LabVIEW開發(fā)家居監(jiān)控機(jī)器人LabVIEW開發(fā)家居監(jiān)控機(jī)器人

選用NI CompactRIO作為機(jī)器人的“小腦”。NI CompactRIO是美國NI公司的工業(yè)級(jí)嵌入式控制器，集成以太網(wǎng)接口和RS232串行接口，具有體積小，高可靠性，高性能，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

將各種設(shè)備的控制算法例如機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制，頭部運(yùn)動(dòng)控制，導(dǎo)航算法，基于以太網(wǎng)的光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集，與大腦通訊等程序部署在RT中；將數(shù)字信號(hào)采集，例如限位開關(guān)和緊急停止邏輯還有編碼器數(shù)據(jù)采集和處理，地盤運(yùn)動(dòng)伺服控制等算法部署在FPGA中。

選用工業(yè)嵌入式觸摸平板電腦IPC作為機(jī)器人的“大腦”。部署WinCE，具有人機(jī)界面功能以及觸摸屏交互功能，部署控制人臉識(shí)別模塊以及語音識(shí)別算法，智能家居監(jiān)控管理算法等。

用FSM來封裝每個(gè)設(shè)備對(duì)象：

Finite-state machine (FSM)稱為有限狀態(tài)機(jī)廣泛用于數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)程序。我們使用了兩種狀態(tài)機(jī)來封裝設(shè)備。String Based Queued State Machine基于字符串隊(duì)列狀態(tài)機(jī)和普通基于枚舉的狀態(tài)機(jī)。使用狀態(tài)機(jī)作為一種機(jī)制來處理單個(gè)設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，或者說，用狀態(tài)機(jī)這種行為模型來用于單個(gè)設(shè)備的事件處理。

圖 2 LIDAR 狀態(tài)機(jī)

例如光雷達(dá)的狀態(tài)機(jī)框圖，它具有4個(gè)狀態(tài)，Idle，Start，Running，Stop。在Running狀態(tài)中，程序不斷向光雷達(dá)發(fā)送指令讀取數(shù)據(jù)，然后由一個(gè)Shared Variable來傳出數(shù)據(jù)。使用一個(gè)LIRAR.vi來封裝這個(gè)狀態(tài)機(jī)。

圖 3 Remote Control Reaction 狀態(tài)機(jī)

圖3是一個(gè)遠(yuǎn)程控制指令解析狀態(tài)機(jī)，它使用String Based Queued State Machine來實(shí)現(xiàn)。這樣的好處是，可以使用隊(duì)列來組織動(dòng)作，較為靈活地實(shí)現(xiàn)各種不同組合以及復(fù)雜度。

每一個(gè)設(shè)備的狀態(tài)機(jī)都用一個(gè)獨(dú)立的vi來封裝，并且單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，這樣也有利于工程化。

多狀態(tài)機(jī)的協(xié)作：

單個(gè)狀態(tài)機(jī)只能完成部分功能，我們需要把所有設(shè)備狀態(tài)機(jī)集成起來，按照一定的通訊機(jī)制拼裝成一個(gè)完整的機(jī)器人。

由于所有的設(shè)備狀態(tài)機(jī)都由一個(gè)VI來封裝，只需要把他們拖入一個(gè)主vi中，就能調(diào)用他們。如圖所示：

圖 4狀態(tài)機(jī)集成

狀態(tài)機(jī)之間是通過Shared Variable來實(shí)現(xiàn)接受外部指令輸入以及自身狀態(tài)輸出的。同樣，這些Shared Variable都用一個(gè)VI進(jìn)行封裝以便進(jìn)行管理。

這樣，一個(gè)狀態(tài)機(jī)便可視為一個(gè)子系統(tǒng)。既然是系統(tǒng)，自然有系統(tǒng)的輸入和輸出，通過get，set等方法的vi，外部系統(tǒng)便可對(duì)這些子系統(tǒng)進(jìn)行操作或者交互。如圖所示，底盤狀態(tài)機(jī)使用getCommand.vi方法獲取外部命令。

圖 5 getCommand.vi

使用setCommand.vi方法讓外部系統(tǒng)傳輸命令給地盤狀態(tài)機(jī)。

圖6 Base.lvlib:setCommand.vi

底盤使用sendState.vi發(fā)送底盤狀態(tài)機(jī)狀態(tài)信息。如圖所示：

圖 7 Base.lvlib.sendState.vi

使用getState.vi方法獲取地盤狀態(tài)機(jī)信息。

圖 8 getState.vi

導(dǎo)航算法：

圖 9家居監(jiān)控機(jī)器人定位導(dǎo)航軟件控制框圖

總體設(shè)計(jì)

針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人家居環(huán)境下的定位問題，提出了一種結(jié)合平直線段匹配、角匹配和里程計(jì)的組合定位方法。該系統(tǒng)采用了Labview開發(fā)平臺(tái)和CompactRIO控制器，得到了很好的實(shí)時(shí)性效果。機(jī)器人首先通過二維激光測(cè)距儀通過TCP/IP得到環(huán)境點(diǎn)信息，然后通過迭代適應(yīng)點(diǎn)（IEPF）算法得到環(huán)境線段及zui小二乘法得到線段參數(shù)。在基于線段基礎(chǔ)上，得到局部的平直線段和角特征，再與已知平直線段和角特征做匹配，通過平直線段和角匹配算法實(shí)時(shí)更新機(jī)器人位置和姿態(tài)。分析里程計(jì)定位、平直線段匹配定位和角匹配定位的誤差，分配不同的權(quán)重得到優(yōu)化的組合定位算法。

軟件控制框圖

基于以上的設(shè)計(jì)，定位導(dǎo)航的軟件控制模塊設(shè)計(jì)如圖7所示。中心模塊為定位導(dǎo)航模塊，該模塊讀取起點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)模式數(shù)據(jù)及編碼器數(shù)據(jù)，同時(shí)讀取激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)提取角、平直線段特征和已知特征做匹配，其匹配算法輸出機(jī)器人位姿  。對(duì)于給定的目標(biāo)位姿，該模塊將計(jì)算出驅(qū)動(dòng)指令（Forward Speed、Delta angle、Turnspd Right、Turnspd Left對(duì)應(yīng)前進(jìn)速度、方向轉(zhuǎn)角、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)）和狀態(tài)信息如（bPos, bAngle）來判斷機(jī)器人是否到達(dá)目標(biāo)位置和姿態(tài)。

圖 10家居監(jiān)控機(jī)器人定位導(dǎo)航的輸入輸出信息部分

圖10為定位導(dǎo)航模塊部分的輸入輸出部分，上半部分的輸入信息中的已知角特征和全局線段為為已知地圖信息，下半部分的部分輸出信息包括直線段提取示意圖，路徑任務(wù)數(shù)組信息圖，實(shí)時(shí)顯示的機(jī)器人當(dāng)前位置信息、速度信息等。

線段特征提取

為得到環(huán)境的幾何線段信息，需要對(duì)激光測(cè)距儀的點(diǎn)集進(jìn)行分割，其分割算法可分為下列步驟：坐標(biāo)變換、區(qū)域分割、IEPF線段提取和zui小二乘法計(jì)算線段參數(shù)。其中區(qū)域分割：從初始點(diǎn)i=0開始檢測(cè)兩相鄰點(diǎn)  和  的距離，如距離值小于閾值D，則認(rèn)為屬于同一區(qū)域點(diǎn)集，否則開始一個(gè)新的區(qū)域。該過程遍歷所有點(diǎn)集。如果某區(qū)域點(diǎn)數(shù)目小于4個(gè)，則認(rèn)為噪聲區(qū)域，舍棄這些噪聲點(diǎn)。

圖 11  IEPF線段提取

IEPF提取線段：對(duì)于上述得到區(qū)域可能含有多條線段，IEPF線段提取算法是一種有效的線段提取方法。如圖11所示， Pm點(diǎn)到線段PsPe的距離大于閾值T，該方法把點(diǎn)集

 分為和

IEPF為迭代算法，對(duì)于  和   重復(fù)上述的算法知道  小于閾值  。該算法也有分割過細(xì)的時(shí)候，如圖9右半部中間兩條線段可通過檢查線段參數(shù)的辦法，對(duì)于斜率傾角誤差小于一定閾值的線段加以合并處理。線段參數(shù)可通過zui小二乘法計(jì)算求得。

如圖12所示為通過Labview實(shí)現(xiàn)的IEPF算法的區(qū)域分割算法，其中子VI  為IEPF算法分割出的子區(qū)域。

圖 12 包含IEPF算法的區(qū)域分割算法

具體組合定位算法可參考作者的另一篇發(fā)表在IEEE ICIA2010題為《A Corner and Straight line Matching Localization Method for Family Indoor Monitor Robot》的論文。

原型機(jī)照片：

圖 13家居監(jiān)控機(jī)器人在世博滬上生態(tài)家

總結(jié)：

        使用CompactRIO作為機(jī)器人主控制器配有集成的FPGA的支持，具有性能*，體積小，安全可靠，低功耗等特點(diǎn)，并且，數(shù)據(jù)采集能力和通訊能力強(qiáng)大，非常適合移動(dòng)機(jī)器人的原型開發(fā)。

    我們開業(yè)語言以LabVIEW為主，在硬件選型方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)我們也具備獨(dú)立的硬件開發(fā)及機(jī)械設(shè)計(jì)與加工能力，可以制作、加工非標(biāo)設(shè)備，滿足個(gè)性化的需求。"術(shù)業(yè)有專攻"，每個(gè)人都有自己zui擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。把這些工作交給我們，使您有精力做科研，這應(yīng)該是一個(gè)雙贏的局面。

服務(wù)領(lǐng)域涵蓋：

   LabVIEW 編程 開發(fā)

     LabVIEW作為圖形化編程語言，近幾年發(fā)展迅速，它具備開發(fā)快、可靠性高等特點(diǎn)，非常適合測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用。在該領(lǐng)域我們已經(jīng)有十年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，合作用戶涉及科研、國防、外企、大中小型各類企業(yè)。服務(wù)領(lǐng)域遍布自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)眾多領(lǐng)域，包括航空航天、汽車產(chǎn)品測(cè)試、工業(yè)自動(dòng)化、故障診斷、圖像處理等。

   非標(biāo)設(shè)備研制

    在系統(tǒng)開發(fā)過程中，購買不到的配件、電路板等產(chǎn)品，我們也可以進(jìn)行研制開發(fā)，為您提供一站式的服務(wù)。

   系統(tǒng)集成

為自動(dòng)化測(cè)試提供完整的解決方案。我們從設(shè)備選擇、采購、安裝、調(diào)試、控制、到配套產(chǎn)品的研制，涵蓋您科研生產(chǎn)的全過程。讓您全身心的投入到核心工作中來，減輕您的工作壓力，提升工作效率。

   產(chǎn)品合作開發(fā)

    如果您那有具有市場(chǎng)潛力的好產(chǎn)品、好創(chuàng)意，我們也愿意與您一起合作開發(fā)。在這方面我們也具備了一定的基礎(chǔ)，例如工業(yè)*/呼吸模擬器/人工肺，勞保測(cè)試產(chǎn)品"防塵測(cè)試儀"已經(jīng)成功推向了市場(chǎng)。成熟的技術(shù)+有潛力的市場(chǎng)，一直是我們追求的目標(biāo)。如果您有好的創(chuàng)意，或者現(xiàn)有的產(chǎn)品需要升級(jí)推廣，也歡迎與我們。

      王