基于LabVIEW和NI myRIO的移动机器人系统设计

    陈小宁

    

    

    

    摘? 要 依托世界移动机器人技能大赛背景需求，采用中德栋梁移动机器人平台，基于LabVIEW和NI myRIO进行移动机器人控制系统的设计，借助直流电机、伺服舵机及传感器等，实现移动机器人的基本运动、智能距离检测及路径自主循迹等功能。实验结果表明，该系统能较好地完成移动机器人的基本运动以及智能距离检测的路径自主循迹功能。此外，该系统还设计了完善的用户操作界面，且具有高效灵活、可扩展性强和较好的兼容性等特点，对探究智能移动机器人的发展方向具有重要意义。

    关键词 LabVIEW;NI myRIO;移动机器人;控制系统

    中图分类号：TP242? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）13-0027-03

    1 引言

    移動机器人是机器人领域的重要组成部分，目前广泛应用于工业生产并在社会服务方面发挥重要作用。我国的移动机器人产业起步晚，但是随着智能制造的发展浪潮以及“中国制造2025”的提出，移动机器人技术将会迎来新的发展阶段 [1]。

    该设计以“第44届世界技能大赛移动机器人项目”为背景，采用中德栋梁移动机器人平台，该平台模块资源丰富，底层配置模块完善，更有利于聚焦移动机器人的功能设

    计[2]。该比赛中的走廊区为移动机器人自主路径循迹区，机器人从起点位置出发，自主循迹通过走廊，沿途不能碰到走廊墙壁;通过走廊区后进入下一个比赛区，完成后面的任务后，还要再回来自动循迹通过走廊区以返回到起点。基于以上控制要求，本文设计一种基于LabVIEW和NI myRIO的路径规划及循迹的移动机器人控制系统。

    2 控制系统结构

    该智能距离检测循迹的轮式机器人是基于NI myRIO设计的，能够借助智能距离检测实现对预设方向路径的自主循迹。其中，NI myRIO实物和移动机器人实物如图1所示。

    移动机器人硬件由控制器、驱动电路、多种传感器及电源模块等组成。其中，NI myRIO控制器作为核心处理器，负责采集所有传感器的数据并进行处理，完成各个模块间的通信连接并进行控制等[3]。传感器主要通过超声波来检测与前方墙体的距离，并将数据实时发送给控制器。驱动电路负责控制四个轮上电机的启动、停止和正反转，从而实现对移动机器人的前进、后退和差速转向控制。该系统配备一个12 V的可充电电池，为各个电路模块提供电能。软件方面，该系统使用LabVIEW进行软件架构设计以及控制程序的编写，NI myRIO将处理后的相关数据发送给上位机，并在LabVIEW界面上进行实时显示。该移动机器人会根据预设功能逻辑在遇到墙体后实现自动停车、自动转向、自动前进，从而实现自主循迹。其中，本控制系统的模块组成如图2所示。

    3 控制系统的电路设计

    NI myRIO控制模块? NI myRIO作为移动机器人的大脑，完成了实时距离数据的检测采集、数据处理与算法逻辑、电机和舵机的驱动控制以及模块间的交互通信等功能。Xilinx FPGA的I/O可实现随意的定制化功能，以更好地满足系统需求;Xilinx FPGA采用的并行运算及数据处理方

    式，更是满足了移动机器人对数据实时性、可靠性的需求。ARM Cortex A9 MCU具有强大的运算能力，更是满足了移动机器人对数据处理复杂度的需求。

    距离检测模块? 本设计使用MaxBotix MB1010超声波模块进行距离检测，其测量距离范围为2～400 cm，测量角度为15°。检测的工作原理：控制器的DIO1端口输出一个脉冲信号，触发声波信号发射，当信号碰到障碍物后会产生一个反射信号，通过测量超声波发射信号和反射信号的时间差，将测量差乘以空气的声速，就可计算出前方障碍物的距离。该超声波模块由发射电路、接收电路以及控制电路组成。

    电机驱动模块? 该系统通过NI myRIO控制器上的A端口产生控制信号，经L298N进行驱动功率放大后，以驱动直流电机的旋转，完成移动机器人的基本移动。

    4 控制系统的软件设计

    本系统软件部分借助LabVIEW进行设计，采用模块化设计进行软件架构，各主要模块的设计思路如下。

    驱动模块软件设计? NI myRIO通过对四个直流电机的速度及方向的协同控制，可以实现移动机器人在工作环境中的前进、后退、左转、右转及原地旋转的全向移动，使其按照期望路线行走。因此，电机的速度控制是该模块非常重要的一部分。

    该系统设计中建立了直流电机的速度闭环调节系统，通过编码器反馈的脉冲数计算电机的反馈速度，使用PID调节器控制电机恒速运行。通过调节PI参数，电机可以快速达到目标速度并且稳定地运行。带PID调节的直流电机调速的软件设计如图3所示。

    距离检测模块? 距离检测功能是移动机器人运行控制以及自主循迹非常重要的一个模块。该模块由多个子程序组成，将检测的相关数据实时发送给控制系统。

    在主程序设计时，首先必须对超声波传感器的参数、前方墙体距离检测算法的参数、Wi-Fi与上位机之间的通信等进行初始化设置，使各个功能模块都进入正常工作状态，为后续的一系列数据检测及算法逻辑做准备。智能距离检测功能中，超声波脉冲触发信号的产生通过调用while（） 循环程序持续产生。当碰到障碍时，接收端会接收到反射信号。计数器记录所用时间，待到高电平结束时，通过公式计算距离：

    L=[声速（340 m/s）×T]/2

    计算所得距离将对比预设安全距离，当大于安全距离时前进，如图4a所示;当小于安全距离时停止，然后按预设方向顺序进行转向，如图4b所示。转向完成之后，继续向前移动，如此循环往复，直到机器人到达终点。同时，控制器会通过Wi-Fi通信，实时将与前方墙体的实测距离数据发送给PC端上位机进行显示，方便用户监控调试。该模块的软件设计如图4所示。

    PC端的操作? 为方便用户的使用操作以及增加可移植复用性，该系统还设计了完善的用户界面。该项目所设计的PC端上位机通过Wi-Fi与NI myRIO控制器之间进行实时通信数据传输，实现对机器人各功能模块关键参数的监测和最直观的观察。还可以通过该上位机界面上的启停键、转向键对移动机器人的移动进行控制。此外，该移动机器人还可通过Wi-Fi实现图像传输的功能，为其广泛应用提供坚实的平台基础。该PC端上位机操作界面如图5所示。

    5 结论

    本文以NI myRIO控制器为核心平台，使用LabVIEW开发环境，设计制作了一种自主循迹的移动机器人控制系统。该设计以世界技能大赛移动机器人项目作为应用背景，对该系统的可行性、稳定性进行了充分验证。实验证明，该系统能够很好地完成移动机器人的基本移动和距离检测。

    本项目成功地将myRIO强大的数据处理能力与LabVIEW 图形化编程的优势完美结合，涉及多种先进的专业技术，包括自动控制原理、无线Wi-Fi通信、视频采集、图像传输、传感器技术等。该机器人控制系统具有高可靠性、高实时性以及可扩展性优越等特点，不仅实现了智能控制、自主避障循迹、人机交互等基本功能，还可进行图像处理及传输，搭载的NI myRIO控制器大大提高了该控制系统的运算能力，为移动机器人的发展提供了一个新的参考方向。■

    参考文献

    [1]蔡卓凡.基于多超声波传感器避障机器人小车的设计[J].自动化技术与应用，2014（5）：85-89.

    [2]陈威，陈静.基于多传感器的智能小车避障控制系统设计[J].工业控制计算机，2018（7）：41-42.

    [3]董存辉，摆玉龙，柴乾隆.基于模糊控制的自主寻迹机器人设计[J].电子技术应用，2012（5）：139-141.