作者：
申純太    譚福生    楊軍
上海電氣集團股份有限公司中央研究院

挑戰：
需要 CompactRIO 同時控制多個設備運動。2 根 5 自由度機械臂運動，頭部 1 自由度旋轉運動，雙主動輪底盤運動控制。CompactRIO 內要部署機械臂運動控制算法，LIDAR 數據采集和導航避障算法，基于編碼器和光雷達數據以及 FPGA的移動位置控制算法等。
 
應用方案：
將機器人的功能進行劃分為兩部分。將雙 5 自由度機械臂運動，頭部 1 自由度的旋轉運動，雙主動輪底盤的運動，光雷達數據采集處理和編碼器數據采集，自主導航，輪椅模式切換判斷，機器人體表 LED 狀態情感或信息顯示，電池電源管理等基本行為和設備層控制歸為一部分，由“小腦”控制；將家庭智能家居網絡交互，其他智能機器人監控，語音識別對話和人臉識別的人機交互功能等歸為一部分，由“大腦”控制。  

使用的產品：
NI-cRIO9024
cRIO-9113
NI 9403
NI 9205
NI 9264
NI 9485
LabVIEW 2009 RT，FPGA

介紹：
    本方案的背景是國家 863 多機器人系統控制項目的一個主角，家居監控機器人，它的設計概念主要是面向未來老年家庭，負責通過網絡監控家居環境中的各種家電，具有語音和人臉識別等人機交互功能，具有雙機械臂完成一些取物、遞送等任務，并且可以作為智能輪椅載人移動。在 2010 世博會滬上生態家案例館中展出。
 
 
正文：
    選用 NI CompactRIO作為機器人的“小腦”。NI CompactRIO是美國 NI公司的工業級嵌入式控制器，集成以太網接口和 RS232串行接口，具有體積小，高可靠性，高性能，低功耗等優點。

圖 1主控制器Compact RIO 的安裝位置

    將各種設備的控制算法例如機械臂運動控制，頭部運動控制，導航算法，基于以太網的光雷達數據采集，與大腦通訊等程序部署在 RT 中；將數字信號采集，例如限位開關和緊急停止邏輯還有編碼器數據采集和處理，地盤運動伺服控制等算法部署在 FPGA中。
    選用工業嵌入式觸摸平板電腦 IPC 作為機器人的“大腦”。部署 WinCE，具有人機界面功能以及觸摸屏交互功能，部署控制人臉識別模塊以及語音識別算法，智能家居監控管理算法等。
 
用 FSM來封裝每個設備對象：
    Finite-state machine (FSM)稱為有限狀態機廣泛用于數字電路和計算機程序。我們使用了兩種狀態機來封裝設備。String Based Queued State Machine基于字符串隊列狀態機和普通基于枚舉的狀態機。使用狀態機作為一種機制來處理單個設備的狀態轉換，或者說，用狀態機這種行為模型來用于單個設備的事件處理。  

圖 2 LIDAR 狀態機   

    例如光雷達的狀態機框圖，它具有 4個狀態，Idle，Start，Running，Stop。在 Running狀態中，程序不斷向光雷達發送指令讀取數據，然后由一個 Shared Variable來傳出數據。使用一個 LIRAR.vi來封裝這個狀態機。

    圖 3是一個遠程控制指令解析狀態機，它使用 String Based Queued State Machine 來實現。這樣的好處是，可以使用隊列來組織動作，較為靈活地實現各種不同組合以及復雜度。
    每一個設備的狀態機都用一個獨立的 vi來封裝，并且單獨進行測試，這樣也有利于工程化。
 
多狀態機的協作：
    單個狀態機只能完成部分功能，我們需要把所有設備狀態機集成起來，按照一定的通訊機制拼裝成一個完整的機器人。
    由于所有的設備狀態機都由一個 VI 來封裝，只需要把他們拖入一個主 vi 中，就能調用他們。如圖所示：

圖 4狀態機集成

    狀態機之間是通過 Shared Variable 來實現接受外部指令輸入以及自身狀態輸出的。同樣，這些Shared Variable都用一個 VI進行封裝以便進行管理。
    這樣，一個狀態機便可視為一個子系統。既然是系統，自然有系統的輸入和輸出，通過 get，set 等方法的 vi，外部系統便可對這些子系統進行操作或者交互。如圖所示，底盤狀態機使用 getCommand.vi方法獲取外部命令。

圖 5 getCommand.vi

使用 setCommand.vi方法讓外部系統傳輸命令給地盤狀態機。

 圖 6 MobileBase.lvlib:setCommand.vi 
 

底盤使用 sendState.vi發送底盤狀態機狀態信息。如圖所示：

圖 7 MobileBase.lvlib.sendState.vi

圖 8 getState.vi

 圖 9 家居監控機器人定位導航軟件控制框圖

總體設計
    針對移動機器人家居環境下的定位問題，提出了一種結合平直線段匹配、角匹配和里程計的組合定位方法。該系統采用了 Labview 開發平臺和 CompactRIO 控制器，得到了很好的實時性效果。機器人首先通過二維激光測距儀通過 TCP/IP 得到環境點信息，然后通過迭代適應點（IEPF）算法得到環境線段及最小二乘法得到線段參數。在基于線段基礎上，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時更新機器人位置和姿態。分析里程計定位、平直線段匹配定位和角匹配定位的誤差，分配不同的權重得到優化的組合定位算法。
 
軟件控制框圖
    基于以上的設計，定位導航的軟件控制模塊設計如圖 7所示。中心模塊為定位導航模塊，該模塊讀取起點、目標點、運動模式數據及編碼器數據，同時讀取激光測距儀數據提取角、平直線段特征和已知特征做匹配，其匹配算法輸出機器人位姿。對于給定的目標位姿，該模塊將計算出驅動指令
（Forward Speed、Delta angle、Turnspd Right、Turnspd Left對應前進速度、方向轉角、左轉、右轉）和狀態信息如（bPos, bAngle）來判斷機器人是否到達目標位置和姿態。

圖 10 家居監控機器人定位導航的輸入輸出信息部分

    圖 10 為定位導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，路徑任務數組信息圖，實時顯示的機器人當前位置信息、速度信息等。
 
線段特征提取
    為得到環境的幾何線段信息，需要對激光測距儀的點集進行分割，其分割算法可分為下列步驟：坐標變換、區域分割、IEPF 線段提取和最小二乘法計算線段參數。其中區域分割：從初始點 i=0 開始檢測兩相鄰點的距離，如距離值小于閾值 D，則認為屬于同一區域點集，否則開始一個新的區域。該過程遍歷所有點集。如果某區域點數目小于 4 個，則認為噪聲區域，舍棄這些噪聲點。

圖 11  IEPF 線段提取 
 

    IEPF提取線段：對于上述得到區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點到線段 PsPe的距離大于閾值 T，該方法把點集

 IEPF為迭代算法，對于 重復上述的算法知道小于閾值T。該算法也有分割過細的時候，如圖 9右半部中間兩條線段可通過檢查線段參數的辦法，對于斜率傾角誤差小于一定閾值的線段加以合并處理。線段參數可通過最小二乘法計算求得。

    如圖 12所示為通過Labview實現的 IEPF算法的區域分割算法，其中子 VI為 IEPF算法分割出的子區域。

圖 12 包含 IEPF 算法的區域分割算法 

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

原型機照片：

圖 13 家居監控機器人在世博滬上生態家 

總結：
    使用 CompactRIO作為機器人主控制器配有集成的 FPGA的支持，具有性能優越，體積小，安全可靠，低功耗等特點，并且，數據采集能力和通訊能力強大，非常適合移動機器人的原型開發。
    可以基于 LabVIEW 來開發機器人程序，相比字符代碼程序，圖形 G語言程序可以用圖形來閱讀，有利于理解和調試，再者 LabVIEW仍舊可以運用很多軟件工程方法，使得它具有自己獨特的優勢。