乐高实验报告书

10机电一体化创综合试验学院: 机械与汽车工程学院专业:姓名:学号:

机械电子工程名目\l“_TOC_250020“第一局部根底试验 3\l“_TOC_250019“试验1光电传感器自动跟踪小3\l“_TOC_250018“试验目的 3\l“_TOC_250017“试验要求 3\l“_TOC_250016“软件设计 3\l“_TOC_250015“测试环境 3\l“_TOC_250014“试验步骤 4\l“_TOC_250013“留意事项 4\l“_TOC_250012“试验总结 4试验2光电传感器测距功能测试 5\l“_TOC_250011“试验目的 5\l“_TOC_250010“试验要求 5软件设计 5测试环境 6试验步骤 6调试与分析 7留意事项 9试验总结 9试验3光电传感器位移传感应用 10\l“_TOC_250009“试验目的 10\l“_TOC_250008“试验要求 10软件设计 10\l“_TOC_250007“试验步骤 11调试与分析 11留意事项 13试验总结 14其次局部创试验 15\l“_TOC_250006“双轮自平衡机器人 15\l“_TOC_250005“试验目的 15\l“_TOC_250004“试验要求 15\l“_TOC_250003“试验原理 15\l“_TOC_250002“试验步骤 17\l“_TOC_250001“试验过程 18试验总结及留意事项 20\l“_TOC_250000“试验感想 21试验目的：

第一局部根底试验试验1 光电传感器自动跟踪小车①了解光电传感器感光特性；②把握LEGO根本模型的搭建；③根本把握ROBOLAB软件；试验要求：①搭建牢靠的小车模型Z软件设计：写出程序如下：测试环境：如下图：试验步骤：参考附录步骤搭建小车模型。ROBOLAB编写程序。将小车与电脑用USBNXTROBOLABRUN按钮，传送程序。道小车能平稳地运行。留意事项：的不利影响。Z字形。试验总结Z字形行走。四周环境对小车有肯定的影响，但只要依据环境调试到适宜的光感值，小车就能正常运行。体会：用ROBOLAB编写程序时各个图标比较难找，但是生疏了各个界面之后就可以很快找到了。乐高机器人具有简洁简洁操作的优点，通过简洁的图形编程就可以对它进展掌握了，这同时也激发了学习的兴趣。这次的乐高机ROBOLAB的根底。试验2 光电传感器测距功能测试试验目的：①了解光电传感器测距的特性曲线；②把握LEGO根本模型的搭建；ROBOLAB软件。试验要求：①用LEGO积木搭建小车模式，并在车头安置光电传感器。程中进展光强值采集。③绘制出时间－光强曲线，推导出位移－光强曲线及方程。软件设计：编写程序流程图如下：开头开头设置采样函数电机转动24次〔0.05S/次〕电机停机音乐响完毕写出程序如下：测试环境：红板光电传感器红板光电传感器直尺可参考左图传动机构设计。试验步骤：搭建小车模型，参考附录步骤或自行设计ROBOLAB编写上述程序。将小车与电脑用USBNXTROBOLAB的RUN按钮，传送程序。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。NXT的红色按钮启动小车，进展光强信号的采样。从直尺上读取小车的位移。的数据采集按钮，进展数据采集，将数据放入红色容器。共进展四次数据采集。均线及拟和线处理。移同时间的关系〔近似为匀速直线运动系表达式。调试与分析0.05s1.2s。采得数据如下所示：数据显示ROBOLAB的数据计算工具中得到平均后的光电传感器特性曲线，如以下图所示：平均线对上述平均值曲线进展线性拟合，得到的光强与时间的线性拟合函数：拟和线以上四条曲线在一个图中显示如下：强的拟合函数：由上图可得光强与时间的关系为：y=-25.261858×t+56.524457;量取位移为4.5cm，用时1.2s，得：x=3.75×t ;光强与位移的关系为：y=-6.73649547×x+56.524457 ;移信号有着良好的线性关系，可以利用光强值进展位移掌握。但我们也可以0.1s0.8s之间。故只能用于短距离测控。留意事项：最大限度的削减环境光对试验的不利影响。方式，强制小车直线运动。条件下，白板的反射光强曲线较陡。尽量的慢，得到较为抱负的曲线。试验总结：但我们也看到，这种工作方式简洁受环境的影响，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打算的。最终，这次试验也为下次试验供给了理论支撑和相关数据确实定。体会的地方〔如桌子下方。试验3 光电传感器位移传感应用试验目的：把握利用光感的局部线性特征进展测距的方法。试验要求：3CM、2CM、1CM时各停顿5秒钟并以不同音调提示到达指定位置。3CM位置。测量小车到达各目标位置的实际位置。③重复试验三次并记录相关数据。软件设计：编写程序流程图如下：开头开头1s电机正转N光强值是否上升到指定Y电机停机5光强值是否上升到指定YN电机停机5光强值是否上升到指定YN电机停机5电机正转光强值是否下降到指定YN电机停机5光强值是否下降到指定YN完毕写出程序如下：试验步骤：参考附录搭建小车模型。ROBOLAB编写上述程序。将小车与电脑用USBNXTROBOLABRUN按钮，下载程序。用于记录小车与红板之间的距离。4cmNXT的红色将记录的数据记录在自制的表格中。调试与分析利用上次试验推导出光强与位移的方程：y=-6.73649547×x+56.524457得出：x=1cm时,y=49.8611≈50;x=2cm时,y=43.16889≈43;x=3cm时,y=36.46665≈36;利用上述数据进展程序设置，虽然小车能够按要求在不同的距离停顿，记录的试验数据：预定停机位置3cm2cm1cm2cm3cm各位置掌握阈值36%43％50％43％36％次〕2.0cm1.2cm0.5cm1.5cm2.6cm实际停机位置〔其次2.0cm1.1cm0.3cm1.6cm2.5cm次〕实际停机位置〔第三1.8cm1.0cm0.4cm1.5cm2.4cm次〕实际停机位置〔平1.9cm1.1cm0.4cm1.5cm2.5cm均〕均〕误差1.1cm0.9cm0.6cm0.5cm0.5cm运行程序，得到以下图：观测上图，可以觉察小车并未在我们设定的掌握阈值处停顿。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，故可以推想由于小车的惯性及电机自身的因素，故可以依据现场状况，调整掌握阈值，到达较好的掌握效果。g) 依据现场状况调整掌握阈值后的记录表格：预定停机位置 3cm 2cm1cm2cm3cm修改前各位置掌握阈值 36％ 43％50％43％36％修改后各位置掌握阈值 33％ 37％44％42％35％实际停机位〔第一次〕2.9cm 2.2cm1.1cm2.1cm3.0cm实际停机位〔其次次〕2.8cm 2.1cm1.0cm2.0cm3.1cm实际停机位〔第三次〕3.0cm 2.1cm1.1cm2.1cm3.0cm实际停机位置〔平均〕 2.9cm 2.1cm1.1cm2.1cm3.0cm误差 0.1cm -0.1cm-0.1cm-0.1cm0cm调整掌握阈值后采集的数据：依据上图可以觉察，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试验得出的方程，觉察处在这些光强之下的位移都比估量值大，说明上一个试验得出的方程存在误差，把一开头的加速运动简化为匀速直线运动处理所产生的。留意事项：器的自身光源，最大限度的削减环境光对试验的不利影响。小车在行进之中，并不能保证轨迹完全与红板垂直，可以实行固定后轮的方式，强制小车直线运动。由于光电传感器的自身光源为红色光，故承受红板反射效果最好。在同等条件下，白板的反射光强曲线较陡。为准确的掌握。读取直尺数值时尽量保持以垂直桌面的角度，减小误差。试验总结：的位移掌握。但由于受环境光，以及小车的惯性等因素的影响，利用上次试验的方式来进展位移值的读取。红板光电传感器直尺红板光电传感器直尺其次局部创性试验-------双轮自平衡机器人试验目的LEGO传感器的相关功能并娴熟应用LEGO根本模型的搭建，③娴熟把握ROBOTC软件，探究机器人的自动掌握调整算法争论。试验要求利用LEGO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；利用ROBOTCPIDkp，ki，〔当有外界扰动时，机器人小车也能快速做出反响使自己处于一个平衡状态。试验原理PIDKpTiTdPID算法比较简洁，器的输出和输入的关系是：Tu(kT) K{ e( kT)p Ti试验承受：

kj0k

TejT

[ e kT (e kT )]}(5.4)u(kT )

e(kT )Kp

kij0

e(jt)K

[e(kt)e(kT T)]d

(5.5)p式中Kp

K K Ti pTi

T为采样周期；K K Tdd pT 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响到掌握器，掌握器通过PID算法算出机器人运动的方向和速度，从而实现机器人的平衡。掌握系统的构造框图如下：输入信方向输入信方向PID掌握器稳定位速度机器人反响离地面的距机器人掌握框图now，算出偏差errolpid〔u(kT)5个速度档，所以程序初始化，设采样目前光算出偏差，定平衡位置光now微分和积分设定速度上下限等待采样周期的时间驱动机器人算法流程图

Kp，T，T外，还需要确定系i 统的采样周期To〔对象i PID调整器参数整定的各种方法。3种方法：待机器人稳定后，程序等待一段固定的时间。由于机器人稳定后，并开一段时间所产生的扰动并不固定。待机器人稳定后，突然转变转变传感器的值。同样的道理，机器人稳无论大小和方向都不稳定。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要重测定稳定位置的光感值。第三个方法满足了PIDK

p

p调整时间加长。当K

太大时，系统会趋于不稳定。假设Kp

太小，又会使系统的动pK

，在系统稳定的状况下，可以减小稳态误差，提高控pK

只是减小稳态误差，却不能完全消退稳态误差。p积分掌握TiTiTi偏小，振荡TiTi积分掌握TiTi太大时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。微分掌握可以改善动态性能，如超调量削减，调整时间ts

缩短，允许加大比Td

偏大时，超调量也较大，调整时间t也较长。只有适宜时，可以得到比较满足的过渡过程。s

=20，Kp

=2，Kd

的。试验步骤参照《LEGOLEGO积木搭建试验所需的机器人小车并安装必要的传感器；利用PID掌握算法，设计程序流程图；学习ROBOCTC的编程方法，初步把握一些功能函数的调用，并利用ROBOTC编写掌握程序；下载程序到NXT使得小车能够长时间保持平衡状态；编写课程设计说明书，完成试验。试验过程：⑴机器人搭建如以下图(2)试验程序//*!!Sensor,S2,Light,sensorLightActive,,!!*////*!!!!*////*!!Start automatically code. !!*////*!!Sensor, S2,sensorLightActive, , !!*////*!!Motor, motorA,tmotorNxtEncoderClosedLoop, //*!!Sensor, S2,sensorLightActive, , !!*//

configurationLight,motorA,Light,//*!!!!*////*!!Start automatically generated configurationcode. !!*////*!!Sensor, S2, Light,sensorLightActive, , !!*////*!!Motor, motorA, motorA,tmotorNxtEncoderClosedLoop, !!*////*!!Motor, motorB, motorB,tmotorNxtEncoderClosedLoop, !!*////*!!!!*////*!!Start automatically generated configurationcode. !!*//consttSensorsLight =(tSensors)S2; //sensorLightActive//*!!!!*//const tMotor motorA = (tMotor) motorA;//tmotorNxtEncoderClosedLoop//*!!!!*//const tMotor motorB = (tMotor) motorB;//tmotorNxtEncoderClosedLoop//*!!!!*////*!!CLICKtoedit”wizard”createdsensor&motorconfiguration.!!*////*!!Sensor, S3, Light,sensorLightActive, , !!*////*!!!!*////*!!Start automatically generated configurationcode. !!*//taskmain{doubleerr,errold,errdiff,errint=0;doublekp=20;doubleki=2;doublekd=12.5;doublenow;// doublescale=2;doublepid;/*nSyncedMotors=synchAB;nSyncedTurnRatio=100;*/bFloatDuringInactiveMotorPWM=false;intoffset=SensorValue[Light];//intoffset=SensorValue[Light];//nMotorPIDSpeedCtrl[motorA]=mtrSpeedReg;wait1M