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文檔簡介
1、ix South China University of Technology機電一體化創新綜合實驗學號: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數據線連接,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 道小車能平穩地運行。注意事項:光電傳感器對環境光較為敏感,現采用直接采光裝置,提高對環境的適 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的沿著黑線Z字形行走。周圍環境對小車有一定 的影響,但只要根據環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:測試環境:如圖所示:注意事項:實驗應盡量降低環境干擾因素,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數據線
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)待小車發出音樂后,點擊ROBOLAB的數據采集按鈕,進行數據采集, 將數據放入紅色容器。共進行四次數據采集。7)點擊ROBOLAB的計算按鈕,分別對四次采集的數據進行同時顯示、平 均線及擬和線處理。8)利用數據處理結果及圖表,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)采樣次數設為24,采樣間隔為0.05s,共運行1.2s。采得數據如下所示:數據顯示b)在ROBOLAB的數據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: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,根據時間與光強的擬合函數求取距離與光 強的擬合函數: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 發現,其線性區域十分狹窄,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:光電傳感器對環境的光較為敏感,應采用一定的遮光措施,使環境盡量的 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境的影響,產生較大的誤差。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據的確定。體會:本次試驗觀點傳感器對環境光非常敏感,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據。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數據線連接,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)將記錄的數據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)利用上述數據進行程序設置,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 函數本身就存在誤差,再加上環境的影響,故實現起來有較大的誤差。c)記錄的實驗數據: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據采集:e)運行程序,得到下圖:均)誤差1.1cm0.9cm0.6cm0.5cm0.5cmf)觀測上圖,可以發現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, 故可以根據現場情況,調整控制閾值,達到較好的控制效果。g)根據現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據:i)根據上圖可以發現,小車實際停頓位置的光強值為34, 39,47。將這些 數據代入上次實驗得出的方程,發現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生的。6.注意事項:光電傳感器對環境光較為敏感,應采用一定的遮光措施,使環境盡量的 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,可以實現短距離的較為精確 的位移控制。但由于受環境光,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雖然實現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。附測試環境:如圖所示:第二部分創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等參數使
19、該機器人能夠在較長一段時間內實現自動平衡(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)。實驗原理,數字調k T ) T(5.4)(5.5)PID控制參數七礦相互獨立,參數整定比較方便;PID算法比較簡單, 計算工作量比較小,容易實現多回路控制。在計算機控制系統中 節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;K KTi稱為積分系數,T為采樣周
20、期;七Kp T稱為微分系數。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,從而實現機器人的平衡。 控制系統的結構框圖如下:機器人控制框圖實現上述的控制的框圖,先采平衡位置的光感值offset,由于環境光度對傳 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 穩定位置比較方便。進入循環體,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。算法流程圖數字PID調節器參數的整定,除了需要確定Kp, T外,還需要確定系統的采樣周期。生產過程(對象)通常有較大的慣性時間常數,而大多數情況, 采樣周期與對象的時間常數相比要小的多,所以數字控制器參數的整定可以仿照 模擬PID調節器參數整定的各種方法。PID參數的確定是通過試湊法來確定,因此,通過采集數據,畫出圖線,分 析控制參數對控制性能的影響顯得很重要。數據采集的難點在于給系統一個固定 的擾動。因為根據前面的控制算法,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,經過思考,可 以嘗試采用以下3種方法:(1)待機器人穩定后,程序等待一段固定的時間。由于機器人穩定后,并 非真正的穩定在平衡位置,而是在平衡位置附近有小的擺動,因此,控制程序斷 開一段時間所產生的擾動并不固定。(2)待機器人穩定后,突然改變改變傳感器的值。同樣的道理,機器人穩 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,產生的擾動 無論大小和方向都不穩定。(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據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,就是當環境光強改變的時候, 要重新測定穩定位置的光感值。第三個方法滿足了 PID參數整定時數據采樣的要求,因此選用第三個方法。比例控制K加大,使系統的動作靈敏,速度加快,K偏大,震蕩次數加多,調節時間加長。當K太大時,系統會趨于不穩定。若K太小,又會使系統的動 作緩慢。加大比例控制K ,在系統穩定的情況下,可以減小穩態誤差,提高控 制精度,但是加大K只是減小穩態誤差,卻不能完全消除穩態誤差。積分控制“通常使系統的穩定性下降,Ti太小系統不穩定。Ti偏小,振蕩 次數較多。Ti太大,對系統
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能消除系統的穩態誤差,提高控制系統的控制精度。但是若Ti太大 時,積分作用太弱,以全不能減小穩態誤差。微分控制可以改善動態性能,如超調量減少,調節時間,縮短,允許加大比 例控制,使穩態誤差減小,提高控制精度。當T,偏大時,超調量也較大,調節時 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,調節速度快,穩態誤差小。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,容易受環境光的影響,試驗的理想條 件應該在黑暗的環境
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、收集必要的數據,不斷改善算法參數,使得小車能夠長時間保持平衡狀態;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,/*
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