机器人课程设计_图文概要

1、北京信息科技大学自编实验讲义 机器人控制课程设计指导书 许晓飞编著 自动化学院 智能科学与技术系 2010年1月 刖言 一、实验的基本要求 机器人控制课程设计实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法与操作技 能。培养学生学会根据实验目的拟定实验线路，选择所需仪器仪表，遵守实验步骤， 测取实际实验数据，进行分析研究，得出正确结论，认真完成实验报告。现按实验 过程 提出下列基本要求： 1、实验前的准备 实验前应复习参考资料有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、原理、 内容与步骤，明确实验过程中要解决的问题和应注意的问题；实验前写好预习报告， 经指导教师检查，方可开始做实验。 2、实验的进行

2、 1建立小组，合理分工 每次实验都以二人或三人一组为单位进行，人员安排由指导老师具体确定。实 验进行中的接线、记录数据等工作应认真、细致 ，保证实验的顺利完成。 2选择正确的仪器仪表 熟悉实验台的仪器仪表，选取正确的实验器材；实验完成后，放回原处。二、实 验安全操作规程 为了按时完成机器人控制课程设计实验，确保实验时人身安全与设备完好，要严 格遵守如下规定的安全操作规程： 1实验时，人体不可接触带电线路。 2接线或拆线都必须在切断电源情况下进行。 3经指导教师检查和允许，方可接通电源，实验中如发生事故，应立即切断电源，经 查清问题和妥善处理故障后，才能继续进行实验。 目录 2课程设计须 知 4

3、综合设 计 5课程设计一基于VC+的圆坐标机械手控制系统设 计课程设计二基于视觉的机器人控制 系统开发课程设计三FIRA竞 赛平台的管理决策系统设计 错误!未定义书签。课程 设计四FIRA竞赛平台足球机器人控制系统的设 计 2课程设计五FIRA竞赛平台视觉系统 的设计错误!未定义书签。课程设计六 基于贝叶 斯决策的电梯群控仿真系 统设计错误!未定义书签。 课程设计七基于光电检测的智能车设 计课程设计八 基于摄 像头检 测的智能车设计 14 课程设计九 基于电磁场检 测的智能车设 计 1课程设计十旋转机械 故障诊断系统设计 错误!未定义书签。课程 设计十一移动机器人的超声波测距避障系统设计 错误

4、!未定 义书签。课程设计十二基于脉冲激励的振动系统模态参数测定方法研 究错误!未定义书签。课程设计十三 智能楼宇环境监测系统的设 计错误!未定义书签。课程设计十四 基于机器 学 习的红外位移测量 系统设计错误!未定义书签。课程设 计十五基于智能控制的光照度监控系 统设计错误! 未定义书签。课程设计十六基于专家决策的无缝钢管检测系统设 计错误!未定义书签。课设模 板： 24 课程设计须知 机器人控制课程设计是在19-20周完成，每门课32课时，机器人课程设计每组不 能超过六人，请大家根据情况调整组队选题；小组内成员间须有一定明确的分工，欢 迎提前来熟悉系统平台；课程考核标准如下： 综合设计 课程

5、设计一智能机器人机械手控制系统设计 一、目的与任务 本课程设计旨在使学生了解机器人的结构，熟练掌握机器人控制与编程；通过实 际操作，解决从结构设计到运动控制分析中的问题；通过实验技能的训练，培养学生 理论联系实际的作风、严谨 的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。 先修课程要求：学生在进行课程设计之前应先修电路分析 、模拟电子技 术基础、数字电路与逻辑设计、微机原理与接口技术、数字信号 处理、控制理论、智能传感与检测技术、人工智能、机器人 学等相关课程和相关实验课程。 本课程设计任务是利用欧鹏科技的圆坐标机械手平台，采用VC编写监控编程 实时控制和监测机械手的运动位置，实现其机械手的运动操

6、作的实时控制和监测；通 过本设计进一步掌握机器人运动 系统的基本原理,组成和设计方法，设计出相应的机 器人运动系统，通过本课程设计，使学生初步 具有控制系统设计的能力，从而培养和提 高学生解决机器人工程问题的能力。 二、课程设计内容 欧鹏科技圆坐标机械手实验台系统机械手的运动操作作为被控对象，分析研究 控制卡的性能，实现实时控制与监测。 1. 掌握VC编写程序； 2. 理解典型控制算法，并能将其用到实际设计控制系统当中； 3. 结合所设计的控制平台，调节控制算法参数。控制误差在要求的范围内。 编写基于VC+软件平台控制系统，此系统包括串口通信模块、坐标定位模块 和控制模块组成，由坐标定位模块实

7、现圆柱坐标三自由度 XYZ位置定义,确定起 始、终止坐标，然后控制步进电机和直流电机的运动，实现圆柱坐标三自由度XYZ 连动抓取目标物体并且要求系统抓取目标物体误差小于1%。 三、课程设计条件 PC机 VC软件安装盘两张 控制电路所需元器件 采集卡 TEKTRONIX TDS1002 60MHZ 示波器 欧鹏科技圆坐标机械手实验台：气动的启动循环系统，机械手,运动控制卡。 四、机械手控制系统组成 提供参考控制系统结构框图如下图所示 此控制过程包括：首先要在抓取目标物体之前，要对目标物体有个坐标定位，并且 这个坐标定 图1控制系统参考结构框图 位要结合机械手的坐标定位，在空间上和数值上要达到一致

8、。根据这个要求设 计了一个机械手运动 控制模型，此模型一方面起到定位坐标的作用，另一方面又起到 了监控和计算机视觉作用。 其次要考虑控制移动及抓取问题。此时要充分利用TML库中相关函数，利用 MFC设计控制界面，很好的调用库函数，尽量做到减小移动的精确度。 最后完成两部分的充分结合，通过控制模型，运用控制指令在控制界面中完成基 本操作。 五、课程设计过程 1熟悉欧鹏科技圆坐标机械手实验台； 2.熟悉VC编程软件 3确定被控对象模型及控制方案，初算控制参数 4. 根据控制性能要求，实验调节参数 5. 完成欧鹏科技圆坐标机械手实验台机械手操作的实时控制和监测 六、课程设计报告 根据课程设计结果，编

9、写课程设计报告。在报告中应写出设计的方法、步骤、 控制方案、实验 接线图、实验结果。 6 课程设计二 全自主导航机器人控制系统设计 一、目的与任务 本课程设计旨在使学生了解机器人的结构，熟练掌握机器人控制与编程；通过实 际操作，解决从结构设计到运动控制分析中的问题；通过实验技能的训练，培养学生 理论联系实际的作风、严谨 的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。 先修课程要求：学生在进行课程设计之前应先修电路分析 、模拟电子技 术基础、数字电路与逻辑设计、微机原理与接口技术、数字信号 处理、控制理论、智能传感与检测技术、人工智能、机器人 学等相关课程和相关实验课程。 本课程设计任务是利用上海英

10、集斯的智能检测机器人的实验平台，通过设计特 定目标的搜寻路 径，编写路径搜寻算法，先采用Matlab进行算法仿真比较，进一步烧 写程序至智能检测机器人平台，完成搜寻机器人对特定搜寻目标的搜寻任务，最后对 搜寻机器人的搜寻路径提出了优化方法。采用C编写监控系统实时控制和监测智 能检测机器人的运动位置，设计和调试基于视觉输入的机器人运动控制系统,或运动 轨迹规划与控制系统实现其对目标的搜寻；通过本设计进一步掌握机器人运动系 统 的基本原理，组成和设计方法,设计出相应的机器人运动系统，通过本课程设计,使学生 初步具有控制系统设计的能力，从而培养和提高学生解决机器人工程问题的能力。 二、课程设计内容

11、上海英集斯的智能检测机器人实验台系统机器人的运动操作作为被控对象，分 析研究控制器的 性能,实现系统实时控制。 1. 掌握C语言编写程序; 2. 理解典型控制算法，并能将其用到实际设计控制系统当中 3. 结合所设计控制平台，调节控制算法参数。控制误差在要求的范围内。 要求设计系统重点研究如何规划自主式搜寻机器人的路径，让机器人能够避开 环境中的障碍物 并到达指定的目标点，设计并完成了对固定目标或移动火源的搜寻 策略。在对移动目标的搜寻中，采用远红外传感器检测远距离火源，光敏传感器检测 近距离目标，红外传感器预测障碍并躲避，与碰撞开关一起构成了搜寻机器人的避障 系统。首先，根据不同传感器的特点及

12、功能选定各功能模块 所用的传感器。其次，根 据现有条件设计搜寻路径，最后通过对程序的编写完成对火源的搜寻任务。再次提 出一个避障路径规划的算法，以目标与障碍物之间的夹角及自主式搜寻机器人与障 碍物之间的距离作为输入变量来调整自主式搜寻机器人前进的方向。最低要求实 现在较简单的环境下（如一个障碍物的最优搜寻控制器，进行搜寻规划。 三、课程设计条件 PC机 C语言软件安装盘两张 控制电路所需元器件 采集卡 TEKTRONIX TDS1002 60MHZ 示波器 智能检测机器人实验台：传感器模块，控制器,运动平台 四、智能检测机器人控制系统组成 提供参考控制系统结构框图如下图所示 图1控制系统参考结

13、构框图 7 此控制系统设计过程包括：主要是通过对搜寻机器人如上海英集斯智能检测机 器人平台的研究，在计算机上利用图形化交互式 C语言编程，编写路径搜寻算法，实 时调试机器人，使之完成目标的 搜寻，可以实现直接进行现场演示。 五、课程设计过程 1熟悉上海英集斯智能检测机器人实验台； 2.熟悉C语言编程软件 3确定被控对象模型及控制方案，初算控制参数 4. 根据控制性能要求，实验调节参数 5. 完成上海英集斯智能检测机器人实验台实时控制和监测 六、课程设计报告 根据课程设计结果，编写课程设计报告。在报告中应写出设计的方法、步骤、 控制方案、实验 接线图、实验结果。 内容： 1. 机器人基本结构原理

14、，硬件，软件;避障+ 2. 调试结果+问题+心得体会 9 课程设计三宝贝车机器人的组装设计与制作 一、目的与任务 本课程设计旨在使学生了解机器人的结构，熟练掌握机器人控制与编程；通过实 际操作，解决从结构设计到运动控制分析中的问题；通过实验技能的训练，培养学生 理论联系实际的作风、严谨 的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。 先修课程要求：学生在进行课程设计之前应先修电路分析 、模拟电子技 术基础、数字电路与逻辑设计、微机原理与接口技术、数字信号 处理、控制理论、智能传感与检测技术、人工智能、机器人 学等相关课程和相关实验课程。 本课程设计任务是通过对宝贝车机器人平台控制系统硬件部分总体结

15、构的把握 和对应用需求的分析,详细设计实现宝贝车机器人系统功能的具体的实现方案。包 括机械改造方案、控制电路设计 方案、检测电路设计方案、电源管理方案以及预 留的可扩展方案等。本设计中的宝贝车机器人硬件 系统采用了智能控制原理中的 反馈控制方式。以单片机为检测和控制核心。采用多种传感器采集所需信息使宝 贝车机器人完成各项任务，用光电编码盘和旋转编码器对速度信号进行实时采集 ；单 片机将来自前两者的信号经过运算处理；然后通过输出PWM信号来控制舵机和驱 动电机，以实现方向和速度的控制。同时，采用系统各模块独立的电源供电，保证了系 统的稳定性。通过本课程设计，使学生初步具有控制系统设计的能力，从而

16、培养和提 高学生解决机器人工程问题的能力。二、课程设计内容 通过指导教师分别购买一个宝贝车机器人所需的最基本的器件，以及组装所用 的基本工具如螺 丝起子、组合扳手和尖嘴钳等，指导学生完成以下几个基本任务:1 组装机器人基本器件，包括底盘、电机、电源、控制电路及最小控制系统主板 ；2测 试主板和电机的电气连接；3测试指示电路，开始编程；4设计测试调试终端的速度控 制;5设计测试宝贝车机器人的巡航控制；6设计完成机器人的触觉导航；7设计完成 机器人可见光和红外导航;8设计完成机器人的距离检测和避障。 三、课程设计条件 PC机 宝贝车机器人组件多种传感器 Keil C软件环境 四、宝贝车机器人导航系

17、统组成 1宝贝车机器人巡航原理 宝贝车机器人巡航原理是根据传感器检测到的信号,机器人做相应设计巡航路 径的运动,包括使机器人走直线、更精确的转弯、计算运动距离等技术。编程基 本的机器人动作，使机器人做一些基本的动 作:向前，向后，左转，右转和原地旋转；调节 巡航任务的运动，使动作更加精确；计算机器人运动指定 的距离需要发给机器人的 脉冲数量；写程序使机器人 由突然启动或停止变为逐步加速或减速运动；写一些 执 行基本动作的子程序，并且每一个子程序都能够被 多次调用；将复杂运动记录在单 片机模块中没有用到 的内存中，编写程序重放这些运动。 图1宝贝车机器人巡航及其驱动方向的指示 10 2巡航检测参

18、考电路 宝贝车机器人巡航检测电路如图2所示，通过采用有多种不同传感器能提供各 种独特功能进行 探测,例如当机器人遇到障碍物时，接触开关就会察觉，通过对机器人 编程拾取物体，并放置于别 处;光传感器用来探测可见光，并且可以检测不同的光亮 度水平。这样，可以编程使宝贝车机器人 识别周围环境的明暗，报告探测到的明暗水 平，并且可以寻找手电筒光束或从门口射进黑暗的屋子的光这样的光源。 五、课程设计过程 1熟悉宝贝车机器人组件；2熟悉微控制器； 3确定被控对象模型及控制方案，初算控制参数；4根据控制性能要求，实验调节 参数；5完成宝贝车机器人组件实时控制和监测。 六、课程设计报告 根据课程设计结果，编写

19、课程设计报告。在报告中应写出设计的方法、步骤、 控制方案、实验 接线图、实验结果。 不同点： 1.走直线，拐弯，刹车，倒车，显示, 系统结构图，调试结果，调试问题，心得体会 Vdd 10kl2 P7 a Vfr- 220貝 P5 a Wb- 220(2 Vss Right Wiisk 3确定被控对象模型及控制方案，初算控制参数; 4.根据控制性能要求，实验调节参数; 5.完成基于光电检测的智能车实时控制和监测。 六、课程设计报告 根据课程设计结果，编写课程设计报告。 在报告中应写出设计的方法、 步骤、 控制方案、实验接线图、实验结果。 课程设计六 基于电磁场检测的机器人车设计 一、目的与任务

20、本课程设计旨在使学生了解机器人的结构，熟练掌握机器人控制与编程；通过 实际操作，解决从结构设计到运动控制分析中的问题；通过实验技能的训练，培养学 生理论联系实际的 作风、严谨的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。 先修课程要求：学生在进行课程设计之前应先修电路分析 、模拟电子技 术基础、数字电路与逻辑设计、微机原理与接口技术、数字信号 处理、控制理论、智能传感与检测技术、人工智能、机器 人学等相关课程和相关实验课程。 本课程设计任务是通过对智能车控制系统硬件部分总体结构的把握和对应用需 求的分析,详细设计实现智能车系统功能的具体的实现方案。包括机械改造方案、 控制电路设计方 案、检测电路设

21、计方案、 电源管理方案以及预留的可扩展方案 等。本设计中的智能车硬件系 统采用了智能控制原理中的反馈控制方式。以 MC9S12DG128单片机为检测和控制核心。采 用电磁式传感器采集路径信息使智 能车寻找前进路径，用光电编码盘和旋转编码器对速度信号进行实时采集；单片机 将来自前两者的信号经过运算处理；然后通过输出PWM信号来控 制舵机和驱动电 机，以实现方向和速度的控制。同时，采用系统各模块独立的电源供电，保证了系统 的稳定性。通过本课程设计，使学生初步具有控制系统设计的能力，从而培养和提 高学生解决机器人工程问题的能力。 课程设计内容 飞思卡尔”智能车系统的理论设计是基于完成如表 1控制参数

22、关系表而进行设 计的，因此建议设计人工神经网络训练样本或模糊控制规则库进行系统的综合设 计。 表1控制参数关系表 直道- 右弯卫 左弯P S弯卩 十宇立 賈口 3 1 BE机心 0度P 右偏30 )E_4E ffi- 右30 產45度+ 0匪 a度4 0度 1 电机口 加速至 最快门 诚逵至 愦性能 控范围p 减連至 惯性能 控范围屮 加速至 最快门 最快 滅速至 停止门 飞思卡尔”智能车系统设计是智能车控制系统设计的基础。智能车控制系统硬 件结构主要由HCS12控制核心、路径识别电路、车速检测模块、转向伺服电机控 制电路、直流 驱动电机控制电路和电源管理单元组成，其系统硬件结构如图智能车 硬

23、件系统的整体结构如图1所示： 图1智能车系统的基本结构图 、课程设计条件 PC机 MC9S12DG128单片机 飞思卡尔”智能车模 电磁式传感器Freescale软件环境 四、电磁场检测路径识别系统组成 1电磁场检测原理 采用通电导线产生的电磁场对智能车进行引导。根据电磁学原理，我们知道在 导线中通入变化的电流（如按正弦规律变化的电流，则导线周围会产生变化的磁场， 且磁场与电流的变化规律具有一致性。如果在此磁场中之以由线圈组成的电感，则 该电感上会产生感应电动势，且该感 应电动势的大小和通过线圈回路的磁通量的变 化率成正 比。由于在导线周围不同位置，磁感应强度的大小和方向 不同，所以不同位 置

24、上的电感产生的感应电动势也应该使 不同，据此，则可以确定电感的大致位置。使 用磁场信号 引导车沿一定轨迹行走的优点主要体现在磁场信号具有很好的环境适应性 ，不 受光线、温度、湿度等环境因素的影响。图1表示直线电流磁场的分布，图2表示 直导线两侧的线圈。 2电磁场检测参考电路 通过采用两个10mH的电感置于车模的头部作为确定小 车位置的传感器，设计 一个模拟 检波电路如图3所示,实现由电 感得到的电动势信号的采集、调理和放 大。该电路采用电压并联 负反馈电路，电感信号从 PL进入，图3电磁式传感器的检波电路组成图 考虑到单独电感感应出的电动势很小，采用电感和电容谐振放大感应电动势，再 用三极 管

25、进行放大。 五、课程设计过程 1. 熟悉 飞思卡尔”智能车模； 2. 熟悉Freescale HCS12微控制器; 3确定被控对象模型及控制方案，初算控制参数; 4. 根据控制性能要求，实验调节参数； 5. 完成基于光电检测的智能车实时控制和监测。 六、课程设计报告 步骤、 根据课程设计结果，编写课程设计报告。在报告中应写出设计的方法、 控制方案、实验接线图、实验结果。 共同点： 1. 电磁车基本原理 2. 结构，基本功能,程序设计,系统调试结果 不同点 1. 创新部分： 2. 侧重点 3. 调试冋题 4. 心得体会 车崴松：电磁场检测方案比较 董建桥：电机驱动方案的比较（示波器 肖永兴：电源

26、管理方案（ 课程设计七FIRA竞赛平台足球机器人控制系统的设计 目的与任务 本课程设计旨在使学生了解机器人的结构，熟练掌握机器人控制与编程；通过 实际操作，解决从结构设计到运动控制分析中的问题；通过实验技能的训练，培养学 生理论联系实际的 作风、严谨的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。 先修课程要求：学生在进行课程设计之前应先修电路分析 、模拟电子技 术基础、数字电路与逻辑设计、微机原理与接口技术、数字信号 处理、控制理论、智能传感与检测技术、人工智能、机器 人学等相关课程和相关实验课程。 本课程设计任务是研 究河海大学的FIRA足球竞赛实验平台，掌握多机器人系 统控制的基本原理，组成和

27、设计方法，设计出相应的协同控制系统；研究人工智能 的相关理论,如知识型专家系统；根据视觉子系统送来的现场信息，研 究设计出科学有效的决策系统，包括决策模型和机器人行为控制模 型。应用到机器人的开发制作上，从而实现整个竞赛平台中的决策指 令科学有效。实现提高FIRA小型足球机器人追捕目标的实效性。通 过本设计进一步掌握多机器人运动系统控制的基本原理，组成和设计方 法,设计出 相应的机器人运动系统，通过本课程设计，使学生初步具有控制系统设计的能力，从 而培养和提高学生解决机器人工程问题的能力。 课程设计内容 FIRA足球竞赛实验台系统机器人的运动操作作为被控对象，分析研究控制器的 性能,实现多机器

28、人系统控制的管理决策系统设计。 1. 掌握keil C语言编写程序； 2. 理解典型控制系统的设计应用，并能将其用到实际机器人小车制作当中； 3. 结合所设计机器人小车平台，调节控制参数。使各个机器人的命令产生的动作 速度误差在要求的范围内 要求设计系统重点研究分析“ FIRA小型足球机器人”的硬件基本组成; 研究“ FIRA小型足球机器人”的设计原理；分析FIRA小型足球机器人 比赛有关的规 则、场地、资料等方面的知识，通过研究机器人的机械结构、电 子电路、传感器等方面性能，设计出可行性方案应用到机器人的开 发制作上，从而提高机器人追捕目标的实效性。 三、课程设计条件 PC机 VC软件安装盘

29、两张 控制电路所需元器件 采集卡 Protel DXP 2004 软件 TEKTRONIX TDS1002 60MHZ 示波器 FIRA足球竞赛实验平台 四、FIRA足球竞赛平台的机器人小车系统组成 提供参考机器人小车系统结构框图如下图所示 机器人小车接受主机指令，并根据指令要求迅速完成决策子系统的意图（带球, 射门，拦截等战术动作，其具有的功能：接受指令,速度控制，障碍回避。其中障碍回 避可由决策系统完成。 机器人小车子系统主要包括：机械结构及运动部分、CPU控制单元、电机驱动 单元、速 度检测环节、无线接收机。 五、课程设计过程 1. 熟悉FIRA足球竞赛实验平台； 2. 熟悉Protel

30、 DXP 2004软件，设计制作机器人小车的控制电路；在keilC语言编 程软件完成机器人小车控制系统； 3. 确定机器人小车系统应用策略方案，应用单片机技术完成系统功能； 4. 根据机器人小车系统性能要求，实现系统的实时性和灵活性； 5. 完成FIRA足球竞赛实验平台机器人小车系统的实效性。 21 六、课程设计报告 根据课程设计结果，编写课程设计报告。 在报告中应写出设计的方法、步骤、 控制方案、实验接线图、实验结果。 课程设计八FIRA足球机器人队形控制系统的设计一、目的与任务 本课程设计旨在使学生了解机器人的结构，熟练掌握机器人控制与编程；通过 实际操作，解决从结构设计到运动控制分析中的

31、问题；通过实验技能的训练，培养学 生理论联系实际的 作风、严谨的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。 先修课程要求：学生在进行课程设计之前应先修电路分析 、模拟电子技 术基础、数字电路与逻辑设计、微机原理与接口技术、数字信号 处理、控制理论、智能传感与检测技术、人工智能、机器 人学等相关课程和相关实验课程。 本课程设计任务是研 究河海大学的FIRA足球竞赛实验平台，掌握多机器人系 统控制的基本原理，组成和设计方法，设计出相应的协同控制系统；研究人工智能 的相关理论,如知识型专家系统；根据视觉子系统送来的现场信息，研 究设计出科学有效的决策系统，包括决策模型和机器人行为控制模 型。应用到机器

32、人的开发制作上，从而实现整个竞赛平台中的决策指 令科学有效。实现提高FIRA小型足球机器人队形目标的稳定性。通 过本设计进一步掌握多机器人运动系统控制的基本原理，组成和设计方 法,设计出 相应的机器人运动系统，通过本课程设计，使学生初步具有控制系统设计的能力，从 而培养和提高学生解决机器人工程问题的能力。 课程设计内容 FIRA足球竞赛实验台系统机器人的运动操作作为被控对象，分析研究控制器的 性能,实现多机器人系统控制的管理决策系统设计。 1. 掌握VC语言编写程序； 2. 理解典型控制系统的设计应用，并能将其用到实际机器人小车制作当中 3. 结合所设计机器人小车平台，调节控制参数。使各个机器

33、人的命令产生的动作 速度误差在要求的范围内。 要求设计系统重点研究分析“ FIRA小型足球机器人”的硬件基本组成; 研究“ FIRA小型足球机器人”的设计原理；分析FIRA小型足球机器人 比赛有关的规则、场地、资料等方面的知识，通过研究机器人的机械 结构、电子电路、传感器 22 等方面性能，设计出可行性方案，应用到机器人的开发制作上，从 而提高机器人追捕目标的实效性。 三、课程设计条件 PC机 VC软件安装盘两张 控制电路所需元器件 采集卡 Protel DXP 2004 软件 TEKTRONIX TDS1002 60MHZ 示波器 FIRA足球竞赛实验平台 四、FIRA足球竞赛平台的机器人小

34、车系统组成 提供参考机器人小车系统结构框图如下图所示 机器人小车接受主机指令，并根据指令要求迅速完成决策子系统的意图（带球, 射门，拦截等战术动作，其具有的功能：接受指令,速度控制，障碍回避。其中障碍回 避可由决策系统完成。 机器人小车子系统主要包括：机械结构及运动部分、CPU控制单元、电机驱动 单元、速 度检测环节、无线接收机。 五、课程设计过程 1. 熟悉FIRA足球竞赛实验平台； 2. 熟悉Protel DXP 2004软件，设计制作机器人小车的控制电路；在keilC语言编 程软件完成机器人小车控制系统； 3. 确定机器人小车系统应用策略方案，应用单片机技术完成系统功能； 4. 根据机器

35、人小车系统性能要求，实现系统的实时性和灵活性； 5. 完成FIRA足球竞赛实验平台机器人小车系统的实效性。 23 六、课程设计报告 根据课程设计结果，编写课程设计报告 在报告中应写出设计的方法、步骤、 控制方案、实验接线图、实验结果 共同点： 1. 系统结构框图 2. 队形结果（照片，描述 3. 机器小车硬件结构 区别： 1修改小车频率， 2. 队形策略 3. 调试过程 共12页 课设模板： 课程设计（题目 一、课程设计目的： 1 2 3 二、课程设计内容（示例 （一般包括设计方案、理论分析、研究方法与手段、结果与讨论、结论等 I 系统简介 此转盘转速控制系统以直流电机作为被控对象，采用PID

36、控制器对其进行控制 其系统结构框图如图1所示。 图1转盘转速控制系统结构框图 本设计主要工作是在计算机中使用 LabVIEW编程,设计基于LabVIEW的虚拟 仪器控制程序。系统总图如下： 24 图2转盘转速系统运行总图 由图2可以看出，由DAQ板卡动态采集数据，实现虚拟仪器与被控对象之间信 息的交换，此过程包括：对直流电机控制信号的输出和其转速信号的获取。虚拟仪 器输出模拟电压，通过SSR电机控制电路，控制直流电机。通过虚拟仪器的前面板 上的示波器和电压进度条我们 可以很直观地看到输出电压信号变化情况和采集卡 的负荷。光电传感器用来对直流电机转盘 的转速进行测量，将转速转化为波形信号 传感器

37、的输出信号通过数据采集卡的模拟输入通道反馈到计算机中，在虚拟仪器中 对其进行整流和滤波，获得稳定的转速。将其与设定转速 相比较,计算出设定转速 与实际转速之间的偏差值,在基于LabVIEW的PID控制系统中对这 些数字量进行 处理,形成控制信号，采集卡根据所接收到的指令通过模拟输出通道输出电压信号 给直流电机控制电路，对其的驱动电压进行控制，从而实现了计算机对直流电机转速 的闭环控制。 n.整个系统介绍 硬件部分:本实验用到的硬件包括 PC机 LabVIEW7.1安装盘两张 JGX 3FA SSR(固态继电器 NI公司的采集卡:NI USB 6008 TEKTRONIX TDS1002 60M

38、HZ 示波器 CSY-2000C型传感器与检测技术实验台：直流电机转盘、转速/频率表、光电 传感器等 采集卡为关键环节,经仔细查阅产品说明书，明确NI USB 6008的管脚定 义: 25 控制电压 控制电压 C1 图3 NI USB 6008数据采集卡前面板和管脚分布图 本试验用到了 1315.16四个管脚，分别为接地端，采集信号模拟输入端口 (AI4/AI0-,采集信号模拟输出端口 (AO1 ,接地端;采集卡在虚拟仪器系统中担任着 计算机控制系统与被控对象之间数据信息交换的桥梁的作用。直流电机带动转盘 运转,通过光电传感器将电机 的转速信号转化为波形信号，波形信号的频率对应为 转速,通过采

39、集卡的模拟输入通道进行 A/D将其转化为数字量，将之与设定转速相比 较，计算出设定转速于实际转速的偏差值，在基于LabVIEW的虚拟仪表程序中对这 些数字量进行处理，形成控制信号，供虚拟仪器控制系统使用。在采集卡的模拟输 出通道中进行D/A转换,把经过PID控制运算输出的数字量转 化为直流电机的控 制电压，送入控制电路，来控制直流电机的转速。 固态继电器SSR (solid state relays是一种无触点通断电子开关，它利用电子元件 (如开关三极管、双向可控硅等半导体器件的开关特性，可达到无触点无火花地接 通和断开电路的目的，为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输 出受控

40、端。本设计 中使用如图4的直流SSR控制电路来控制直流电机，通过改变采 集卡的输出电压可以控制SSR从而改变直流电机两端的电压，达到控制直流电机转 盘转速的目的。电路原理图与实 物图如图4所示： 直流电机 控制电压 SSR 电源电压 SL流电机 SSR 图4 SSR控制电路原理图与实物图 光电传感器：本设计中使用的传感器如图5所示: 26 a SCA LF mod uk 图5光电传感器 软件部分实现模块化编程思想，细分为数字滤波模块、数字 PID控制模块和 标度转化。1、数字滤波模块 G程序如下所 示:由于外界环境的影响，光电传感器的输出信号中掺杂着许 多 杂波和高频谐波，不进行滤波,将直接影

41、响到后续处理过程的准确性，因此必须进 行数字滤波,才能保证整个系统的稳度与精度，才能保证整个系统达到 较好的控 制效果。 本系统中由于电机在启动、调速、运转的整个过程中转速变化范围较大，速度 范围从Or/min变化到500r/min左右，变化范围十分大，使用单一一种滤波器很难达到 控制要求,可将Or/min到500r/min的转速分为两部分处理：低于200r/min和高于 200r/min,这样能够在较宽的范围内实现数字滤波的功能，滤波性能较好。 当转速大于200r/min时，如图6所示,将输入信号直接使用FIR带通滤波器进 行滤波,只让某一频率范围内的波形通过，而将其余的滤去。再将经过滤波的

42、信号 的频率成分提取出 来，作为PID控制器的输入信号，供PID控制器使用。 II?駅歎 False Filtered Sigxti error out FIR Bandpass filter Si 即 al 卜电rro干in go色 卜 Lo骨Ciit0T UppE 图6转速大于200r/min时的LabVIEW 程序图 当转速小于200r/min时，如图7所示,将输入信号直接使用Butterworth低通滤波 器（截止频率设置为220HZ进行滤波，将高于某一频率，也就是转速大于某一转速的 成分滤去。再将经过滤波的信号的频率成分提取出来，作为PID控制器的输入信 号,供PID控制器使用。 7

43、转速小于200r/min时的LabVIEW程序图 2 标度转换是必不可少的。 本系统中，光电传感器测得的转速 与设定转速相比较 获得转速误差数值，并将之传递给PID控制器后,PID控制器经过PID运算后输出控 制量,而驱动电机需要的是模拟电压信号；并且PID控制输出的范围为0300,而输 出模拟电压的范围为05V ，因而必须进行一系列的标度转换，才能保证控制器的输出 27 28 与采集卡输出之间数据的匹配，才能保证达到满意的控制效果。 由下图8可知 labview程序的工作方式：我们将PID控制器的输出与控制器的满量程范围相比较 得到了一个关于控制 器的输出与满量程之间的比例关系，将之与采集卡

44、的量程范围 相乘,就得到了对应的采集卡 的输出电压，从而完成了从PID控制器的输出到采集 卡电压输出的标度转换。 tiirol Range (b) Output (a) 图8标度转换的前面板与LabVIEW程序 3、PID控制器模块 被控对象为直流电机，控制直流电机的方式有很多种，本文中我们采用输入模拟 量的方式控制它。并且此数字PID模块的输入量为直流电机的设定转速与实际转 速的差值,输出量为控制直流电机速度的模拟信号，因而程序采用PID位置型控制 算法。算法如下所示: 0( ( ( ( (1 1k d p i i k k i k k T U K e T e e e T T =+-=+-刀

45、其中，p K为比例增益,i T积分时间常数，d T为微分时间常数，(ku为控制量, (ke为偏差,T采样周期,k为采样序号。 PID控制模块作为一个子VI ,本身还包括几个子模块：积分作用子模块、微分作 用子模块、采样周期的测量等等。 这些子模块有机组合,组成了功能强大的PID 控制模块。下面详细介绍PID控制器各个子模块的设计： 积分环节子模块 积分作用的数字算式：由算式可以看出，积分作用的数字算式只是将控制系统 过去的所有误差进行累积,然后乘以一个系数K=Kp*T/Ti,而得到的。在整个积分 运算过程中，使用得最多的就是移位寄存 器。移位寄存器在整个积分过程中起着举 足轻重的作用，不仅要将

46、本次运算以前的累积的数 据调出来供本次使用，而且要将本 次运算结果寄存起来供下次调用。 积分环节的前面板，如图9所示： (k p i i i k i K U T e T =刀 图9积分环节的前面板 如图10为积分环节初始化程序图所示，每次使用初始化按键时，积分环节模块都 会进行初始化。这个过程中，本次的输入存入移位寄存器而不进行运算，输出移位 寄存器中的数 值保持以前的数值不变，输出置为零。由此而保证了积分结果不能突 变,保证了位置式PID算法的稳定性。 图10积分环节初始化程序 积分环节的主要作用在于对误差进行积分，减小误差。如图11所示，设计中使用 了移位寄存器将过去的误差本次误差相累加，

47、一方面作为本次的输出，另一方面继 续存入移位寄 存器中，从而实现了对误差的积分。 积分环节模块还起到了抑制饱和 的作用。本程序中调用了总的前面板中设置的一个 PID控制器的输出范围，将之 与本次积分作用所得到的结果相比较,超出了范围则输出上次积分运算的结果，在 本范围内则输出本次积分运算的结果。这一设计在一定程度上起到了抑制饱和的 作用,使采集卡能工作在正常的范围内。 29 30 图11积分环节的LabVIEW程序 微分环节子模块 微分作用的数字算式：由算式可以看出，微分作用的数字算式只是将控制系统 本次误差与上次误差相减，然后与微分时间相除,得到误差的变化率，再乘以一个系 数p d K=KT

48、 *,从而得到微分结果。微 分作用主要是预测误差的变化趋向，提前做出响应，以达到减少超调量的目的。 微分环节的前面板，如图12所示: 图12微分环节的前面板 微分环节的初始化程序与积分环节的类似。如图13用户每次使初始化按键为 真时微 分环节模块都会进行初始化。这个过程中，本次的输入存入移位寄存器而不进 行运算, 输出移位寄存器中的数值保持以前的数值不变，输出为上次计算得到的微分结 果。 由此而保证了微分结果不能突变，使系统输出不至于变化过大，保证了位置式 PID算法的稳定性。 (1 d d p k k k T U K e e T -= 图13微分环节的初始化程序 微分时间大于0时，系统按照数

49、字微分算法进行微分运算，如图14所示,将本次 转速误差与移位寄存器中存的上次转速误差相减，再与微分时间相比较，得到误差 的变化率,最终经过一系列的数学运算得到微分运算结果。 图14微分环节时间常数大于0时的程序 微分时间常数不大于0时,无法进行误差变化率的运算。如图15所示，为了减小 系统的误差及误动作率，将前一次计算所的结果通过移位寄存器储存起来，当出现 此情况时,将上次运算结果输出，保证输出结果不会大幅度突变，从而保证了系统的 稳定性。 31 32 图15微分环节时间常数不大于0时的程序 PID空制器总模块： PID作用的数字算式如下： 0( ( ( ( (1 1k d p i i k k

50、 i k k T U K e T e e e T T =+-=+-刀 由算式可以看出，PID作用只不过是比例环节、微分环节、积分环节的总和。 PID子模块就是将微分模块、积分模块的结果与比例运算结果相加而得到的。 采样时间T的获取在传统的控制系统中测量起来十分麻烦，但设计虚拟仪表的 过程中应用起来却十分巧妙和方便。PID控制模块的LabVIEW程序就是一个大 的while循环，使用一个移位寄存器就可以很方便地获得采样时间。由图16所示，首 先将PID控制模块开始运行 时计时器的数据存入寄存器；待本次PID运算完成时, 一方面将这时计时器的数值送入移位寄存器，寄存器移位操作，将所积存的数据(开

51、始时计数器的数值左移；另一方面将左移 的数据与寄存器中的数值相减，就得到了本 次PID运算的采样时间。 1000 图16采样时间dt （T的获取 获得了 PID控制系统的采样时间就可以设计出PID控制器了。由前面板图（图 17可以看出,虚拟仪表面板的设计十分人性化，各个参数均可以根据需求来设定。 从前面板可以 输入设定值和实际值，通过运算形成误差；可以根据被控对象的特性 来调整PID参数:比例系数（p K、积分时间常数（i T、微分时间常数（d T ; PID调 解器的输出范围（Output Range同样也可以设定，保证了输出不至于超出调解器的控 制范围。 niti ali la (F) C

52、.I 1itfI f J v - Set Value Keal Value 1.231 E w j 图17 PID调节器的前面板 如图18所示，每当第一次运行PID控制模块时，由于使用了一个（FIRST CALL 函数和初始化按钮的数值相或运算，都会进行一次初始化。微分环节和PID控制 输出均调用了所设置的输出值范围（Output Range使积分输出和PID控制输出均不 至于过大或过小，使之在PID控制器可控的范围内，抑制了饱和作用，增强了系统的 可控性。 E 图18 PID调节器的LabVIEW程序 川控制性能分析 根据自动控制原理，用凑试法实现PID参数的整定，即通过模拟或者闭环（如果

53、允许的话运行，观察系统的相应曲线（例如阶跃响应，然后根据各调节参数对系统响 应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID调节参数。 增大比例系数Kp，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静 差。但是过大的比例系数会使系统具有加大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 增大积分时间Ti ,有助于减少超调，减小振荡，使系统更加稳定,但体统的静差的 消除将随之减慢。 增大微分时间Td ,亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加,但系统对 扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。 在凑试时,可参考以上的参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述先比例、 后积分、在微分的整

54、定步骤。本系统详细整定过程： 第一步:采用临界比例法粗略确定PID参数。启动转盘转速控制系统，待转速基 本稳定时，调节PID参数，将积分系数Ti设置为一个较大的数，将微分系数设置为零 使调节 33 器为纯比例调节器，逐渐改变比例系数Kp ,使系统处于临界振荡状态（稳定边缘 将这时的比例系数计为Kr，临界振荡周期记为Tr。根据齐格勒一-尼科尔斯 （Ziegle-Nichols提供的经验公式（如表1所示，就可由这两个基准参数得到不同类型 的调节参数。 第二步:粗略确定了 PID调节器的参数后，就可以使用凑试法来更进一步调节 PID控制器的参数，以达到更好的控制效果。最终调得 PID参数为,Kp :

55、70; Ti :40; Td :60。表1临界比例法确定的模拟调节器参数 Kp Ti Td P O+5Kr PI 0.45 Kr O.85Tr PID O.6Kr O.5Tr 0.12Tr - 300 C- 2S0 0- 200 0- ” 50 图19系统实现的人机界面 22 ?*50 0 00 % 300 r r 实鉴日朋 JSSeSTBS |23?56:53 星K輸岀 :肿 V 童小辑岀 MDT -1 ；jpY 采集卡警!出范 PIT匿塾谡定 0-J J匕00 0_ IV.实验调试过程 1. 转盘运转不够平稳，这是实验台的机械结构造成的，但经过仔细的PID参数整 定可以使调速系统尽量满足要

56、求； 2. 设计中使用的光电传感器为反射式光电传感器，工作原理是利用测速转盘上的 反光点反射的光线使传感器探头上的三极管导通或者截止，从而形成脉冲信号，通 过测量这个脉 冲信号的频率就可以得到此时转盘的转速。但是，由于转盘上的反光 点反射的光一般很弱，且不同的反光点反射性能也不同，光电传感器很容易误动作。 经过滤波，再加上反光片，尽量减少了控制系统的误动作； 3. 由于位置式PID算法控制过程中的输出为绝对输出，每一次输出均需要重新 计算,而不像增量式PID算法,输出的知识增量。这样当系统出现误动作时，就会对 输出产生较大 的影响，以致产生较大的误差。鉴于此，将位置式PID算法改进为增 量式,

57、减小了系统误差；4.上面所说的PID整定方法理论性很强，但真正动起手来还 真是费了一番工夫的，具体讲:当转盘高速运转时，根据经典的PID理论整定出一个 比例积分微分参数，但突然将速度减小至100r/min,参数必须经过重新调整才能使系 统跟踪性能好，超调小,运行稳定且很好的抗干扰能力。这样经过反复多次的调整，最 终确定了参数:Kp :70; Ti :40; Td : 60。 34 V.心得体会 从最初到中关村购买固态继电器，到系统调试成功，就大概过程，总结以下几点：1 系统要用到固态继电器，中关村跑了几个大型电子超市，发现位于知春路的中发电子 城有卖这种型号，且品种较多，可驱动范围很有选择的余

58、地，最后经过讨价还价拿到 JGX 3FA SSR(3A50V ;以此，增强了实践动手能力和与IT业界交流的能力。 2学习LabView的过程永远是个难忘的过程，实验室放着一本书LabView实 用教程，讲的是6i版本，但跟7.0相比除了教材的习题和示例有所变动，没有多大 区别，G语言的讲解都是一样的；唯一很不同的我们实验中用到的采集卡不是书中所 讲的PCI，而是USB-6008.以最快的速度看完，边看边动手搭建实验实例，遇到不懂 就去搜索，那里的资源很丰富，既锻炼的英语，又看到了很多开发实例，真 的很有趣3给实验室所有的电脑都装上了软件(LabView7.0 ,然后我们就开始选题了 我选了转速

59、控制，刚开始做觉得很有难度，无论是软件还是硬件，尤其程序的核心 PID算法，因为自动控制原理大二学的，说实话,真的有些陌生;于是找到了教材，重新 温习，渐渐熟悉了；搭建前台，后台用G语言写对应程序；硬件组装,进入了整定阶 段。当完成了整定一步后，真正明白了理论讲解与实际动手的区别，加深了对PID 控制理论的再认识。4通过本次课程设计，让我明白了一个道理，那就是:只要认真 去对待一件事情，联想自己所学,到最后往往会有所收获。由此，使我更加坚定了学 好本专业的信心。 三、参考文献 参考文献是论文不可缺少的组成部分，包括参考书和引用书，数量不少于10篇； 要求有至少2篇外文参考文献，按正文中引用的先

60、后顺序列出，著录格式参考国家标 准GB/T7714 2005文后参考文献著录规则的有关规定要求,几种典型格式 如下： 1期刊 作者题名J.刊名,出版年,卷（期：起止页码 例如： 1莫少强数字式中文全文文献格式的设计与研究J.情报学报,1999, 18（4:1-6.（间隔符号是英文全角 2. 专著 作者.书名M.版本（第一版不著录.出版地：出版者，出版年：起止页码.例如: 1贺奇，郑岩，魏藜等.构建面向CRM的数据挖掘应用M.北京：人民邮政 出版社,2001:230-252. 3. 论文集 作者.题名C./编者.论文集名.出版地：出版者，出版年：起止页码.例如： 35 1郭宏，王熊，刘宗林膜分离