基于NI myRIO的移動機(jī)器人滅火系統(tǒng)設(shè)計

李燦 韓海川

摘要：本文基于NI myRIO為控制單元，結(jié)合火焰?zhèn)鞲衅鞫ㄎ恢鸬奈恢脕碇笇?dǎo)滅火裝置執(zhí)行操作，通過紅外測距傳感器與伺服電機(jī)控制滅火機(jī)器人的位置姿態(tài)，通過攝像頭實時傳送滅火現(xiàn)場的圖像信息，使用LabVIEW編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)滅火機(jī)器人的智能化，通過對多源傳感器的數(shù)據(jù)采集與分析，來精確反饋給驅(qū)動電機(jī)動作指令，可以實現(xiàn)智能滅火的研究目的。

關(guān)鍵詞：myRIO;移動機(jī)器人;滅火

現(xiàn)如今我國職業(yè)教育已經(jīng)進(jìn)入全新的發(fā)展時期，技工教育已經(jīng)在社會發(fā)展中承擔(dān)著培養(yǎng)高技能人才的重要任務(wù)。在國家倡導(dǎo)中國制造2025的政策背景下，機(jī)器人既是“中國制造2025”確定的重點發(fā)展領(lǐng)域，也是先進(jìn)制造業(yè)的代表。本文研究的移動滅火機(jī)器人主要在兩個方面進(jìn)行研究：一是增強(qiáng)其圖像識別與處理技術(shù)，將其識別不同顏色的功能轉(zhuǎn)變?yōu)樽R別火苗功能;二是增強(qiáng)傳感器多源信息融合功能，結(jié)合火焰?zhèn)鞲衅骱图t外測距傳感器，指導(dǎo)驅(qū)動電機(jī)和滅火裝置進(jìn)行精確高效滅火，此技術(shù)在監(jiān)測自然火災(zāi)以及各行業(yè)線路的實時監(jiān)控與巡查維修中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 世界技能大賽移動機(jī)器人賽項任務(wù)分析

基于NI myRIO的移動機(jī)器人滅火系統(tǒng)源于移動機(jī)器人賽項原型，賽項任務(wù)屬于團(tuán)體賽，須兩人合力完成。在競賽過程中首先需要完成機(jī)械部分的安裝與調(diào)試，保證機(jī)械零件連接緊固、正確，電氣接線符合要求。且其在運動過程中，運動部件應(yīng)運轉(zhuǎn)靈活、不與其自身零件發(fā)生碰擦，裝配后機(jī)器人應(yīng)美觀整潔、接線整齊。其次完成軟件部分的安裝調(diào)試，實現(xiàn)移動機(jī)器人在安全無碰撞的條件下，通過遙控或自主尋找的方式，快速規(guī)劃好賽場路徑，識別處理賽場上的臺球顏色，將賽場中不同顏色的臺球進(jìn)行搬運，并快速放在指定的圖形碼存儲區(qū)域內(nèi)。

2 硬件設(shè)計

myRIO控制器模塊是整個控制系統(tǒng)的核心部分，集成了一個嵌入式實時處理器、一塊高性能FPGA芯片以及板載模擬與數(shù)字輸入輸出I/O接口。所有I/O都直接連接到FPGA上，提供了定時與I/O信號處理的底層定制。FPGA通過高速PCI總線連接到嵌入式實時處理器?？刂破靼藘?nèi)置的數(shù)據(jù)傳輸方式，用于將數(shù)據(jù)從I/O傳送到FPGA，或是從FPGA傳送到嵌入式處理器上，用于實時分析、后處理、數(shù)據(jù)記錄或是與聯(lián)網(wǎng)的主機(jī)進(jìn)行通信。

myRIO控制器運行高可靠性的Wind River VxWorks實時操作系統(tǒng)上，確定性地執(zhí)行LabVIEW開發(fā)的實時應(yīng)用程序。LabVIEW開發(fā)工具含內(nèi)建函數(shù)庫，用于在FPGA以及myRIO嵌入式系統(tǒng)中的實時處理器之間傳送數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)硬件部分由NI myRIO控制器模塊、傳感器模塊、執(zhí)行模塊、電源模塊、上位機(jī)模塊等組成。其中myRIO控制器模塊主要由板載的Xilinx ZynqFPGA芯片和雙核ARM Cortex A9 CPU組成，同時具備了模擬量采集和高速DIO接口資源、在通信接口方面myRIO板載了USB接口與無線通信模塊，控制器主要負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集與信號處理、運行控制邏輯、驅(qū)動執(zhí)行模塊、以及數(shù)據(jù)通信。傳感器模塊包含了火焰?zhèn)鞲衅?、紅外測距傳感器以及工業(yè)相機(jī)，火焰?zhèn)鞲衅骺梢詸z測火焰或者波長在760納米～1100納米范圍內(nèi)的光源。紅外測距傳感器是利用紅外光的發(fā)出和反射來計算發(fā)射與接收的時間差的數(shù)據(jù)，可以經(jīng)信號處理器處理計算物體的距離。工業(yè)相機(jī)通過USB接口與myRIO控制器連接，能夠?qū)崟r傳回現(xiàn)場的火焰圖像信息。

傳感器模塊收集到的信息經(jīng)過myRIO控制器的運算處理，把指令傳送給執(zhí)行模塊，其中兩臺伺服電機(jī)分別驅(qū)動機(jī)器人本體的左右輪運動，通過左右差速的方式來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動作進(jìn)行目標(biāo)定位;定位準(zhǔn)確后通過火焰?zhèn)鞲衅鞣祷刂噶罱omyRIO控制器，控制器使能滅火裝置進(jìn)行滅火。

3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計以myRIO模塊化、多線程的軟件設(shè)計思想開發(fā)而成，具備數(shù)據(jù)采集、運動控制、網(wǎng)絡(luò)通信、實時數(shù)據(jù)顯示的功能。

整個軟件可分成三部分，分別是FPGA代碼、RealTime（簡稱RT）代碼、Host代碼。其中FPGA代碼運行于可編程邏輯列陣FPGA芯片上，主要實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)采集功能;RT代碼運行于實時控制器中，主要實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的讀取、存儲和發(fā)送功能;Host代碼運行于上位機(jī)中，主要實現(xiàn)人機(jī)交互功能，如顯示數(shù)據(jù)、發(fā)送命令、管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)回放等。FPGA和RT均集成在myRIO中，通常稱為下位機(jī)，與下位機(jī)之間通過標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議進(jìn)行通信。

軟件的采用NI LabVIEW編程，主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、上位機(jī)模塊、運動控制模塊;由數(shù)據(jù)采集模塊收集火焰的狀態(tài)與車身距離事故點的距離以及現(xiàn)場的圖像信息，由數(shù)據(jù)處理模塊計算出車身當(dāng)前位置與滅火點的相對位置，并把圖像信息實時傳輸給上位機(jī)，同時根據(jù)計算的相對位置結(jié)果給運動控制模塊，進(jìn)而知道驅(qū)動電機(jī)和滅火裝置動作，實現(xiàn)自動滅火的目的。

數(shù)據(jù)采集模塊通過與myRIO板載的FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，讀取到火焰?zhèn)鞲衅?、紅外測距傳感器以及工業(yè)相機(jī)和編碼器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到myRIO控制器的實時系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄崟r系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析，解析轉(zhuǎn)換成工程物理單位，然后把數(shù)據(jù)發(fā)給數(shù)據(jù)處理模塊。

數(shù)據(jù)處理模塊接收到采集的數(shù)據(jù)后會完成兩部分工作，一部分是火焰?zhèn)鞲衅骱凸I(yè)相機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，進(jìn)行實時的界面顯示，另一部分是接收上位機(jī)的控制指令，按照指令要求進(jìn)行數(shù)據(jù)運算和處理，計算得出機(jī)器人距離滅火點的位置以及火焰?zhèn)鞲衅鞯奈锢砹?

上位機(jī)模塊，軟件界面主要有圖像顯示區(qū)域，是用于顯示攝像頭采集的圖像;操作按鈕，包括自動手動模式切換按鈕、滅火裝置使能按鈕、前進(jìn)后退按鈕，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)按鈕，開關(guān)按鈕;顯示控件，包括電源電壓、機(jī)器人工作狀態(tài)顯示、火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)顯示等;運動控制模塊，關(guān)于車身運動到火焰位置的自動追蹤是通過軟件的PID算法實現(xiàn)的，圖3是控制系統(tǒng)的原理圖。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的基于NI myRIO滅火機(jī)器人控制系統(tǒng)，結(jié)合LabVIEW編程語言進(jìn)行軟件功能開發(fā)，成功地完成了滅火機(jī)器人自動控制嵌入式系統(tǒng)。并且運用傳感器融合技術(shù)、無線Wi-Fi通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、機(jī)器視覺等多方面技術(shù)，使控制系統(tǒng)具備可靠性高、實時性能好、擴(kuò)展性能優(yōu)越的技術(shù)特點。該設(shè)計不僅實現(xiàn)了滅火機(jī)器人控制系統(tǒng)的自動巡檢、實時報警并處理、實時狀態(tài)監(jiān)測，且整個系統(tǒng)的具有智能互聯(lián)的能力，能夠結(jié)合多臺系統(tǒng)組成分布式滅火機(jī)器人測控系統(tǒng)。為智能制造領(lǐng)域的滅火機(jī)器人測控系統(tǒng)方向提供了一個可參考的技術(shù)路線。為加大技工教育技能創(chuàng)新發(fā)展，大力培育支撐中國制造、中國創(chuàng)造的高技能人才隊伍提供了新方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃圓志.智能礦井滅火機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計及運動仿真[J].價值工程，2019，38（22）：189-191.

[2]邢進(jìn)，王召松，牛樹訓(xùn).移動式自動滅火機(jī)器人及其滅火方法研究[J].信息與電腦（理論版），2019（12）：107-108.

[3]王騰飛，翟亞芳，李立.基于NI myRIO的玉米種植監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2019，26（05）：46-49.

[4]劉群，石銀霞，張玨，徐研.可自動更換滅火彈的消防機(jī)器人應(yīng)用研究[J].電工技術(shù)，2019（02）：110-112.

[5]孫寧，裴文良，閔桂元，王永軍.消防滅火機(jī)器人設(shè)計及應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018，37（07）：942-944.

[6]王云磊.基于NI myRIO的智能移動機(jī)器人設(shè)計[D].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2018.

[7]姜永昌.基于傳感器數(shù)據(jù)融合的氣體滅火機(jī)器人設(shè)計[J].數(shù)字通信世界，2018（02）：169+179.

[8]李方良.基于NI myRIO的四旋翼飛行器的設(shè)計與研究[D].太原理工大學(xué)，2016.

作者簡介：李燦（1989— ），女，漢族，天津人，碩士，二級實習(xí)指導(dǎo)教師，研究方向：工程實踐創(chuàng)新。