人体运输机——机电一体化系统设计

发布时间：2009-09-24 来源:www.cechina.cn

        概述
        壬色列理工学院 (Rensselaer Polytechnic Institute，RPI) 机电整合科系的学生，开发双轮式的个人/物体交通运输工具 (HOT-V)：壬色列理工学院 (RPI) 受 Segway Corporation 公司的委托 (与许可)，开发跨学科领域的机电整合系统，进而设计并制作两轮式机器移动平台的原型，即成为赛格威个人运输载具 (Segway Human Transporter)。双轮式平衡运输平台 (Two-Wheeled Balancing Transport Platform) 即利用平行的双轮移动，除了要达到精确的机动性之外，更必须维持整组系统的稳定。研发团队必须完整考虑平台的模型制作、分析，与控制，并于 4 个月内制作 2 组完整的可操作原型。

        克理格 (Kevin Craig) 教授在他的机电整合系统设计课程中，特别强调电子工程、机器设计、控制系统，与计算机的协同整合作业。团队则根据 System Investigation Process，以制作模型、分析、检验，并设计所需的控制系统。请见上图。而所制作的 LOT-V (Light Object Transport Vehicle) 原型即包含传感器、致动器，与控制系统，并可于轻巧的连动系统中进行测试。在原型达到所需功能之后，接着即开发名为 HOT-V (Human / Object Transport Vehicle) 的独立平台，以运输标准的成年人。
        在此项目的各个阶段中，NI 软件与硬件均密不可分。从模型开发、参数识别、模型仿真/检验、设计原型，到最后的布署作业，NI 产品均为 LOT-V 与 HOT-V 平台的开发过程所必须。硬件与软件的协同特性，让团队仅透过单一软件环境，即完成模拟、设计，与原型制作的所有设计阶层。团队不仅于系统仿真作业中使用 LabVIEW 搭配 LabVIEW 模拟 (Simulation) 模块，亦于 CompactRIO 在内的多重系统中进行原型制作与布署。
        识别、制作模型，与设计
        以 Engineering System Investigation Process 开始研发的第一个步骤，即是必须了解系统的实际作业与改良方式。团队必须先简化数项假设，并开发实际的系统模型以开始相关程序。将自然法则套用至实体模型之后，即可区隔实体模型参数与数学方程式。
        计算机仿真作业可让团队依不同设定分析系统，进而了解相关的运动方程式。系统模型的制作、分析，与仿真组件，可让团队不需逐一试验出错误情形，亦可选择正确的组件与其尺寸，并找出测试的控制简图。
        LOT-V 的原型制作
        在仔细分析模拟结果之后，接着决定要建立 2 款不同的平台。第一组平台称为「LOT-V (Light Object Transport Vehicle)」，属于小型且满载传感器的原型，可了解并评估不同的传感器解决方案与控制表达式。基于安全考虑，其体积仅适用于测试与实验。LOT-V 仅以现成零件所构成，并以便宜的 NI-DAQ PCMCIA 适配卡进行控制。
        第二款原型称为「HOT-V (Human / Object Transport Vehicle)」，特别将之调整为成年人所适用的体积。HOT-V 整合了 LOT-V 原型所测得的机械与电子设计结果，并尽量使其符合安全性与模块化的需求。HOT-V 是以 NI CompactRIO 平台进行控制。CompactRIO 为坚固耐用的高效能实时运算套件，搭配高速的电子隔离 I/O，为理想的独立控制系统。
        上述 2 款原型均使用 NI LabVIEW 与 LabVIEW 模拟 (Simulation) 模块，进行表达式的开发与布署作业。由于 LabVIEW 可于平台之间重设并共享程序代码，且具备快速与简单易用的特性，因此为成功项目所必须。LOT-V 所使用的表达式与软件架构，均可轻松汇出至 HOT-V，且小幅更改过后即可于 CompactRIO 上执行。

        LOT-V 的平衡功能

        LOT-V (Light Object Transport Vehicle) 主要是用于测试项目计划使用的多款传感器。若要能平衡整个平台，则必须处理精确且高频宽的信息，因此我们确实耗上许多时间，只为了选择合适且稳定的传感器。选择正确传感器的另 1 项额外挑战，即是传感器的配置与安装。若要平台能够适应更多样的地形，则平台架构将需要更多的传感器。我们迅速找出可妥善整合的数款传感器，让单一量测作业亦可达到所需的量测质量。由于整个系统均建置于单一环境中，因此透过 LabVIEW 测试传感器的整合性显得特别轻松。仿真作业首先应评估简图 (Scheme)，并接着能够轻松将之转换为实际硬件。我们制作了许多传感器简图，且在一连串的实验之后，我们选用俄亥俄州立大学 (Ohio State University) Ernest Doebelin 教授所介绍的传感器融合简图 (Fusion scheme)。接着将简图置入平台的整体控制系统中，并用以整合倾角计 (Inclinometer) 与 速率陀螺仪 (Rate-gyroscope) 的量测作业，计算出相对于重力的角度位置。
        最后则使用固定式马达的光学编码器进行精确操控，并可量测平台的线性位置与垂直情形。

        Doebelin 传感器融合 LabVIEW 仿真子系统

        传感器资料流概述

        我们团队建置了可完整状态回授 (Full-state-feedback) 的控制器，并使用 LabVIEW 模拟 (Simulation) 模块控制平台的平衡作业。此控制器是于系统的线性化版本上使用二次线性调节器 (Linear-Quadratic Regulator，LQR) 技术。NI 软硬件平台的弹性，可变化多种不同的控制器并轻松测试之，藉以找出实际最合适的系统。
        一旦团队任何整体设计确实可行，即开始使用完成原型制作的模型、传感器、致动器，与控制简图，布署出独立的系统。

        LabVIEW 模拟回路中的Lot-V 与其 NI-DAQ 架构控制

        HOT-V 的布署作业

        无乘员而平衡中的 HOT-V

        虽然 HOT-V 为较复杂的大型平台，却使用了团队针对 LOT-V 所开发的各项要素：以现成组件架构主体，并逐一拼凑各部位的零件。前后不过几天的时间，即构成完整且可作业的平台。在组装完毕之后，我们也是轻轻松松就把 LabVIEW 系统汇入即可开始运作。团队仅需完整移植 LOT-V 的控制系统、计算新控制器的增益、修改 I/O 以搭配使用 CompactRIO 平台，最后几个小时之内就布署完毕。简单到让人吓一跳！

        LabVIEW 模拟回路中的 HOT-V 实时控制

        HOT-V 平台组件

        HOT-V 平台除了体积较 LOT-V 为大之外，亦具备更强的功能。HOT-V 具备电源供应系统，可供应数百安培的电流，让马达运作超过 3 马力。选择 CompactRIO 除了精巧体积之外，更因其具备抗噪声与隔离功能的特性。
        由于 HOT-V 为完全独立的平台，因此能否于作业之中监控系统亦格外重要。CompactRIO 上的网络 LAN 转接器，可让我们于系统内安装 802.11 无线路由器。如此一来，更可建立与系统之间的无线通讯功能，让团队可透过多重平台控制 HOT-V，让系统功能更上一层楼。
        团队更决定要将 HP iPAQ Pocket PC 整合至 HOT-V 的作业中；当然，我们将持续使用 LabVIEW 平台的 LabVIEW PDA Module。Pocket PC 有 2 种作业模式可执行 LabVIEW 程序：
        1. 抬头显示 (Heads-Up Display，HUD)：当使用者骑乘 HOT-V 时，iPAQ 将显示平台的状态信息，如电池的剩余电量与目前耗用的电力。(可固定至 HOT-V 的握把之上)
        2. 远程控制：当不使用 HOT-V 时，使用者亦可透过 iPAQ 以远程控制平台。使用者可选择控制系统的不图零件，并控制运动状态。
        只要增加掌上型的使用者接口，即可让 HOT-V 成为更完整的实验平台。
        虽然团队解决了许多设计与建置的难题，但其中最值得注意的，即是所耗费的整体时间实在是出乎意料的短。整个设计过程从概念形成、模型制作/分析、实验检验、控制设计、建构，到实际完成，不过才 4 个月的时间。我们团队将此单一开发平台，归功于 NI 硬件与 NI LabVIEW 软件的完美整合度，完全简化了模型制作、分析、制作原型，到布署的所有过程。