挑戰(zhàn)：機電一體化設(shè)計方式下快速實現(xiàn)思維車模型

方案：CompactRIO 和LabVIEW 提供了統(tǒng)一平臺，為團隊合作掃除障礙，圖形化的LabVIEW開發(fā)工具為機電一體化設(shè)計提供了一個極佳的平臺

賽格威（Segway）公司開發(fā)的思維車，作為一種全新的交通工具，自2001 年商業(yè)化量產(chǎn)銷售以來，被認為是劃時代的科技發(fā)明。美國倫斯勒理工學(xué)院（RPI）的教授Kevin Craig 決定帶領(lǐng)學(xué)生仿制一個類似裝置，挑戰(zhàn)機電一體化的設(shè)計模式。按照傳統(tǒng)的設(shè)計流程，一次試驗失敗可能就要整體返工，不僅耽誤時間，而且浪費研究經(jīng)費。然而借助NI CompactRIO 平臺，這一切變得不再困難。

賽格威（Segway）思維車是一種前所未見的嶄新交通工具，借助內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀和高速的中央微處理器，它可以自動驅(qū)動馬達來達到平衡，駕駛?cè)酥灰淖冏约荷眢w的角度就能夠自如地左右旋轉(zhuǎn)或者前進后退。這是一款真正意義上的人類運輸器，并且不需要任何平衡技巧。倫斯勒理工學(xué)院的Craig教授負責(zé)“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”課程的教學(xué)工作，在這一門交叉學(xué)科中，學(xué)生們在課程學(xué)習(xí)中可以接觸到電氣工程、機械工程、自動控制和計算機科學(xué)等多領(lǐng)域的相關(guān)知識。在征得Segway 公司許可后，Craig 教授領(lǐng)導(dǎo)的開發(fā)團隊決定對思維車進行仿制，讓學(xué)生直接體驗機電一體化的設(shè)計模式。

Craig 教授展示自己的雙輪平衡車

CompactRIO 和LabVIEW 提供了統(tǒng)一平臺，為團隊合作掃除障礙

一切從零開始，工作量不可小覷。然而在開發(fā)伊始，Craig教授就遇到了不小的困難：系統(tǒng)設(shè)計工作分為若干部分，如果讓某些學(xué)生專心負責(zé)一部分（例如設(shè)計控制器或傳感器的外圍電路），那么他們就只能得到某一方面的實踐經(jīng)驗，這顯然與Craig教授的初衷相違背。而且如果某一部分的設(shè)計出現(xiàn)失誤，可能導(dǎo)致其他人也需要返工，這不但將花費更多時間，也會使Craig教授在經(jīng)費方面為難。顯然，Craig教授需要一個現(xiàn)成的可編程自動控制平臺，將學(xué)生從具體而細節(jié)的工作中解放出來，從而能夠有更多精力考慮并設(shè)計不同的控制算法——這才是這門課程最重要的內(nèi)容。令人興奮的是，Craig 教授找到了NI 可編程自動化控制器CompactRIO。CompactRIO 結(jié)合圖形化的LabVIEW開發(fā)工具為機電一體化設(shè)計提供了一個極佳的平臺。CompactRIO 機箱小巧而堅固，能非常方便地固定在小車上。此平臺還兼具靈活性，可以插接多種模擬或數(shù)字I/O 模塊，即使反復(fù)修改設(shè)計也不需要擔(dān)心因硬件返工而耽誤時間，此外還可以將算法代碼部署到不同的執(zhí)行平臺上。掃除障礙的Craig 教授終于可以全力指導(dǎo)學(xué)生完成整個設(shè)計了。

為期四個月的開發(fā)過程大致可以分為模型仿真驗證、原型設(shè)計驗證、系統(tǒng)整合調(diào)試等階段。在每個階段，都有NI的軟硬件產(chǎn)品協(xié)助Craig 教授的團隊盡快實現(xiàn)目標(biāo)。在模型仿真階段，開發(fā)團隊利用LabVIEW控制與仿真模塊設(shè)計了全狀態(tài)反饋（FSF）控制器，控制算法中采用了線性二次調(diào)節(jié)（LQR）技術(shù)。隨后，他們決定搭建兩個驗證原型：一個形制較小，主要用于測試各種傳感器，取得傳感器數(shù)據(jù)并驗證控制算法；另一個更接近真實尺寸，電機馬力也更強勁，可以搭載真人或重物。

NI LabVIEW軟件為基于CompactRIO的應(yīng)用提供了極為友好的開發(fā)環(huán)境，使得軟硬件聯(lián)合調(diào)試非常順利。由于整個開發(fā)過程使用了統(tǒng)一的軟件環(huán)境，因此從仿真設(shè)計階段到兩次原型驗證，代碼只需要做很少的修改。例如，將代碼從第一個驗證原型移植到第二個驗證原型只需要將部分I/O 接口重新定義，整個過程僅用了幾個小時?？芍赜玫拇a大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。

在平衡車的開發(fā)過程中，整個團隊發(fā)揮才智，戰(zhàn)勝了許多困難和挑戰(zhàn)，但是Craig教授認為他們最引以為傲的成就在于：從概念設(shè)計到建模分析驗證、控制設(shè)計、原型設(shè)計、再到最終系統(tǒng)實現(xiàn)，他們一共只用了短短的四個月！Craig教授將這歸功于采用了統(tǒng)一的NI 平臺：“NI 軟硬件平臺天衣無縫的緊密結(jié)合，才使我們所做的這一切成為可能。”

雙輪平衡車內(nèi)部結(jié)構(gòu)

遙控操作同樣成為可能

僅僅達到復(fù)制的要求？不，我們可以設(shè)計出更強大的平衡車。團隊在LabVIEW PDA模塊的幫助下開發(fā)了平衡車的遙控裝置。通過PDA 就能夠直接連線CompactRIO 控制器，觀察小車的運行狀態(tài)（例如車速及電池剩余電量等）。在未來，無線將不是夢想，借助CompactRIO 配合無線路由，未來的使用者甚至不需要站在車上，就可以遠程操作裝載著重物的平衡車進行移動。

自動平衡車的運動過程主要建立在“動態(tài)穩(wěn)定”的基本原理上。以內(nèi)置的傳感器來判斷車身所處的姿態(tài)，通過控制器快速計算出適當(dāng)?shù)闹噶?，?qū)動電機運動達到平衡的效果。假設(shè)我們以站在車上的駕駛者與車輛的總體重心縱軸作為參考線，當(dāng)這條軸向前傾斜時，電機會產(chǎn)生向前的力量，一方面可以平衡人與車向前傾斜所產(chǎn)生的扭矩，另一方面產(chǎn)生讓車輛前進的加速度。相反，當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)駕駛者的重心后傾時，也會產(chǎn)生向后的力量達到平衡效果。因此，駕駛者只要改變自己身體的角度向前或向后傾斜，小車就會根據(jù)傾斜的方向前進或后退，而速度則與駕駛者身體傾斜的程度呈正比。只要小車有足夠的電力，車上的人就不用擔(dān)心會傾倒跌落，這與一般需要靠駕駛者自己進行平衡的獨輪車或滑板車等工具大大不同。