王忠強(qiáng)， 謝麗蓉， 王晉瑞， 高 磊

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

基于LabVIEW Robotics移動(dòng)式探測(cè)車(chē)避障功能設(shè)計(jì)

王忠強(qiáng)， 謝麗蓉， 王晉瑞， 高 磊

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

以LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合LabVIEW輔助工具包，設(shè)計(jì)了具有避障功能的移動(dòng)探測(cè)車(chē)。上位機(jī)與下位機(jī)通信采用串口通信方式，以LabVIEW 2015為主軟件，將Robotics 2015、Sensors、FPGA、Real-Time、Processing Targets等輔助工具包嵌入到主軟件，通過(guò)在LabVIEW Robotics 2015軟件編程設(shè)置移動(dòng)探測(cè)車(chē)手動(dòng)啟停、自動(dòng)避障功能。測(cè)試表明：該平臺(tái)的搭建不僅可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)探測(cè)車(chē)避障功能，而且有利于編程簡(jiǎn)單化和減少工作量。

移動(dòng)式探測(cè)車(chē)； 避障功能; LabVIEW Robotics； DaNI2.0平臺(tái)

如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速避開(kāi)障礙物，到達(dá)指定地點(diǎn)是研究移動(dòng)機(jī)器人的重點(diǎn)[1-2]。目前，多數(shù)研究主要集中在路徑規(guī)劃與避障的算法上[3-5]，如改進(jìn)遺傳算法、蟻群算法、魚(yú)群算法，仿真結(jié)果表明以上算法具有一定的可行性，但是算法復(fù)雜、開(kāi)發(fā)工作量大。以高校實(shí)驗(yàn)室為主的移動(dòng)機(jī)器人避障的開(kāi)發(fā)，可以在一定程度上解決算法帶來(lái)的不足，文獻(xiàn)[6-8]運(yùn)用LabVIEW軟件在實(shí)驗(yàn)中完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[9-11]用LabVIEW軟件與硬件平臺(tái)結(jié)合完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與檢測(cè)；文獻(xiàn)[12]將LabVIEW軟件與教學(xué)相結(jié)合，搭建了適合學(xué)生自主學(xué)習(xí)的仿真平臺(tái)。

1 系統(tǒng)構(gòu)建方案

1.1 硬件系統(tǒng)介紹

硬件部分采用Parallax公司的PING系列產(chǎn)品的超聲波傳感器，頻率為40 kHz，探測(cè)距離范圍為0～3 m，可以完成精確的非接觸式測(cè)量；伺服電機(jī)采用2個(gè)12 V的直流電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)小車(chē)左右輪；前輪為萬(wàn)能導(dǎo)向輪，旋轉(zhuǎn)范圍360°；Single-Board RIO嵌入式控制器開(kāi)發(fā)板控制模塊用NI Single-Board 9632為核心，控制器處理速度為400 Hz，內(nèi)存128 MB，內(nèi)置集成了實(shí)時(shí)處理器(Real-Time模塊)，2 MB可重復(fù)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA模塊)、模擬和數(shù)字I/O，并可擴(kuò)展內(nèi)置模擬和數(shù)字I/O。上位機(jī)是本地計(jì)算機(jī)，運(yùn)行在LabVIEW 2015 軟件平臺(tái)上，進(jìn)行程序的編寫(xiě)和下載到控制器；上位機(jī)負(fù)責(zé)與下位機(jī)的通信，為遠(yuǎn)程用戶(hù)提供訪問(wèn)服務(wù)以及數(shù)據(jù)采集，下位機(jī)由以上硬件負(fù)責(zé)，通過(guò)傳輸線與上位機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)探測(cè)車(chē)的控制。DaNI 2.0探測(cè)車(chē)測(cè)試平臺(tái)見(jiàn)圖1。

圖1 DaNI 2.0探測(cè)車(chē)測(cè)試平臺(tái)

1.2 軟件系統(tǒng)介紹

LabVIEW 2015是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments，NI)推出的一款以“圖形化語(yǔ)言”為方式的集成化程序開(kāi)發(fā)軟件，其用圖標(biāo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)編程的文本，建立應(yīng)用程序的圖形化編輯語(yǔ)言。實(shí)驗(yàn)人員可以通過(guò)友好的圖形界面及圖形化編程語(yǔ)言控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行，完成對(duì)控制信號(hào)的采集以及對(duì)輸出信號(hào)的分析等，并可以通過(guò)修改輸入?yún)?shù)，得到不同的控制效果。LabVIEW Robotics 2015軟件(工具包)除了提供標(biāo)準(zhǔn)的用于設(shè)計(jì)探測(cè)車(chē)和自主控制系統(tǒng)的程序，還提供了豐富的探測(cè)車(chē)函數(shù)庫(kù)，集成了智能操作和感知的運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法，可以用于設(shè)計(jì)探測(cè)車(chē)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。此外，還將Sensors、FPGA、Real-Time、Processing Targets等輔助開(kāi)發(fā)軟件(工具包)內(nèi)嵌到LabVIEW 2015主軟件以配合使用、編程，縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間。LabVIEW Robotics 2015開(kāi)發(fā)程序基礎(chǔ)圖見(jiàn)圖2。

圖2 LabVIEW Robotics 2015開(kāi)發(fā)程序基礎(chǔ)圖

2 避障功能總體構(gòu)思

移動(dòng)探測(cè)車(chē)系統(tǒng)以NI LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展和開(kāi)發(fā)。采用兩輪差速轉(zhuǎn)向式的機(jī)械機(jī)構(gòu)：前面2個(gè)輪是主動(dòng)輪，由2臺(tái)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，后輪采用一個(gè)支撐架，在支撐架下方安裝轉(zhuǎn)向摩擦的輪子(功能類(lèi)似于萬(wàn)向輪)。這樣，可以通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的速度來(lái)移動(dòng)探測(cè)車(chē)的方向和速度。超聲波測(cè)距傳感器發(fā)射40 MHz超聲波信號(hào)，并對(duì)超聲回波進(jìn)行接收，經(jīng)嵌入式控制器運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)探測(cè)車(chē)對(duì)前端障礙距離的檢測(cè)，PC機(jī)通過(guò)傳輸線與探測(cè)車(chē)的控制器連接，將采集的信號(hào)送至PC機(jī)的相應(yīng)軟件界面顯示，PC機(jī)安裝LabVIEW 2015及Robotics 2015、Sensors、FPGA、Real-Time、Processing Targets等輔助軟件(工具包)，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。總體構(gòu)思結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

機(jī)器人避障功能設(shè)計(jì)采用LabVIEW 2015和Robotics 2015以及其他工具包為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該設(shè)計(jì)有3部分內(nèi)容，即前面板的設(shè)計(jì)、框圖和程序的設(shè)計(jì)，以及目標(biāo)和連接器的配置。LabVIEW程序設(shè)計(jì)采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的方法，在編寫(xiě)程序框圖前，首先要確定編程所需要的各個(gè)函數(shù)功能模塊，然后再編寫(xiě)程序，最后根據(jù)各個(gè)模塊的功能要求擬定參數(shù)并進(jìn)行調(diào)試和修改。編程的程序代碼以程序框圖表示，需在可執(zhí)行程序框圖中進(jìn)行編程，前面板上為輸入和輸出功能模塊，后面板為程序組成連接模塊。程序框圖包括前面板上系統(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)保存控件的連線端子以及函數(shù)、結(jié)構(gòu)、連線等。程序設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖4。

3.1 初始化模塊

模塊初始化中，前面板設(shè)置初始化的數(shù)值包括起點(diǎn)位置歸零；因?yàn)榻K點(diǎn)位置是障礙物，無(wú)法在初始化環(huán)節(jié)設(shè)置，所以設(shè)置一個(gè)顯示按鈕，顯示最終的障礙物距離。初始化中，機(jī)器人左右兩輪伺服電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)角度均歸零，以便在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前信息。此外，前面板中還有一個(gè)布爾量按鈕和讀取距離按鈕。布爾量按鈕用來(lái)對(duì)數(shù)值清零，距離按鈕對(duì)數(shù)值進(jìn)行保存并顯示機(jī)器人行走的距離。初始化功能程序框圖見(jiàn)圖5。

圖3 LabVIEW探測(cè)車(chē)避障功能總體結(jié)構(gòu)框圖

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2 電機(jī)循環(huán)控制模塊

電機(jī)循環(huán)控制模塊設(shè)計(jì)中，采用Robotics 2015 Starter Kit 2.0基礎(chǔ)編輯圖形，以單平鋪方式展開(kāi)。設(shè)計(jì)機(jī)器人左右兩輪伺服電機(jī)循環(huán)控制，首先設(shè)置機(jī)器人與PC之間連接的IP地址，保證連接通暢；在單層平鋪框中，設(shè)置機(jī)器人兩輪的前進(jìn)速度和傳感器旋轉(zhuǎn)角度；while語(yǔ)句中設(shè)置1 000 ms為一個(gè)循環(huán)周期，在while語(yǔ)句內(nèi)部，選擇條件框圖，分別為“超時(shí)”條件、“停止”條件、“前進(jìn)速度與旋轉(zhuǎn)角度”條件等具有條件判斷性的語(yǔ)句，每一個(gè)條件下都有相應(yīng)的程序框圖；while語(yǔ)句設(shè)置了4個(gè)移位寄存器，分別將探測(cè)車(chē)與FPGA通信的數(shù)據(jù)流、探測(cè)車(chē)運(yùn)動(dòng)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。電機(jī)循環(huán)控制程序框圖見(jiàn)圖6。

圖5 初始化功能程序框圖

圖6 電機(jī)循環(huán)控制程序框圖

3.3 速度計(jì)算模塊

控制器控制機(jī)器人的移動(dòng)，當(dāng)控制器將命令信號(hào)輸出到驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡將遵循輸出的命令信號(hào)。控制器給出典型的三段式運(yùn)動(dòng)速度曲線(包括加速、勻速和減速)，加速段是梯形圖的左邊，從停止位置開(kāi)始加速到規(guī)定的目標(biāo)速度，達(dá)到目標(biāo)速度至一定的時(shí)間段由控制器決定，設(shè)定距離障礙物的距離閾值，接近閾值時(shí)，開(kāi)始減速段的減速運(yùn)動(dòng)，直到速度減到零，停止到設(shè)置的閾值距離。三段式運(yùn)動(dòng)速度v曲線見(jiàn)圖7。

圖7 三段式運(yùn)動(dòng)速度曲線

以加速階段為例，傳感器檢測(cè)到障礙物的距離信號(hào)，并轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再轉(zhuǎn)化成加速值，如下式：

式中，Vcc為基準(zhǔn)電壓，g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

在while循環(huán)中，嵌套條件結(jié)構(gòu)1和條件結(jié)構(gòu)2，在結(jié)構(gòu)中編寫(xiě)加速、勻速和減速的程序，此3個(gè)階段的數(shù)值(寄存在X-Axis)都可在傳感器上讀取，a與X-Axis設(shè)置好的加速度相比較，若alt;-1為加速階段，-1lt;alt;1.5為勻速階段，agt;1.5為減速階段，對(duì)應(yīng)的加速程序框圖見(jiàn)圖8。

圖8 加速運(yùn)動(dòng)速度程序框圖

3.4 避障運(yùn)動(dòng)功能模塊

避障運(yùn)動(dòng)功能采用二級(jí)平鋪?lái)樞蚪Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一級(jí)平鋪?lái)樞蚪Y(jié)構(gòu)放置左、右電機(jī)和旋轉(zhuǎn)角度的圖形化程序；二級(jí)平鋪?lái)樞蚪Y(jié)構(gòu)一方面放置機(jī)器人循環(huán)控制的圖形化程序，保證對(duì)機(jī)器人的控制，另一方面，上位機(jī)與下位機(jī)之間的設(shè)置傳輸控制協(xié)議(TCP)要相符，保證超聲波傳感器測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，避障運(yùn)動(dòng)功能程序框圖見(jiàn)圖9。

圖9 避障運(yùn)動(dòng)功能程序框圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文在LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0硬件平臺(tái)基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了移動(dòng)式探測(cè)車(chē)(機(jī)器人)的避障功能設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹了設(shè)計(jì)的流程與步驟，采用圖形化編程語(yǔ)言減少了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)間及工作量，完成了系統(tǒng)初始化、電機(jī)控制、速度計(jì)算以及避障等功能設(shè)計(jì)，最后順利通過(guò)DaNI 2.0探測(cè)車(chē)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)演示，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

References)

[1] 尚偉燕,李舜酩.六輪腿式探測(cè)車(chē)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)械制造,2010(10):15-18.

[2] 路朋,謝麗蓉,常一峰,等.基于LabVIEW探測(cè)車(chē)運(yùn)動(dòng)功能的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(12):143-145,154.

[3] 石鐵峰.改進(jìn)遺傳算法在移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真,2011(4):193-195,303.

[4] 張銀玲,牛小梅.蟻群算法在移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中的仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2011(6):231-234.

[5] 周利坤,劉宏昭.自適應(yīng)人工魚(yú)群算法在清罐移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2012(7):1085-1089.

[6] 楊明剛,賈艷麗.基于LabVIEW的公共場(chǎng)所分布式節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(11):93-97.

[7] 趙莉華，張亞超，金陽(yáng)，等.基于LabVIEW和Matlab虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33(4)：62-64，67.

[8] 陳福彬,柴海莉,高晶敏.基于LabVIEW的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2012,31(11):9-14.

[9] 羅建,雷勇,黃昊,等.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(3):122-125.

[10] 廖柏林,毛凱文,劉暢,等.基于LabVIEW的電子線路虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技視界,2017(2):29.

[11] 張軍,陶君,許振華,等.基于虛擬仿真技術(shù)的CAN總線柔性化測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2017,36(7):97-102.

[12] 周雅,殷志鋒.LabVIEW環(huán)境下信號(hào)處理類(lèi)課程信息化實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(1):137-140.

Design on obstacle avoidance function of mobile detection vehicle based on LabVIEW Robotics

Wang Zhongqiang， Xie Lirong， Wang Jinrui， Gao Lei

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

Based on the hardware platform of LabVIEW Robotics Starter Kit 2.0, and combined with the LabVIEW auxiliary toolkit, a mobile detection vehicle with obstacle avoidance function is designed. The serial communication method is used to communicate the host computer with the lower computer, and the LabVIEW 2015 is adopted as the main software to embed the assistant tool kits such as Robotics 2015, Sensors, FPGA, Real-Time, Processing Targets, etc., into the main software. Through the LabVIEW Robotics 2015 software programming, the manual start and stop, and automatic obstacle avoidance functions of a mobile detection vehicle are set up. The experimental results show that the platform can not only realize the obstacle avoidance function of the mobile detection vehicle, but also simplify the programming and reduce the workload.

mobile detection vehicle; obstacle avoidance function; LabVIEW Robotics; DaNI2.0 platform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.022

TP242

A

1002-4956(2017)11-0086-05

2017-04-13

國(guó)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)

王忠強(qiáng)(1989—)，男，陜西榆林，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-mailxjdxwang@163.com

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

E-mailwzywwwxr@163.com