Author(s):
Bill Miller - FIRST
Frank Merrick - FIRST
Kate Pilotte - FIRST

Industry:
Mechatronics, Education

Products:
LabVIEW, CompactRIO

The Challenge:
為超過40,000名參加FIRST機器人競賽(FRC)的高中學生提供靈活、功能強大的機器人設計平臺。

The Solution:
將配備功能強大的NI LabVIEW圖形化編程軟件的NI CompactRIO嵌入式控制器作為下一代FRC機器人控制平臺。

FRC團隊打造的機器人必須應對現(xiàn)實世界中的設計挑戰(zhàn)，能夠完成諸如圖像處理和多傳感器數(shù)據(jù)采集等復雜任務。

FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology，鼓勵及認識科學技術)是工程師、發(fā)明家Dean Kamen先生于1989年創(chuàng)立的一個非營利組織，目的是激發(fā)青少年成為科學技術的未來領袖。FIRST 將學生們吸引到激動人心的機器人競賽中，學生團隊在專業(yè)導師的指導下進行復雜的機器人系統(tǒng)設計。項目結合了數(shù)學、工程學和技術；鼓勵創(chuàng)新；培養(yǎng)全方位的能力，包括自信心、交流及領導力。目前，已有將近200,000名來自世界各地的學生加入到FIRST項目中。加入到該組織往往會改變一個人的人生，因為FIRST 學生相比同齡學生更多地取得了工程、科學或數(shù)學學位，并繼續(xù)完成研究生學習。

 FIRST 項目由各個不同等級的競賽組成，針對從小學到高中學校的學生。最高等級的是FIRST 機器人競賽(FRC)，這是一項獨特的“青年學生頭腦運動”，幫助年輕人開發(fā)興趣并從工程和研究過程中獲得回報。FRC向?qū)W生和導師，一般為專業(yè)工程師發(fā)出挑戰(zhàn)，要求在六周內(nèi)采用標準"Kit of Parts"及通用的規(guī)則來解決復雜的問題。團隊完成設計并建造機器人來滿足每屆競賽的特定挑戰(zhàn)。

FIRST重新定義了獲勝的條件，因為學生們已從出色的設計、團隊精神、專業(yè)技能和成熟、以及克服困難的能力等方面獲得了回報。此時獲得更高的分數(shù)已經(jīng)成為次要的了。

艱難的設計限制反映了工業(yè)挑戰(zhàn)
設計和建造FRC機器人是一個段令人難忘的體驗，它真實地反映了現(xiàn)實世界中的工程項目。每年，學生們必須解決機器人設計中的機械設計、電子設計、編程等問題。所有FRC團隊只擁有有限的資金，僅有六周有限的時間，并且每年需要滿足不同的設計要求，需要快速學習新“Kit of Parts”。舉例來說，2009年的競賽中，要求團隊設計可行進于低摩擦力表面，同時收集目標物的機器人。幾乎所有團隊都將機器人程序編程為自主式或操縱桿操作模式的。有經(jīng)驗的團隊甚至集成了各類傳感器和激勵器，如電機馬達和攝像頭。

FRC機器人需要新的大腦
在2007和2008年，我們開始計劃采用最新工業(yè)技術來升級FRC控制系統(tǒng)，在競賽中不斷挑戰(zhàn)參賽學生。我們希望學生能夠接觸大學甚至將來職業(yè)中廣泛使用的工業(yè)標準技術。此外，我們希望找到一個靈活的嵌入式設計平臺，提供軟硬件工具之間的緊密集成性。系統(tǒng)還需要能夠集成各類I/O和傳感器，并且在競賽環(huán)境的操作中足夠耐用。參照機器人的復雜特性和較短的開發(fā)時間，以上所有要求都是非常必要的。

FIRST 選擇美國國家儀器公司作為戰(zhàn)略伙伴
我們采用美國國家儀器公司的CompactRIO平臺作為下一代FRC 控制器，或稱為機器人控制系統(tǒng)的“大腦”。通過與NI的合作，我們向高中生提供了高性能控制設備，包括400 MHz PowerPC以及基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的I/O。CompactRIO模塊化 I/O系統(tǒng)提供了與傳感器、激勵器陣列的連接性，功能強大的視覺處理能力，幫助學生創(chuàng)建高級機器人系統(tǒng)。參賽團隊能夠通過最新技術開發(fā)集成驅(qū)動控制和全自主系統(tǒng)的機器人，包括用于更多競賽中控制和精確設計的無線監(jiān)視及仿真技術。學生可以通過 LabVIEW圖形化編程軟件或ANSI C/C++語言在基于CompactRIO的平臺上對機器人進行編程。

NI提供獨特的軟硬件組合的平臺可應對復雜的機器人應用。例如，每年的挑戰(zhàn)中都包含部分自主控制操作，參賽團隊只允許通過遠程方式操控機器人；遠程控制下機器人得分比有線操控下的得分擁有更大的分值。以前，自主控制僅僅是一小部分團隊能夠掌握的操控模式。在新平臺更加鼓勵自主式操作的規(guī)則下，更多的團隊開始成功地應用自主式操控方案。

同時，多個工業(yè)領域的工程師正在使用CompactRIO也是我們決定選擇高品質(zhì)及應用廣泛的工業(yè)技術的重要原因之一。我們讓學生接觸到當前工業(yè)工程中的挑戰(zhàn)，以及行業(yè)領先的工具及技術。NI與其供應商，如Analog Devices、Texas Instruments、Xilinx、Wind River、Freescale、Altera、Boston Engineering、ChipX、Dove Electronics、MSI、TTI及Westak合作，專門為FIRST提供CompactRIO控制器。除了為競賽提供高品質(zhì)技術，NI還提供了專職的技術支持工程師及針對競賽的培訓資源。為了滿足導師和學生在競賽及設計中的培訓和支持需求，NI為FIRST參與者發(fā)起了一個在線用戶社團。NI FIRST機器人社團包括LabVIEW范例代碼、討論論壇及視頻教程，幫助參賽團隊快速應用新技術。該社團還培養(yǎng)了一個獨特的支持項目 – LabVIEW虛擬導師 – 使學生可以在線獲得專業(yè)工程師對機器人問題的指導。

分享成功的愿景
我們相信NI與我們有共同的愿景，那就是使FIRST更趨全球化，從而影響到更多學生。通過在競賽中的機器人平臺上加入CompactRIO和LabVIEW，我們提升了參賽團隊機器人的技術能力，使得該項目能夠吸引更多的學生參加。