車測試平臺(tái)

控制模塊以NI Single-Board 9632為核心模塊,以FPGA模塊、Real-Time模塊為輔助模塊。電機(jī)采用2個(gè)12 V直流電機(jī),分別驅(qū)動(dòng)探測車的左右輪。所需電流范圍為0～4.66 A和堵轉(zhuǎn)電流4.6 A。Single-Board RIO嵌入式控制器的輸出電流為3 mA；傳感器采用頻率為40 kHz的超聲波傳感器,可以探測障礙物的最小距離為2 cm、最大距離為3 m。超聲波傳感器可在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)向,在運(yùn)動(dòng)過程中可以探測到前方180°范圍內(nèi)的障礙物。

2 運(yùn)動(dòng)功能系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

探測車多功能運(yùn)動(dòng)測試系統(tǒng)由DaNI測試平臺(tái)、Single-Board RIO、超聲波傳感器和系統(tǒng)軟件構(gòu)成,總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 探測車運(yùn)動(dòng)功能總體設(shè)計(jì)框圖

NI sbRIO-9632嵌入式控制器是DaNI探測車的核心,具有400 MHz工業(yè)處理器,內(nèi)部嵌有FPGA模塊,110條3.3 V(容限SV/兼容TTL)數(shù)字I/O線,32路單端/16路差分電路、16位分辨率、最高采樣速率達(dá)250 kS/s的模擬輸入通道,4路16位分辨率、最高更新率達(dá)100 kS/s的模擬輸出通道。另外還有3個(gè)連接器,適用于使用板卡級(jí)NIC系列I/O模塊的擴(kuò)展I/O。

可重新配置的I/O功能允許為DaNI探測車pigtail擴(kuò)展設(shè)計(jì)和開發(fā)所需的各種傳感器,如雷達(dá)、紅外線、陀螺儀等。sbRIO-9632在設(shè)計(jì)上能夠輕松嵌入高容量應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)靈活性、可靠性和高性能。

超聲波傳感器可測量到距離2 cm～3 m的障礙物,頻率為40 kHz。有一個(gè)伺服電機(jī)控制其掃描角度，可以掃描180°的周圍環(huán)境。

本系統(tǒng)采用NI sbRIO-9632嵌入式控制器作為整個(gè)測試系統(tǒng)的執(zhí)行單元,通過超聲波傳感器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場模擬信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過控制器內(nèi)部調(diào)理后,便可下達(dá)執(zhí)行指令?？刂破鲀?nèi)置10/100 Mbit/s以太網(wǎng)端口,可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)內(nèi)置式Web(HTTP)和文件(FTP)服務(wù)器上的編程通信。也可使用RS232串行端口來控制周邊設(shè)備。本文選用GPIB接口進(jìn)行通信,數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到1.5 Mbit/s,且傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性好。連接方式為總線并行式,儀器直接并聯(lián)在總線上,可與符合國際標(biāo)準(zhǔn)的各類程控儀器連接,構(gòu)成自動(dòng)化測試系統(tǒng)網(wǎng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)平臺(tái)

采用LabVIEW 2013作為探測車運(yùn)動(dòng)功能開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW的圖形化編程容易,具有豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫和分析子程序,使之在開發(fā)虛擬儀器上具有獨(dú)特優(yōu)勢。輔助軟件用NI推出的LabVIEW Robotics 2013,該軟件是圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(GSD)軟件的新成員,提供了標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)平臺(tái),用于設(shè)計(jì)探測車和自主控制系統(tǒng)。此外,LabVIEW Robotics 2013還提供了豐富的探測車函數(shù)庫,可以連接標(biāo)準(zhǔn)探測車的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu),集成了智能操作和感知的基礎(chǔ)算法,擁有探測車和自主式車輛的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)。以上軟件的配合編程,使用起來方便、快捷,大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

為使測試系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性并便于升級(jí),采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計(jì)方法,使功能程序和驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)獨(dú)立。軟件包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)參數(shù)配置、傳感器數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存等模塊,系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。當(dāng)用戶啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)后,系統(tǒng)進(jìn)行初始化,然后輸入功能參數(shù),數(shù)據(jù)輸入正確后將執(zhí)行選定的功能。如果數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤,則系統(tǒng)重新初始化。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

3.2.1 多功能環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

本文一共設(shè)計(jì)了4個(gè)功能,分別是自動(dòng)避障功能、手動(dòng)控制功能、正多邊形運(yùn)動(dòng)以及S形軌跡運(yùn)動(dòng)功能?？紤]到便于管理和操作方便等原因,結(jié)合了LabVIEW Robotics自帶的基礎(chǔ)程序,匯編出了一個(gè)總程序。在該總程序中,可以方便地選擇不同的功能,不僅直觀、方便,還可以使得界面更為美觀。

3.2.2 自動(dòng)避障功能設(shè)計(jì)

在自動(dòng)避障功能的設(shè)計(jì)中,首先給DaNI多功能探測車初始化,設(shè)定伺服電機(jī)帶動(dòng)超聲波傳感器的轉(zhuǎn)向角度。用一個(gè)周期為20 ms的定時(shí)循環(huán)來編寫程序,保證電機(jī)在運(yùn)行控制過程中的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。在程序中,采用了4個(gè)移位寄存器，分別將車與FPGA通信數(shù)據(jù)流、車運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)流、掃描障礙數(shù)據(jù)流和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)流在每次循環(huán)的終點(diǎn)又送回下一次循環(huán)的起點(diǎn),以保證每次循環(huán)正確、可靠地進(jìn)行。自動(dòng)避障程序圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)避障程序圖

3.2.3 手動(dòng)功能設(shè)計(jì)

在手動(dòng)控制功能程序的前面板中,垂直指針滑動(dòng)桿和水平指針滑動(dòng)桿分別代表探測車的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向角速度。此外,前面板中還有布爾量開始按鈕、暫停按鈕、停止按鈕、讀取距離按鈕。其中,布爾量開始按鈕用來控制探測車運(yùn)行,停止按鈕是用來結(jié)束整個(gè)程序,讀取距離按鈕用來顯示探測車行走的距離。手動(dòng)控制功能程序圖如圖5所示。

圖5 手動(dòng)控制功能程序圖

3.2.4 S形軌跡功能設(shè)計(jì)

在探測車的S形軌跡設(shè)計(jì)中,前面板設(shè)計(jì)較簡單,選取2個(gè)數(shù)值量分別表示探測車行走軌跡的半徑和速度,有一個(gè)布爾量表示停止。在前面板改變速度即可改變探測車行走一個(gè)半圓弧的時(shí)間,改變半徑即可改變探測車行走的一個(gè)半圓弧。首先通過半徑求出第一個(gè)弧長,根據(jù)弧長和速度求出行走時(shí)間t,由t來延時(shí)第一幀平鋪順序結(jié)構(gòu),用時(shí)間t計(jì)算出轉(zhuǎn)彎時(shí)需要的角速度ω,先設(shè)計(jì)出1/2圓弧,計(jì)算公式如下:

(1)

將所求出的角度和運(yùn)動(dòng)時(shí)前進(jìn)的速度,一同合并成數(shù)組并分別對(duì)應(yīng)X坐標(biāo)數(shù)值和Y坐標(biāo)數(shù)值,延時(shí)時(shí)間的單位用毫秒(ms),所以要進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換,把s換成ms。S形軌跡程序圖如圖6所示。

圖6 S形軌跡程序圖

3.2.5 正多邊形軌跡功能設(shè)計(jì)

采用2級(jí)平鋪順序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正多邊形軌跡,利用正多邊形內(nèi)角和、外角和計(jì)算出角度,輸入角度后需要轉(zhuǎn)化為弧度,之后給舵機(jī)賦值為“0”,這樣可以保證探測車的初始位置正好為0°。調(diào)用一個(gè)While循環(huán),定時(shí)為20 ms,保證程序的連續(xù)性。當(dāng)程序執(zhí)行到While循環(huán)時(shí),首先讀取角度,轉(zhuǎn)化為弧度后即可按特定多邊形運(yùn)行。正多邊形程序圖如圖7所示。

圖7 正多邊形程序圖

4 結(jié)束語

本文利用圖形化編程軟件LabVIEW進(jìn)行了探測車運(yùn)動(dòng)功能的開發(fā)及其程序設(shè)計(jì),分別完成了自動(dòng)避障功能、手動(dòng)功能、S形軌跡功能、正多邊形軌跡功能的設(shè)計(jì)。通過DaNI 2.0探測車平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場演示,表明設(shè)計(jì)是成功的。

References)

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Design of rover sport function based on LabVIEW

Lu Peng, Xie Lirong, Chang Yifeng, Hu Tingting

(College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)

This design adopted in PC hardware platform and DaNI robot, mainly 2013 LabVIEW software development platform, LabVIEW Robotics, FPGA, Real-Time for the auxiliary software, and cooperated with ultrasonic sensor to constitute a multifunctional machine sports car. Through LabVIEW Robotics 2013 software program, the movement of the robot can be controlled, to realize automatically avoiding obstacles, manual operation, regular polygon running and S-shaped path and other functions.

robot; LabVIEW; DaNI platform; motion control; obstacle avoidance

2015- 04- 21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51264036)；新疆大學(xué)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”精品課程建設(shè)項(xiàng)目(XJU201202)

路朋(1989—),男,河南周口,在讀碩士研究生,主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

E-mail：xjdxlu@163.com

謝麗蓉(1969—),女,湖南衡陽,碩士,副教授,主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì).

E-mail：wzywwwxr@163.com

TP242.6

A

1002-4956(2015)12- 0143- 03