樂高實驗報告

機電一體化創(chuàng)新綜合實驗報告機械與汽車工程學(xué)院07機電1班目錄Lab1光電傳感器自動跟蹤小車Lab4超聲波傳感器測試Lab5超聲波傳感器位移傳感應(yīng)用尋線機器人Labl光電傳感器自動跟蹤小車.實驗?zāi)康模?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R0B0LAB軟件；.實驗要求：能做搭建比較牢靠的小車模型,能夠?qū)崿F(xiàn)小車沿著黑線行走（實際上是沿著黑線走Z字形）。.軟件設(shè)計：編寫程序流程圖并寫出程序。程序如下圖：.測試環(huán)境：如圖所示:.實驗步驟：1）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，傳送程序。取有黑線的白板，運行程序，觀察小車的運動情況，不斷的調(diào)試，力求沿黑線走得越快越好。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(yīng)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沿著黑線行走，而是沿著黑線走Z字形。實驗總結(jié)經(jīng)過實驗，自動尋線小車基本達到實驗要求，但仍然不很穩(wěn)定。環(huán)境光干擾仍會引起小車錯誤?；蛘哂捎跈z測不到黑線而原地打轉(zhuǎn)。思考應(yīng)該考慮在當(dāng)前環(huán)境下，先讀取白板值，再將小車放在黑線上讀取黑線值，然后在求平均值作為小車是否轉(zhuǎn)彎的臨界值。Lab2光電傳感器測距功能測試.實驗?zāi)康模?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R0B0LAB軟件。.實驗要求：能夠用LEGo積木搭建小車模式，并在車頭安置光電傳感器。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，然后推導(dǎo)出位移一光強曲線及方程。.軟件設(shè)計：編寫程序流程圖并寫出程序。程序可參考下圖：.測試環(huán)境：如圖所示:注意事項：實驗應(yīng)盡量降低環(huán)境干擾因素，同時小車的設(shè)計宜使速度盡量低。（如何在馬達的能量一定的情況下，降低小車的速度？）可參考左圖傳動機構(gòu)設(shè)計。.實驗步驟：1）搭建小車模型，參考附錄步驟或自行設(shè)計（創(chuàng)新可加分）。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，傳送程序。4）取一紅顏色的紙板（或其他紅板）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。如下圖所示：FileEditProjectHelp6）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。數(shù)據(jù)顯示計算工具3 TnHl計算2平均線計菖工具W計尊3擬和線7）利用數(shù)據(jù)處理結(jié)果及圖表，得出時間同光強的對應(yīng)關(guān)系。再利用小車位移同時間的關(guān)系（近似為勻速直線運動），推導(dǎo)出小車位移同光強的關(guān)系表達式（從上面的圖中你能讀出什么？對比擬合線和平均線你可以從中知道什么？）。.注意事項：光電傳感器對環(huán)境光較為敏感，故應(yīng)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(gòu)，使速度盡量的慢，得到較為理想的曲線Lab3光電傳感器位移傳感應(yīng)用.實驗?zāi)康?＞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，距離3CM、2CM、ICM時各停止5秒鐘并以不同音調(diào)提示到達指定位置?；爻桃嗳徊⑼Ｖ乖?CM位置。測量小車到達各目標位置的實際位置。重復(fù)實驗三次并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。.軟件設(shè)計：自行設(shè)計軟件流程圖及程序。.測試環(huán)境：如圖所示：.實驗步驟：1）搭建小車模型，參考附錄步驟或自行設(shè)計（創(chuàng)新可加分）。2）用ROBOLAB編寫程序（控制閾值需要修改）。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（或其他紅板）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(fù)三次。6）將記錄的數(shù)據(jù)記錄在自制的表格中。（可以用辦公軟件繪制表格和圖形）.注意事項：?光電傳感器對環(huán)境光較為敏感，故應(yīng)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(gòu)，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。四、尋線機器人L實驗?zāi)康模毫私釲EGO傳感器的相關(guān)功能并熟練應(yīng)用;掌握LEGO基本模型的搭建；熟練掌握ROBOTC軟件；探索機器人的自動控制調(diào)節(jié)；2.實驗設(shè)備：1）計算機（安裝有RobotC）;LEGO智力風(fēng)暴(MINDSTORMS)9797套裝；LEGO教育積木9797套裝；4)中等面積白板3．實驗要求：能夠利用LEGO積木搭建一輛兩輪機器人，并配置所需傳感器；要求該機器人能夠在較長一段時間內(nèi)實現(xiàn)自動平衡。4小組成員及分工5．實驗內(nèi)容：5)搭建機器人模型測試光電傳感器6)選擇一種算法，用Robotc軟件進行設(shè)計程序，此次我采用的是PID比例微分積分控制。PID控制是一種最優(yōu)的控制算法；PID控制參數(shù)KTT相互獨立，參數(shù)pid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，數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出和輸入的關(guān)系是：Tk TU(kT)=K{e(kT)+―乙e(jT)+工[e(kT)—e(kT—T)]}P T Tij=0 (5.4)試驗采用：u(kT)=Ke(kT)+KEe(jt)+K[e(kt)—e(kT—T)]pi dj=0 (5.5)TK=K-式中KP成為比例系數(shù)；'PT稱為積分系數(shù)，T為采樣周期;TK=KddPT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?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(dāng)前微分errdiff=err-errold，積分errint=errint+err，把當(dāng)前偏差存儲到errold，接著算出pid(U(kT))，因為機器人的馬達只有5個速度檔，所以要設(shè)定速度上限和下限，接著給指令馬達，然后設(shè)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。算法流程圖模擬PID調(diào)節(jié)器的整定是按照工藝對控制性能的要求，決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)K，T，T，這是工程中使用最普遍。pid數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，除了需要確定K,T,T外，還需要確定pid系統(tǒng)的采樣周期T。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o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(diào)節(jié)器參數(shù)整定的各種方法。數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，或者需要進行對象參數(shù)和過度特性的測試和計算,或者需要借助于積累的調(diào)試經(jīng)驗,才能獲得比較滿意的整定效果。因此,數(shù)字PID參數(shù)的整定是一項十分復(fù)雜、麻煩的工作。由于機器人的參數(shù)和過度特性難以測試,因此采用試湊法確定參數(shù)［7］。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位置以便采得目標光感值,當(dāng)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。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(dāng)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。由于在3-8cm的范圍內(nèi)，光電傳感器的值與距離成正比，因此畫圖的時候可以用距離代替光強。由于RobotC功能還沒完善，采得的數(shù)據(jù)并不可以直接在RobotC里繪圖，所生成的數(shù)據(jù)文件也不能由Matlab等軟件打開，因此只能在繪圖軟件Origin7手動輸入前31個采得的數(shù)據(jù)。由于輸入點比較少,系統(tǒng)的動態(tài)性能可以從所繪的圖線看到,而穩(wěn)態(tài)誤差的大小只能從實驗的現(xiàn)象判斷。參數(shù)的選擇采樣周期T在計算機控制系統(tǒng)中是一個重要的參數(shù)，從信號的保真度來考慮，采樣周期T不宜太長，也就是采樣頻率ω（2兀/T）不能太低，采樣定理給出了s下限頻率即ωv≥2ω，ω是原來信號的最高頻率。從控制性能來考慮，采樣smm周期T應(yīng)盡可能的短，也就ωv盡可能的高，但是采樣頻率越高，對計算機的運s算速度要求越快,存儲器容量要求越大,計算機的工作時間和工作量隨之增加［13］。另外,采樣頻率高到一定程度,對系統(tǒng)性能的改善已經(jīng)不顯著了。用實驗法：當(dāng)T=0.025S的時候，機器人站立一段時間后倒下，當(dāng)T=0.01So時，機器人很好的維持平衡，當(dāng)T=0.005S是，機器人晃動幾下后倒下。系統(tǒng)僅o是慣性時間常數(shù)起作用，當(dāng)T=0.025時，①，N10①,①為系統(tǒng)的通頻帶，機o s mm器人所以倒下，當(dāng)T=0.005S時，超出了控制器的運算速度，控制性能一次變差。確定T=0.01Soo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pp多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)K太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若K太小，又會使系統(tǒng)pp的動作緩慢。對穩(wěn)態(tài)特性的影響加大比例控制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p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。p積分控制力通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，刀太小系統(tǒng)不穩(wěn)定。Ti偏小，振蕩次數(shù)較多。Ti太大，對系統(tǒng)性能的影響減少，當(dāng)Ti合適時，過渡性能比較理想。對穩(wěn)態(tài)性能的影響：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，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制可以改善動態(tài)性能，如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時間/縮短，允許加大比s例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當(dāng)T偏大時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間/也較長。只有合適時，可以得到比ds較滿意的過渡過程。綜合起來，選定K=20，K=LK=25，采樣周期為0.01S，兩輪自平衡機p id器人獲得良好的控制性能，超調(diào)量小，調(diào)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(yīng)該在黑暗的環(huán)境下，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。通過改變自平衡機器人的傳感方式，如采用陀螺儀，角度傳感器，可以改進兩輪自平衡機器人的穩(wěn)態(tài)誤差。程序設(shè)計：Light,sensorLightActivecode. !!*//consttSensorsLight =(tSensors)S3;configuration. !!*//taskmain(){doubleerr,errold,errdiff,errint=0;doublekp=20;//20doubleki=1;//1doublekd=25;//25doublenow;doublepid;nSyncedMotors=synchBC;nSyncedTurnRatio=100;bFloatDuringInactiveMotorPWM=false;doubleoffset=SensorValue[Light];wait1Msec(100);while(true)//i<2000{