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使用分層的方法設(shè)計機(jī)器人軟件
機(jī)器人軟件架構(gòu)是典型的控制回路的層次集， 包含了計算平臺上的任務(wù)規(guī)劃、運動控制回路以及zui終的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。 在這中間，還有循環(huán)控制路徑規(guī)劃、機(jī)器人軌跡、障礙避讓和許多其他任務(wù)。 這些控制回路可在不同的計算節(jié)點（包括臺式機(jī)、實時操作系統(tǒng)以及沒有操作系統(tǒng)的自定制處理器）上以不同的速率運行。
在某些時候，系統(tǒng)中的各個部分必須一同運行。 通常情況下，這需要在軟件和平臺間預(yù)定義一個非常簡單的界面—就如控制和監(jiān)測方向與速度般簡單。 共享軟件棧的不同層次的傳感器數(shù)據(jù)是一個不錯的想法，但會給集成帶來相當(dāng)大的麻煩。 每個參與機(jī)器人設(shè)計的工程師或科學(xué)家的理念都有所不同，舉例來說，同一個架構(gòu)對于計算機(jī)科學(xué)家來說運作良好，而在機(jī)械工程師那里可能就無法正常工作。
所示，擬議的移動機(jī)器人軟件架構(gòu)由下列圖形所表示的三至四層系統(tǒng)構(gòu)成。 軟件中的每一層只取決于特定的系統(tǒng)、硬件平臺或機(jī)器人的*目標(biāo)，與其上下層的內(nèi)容*不相關(guān)。 典型的機(jī)器人軟件包括驅(qū)動程序、平臺和算法層組件，而具備用戶交互形式的應(yīng)用包含了用戶界面層（該層可能不需要*自主實現(xiàn)）。
該范例中的架構(gòu)為帶有機(jī)械手臂的自主移動機(jī)器人，它能夠執(zhí)行路徑規(guī)劃、障礙避讓和地圖繪制等任務(wù)。 這類機(jī)器人的應(yīng)用范圍在真實世界十分廣泛，包括農(nóng)業(yè)、物流或搜索和救援。 板載傳感器包括編碼器、慣性測量單元（IMU）、攝像頭和多個聲納及紅外（IR）傳感器。 傳感器聚變可以用來整合針對本地化的編碼器和IMU數(shù)據(jù) ，并定義機(jī)器人環(huán)境地圖。 攝像頭則用于識別載板機(jī)械手臂握住的物體，而機(jī)械手臂的位置由平臺層上執(zhí)行的運動學(xué)算法所控制，聲納和紅外傳感器可以避開障礙物。 zui后，轉(zhuǎn)向算法被用來控制機(jī)器人的移動，即車輪或履帶的移動。 圖2就是基于移動機(jī)器人架構(gòu)的美國宇航局機(jī)器人。
SuperDroid Robots設(shè)計的移動機(jī)器人
開發(fā)人員可以借助NI LabVIEW 系統(tǒng)設(shè)計軟件來實現(xiàn)這些移動機(jī)器人的平臺層。 LabVIEW可用于設(shè)計復(fù)雜的機(jī)器人應(yīng)用—從機(jī)械手臂延伸到自主車輛開發(fā)。 該軟件提取I/O并可與多種硬件平臺集成，幫助工程師和科學(xué)家提高了他們的開發(fā)效率。 NI CompactRIO 硬件平臺在機(jī)器人開發(fā)中十分常用，它包括了集成的實時處理器與FPGA技術(shù)。 LabVIEW平臺的內(nèi)置功能可實現(xiàn)每一層之間的數(shù)據(jù)通信，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)并顯示在PC主機(jī)上。
1. 驅(qū)動層
顧名思義，驅(qū)動層主要處理機(jī)器人操控所需的底層驅(qū)動函數(shù)。 在這一層的組件取決于系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器，以及運行著驅(qū)動軟件的硬件。 一般情況下，這一層的模塊采集工程單位（位置，速度，力量等等）中激勵器的設(shè)定值，生成底層信號來創(chuàng)建相應(yīng)的觸發(fā)，其中可能包括關(guān)閉這些設(shè)定值循環(huán)的代碼。 同樣的，該層的模塊還能采集原始傳感器數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成有用的工程單位，并將傳感器值傳輸至其它架構(gòu)層。 圖3中的驅(qū)動層代碼就是使用LabVIEW FPGA模塊 開發(fā)的，并在CompactRIO平臺的嵌入式FPGA模塊上執(zhí)行。 聲納、紅外和電壓傳感器都連接在FPGA的數(shù)字I/O引腳上，信號在連續(xù)循環(huán)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行處理，這些結(jié)構(gòu)在FPGA上真正的并行執(zhí)行。 這些函數(shù)輸出的數(shù)據(jù)被發(fā)送到平臺層上進(jìn)行進(jìn)一步處理。
傳感器和激勵器的驅(qū)動層界面
驅(qū)動層可以連接到實際的傳感器或激勵器，或連接環(huán)境仿真器中的I / O。 除了驅(qū)動層以外，開發(fā)人員無需修改系統(tǒng)中的任何層，就能在仿真和實際硬件之間進(jìn)行切換 。圖4為LabVIEW機(jī)器人模塊 2011，它包含了基于物理學(xué)的環(huán)境仿真器，因此用戶可在硬件和仿真之間切換，除了硬件I / O模塊以外就無需修改任何代碼。 開發(fā)人員可以使用例如LabVIEW機(jī)器人環(huán)境仿真器等工具來在軟件中快速驗證他們的算法。
如果需要進(jìn)行仿真，必須要在驅(qū)動層中使用環(huán)境仿真器
2. 平臺層
平臺層中的代碼對應(yīng)了機(jī)器人的物理硬件配置。該層中底層的信息和完整的高層軟件之間能夠進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換，頻繁地在驅(qū)動層和高層算法層之間切換。如圖5所示，我們使用了LabVIEW FPGA讀/寫結(jié)點從FPGA中接受原始紅外傳感器數(shù)據(jù)，并且在CompactRIO實時控制器上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 我們使用LabVIEW函數(shù)將原始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的數(shù)據(jù)—在本案例中為距離，并判斷我們是否在4米至31米的范圍之外。
平臺層在驅(qū)動層和算法層之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換
3. 算法層
該層中的組件代表了機(jī)器人系統(tǒng)中高層的控制算法。圖6呈現(xiàn)了機(jī)器人需要完成任務(wù)，可以看到算法層中的模塊采集系統(tǒng)信息，如位置、速度或處理后的視頻圖像，并基于所有反饋信息作出控制決定。該層中的組件能夠為機(jī)器人環(huán)境規(guī)劃地圖，并根據(jù)機(jī)器人周圍的障礙物規(guī)劃路徑。圖6中的代碼顯示的是使用矢量場直方圖（VFH）避障的范例。在該范例中，距離數(shù)據(jù)從平臺層發(fā)送至距離傳感器，再由VFH模塊接收。VFH模塊的輸出數(shù)據(jù)包含了路徑方向，該信息直接發(fā)送到平臺層上。在平臺層上，路徑方向輸入至轉(zhuǎn)向算法，并生成底層代碼，然后直接發(fā)送到驅(qū)動層上的電機(jī)上。