乐高实验报告书

1、ix South China University of Technology机电一体化创新综合实验学号：目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第一部分基础实验3 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 实验1光电传感器自动跟踪小车3 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 实验目的3 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 实验要求3 HYPERLINK l bookmark108

2、 o Current Document 软件设计3 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 测试环境3实验步骤4 HYPERLINK l bookmark125 o Current Document 注意事项4 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 实验总结4 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 实验2光电传感器测距功能测试5 HYPERLINK l bookmark139 o Current Document 实验目的5 HYPERLINK l book

3、mark146 o Current Document 实验要求5软件设计5测试环境6 HYPERLINK l bookmark159 o Current Document 实验步骤6 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 调试与分析7注意事项9实验总结9 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 实验3光电传感器位移传感应用10实验目的10实验要求10软件设计10实验步骤11调试与分析11注意事项13实验总结14 HYPERLINK l bookmark133 o Current Document 第二部分

4、创新实验15 HYPERLINK l bookmark136 o Current Document 双轮自平衡机器人15实验目的15实验要求15 HYPERLINK l bookmark152 o Current Document 实验原理15实验步骤17 HYPERLINK l bookmark168 o Current Document 实验过程18 HYPERLINK l bookmark172 o Current Document 实验总结及注意事项20 HYPERLINK l bookmark180 o Current Document 实验感想21第一部分基础实验实验1光电传感器自

5、动跟踪小车实验目的：了解光电传感器感光特性；掌握LEGO基本模型的搭建；基本掌握ROBOLAB软件；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）。软件设计：写出程序如下：测试环境：4.5.实验步骤:如图所示:1）参考附录步骤搭建小车模型。2）用ROBOLAB编写程序。3）将小车与电脑用USB数据线连接，打开NXT的电源。点击ROBOLAB 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。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

6、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。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ROBOLAB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ROBOLAB编程的能力，为以后的实验打下了良好 的

7、基础。实验2光电传感器测距功能测试实验目的：了解光电传感器测距的特性曲线；掌握LEGO基本模型的搭建；熟练掌握ROBOLAB软件。实验要求：用LEGO积木搭建小车模式，并在车头安置光电传感器。小车能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。软件设计：编写程序流程图如下：写出程序如下: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。实验步骤：1）搭建小车模型，参考附录步骤或自行设计2）用ROBOLAB编写上述程序。3）将小车与电脑用USB数据线

8、连接，并打开NXT的电源。点击ROBOLAB 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。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ROBOLAB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ROBOLAB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

9、同光强的关 系表达式。调试与分析a）采样次数设为24,采样间隔为0.05s，共运行1.2s。采得数据如下所示：数据显示b）在ROBOLAB的数据计算工具中得到平均后的光电传感器特性曲线，如下图 所示：平均线c）对上述平均值曲线进行线性拟合，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: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= -25.261858xt+56.524457 ;量取位移为4.5cm,用时1.2s,得：X=375Xt ;光强与位移的关系为：y= -6.73649547X x+56.5

10、24457 ；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。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 条件下，白

11、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。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实验目的：掌握利用光感的局部线性特征进行测距的方法。实验要求：小车由出发点向障碍物方向匀速行进，

12、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。软件设计：编写程序流程图如下：写出程序如下:实验步骤：1）参考附录搭建小车模型。2）用ROBOLAB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ROBOLAB 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4cm。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

13、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：y= -6.73649547X x+56.524457 TOC o 1-5 h z 得出：x=1cm 时,y=49.861150;x=2cm 时,y=43.1688943;x=3cm 时,y=36.4666536;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:预定停机位置3 cm2cm1cm2cm3 cm各位置控制阈值36%43%50%4

14、3%36%实际停机位置（第一 次）2.0cm1.2cm0.5cm1.5cm2.6cm实际停机位置（第二 次）2.0cm1.1cm0.3cm1.6cm2.5cm实际停机位置（第三 次）1.8cm1.0cm0.4cm1.5cm2.4cm实际停机位置（平1.9cm1.1cm0.4cm1.5cm2.5cmd）为更好的进行程序调试，故改进程序如下，加入光电感应器的数据采集:e）运行程序，得到下图:均）误差1.1cm0.9cm0.6cm0.5cm0.5cmf）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，

15、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3 cm2cm1cm2cm3 cm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）2.9cm2.2cm1.1cm2.1cm3.0cm实际停机位置（第二次）2.8cm2.1cm1.0cm2.0cm3.1cm实际停机位置（第三次）3.0cm2.1cm1.1cm2.1cm3.0cm实际停机位置（平均）2.9cm2

16、.1cm1.1cm2.1cm3.0cm误差0.1cm-0.1cm-0.1cm-0.1cm0cmh）调整控制阈值后采集的数据: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

17、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

18、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。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 C软件，探索机器人的自动控制调节算法研究。实验要求利用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ROBOTC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

19、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)。实验原理，数字调k T ) T(5.4)(5.5)PID控制参数七矿相互独立，参数整定比较方便；PID算法比较简单， 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 节器的输出和输入的关系是：T kTu ( k T) = K e k 坯 e + jT e k T - (epTTi j = 0 试验采用：u (kT ) = K e (kT ) + K e ( jt ) + K e (kt ) e (kT T )j = 0式中Kp成为比例系数；K KTi称为积分系数，T为采样周

20、期;七Kp 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offset,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

21、），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。算法流程图数字PID调节器参数的整定，除了需要确定Kp， T外，还需要确定系统的采样周期。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

22、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。

23、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K加大，使系统的动作灵敏，速度加快，K偏大，震荡次数加多，调节时间加长。当K太大时，系统会趋于不稳定。若K太小，又会使系统的动 作缓慢。加大比例控制K ，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K只是减小稳态误差，却不能完全消除稳态误差。积分控制“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

24、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。但是若Ti太大 时，积分作用太弱，以全不能减小稳态误差。微分控制可以改善动态性能，如超调量减少，调节时间,缩短，允许加大比 例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当T,偏大时，超调量也较大，调节时 间,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 =20，k =2, K广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

25、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，因为实验前寻找机器人的平衡位置时的光强值是通过目测判断 的。实验步骤参照LEGO快速入门，利用LEGO积木搭建实验所需的机器人小车并 安装必要的传感器；利用PID控制算法，设计程序流程图；学习ROBOCTC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；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;编写课程设计说明书，完成实验。实验过程:机器人搭建如下图(2)实验程序/*!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,/*