机电一体化创新综合实验【精品推荐】

1、 机电一体化创新综合实验 学院：机械与汽车工程学院 专业：机械电子工程 姓名： 学号： 目录 第部分基础实验 3 实验1光电传感器自动跟踪小车 3 1. 实验目的3 2. 实验要求3 3. 软件设计3 4. 测试环境3 5. 实验步骤 4 6. 注意事项 4 7. 实验总结 4 实验2光电传感器测距功能测试 5 1. 实验目的 5 2. 实验要求 5 3. 软件设计 5 4. 测试环境 6 5. 实验步骤 6 6. 调试与分析 7 7. 注意事项 9 8. 实验总结 9 实验3光电传感器位移传感应用 10 1. 实验目的 10 2. 实验要求 10 3. 软件设计 10 4. 实验步骤 11

2、5. 调试与分析 11 6. 注意事项 13 7. 实验总结 14 第二部分创新实验 15 双轮自平衡机器人 15 1. 实验目的15 2. 实验要求15 3. 实验原理15 4. 实验步骤17 5. 实验过程18 6. 实验总结及注意事项 20 7. 实验感想21 第一部分基础实验 实验1光电传感器自动跟踪小车 1. 实验目的： 了解光电传感器感光特性； 掌握LEG（基本模型的搭建； 基本掌握ROBOLA软件； 2. 实验要求： 搭建牢靠的小车模型 实现小车沿着黑线行走（实际上是沿着黑线走Z字形） 3. 软件设计： 写出程序如下： 4. 测试环境： 如图所示: 5. 实验步骤: 1）参考附录

3、步骤搭建小车模型。 2）用ROBOLAffi写程序。 3）将小车与电脑用USB数据线连接，打开NXT的电源。点击ROBOLA的 RUN按钮，传送程序。 4）取有黑线的白板，运行程序，观察小车的运动情况，不断调试程序，知 道小车能平稳地运行。 6. 注意事项： 光电传感器对环境光较为敏感，现采用直接采光装置，提高对环境的适 应度。另外，采用光电传感器的自身光源，最大限度的减少环境光对实 验的不利影响。 小车在行进之中，并不能保证轨迹完全沿着黑线行走，而是沿着黑线走Z 字形。 7. 实验总结 在下载程序之后，将Lego机器人的光感传感器先对准稍偏离黑线部分，启动 程序，之后机器人能够平稳的沿着黑线

4、 Z字形行走。周围环境对小车有一定 的影响，但只要根据环境调试到合适的光感值，小车就能正常运行。 体会：用ROBOLA编写程序时各个图标比较难找，但是熟悉了各个界面之后 就可以很快找到了。乐高机器人具有简单容易操作的优点，通过简单的图形 编程就可以对它进行控制了，这同时也激发了学习的兴趣。这次的乐高机器 人实验初步锻炼了利用 ROBOLA编程的能力，为以后的实验打下了良好的基 础。 实验2光电传感器测距功能测试 1. 实验目的： 了解光电传感器测距的特性曲线； 掌握LEGC基本模型的搭建； 熟练掌握ROBOLA软件。 2. 实验要求： 用LEGO木搭建小车模式，并在车头安置光电传感器。 小车能

5、在光电传感器紧贴红板，以垂直红板的方向作匀速直线倒车运动过 程中进行光强值采集。 绘制出时间一光强曲线，推导出位移一光强曲线及方程。 3. 软件设计： 编写程序流程图如下： 写出程序如下: 4. 测试环境： 如图所示: 注意事项：实验应尽量降低环境干扰因素，同时小车的设计宜使速度尽量低。 可参考左图传动机构设计。 5. 实验步骤： 1）搭建小车模型，参考附录步骤或自行设计 2）用ROBOLA编写上述程序。 3）将小车与电脑用USB数据线连接，并打开NXT的电源。点击ROBOLA的 RUN按钮，传送程序。 4）取一红颜色的纸板竖直摆放，并在桌面平面与纸板垂直方向放置直尺， 用于记录小车行走的位移

6、。 5）将小车的光电传感器紧贴红板放置，用电脑或NXT的红色按钮启动小车， 进行光强信号的采样。从直尺上读取小车的位移。 6）待小车发出音乐后，点击 ROBOLA的数据采集按钮，进行数据采集，将 数据放入红色容器。共进行四次数据采集。 7）点击ROBOLA的计算按钮，分别对四次采集的数据进行同时显示、平均 线及拟和线处理。 8）利用数据处理结果及图表，得出时间同光强的对应关系。再利用小车位 移同时间的关系（近似为匀速直线运动），推导出小车位移同光强的关 系表达式。 6. 调试与分析 a）米样次数设为24,米样间隔为0.05s，共运行1.2s。米得数据如下所示： rut I light 0 DO

7、O Q DOO 10. 0- 算工具3 o.oo (j. a 0.0 i.oa i. is 49.206WT 崖廻7? +J 11L2 创口 拟和线 以上四条曲线在一个图中显示如下: 10 70 0 o ao 0 ho 齐 I 3妁 研充打缭厠 1 + 1 豹匚I JI型r 圧5 0 20 d）取四次实验小车位移的平均值，根据时间与光强的拟合函数求取距离与 光强的拟合函数: 由上图可得光强与时间的关系为：y= -25.261858 X+56.524457 量取位移为4.5cm，用时1.2s，得：x=3.75 Xt ; 光强与位移的关系为：y= -6.73649547 X x+56.524457

8、; e）通过观测上图及导出的光强位移函数可知，光电传感器在短距离里内对 位移信号有着良好的线性关系，可以利用光强值进行位移控制。但我们也可 以发现，其线性区域十分狭窄，从图中可看出，主要集中在0.1s到0.8s之 间。故只能用于短距离测控。 7. 注意事项： 光电传感器对环境的光较为敏感，应采用一定的遮光措施，使环境尽量的 暗，增大光强变化范围，提高定位准确度。另外，采用光电传感器的自身光源， 最大限度的减少环境光对实验的不利影响。 小车在行进之中，并不能保证轨迹完全与红板垂直，可以采取固定后轮的 方式，强制小车直线运动。 由于光电传感器的自身光源为红色光， 故采用红板反射效果最好。在同等 条

9、件下，白板的反射光强曲线较陡。 由于线性区域很窄，故只用低速档并可以考虑采用齿轮减速机构，使速度 尽量的慢，得到较为理想的曲线。 8. 实验总结： 通过这次实验，我们看到光电传感器的另一种功能，在短距离内的测距功能。 但我们也看到，这种工作方式容易受环境的影响，产生较大的误差。另外， 它也只适合于短距离的测量，这是由于其与位移的线性关系决定的。最后， 这次实验也为下次实验提供了理论支撑和相关数据的确定。 体会：本次试验观点传感器对环境光非常敏感，实验时应该把装置放在较暗 的地方（如桌子下方）。 实验3光电传感器位移传感应用 1. 实验目的： 掌握利用光感的局部线性特征进行测距的方法。 2. 实

10、验要求： 小车由出发点向障碍物方向匀速行进，距离 3CM 2CM 1CM时各停止5 秒钟并以不同音调提示到达指定位置。 回程亦然并停止在3CM位置。测量小车到达各目标位置的实际位置。 重复实验三次并记录相关数据。 3. 软件设计： 编写程序流程图如下： 写出程序如下: 4. 5. 实验步骤： 1）参考附录搭建小车模型。 2）用ROBOLA编写上述程序。 3）将小车与电脑用USB数据线连接，并打开NXT的电源。点击ROBOLA的 RUN按钮，下载程序。 4）取一红颜色的纸板竖直摆放，并在桌面平面与纸板垂直方向放置直尺， 用于记录小车与红板之间的距离。 5）将小车的正对红板放置，与红板距离约为 4

11、cm。用电脑或NXT的红色按 钮启动小车。每逢小车停顿，从直尺上读取小车的位移。重复三次。 6）将记录的数据记录在自制的表格中。 调试与分析 a）利用上次实验推导出光强与位移的方程: 得出: y= -6.73649547 X x+56.524457 x=1cm 时，y=49.861 1 50 x=2cm 时，y=43.16889 43; x=3cm 时，y=36.46665 36; b）利用上述数据进行程序设置，虽然小车能够按要求在不同的距离停顿， 但与我们所设的位置有较大误差，特别是回程的时候。这是由于拟和的 函数本身就存在误差，再加上环境的影响，故实现起来有较大的误差。 c）记录的实验数据

12、: 预定停机位置 3cm 2cm 1cm 2cm 3cm 各位置控制阈值 36% 43% 50% 43% 36%1 实际停机位置（第一 次） 2.0cm 1.2cm 0.5cm 1.5cm 2.6cm 实际停机位置（第二 次） 2.0cm 1.1cm 0.3cm 1.6cm 2.5cm 实际停机位置（第三 次） 1.8cm 1.0cm 0.4cm 1.5cm 2.4cm 实际停机位置（平 1.9cm 1.1cm 0.4cm 1.5cm 2.5cm 均） 误差 1.1cm 0.9cm 0.6cm 0.5cm 0.5cm e）运行程序，得到下图: d）为更好的进行程序调试，故改进程序如下，加入光电

13、感应器的数据采集: f）观测上图，可以发现小车并未在我们设定的控制阈值处停顿。在向前运 动中，停顿位置的实际光强值比预设的大。而在回程中，停顿位置的光 强值比我们预设的小，故可以推测由于小车的惯性及电机自身的因素， 产生了控制误差。另外，我们可以从图表中读出停顿位置的实际光强值, 故可以根据现场情况，调整控制阈值，达到较好的控制效果。 g）根据现场情况调整控制阈值后的记录表格: 预定停机位置 3cm 2cm 1cm 2cm 3cm 修改前各位置控制阈值 36% 43% 50% 43% 36% 修改后各位置控制阈值 33% 37% 44% 42% 35% 实际停机位置（第一次） 2.9cm 2.

14、2cm 1.1cm 2.1cm 3.0cm 实际停机位置（第二次） 2.8cm 2.1cm 1.0cm 2.0cm 3.1cm 实际停机位置（第三次） 3.0cm 2.1cm 1.1cm 2.1cm 3.0cm 实际停机位置（平均） 2.9cm 2.1cm 1.1cm 2.1cm 3.0cm 误差 0.1cm -0.1cm -0.1cm -0.1cm 0cm h）调整控制阈值后采集的数据: File Edit Project Hlp i）根据上图可以发现，小车实际停顿位置的光强值为34, 39, 47。将这些 数据代入上次实验得出的方程，发现处在这些光强之下的位移都比预计 值大，说明上一个实验

15、得出的方程存在误差，把一开始的加速运动简化 为匀速直线运动处理所产生的。 6.注意事项： 光电传感器对环境光较为敏感，应采用一定的遮光措施，使环境尽量的 暗，增大光强变化范围，提高定位准确度。另外，本实验采用光电传感 器的自身光源，最大限度的减少环境光对实验的不利影响。 小车在行进之中，并不能保证轨迹完全与红板垂直，可以采取固定后轮 的方式，强制小车直线运动。 由于光电传感器的自身光源为红色光，故采用红板反射效果最好。在同 等条件下，白板的反射光强曲线较陡。 由于控制的位移很小，故尽量采用低速档及齿轮减速机构，使速度尽量 的慢。另外一开始摆放的距离也不宜太大，尽量减小惯性，才能得到较 为精确的

16、控制。 读取直尺数值时尽量保持以垂直桌面的角度，减小误差。 7.实验总结： 通过这次实验，我们看到利用光电传感器，可以实现短距离的较为精确 的位移控制。但由于受环境光，以及小车的惯性等因素的影响，利用上次实 验拟和的位移一光强曲线函数虽然实现不同距离停顿的功能， 但与预定值有 着较大的误差。故可以考虑现场采集光强值的方式， 以上次实验计算出的控 制阈值作为初始值，通过多次试验进行校正，最后达到较为理想的位置控制。 另外，从直尺上读取小车的位移值时，从不同的角度读取值不一样，易 引入误差。故可以考虑在车轮上直接绘制标尺的方式或改用角度传感器反馈 的方式来进行位移值的读取。 红板 直尺 光电传感器

17、 附测试环境：如图所示: 第二部分创新性实验 双轮自平衡机器人 1. 实验目的 了解LEGO传感器的相关功能并熟练应用 掌握LEGO基本模型的搭建， 熟练掌握ROBOT （软件，探索机器人的自动控制调节算法研究。 2. 实验要求 1. 利用LEGC积木搭建一辆两轮机器人小车，并配置所需传感器-一个 光感传感器； 2. 利用ROBOT编写控制程序，选择PID控制算法，选择合适的kp，ki， kd等参数使该机器人能够在较长一段时间内实现自动平衡（当有外界扰 动时，机器人小车也能快速做出反应使自己处于一个平衡状态）。 3. 实验原理 PID控制参数KpTTd相互独立，参数整定比较方便；PID算法比较

18、简单, 计算工作量比较小，容易实现多回路控制。在计算机控制系统中，数字调 节器的输出和输入的关系是： T kTd u(kT)二 Kpe(kT) e(jT) de(kT)-e(kT -T) (5.4) Ti j=0T 试验米用： k u (kT )二 K pe(kT ) K e( jt ) K d e( kt ) - e( kT - T ) j =0 (5.5) T 式中Kp成为比例系数；心Kpt 称为积分系数，t为采样周期; Kd = Kp G T称为微分系数。 机器人安装有一个光电传感器，通过这个传感器把位置信息反馈到控制器， 控制器通过PID算法算出机器人运动的方向和速度，从而实现机器人的

19、平衡。控 制系统的结构框图如下： 机器人控制框图 实现上述的控制的框图，先采平衡位置的光感值ofset，由于环境光度对 传感器的影响很大，所以每次运行机器人的时候传感器把平衡位置的光感强度存 为稳定位置比较方便。进入循环体，采第二个位置的光感值now,算出偏差 err=now-offset ，当前微分 errdiff=err-errold ，积分 errint=errint+err，把 当前偏差存储到errold，接着算出pid （ u（kT），因为机器人的马达只有5个 速度档，所以要设定速度上限和下限，接着给指令马达，然后设定控制周期，再 返回到第二步采光感值now,算法流程图如图所示。 算

20、法流程图 数字PID调节器参数的整定，除了需要确定 Kp，Ti，Td外，还需要确定系 统的采样周期To。生产过程（对象）通常有较大的惯性时间常数，而大多数情况， 采样周期与对象的时间常数相比要小的多， 所以数字控制器参数的整定可以仿照 模拟PID调节器参数整定的各种方法。 PID参数的确定是通过试凑法来确定，因此，通过采集数据，画出图线，分 析控制参数对控制性能的影响显得很重要。数据采集的难点在于给系统一个固定 的扰动。因为根据前面的控制算法，机器人开始必须在平衡位置以便采得目标光 感值，当机器人运动以后，想给定一个固定的扰动就比较困难了，经过思考，可 以尝试采用以下3种方法： （1）待机器人

21、稳定后，程序等待一段固定的时间。由于机器人稳定后，并 非真正的稳定在平衡位置，而是在平衡位置附近有小的摆动，因此，控制程序断 开一段时间所产生的扰动并不固定。 （2）待机器人稳定后，突然改变改变传感器的值。同样的道理，机器人稳 定后，并非真正的处于平衡位置，而是在平衡位置附近振荡，因此，产生的扰动 无论大小和方向都不稳定。 （3）在试验前先测定平衡位置的光感值，机器人运行前让光电传感器离开 地面一个固定的距离，平衡位置的距离和这个固定的距离的差就是给系统的固定 的扰动。这样，机器人运行时并不把第一个采到的数据作为平衡位置的光感值。 虽然这个方法能得到一个固定的扰动，但也有缺点，就是当环境光强改

22、变的时候， 要重新测定稳定位置的光感值。 第三个方法满足了 PID参数整定时数据采样的要求，因此选用第三个方法。 比例控制Kp加大，使系统的动作灵敏，速度加快，Kp偏大，震荡次数加多， 调节时间加长。当Kp太大时，系统会趋于不稳定。若Kp太小，又会使系统的动 作缓慢。加大比例控制Kp，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控 制精度，但是加大Kp只是减小稳态误差，却不能完全消除稳态误差。 积分控制Ti通常使系统的稳定性下降，Ti太小系统不稳定。Ti偏小，振荡 次数较多。Ti太大，对系统性能的影响减少，当Ti合适时，过渡性能比较理想。 积分控制Ti能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度

23、。但是若Ti太大 时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。 微分控制可以改善动态性能，如超调量减少，调节时间 ts缩短，允许加大比 例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当Td偏大时，超调量也较大，调节时 间ts也较长。只有合适时，可以得到比较满意的过渡过程。 综合起来，选定K p =20, Ki =2， Kd =12.5，两轮自平衡机器人获得良好的控 制性能，超调量小，调节速度快，稳态误差小。但此时，机器人还有小幅摆动， 这主要是由于光电传感器是可见光的传感，容易受环境光的影响，试验的理想条 件应该在黑暗的环境下，水平的均匀的地面上进行。另一方面，机器人的平衡位 置并不十分精确，因为实验前寻

24、找机器人的平衡位置时的光强值是通过目测判断 的。 4. 实验步骤 1. 参照 LEGO快速入门，利用LEGC积木搭建实验所需的机器人小车并 安装必要的传感器； 2. 利用PID控制算法，设计程序流程图； 3. 学习ROBOCT的编程方法，初步掌握一些功能函数的调用，并利用ROBOTC 编写控制程序； 4. 下载程序到NXT小车中进行调试、收集必要的数据，不断改善算法参数， 使得小车能够长时间保持平衡状态; 5.编写课程设计说明书，完成实验。 5.实验过程: 机器人搭建 如下图 (2)实验程序 *!Se nsor, sen sorLightActive, /*! !*/ /*!Start cod

25、e. *!Se nsor, S2, !*/ automatically !*/ S2, gen erated sen sorLightActive, ,!*/ *!Motor,motorA, tmotorNxtE ncoderClosedLoop, !*/ *!Se nsor,S2, Light, con figurati on Light, motorA, Light, sen sorLightActive,!*/ /*! !*/ /*!Startautomatically code.!*/ *!Se nsor,S2, sen sorLightActive, ,!*/ /*!Motor,motorA, tmotorNxtE ncoderClosedLoop,!*/ /*!Motor,motorB, tmotorNxtE ncoderClosedLoop,!*/ /*! !*/ gen eratedcon figurati on Light, motorA, motorB, =(tSe nsors) S2; =(tMotor) motorA; =(tMotor) motorB; created sensor