借助National Instruments的LabVIEW嵌入式視覺系統(tǒng)的機器人

挑戰(zhàn):

為了和具有不同編程技能水平的團隊成員一起快速開發(fā)自治機器人系統(tǒng)，以便迅速、準確執(zhí)行《2010年田地機器人競賽》的復(fù)雜任務(wù)。

解決方案:

借助National Instruments的LabVIEW和嵌入式視覺系統(tǒng)，使用多核并行循環(huán)程序設(shè)計，制造必將獲得比賽勝利的機器人。

"借助LabVIEW，我們制創(chuàng)造了一個可以比其他軟件更快、能夠更好執(zhí)行競賽任務(wù)并且更加容易操作的機器人。”方提斯應(yīng)用科技大學(xué)注重于把學(xué)生培養(yǎng)成為全面發(fā)展的機械電子和機器人工程師。此項教育的關(guān)鍵要素包括是給學(xué)生提供了把工程原理應(yīng)用到真實世界問題上的親自實踐機會。"

方提斯應(yīng)用科技大學(xué)“谷神星”正通過一片玉米地

方提斯應(yīng)用科學(xué)大學(xué)致力于將學(xué)生變成一個全面發(fā)展的機電和機器人技術(shù)工程師。對這種教育的一個關(guān)鍵因素是讓工程原則面對現(xiàn)實問題的實習機會。

來自方提斯應(yīng)用科技大學(xué)工程系的大三學(xué)生接受了在四個月時間內(nèi)從頭開始開發(fā)機器人的挑戰(zhàn)，以便參加在德國不倫瑞克市舉辦的《2010年田地機器人競賽》?！短锏貦C器人競賽》是一個泛歐洲的比賽，由來自歐洲主要大學(xué)的20個團隊參加。每個團隊將建造一臺機器人，以執(zhí)行以下三項關(guān)鍵任務(wù)：

1.在三分鐘時間內(nèi)盡可能遠距離獨立行駛通過長線型、道路彎曲的玉米地行。

2.在寬達1米間隙的兩行直線型玉米地行之間導(dǎo)航，于三分鐘時間內(nèi)盡可能遠地行駛。

3.探測玉米稈之間的種子、灑水或者對種子進行有效處理。

機器人開發(fā)

我們把機器人命名為“谷神星(Ceres)”(以羅馬農(nóng)業(yè)女神命名)。谷神星包括兩個用于為四個車輪提供動力的馬達以及兩個用于方向控制的馬達。因為機器人的倒車與向前驅(qū)動完全一樣，從而簡化了軟件開發(fā)。

我們選擇LabVIEW實時模塊和National Instruments的嵌入式視覺系統(tǒng)，從頭開始制造谷神星。視覺系統(tǒng)是一個運行實時OS的嵌入式強固型計算機。我們在嵌入式系統(tǒng)上安裝了一個IEEE 1394彩色攝像機，它朝向一個安裝好的拋物面鏡并且提供機器人周圍區(qū)域360度景象。通過這種方法，我們用一臺攝像機就可以探測機器人周圍的物體，極大簡化了信號監(jiān)控和處理。嵌入式計算機使用串行端口與自行開發(fā)的馬達控制器通信。

可以進行并行處理障礙探測和路徑規(guī)劃的LabVIEW

在2009年的競賽中，我們的機器人基于安裝有Linux系統(tǒng)的計算機并且使用ANSI C算法。但是今年我們想要在較短的時間內(nèi)開發(fā)出具有更復(fù)雜的功能(與ANSI C算法相比較)的代碼。

對于2010年的競賽，我們選擇LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件進行更快、更容易地開發(fā)。沒有程序設(shè)計經(jīng)驗的團隊成員同樣可以借助LabVIEW GUI毫不費力地對項目做出貢獻。我們還使用LabVIEW 在代碼中實施并行處理，無需并行程序設(shè)計方面的大量經(jīng)驗。

LabVIEW中的實時處理和視覺整合還能夠確保比以往更加無縫的程序設(shè)計，節(jié)省了短期開發(fā)窗口的珍貴時間。我們還在原型開發(fā)期間使用網(wǎng)絡(luò)攝像機，因此我們可以在獲得機器人硬件之前開發(fā)代碼。

攝像機可以獲得30每秒幀數(shù)的圖像， LabVIEW視覺開發(fā)模塊可以覆蓋彎曲的感興趣區(qū)域(ROI)并且采用過度綠色濾波器。這是一種計算密集型的濾波器并且軟件根據(jù)RGB值重新計算了每個像素值。為了提高計算速度，我們采用LabVIEW 2009中的新增特性 —— 并行For循環(huán)，在不同處理器核上自動劃分For循環(huán)迭代，從而通過多線程處理器可以同時處理For循環(huán)的單個迭代。程序以感興趣區(qū)域(ROI)為閾值并且計算x軸上的累積直方圖。通過累積直方圖，軟件程序可以搜索玉米植株的邊緣并且相應(yīng)控制機器人的行駛方向。

結(jié)果

借助LabVIEW，我們制造了一個可以比其他軟件更快、更好執(zhí)行競賽任務(wù)并且更加容易操作的機器人。在《田地機器人競賽》中，谷神星在三項比賽中和16個團隊的機器人展開競爭并且贏得了其中兩項比賽的第一名，從而獲得了整體最高獎項。機器人在第一項比賽中表現(xiàn)得特別好，其行使速度比第二名快了三倍。

明年，一組新的學(xué)生將進一步改進谷神星。擬定的增強措施包括更好地探測種子，改良車輪和和轉(zhuǎn)彎半徑以及進一步優(yōu)化視覺代碼。