國防大學應用 NI 產品於機電工程之教學及研究

Author(s):
石 大明 - 國防大學理工學院

Industry:
University/Education

Products:
LabVIEW, NI ELVIS, FieldPoint Real-Time Controllers, PXI/CompactPCI

The Challenge:
以教學而言，傳統量測設備不僅維護困難，操作也較不便，一個整合型的量測及控制系統將對增進學生實作能力有顯著效果，增進課程之深度及廣度。相對在相關研究上，具有整合性及彈性配置的平台，也可減少硬體構建花費時間，專注於理論開發與案例應用。

The Solution:
應用 NI ELVIS 平台於電子學實驗及自動控制實驗之教學，另結合 NI PXI，NI Field Point 2000 系統於無人地面載具之專案開發。

前言：

現階段軍用系統的性能日益提升，相較以往系統；不僅複雜度高、功能多、介面種類多元，也要求效能高、開發時間短、可靠度、高品質、使用具有彈性等特性。目前主要應用集中於運動控制、自動化量測、遠端網路、訊號擷取等範圍。有鑑於需求不斷改變，傳統機電工程教育方式不僅費力耗時，以學生有限課程時間，已無法因應軍工產業教學及研究之需求。具有相容性高、支援多重介面、軟、硬體操作簡便、技術資料完整，才能完整提供相關之教學與研究。以教學而言，傳統量測設備不僅維護困難，操作也較不便，一個整合型的量測及控制系統將對增進學生實作能力有顯著效果，增進課程之深度及廣度。相對在相關研究上，具有整合性及彈性配置的平台，也可減少硬體構建花費時間，專注於理論開發與案例應用。

 

介紹：

本近代控制實驗室屬於國防大學動力及系統工程學系，主要在支援大學部電子學及自動控制實驗教學、專題實作，以及研究所博、碩士班機電控制領域相關研究。由於本系同學畢業後大多進入國內軍工產業，因此在實務上特別強調系統整合能力。就電子學實驗而言，以往多使用框架型實驗系統，不僅維護不易，同學往往需花相當多時間熟悉儀表。

使用 NI ELVIS 系統，藉由虛擬儀表概念，同學可先行在電腦上熟悉相關操作，而後藉由 DAQ 卡與 ELVIS 平台連結，直接於平台麵包板製作實驗電路。並由 ELVIS 平台直接提供電源及激發訊號，增進實作成效。此外課程中另外要求同學先行藉由 ORCAD 或 Mutisim 等電子電路軟體先行模擬輸出結果，再實際組裝電路並與 ELVIS 虛擬儀表畫面結果比對，由此增進對電路設計了解及判斷經驗。特別 ELVIS 平台本身即可視為一自動測試台，目前自動測試概念也普遍應用於軍工產業，同學畢業後便可直接與業界接軌。

另外在自動控制實驗課程，本實驗室則自行設計 8051 單晶片實驗板，並可同時連接 8 個伺服馬達，並藉由 RS232 介面與電腦連接。同學必須於自行組裝電路板，了解 8051 程式燒錄過程，連接多組伺服馬達並設計如機械臂特定機構，最後撰寫 LabVIEW 控制程式，進行相關控制實驗。如此實驗方式將可加強學生實作及系統整合能力，也可避免大多數控制實驗套件使用時，對於實驗設備硬體部份不熟悉之缺點。

由於機器人未來在國防及民間均有廣範應用，特別是在軍事及保全特別有其應用空間。因此本研究室近年來將重心移往無人地面載具之系統開發，並先後獲得國科會大專生實作、應用型計劃輔助，開發小型及中型無人地面載具。在小型無人載具方面，系統具有遠端操控、影像觀測，無線網路連結，GPS 定位能力，伺服運動控制等能力。主要架構在使用 NI Field point 2000 作為遠端控制及數位類比訊號接收平台，另使用 disPIC 作為馬達 PWM 控制輸出及車頭攝影機控制、GPS 訊號接收之平台，並應用 LabVIEW 8 來整合所有硬體。使用者頭盔上附有電子羅盤及頭戴式攝影機，可與車頭攝影機同步轉動。另藉由 GPS 提供定位資訊，並由搖桿操控達成載具之運動伺服控制。由於 LabVIEW 在介面之強大整合能力，可使在硬體整合時間減至最少。

藉由小型無人載具整合經驗，本實驗室另行開發中型 100 公斤級無人載具，主要軟硬體分別為：IPC 工業電腦、NI PXI 系統、NI motion 控制卡、RS422 資料擷取卡，慣性導航單元、電子羅盤、DGPS 導航。在系統架構上分別採用集中式 (WIN XP) 及分散式系統架構 (ETS)，軟體方面採用包含 NI LV 8、NI IMAQ、NI Motion 等模組開發。主要功能包含自主導航定位、路面追跡辨識、障礙迴避、遠端控制等功能。在系統發展上先在實驗室以 PXI 系統驗證概念及功能，發展完成後再移入車內之 IPC 工業電腦。與傳統二自由度監視系統相比，較為特別設計是車上載有一由 5 軸機械臂改裝的監視系統，可提供多自由度之移動，可提供頂上攝影機大範圍的觀測；也較無死角。

以學術單位而言；不論研究與教學需求，在彈性及品質的考量遠大於成本。不同的研究課題，往往需儘量以現有設備達成實驗要求，同時還需考量後續維護簡便性及研究人員銜接時間等問題。目前我們所使用產品在功能及品質上均能符合我們要求，更重要在軟體介面上所提供的彈性，使用者可以以最快速時間整合硬體。不僅縮短開發時間，也可快速驗證研究結果，而將時間投入於研究理論開發與創新，對於研究人員而言確有相當價值。

 

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石 大明
國防大學理工學院
Tel: 033809257
tmshih@ccit.edu.tw

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