1、ix South China University of Technology機電一體化創(chuàng)新綜合實驗學號：目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第一部分基礎實驗3 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 實驗1光電傳感器自動跟蹤小車3 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 實驗目的3 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 實驗要求3 HYPERLINK l bookmark108

2、 o Current Document 軟件設計3 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 測試環(huán)境3實驗步驟4 HYPERLINK l bookmark125 o Current Document 注意事項4 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 實驗總結4 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 實驗2光電傳感器測距功能測試5 HYPERLINK l bookmark139 o Current Document 實驗目的5 HYPERLINK l book

3、mark146 o Current Document 實驗要求5軟件設計5測試環(huán)境6 HYPERLINK l bookmark159 o Current Document 實驗步驟6 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 調試與分析7注意事項9實驗總結9 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 實驗3光電傳感器位移傳感應用10實驗目的10實驗要求10軟件設計10實驗步驟11調試與分析11注意事項13實驗總結14 HYPERLINK l bookmark133 o Current Document 第二部分

4、創(chuàng)新實驗15 HYPERLINK l bookmark136 o Current Document 雙輪自平衡機器人15實驗目的15實驗要求15 HYPERLINK l bookmark152 o Current Document 實驗原理15實驗步驟17 HYPERLINK l bookmark168 o Current Document 實驗過程18 HYPERLINK l bookmark172 o Current Document 實驗總結及注意事項20 HYPERLINK l bookmark180 o Current Document 實驗感想21第一部分基礎實驗實驗1光電傳感器自

5、動跟蹤小車實驗目的：了解光電傳感器感光特性；掌握LEGO基本模型的搭建；基本掌握ROBOLAB軟件；實驗要求：搭建牢靠的小車模型實現(xiàn)小車沿著黑線行走（實際上是沿著黑線走Z字形）。軟件設計：寫出程序如下：測試環(huán)境：4.5.實驗步驟:如圖所示:1）參考附錄步驟搭建小車模型。2）用ROBOLAB編寫程序。3）將小車與電腦用USB數(shù)據(jù)線連接，打開NXT的電源。點擊ROBOLAB 的RUN按鈕，傳送程序。4）取有黑線的白板，運行程序，觀察小車的運動情況，不斷調試程序，知 道小車能平穩(wěn)地運行。注意事項：光電傳感器對環(huán)境光較為敏感，現(xiàn)采用直接采光裝置，提高對環(huán)境的適 應度。另外，采用光電傳感器的自身光源，最

6、大限度的減少環(huán)境光對實 驗的不利影響。小車在行進之中，并不能保證軌跡完全沿著黑線行走，而是沿著黑線走Z 字形。實驗總結在下載程序之后，將Lego機器人的光感傳感器先對準稍偏離黑線部分，啟動 程序，之后機器人能夠平穩(wěn)的沿著黑線Z字形行走。周圍環(huán)境對小車有一定 的影響，但只要根據(jù)環(huán)境調試到合適的光感值，小車就能正常運行。體會：用ROBOLAB編寫程序時各個圖標比較難找，但是熟悉了各個界面之 后就可以很快找到了。樂高機器人具有簡單容易操作的優(yōu)點，通過簡單的圖 形編程就可以對它進行控制了，這同時也激發(fā)了學習的興趣。這次的樂高機 器人實驗初步鍛煉了利用ROBOLAB編程的能力，為以后的實驗打下了良好 的

7、基礎。實驗2光電傳感器測距功能測試實驗目的：了解光電傳感器測距的特性曲線；掌握LEGO基本模型的搭建；熟練掌握ROBOLAB軟件。實驗要求：用LEGO積木搭建小車模式，并在車頭安置光電傳感器。小車能在光電傳感器緊貼紅板，以垂直紅板的方向作勻速直線倒車運動過 程中進行光強值采集。繪制出時間一光強曲線，推導出位移一光強曲線及方程。軟件設計：編寫程序流程圖如下：寫出程序如下:測試環(huán)境：如圖所示:注意事項：實驗應盡量降低環(huán)境干擾因素，同時小車的設計宜使速度盡量低。 可參考左圖傳動機構設計。實驗步驟：1）搭建小車模型，參考附錄步驟或自行設計2）用ROBOLAB編寫上述程序。3）將小車與電腦用USB數(shù)據(jù)線

8、連接，并打開NXT的電源。點擊ROBOLAB 的RUN按鈕，傳送程序。4）取一紅顏色的紙板豎直擺放，并在桌面平面與紙板垂直方向放置直尺， 用于記錄小車行走的位移。5）將小車的光電傳感器緊貼紅板放置，用電腦或NXT的紅色按鈕啟動小 車，進行光強信號的采樣。從直尺上讀取小車的位移。6）待小車發(fā)出音樂后，點擊ROBOLAB的數(shù)據(jù)采集按鈕，進行數(shù)據(jù)采集， 將數(shù)據(jù)放入紅色容器。共進行四次數(shù)據(jù)采集。7）點擊ROBOLAB的計算按鈕，分別對四次采集的數(shù)據(jù)進行同時顯示、平 均線及擬和線處理。8）利用數(shù)據(jù)處理結果及圖表，得出時間同光強的對應關系。再利用小車位 移同時間的關系（近似為勻速直線運動），推導出小車位移

9、同光強的關 系表達式。調試與分析a）采樣次數(shù)設為24,采樣間隔為0.05s，共運行1.2s。采得數(shù)據(jù)如下所示：數(shù)據(jù)顯示b）在ROBOLAB的數(shù)據(jù)計算工具中得到平均后的光電傳感器特性曲線，如下圖 所示：平均線c）對上述平均值曲線進行線性擬合，得到的光強與時間的線性擬合函數(shù):擬和線以上四條曲線在一個圖中顯示如下:d）取四次實驗小車位移的平均值，根據(jù)時間與光強的擬合函數(shù)求取距離與光 強的擬合函數(shù)：由上圖可得光強與時間的關系為：y= -25.261858xt+56.524457 ;量取位移為4.5cm,用時1.2s,得：X=375Xt ;光強與位移的關系為：y= -6.73649547X x+56.5

10、24457 ；e）通過觀測上圖及導出的光強位移函數(shù)可知，光電傳感器在短距離里內對位移信號有著良好的線性關系，可以利用光強值進行位移控制。但我們也可以 發(fā)現(xiàn)，其線性區(qū)域十分狹窄，從圖中可看出，主要集中在0.1s到0.8s之間。 故只能用于短距離測控。注意事項：光電傳感器對環(huán)境的光較為敏感，應采用一定的遮光措施，使環(huán)境盡量的 暗，增大光強變化范圍，提高定位準確度。另外，采用光電傳感器的自身光源， 最大限度的減少環(huán)境光對實驗的不利影響。小車在行進之中，并不能保證軌跡完全與紅板垂直，可以采取固定后輪的 方式，強制小車直線運動。由于光電傳感器的自身光源為紅色光，故采用紅板反射效果最好。在同等 條件下，白

11、板的反射光強曲線較陡。由于線性區(qū)域很窄，故只用低速檔并可以考慮采用齒輪減速機構，使速度 盡量的慢，得到較為理想的曲線。實驗總結：通過這次實驗，我們看到光電傳感器的另一種功能，在短距離內的測距功能。 但我們也看到，這種工作方式容易受環(huán)境的影響，產(chǎn)生較大的誤差。另外， 它也只適合于短距離的測量，這是由于其與位移的線性關系決定的。最后， 這次實驗也為下次實驗提供了理論支撐和相關數(shù)據(jù)的確定。體會：本次試驗觀點傳感器對環(huán)境光非常敏感，實驗時應該把裝置放在較暗 的地方（如桌子下方）。實驗3光電傳感器位移傳感應用實驗目的：掌握利用光感的局部線性特征進行測距的方法。實驗要求：小車由出發(fā)點向障礙物方向勻速行進，

12、距離3CM、2CM、1CM時各停止 5秒鐘并以不同音調提示到達指定位置。回程亦然并停止在3CM位置。測量小車到達各目標位置的實際位置。重復實驗三次并記錄相關數(shù)據(jù)。軟件設計：編寫程序流程圖如下：寫出程序如下:實驗步驟：1）參考附錄搭建小車模型。2）用ROBOLAB編寫上述程序。3）將小車與電腦用USB數(shù)據(jù)線連接，并打開NXT的電源。點擊ROBOLAB 的RUN按鈕，下載程序。4）取一紅顏色的紙板豎直擺放，并在桌面平面與紙板垂直方向放置直尺， 用于記錄小車與紅板之間的距離。5）將小車的正對紅板放置，與紅板距離約為4cm。用電腦或NXT的紅色 按鈕啟動小車。每逢小車停頓，從直尺上讀取小車的位移。重復

13、三次。6）將記錄的數(shù)據(jù)記錄在自制的表格中。調試與分析a）利用上次實驗推導出光強與位移的方程：y= -6.73649547X x+56.524457 TOC o 1-5 h z 得出：x=1cm 時,y=49.861150;x=2cm 時,y=43.1688943;x=3cm 時,y=36.4666536;b）利用上述數(shù)據(jù)進行程序設置，雖然小車能夠按要求在不同的距離停頓， 但與我們所設的位置有較大誤差，特別是回程的時候。這是由于擬和的 函數(shù)本身就存在誤差，再加上環(huán)境的影響，故實現(xiàn)起來有較大的誤差。c）記錄的實驗數(shù)據(jù):預定停機位置3 cm2cm1cm2cm3 cm各位置控制閾值36%43%50%4

14、3%36%實際停機位置（第一 次）2.0cm1.2cm0.5cm1.5cm2.6cm實際停機位置（第二 次）2.0cm1.1cm0.3cm1.6cm2.5cm實際停機位置（第三 次）1.8cm1.0cm0.4cm1.5cm2.4cm實際停機位置（平1.9cm1.1cm0.4cm1.5cm2.5cmd）為更好的進行程序調試，故改進程序如下，加入光電感應器的數(shù)據(jù)采集:e）運行程序，得到下圖:均）誤差1.1cm0.9cm0.6cm0.5cm0.5cmf）觀測上圖，可以發(fā)現(xiàn)小車并未在我們設定的控制閾值處停頓。在向前運 動中，停頓位置的實際光強值比預設的大。而在回程中，停頓位置的光 強值比我們預設的小，

15、故可以推測由于小車的慣性及電機自身的因素， 產(chǎn)生了控制誤差。另外，我們可以從圖表中讀出停頓位置的實際光強值， 故可以根據(jù)現(xiàn)場情況，調整控制閾值，達到較好的控制效果。g）根據(jù)現(xiàn)場情況調整控制閾值后的記錄表格:預定停機位置3 cm2cm1cm2cm3 cm修改前各位置控制閾值36%43%50%43%36%修改后各位置控制閾值33%37%44%42%35%實際停機位置（第一次）2.9cm2.2cm1.1cm2.1cm3.0cm實際停機位置（第二次）2.8cm2.1cm1.0cm2.0cm3.1cm實際停機位置（第三次）3.0cm2.1cm1.1cm2.1cm3.0cm實際停機位置（平均）2.9cm2

16、.1cm1.1cm2.1cm3.0cm誤差0.1cm-0.1cm-0.1cm-0.1cm0cmh）調整控制閾值后采集的數(shù)據(jù):i）根據(jù)上圖可以發(fā)現(xiàn)，小車實際停頓位置的光強值為34, 39，47。將這些 數(shù)據(jù)代入上次實驗得出的方程，發(fā)現(xiàn)處在這些光強之下的位移都比預計 值大，說明上一個實驗得出的方程存在誤差，把一開始的加速運動簡化 為勻速直線運動處理所產(chǎn)生的。6.注意事項：光電傳感器對環(huán)境光較為敏感，應采用一定的遮光措施，使環(huán)境盡量的 暗，增大光強變化范圍，提高定位準確度。另外，本實驗采用光電傳感 器的自身光源，最大限度的減少環(huán)境光對實驗的不利影響。小車在行進之中，并不能保證軌跡完全與紅板垂直，可以

17、采取固定后輪 的方式，強制小車直線運動。由于光電傳感器的自身光源為紅色光，故采用紅板反射效果最好。在同 等條件下，白板的反射光強曲線較陡。由于控制的位移很小，故盡量采用低速檔及齒輪減速機構，使速度盡量 的慢。另外一開始擺放的距離也不宜太大，盡量減小慣性，才能得到較 為精確的控制。讀取直尺數(shù)值時盡量保持以垂直桌面的角度，減小誤差。7.實驗總結：通過這次實驗，我們看到利用光電傳感器，可以實現(xiàn)短距離的較為精確 的位移控制。但由于受環(huán)境光，以及小車的慣性等因素的影響，利用上次實 驗擬和的位移一光強曲線函數(shù)雖然實現(xiàn)不同距離停頓的功能，但與預定值有 著較大的誤差。故可以考慮現(xiàn)場采集光強值的方式，以上次實驗

18、計算出的控 制閾值作為初始值，通過多次試驗進行校正，最后達到較為理想的位置控制。另外，從直尺上讀取小車的位移值時，從不同的角度讀取值不一樣，易 引入誤差。故可以考慮在車輪上直接繪制標尺的方式或改用角度傳感器反饋 的方式來進行位移值的讀取。附測試環(huán)境：如圖所示:第二部分創(chuàng)新性實驗雙輪自平衡機器人實驗目的了解LEGO傳感器的相關功能并熟練應用掌握LEGO基本模型的搭建，熟練掌握ROBOT C軟件，探索機器人的自動控制調節(jié)算法研究。實驗要求利用LEGO積木搭建一輛兩輪機器人小車，并配置所需傳感器-一個 光感傳感器；利用ROBOTC編寫控制程序，選擇PID控制算法，選擇合適的kp，ki， kd等參數(shù)使

19、該機器人能夠在較長一段時間內實現(xiàn)自動平衡(當有外界擾 動時，機器人小車也能快速做出反應使自己處于一個平衡狀態(tài))。實驗原理，數(shù)字調k T ) T(5.4)(5.5)PID控制參數(shù)七礦相互獨立，參數(shù)整定比較方便；PID算法比較簡單， 計算工作量比較小，容易實現(xiàn)多回路控制。在計算機控制系統(tǒng)中 節(jié)器的輸出和輸入的關系是：T kTu ( k T) = K e k 坯 e + jT e k T - (epTTi j = 0 試驗采用：u (kT ) = K e (kT ) + K e ( jt ) + K e (kt ) e (kT T )j = 0式中Kp成為比例系數(shù)；K KTi稱為積分系數(shù)，T為采樣周

20、期;七Kp T稱為微分系數(shù)。機器人安裝有一個光電傳感器，通過這個傳感器把位置信息反饋到控制器， 控制器通過PID算法算出機器人運動的方向和速度，從而實現(xiàn)機器人的平衡。 控制系統(tǒng)的結構框圖如下：機器人控制框圖實現(xiàn)上述的控制的框圖，先采平衡位置的光感值offset,由于環(huán)境光度對傳 感器的影響很大，所以每次運行機器人的時候傳感器把平衡位置的光感強度存為 穩(wěn)定位置比較方便。進入循環(huán)體，采第二個位置的光感值now，算出偏差 err=now-offset，當前微分 errdiff=err-errold，積分 errint=errint+err，把當前偏差存 儲到errold，接著算出pid（ u（kT

21、），因為機器人的馬達只有5個速度檔，所以 要設定速度上限和下限，接著給指令馬達，然后設定控制周期，再返回到第二步 采光感值now，算法流程圖如圖所示。算法流程圖數(shù)字PID調節(jié)器參數(shù)的整定，除了需要確定Kp， T外，還需要確定系統(tǒng)的采樣周期。生產(chǎn)過程（對象）通常有較大的慣性時間常數(shù)，而大多數(shù)情況， 采樣周期與對象的時間常數(shù)相比要小的多，所以數(shù)字控制器參數(shù)的整定可以仿照 模擬PID調節(jié)器參數(shù)整定的各種方法。PID參數(shù)的確定是通過試湊法來確定，因此，通過采集數(shù)據(jù)，畫出圖線，分 析控制參數(shù)對控制性能的影響顯得很重要。數(shù)據(jù)采集的難點在于給系統(tǒng)一個固定 的擾動。因為根據(jù)前面的控制算法，機器人開始必須在平衡

22、位置以便采得目標光 感值，當機器人運動以后，想給定一個固定的擾動就比較困難了，經(jīng)過思考，可 以嘗試采用以下3種方法：（1）待機器人穩(wěn)定后，程序等待一段固定的時間。由于機器人穩(wěn)定后，并 非真正的穩(wěn)定在平衡位置，而是在平衡位置附近有小的擺動，因此，控制程序斷 開一段時間所產(chǎn)生的擾動并不固定。（2）待機器人穩(wěn)定后，突然改變改變傳感器的值。同樣的道理，機器人穩(wěn) 定后，并非真正的處于平衡位置，而是在平衡位置附近振蕩，因此，產(chǎn)生的擾動 無論大小和方向都不穩(wěn)定。（3）在試驗前先測定平衡位置的光感值，機器人運行前讓光電傳感器離開 地面一個固定的距離，平衡位置的距離和這個固定的距離的差就是給系統(tǒng)的固定 的擾動。

23、這樣，機器人運行時并不把第一個采到的數(shù)據(jù)作為平衡位置的光感值。 雖然這個方法能得到一個固定的擾動，但也有缺點，就是當環(huán)境光強改變的時候， 要重新測定穩(wěn)定位置的光感值。第三個方法滿足了 PID參數(shù)整定時數(shù)據(jù)采樣的要求，因此選用第三個方法。比例控制K加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，K偏大，震蕩次數(shù)加多，調節(jié)時間加長。當K太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若K太小，又會使系統(tǒng)的動 作緩慢。加大比例控制K ，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控 制精度，但是加大K只是減小穩(wěn)態(tài)誤差，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制“通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ti太小系統(tǒng)不穩(wěn)定。Ti偏小，振蕩 次數(shù)較多。Ti太大，對系統(tǒng)

24、性能的影響減少，當Ti合適時，過渡性能比較理想。積分控制Ti能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是若Ti太大 時，積分作用太弱，以全不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制可以改善動態(tài)性能，如超調量減少，調節(jié)時間,縮短，允許加大比 例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當T,偏大時，超調量也較大，調節(jié)時 間,也較長。只有合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。綜合起來，選定K =20，k =2, K廣12.5,兩輪自平衡機器人獲得良好的控 制性能，超調量小，調節(jié)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差小。但此時，機器人還有小幅擺動， 這主要是由于光電傳感器是可見光的傳感，容易受環(huán)境光的影響，試驗的理想條 件應該在黑暗的環(huán)境

25、下，水平的均勻的地面上進行。另一方面，機器人的平衡位 置并不十分精確，因為實驗前尋找機器人的平衡位置時的光強值是通過目測判斷 的。實驗步驟參照LEGO快速入門，利用LEGO積木搭建實驗所需的機器人小車并 安裝必要的傳感器；利用PID控制算法，設計程序流程圖；學習ROBOCTC的編程方法，初步掌握一些功能函數(shù)的調用，并利用 ROBOTC編寫控制程序；下載程序到NXT小車中進行調試、收集必要的數(shù)據(jù)，不斷改善算法參數(shù)，使得小車能夠長時間保持平衡狀態(tài);編寫課程設計說明書，完成實驗。實驗過程:機器人搭建如下圖(2)實驗程序/*!Sensor,S2,Light,sensorLightActive,!*/*

26、!*/*!Startautomaticallygeneratedconfigurationcode.!*/*!Sensor,S2,Light,sensorLightActive,!*/*!Motor,motorA,motorA,tmotorNxtEncoderClosedLoop,!*/*!Sensor,S2,Light,sensorLightActive,!*/*!*/*!Startautomaticallycode.!*/generatedconfiguration/*!Sensor,S2,Light,sensorLightActive,/*!Motor,motorA,!*/motorA,

27、tmotorNxtEncoderClosedLoop,/*!Motor,motorB,!*/motorB,tmotorNxtEncoderClosedLoop, /*!*/!*/*!Startautomaticallycode.!*/generatedconfigurationconst tSensors Light /*!*/=(tSensors) S2;/sensorLightActiveconst tMotormotorA=(tMotor) motorA;/tmotorNxtEncoderClosedLoop /*!*/ const tMotormotorB/tmotorNxtEncoderClosedLoop /*!*/=(tMotor) motorB;/*!CLICK toeditwizardcreatedsensor&motorconfiguration.!*/*!Sensor,S3,sensorLightActive,/*