《智能平衡小车的原理与实践》-教学大纲

2019版理论课程教学大纲：课程概况开课单位机械工程学院课程类型专业选修课课程名称智能平衡小车的原理与实践课程代码0211150X开课学期大四上学期第七学期学时/学分24/1.5选课对象机械先修课程计算机基础、C语言、MATLAB程序设计课程教材赵书兰，《MATLAB建模与仿真》，清华大学出版社参考书目和资料苏小红，王宇颖，《C语言程序设计（第3版）》，高等教育出版社秦曾煌，《电工学》（上下册），高等教育出版社TI官方手册《TMS320F28069英文数据手册》/cn/product/llzphsznxc.html刘杰，《Simulink建模基础及C2000DSP代码自动生成》，科学社会出版社课程简介：本课程可以帮助学生快速入门微控制器和嵌入式系统学习，适合想参与竞赛或者以后从事嵌入式系统开发的本科生。本课程结合了硬件平台——智能平衡小车开发套件进行学习讲解，将会引领学生进入一个有趣、充满创意的嵌入式学习。选修本课程需要具备一定的c语言编程基础，很适合于开始尝试挑战各种课外科技活动和竞赛的本科学生，是初次尝试设计与创新的一个很有力的工具和敲门砖。本次课程将结合CCS和MATLAB/Simulink平台，实行快速开发。本次课程采用TI的TMS320F28069微控制器外围接口丰富、片内资源适中，能够实现大多数常用功能；同时，其内核构架相对简练易学，容易从整体上理解和把握，适合本科生上手学习。基于MATLAB/Simulink快速原型开发的方法如今已在汽车电子行业广泛应用，使用MATLAB/Simulink结合硬件进行基于模型的快速原型开发，可以大大缩短算法设计的周期，通过本次课程可以打开学生们视野，为学生打开一扇新的创新设计的大门。课程目标(CourseObjectives,CO)对应的专业培养目标(LearningObjectives,LO)(CO1)掌握机电控制技术的基本知识，对于机电系统设计能够基本掌握，并对所设计机电系统进行合理分析评估(3.2)能够独立完成设计的全过程，并满足所提出的设计指标和制约条件，能够对自己的设计合理性进行分析。(CO2)掌握MATLAB/Simulink快速开发工具，并且能否基于工具进行很好的机电控创新产品设计(12.2)具有较强的创新意识。教学方式(PedagogicalMethods,PM)PM1.讲授法教学学时50%□PM2.研讨式学习学时%□PM3.案例教学学时%□PM4.网络教学学时%□PM5.角色扮演教学学时%PM6.体验学习学时50%□PM7.服务学习学时%□PM8.自主学习学时%评估方式(EvaluationMethods,EM)EM1.课堂测试20%□EM2.期中考试%□EM3.期末考试%□EM4.作业撰写%□EM5.实验分析报告%EM6.期末报告40%□EM7.课堂演讲%□EM8.论文撰述%□EM9.出勤率0%□EM10.口试%EM11.设计报告40%

教学日历课次学时课程目标教学主要内容教学方式评估方式12CO1智能平衡小车实车拼装，通过智能车介绍未来交通发展趋势，借助小车了解小型的机电系统，学习软硬件结合的控制方法，学习基本的控制思想。PM1PM6EM622CO2借助智能平衡小车平台讲解直流电机的原理及驱动，编码器原理，陀螺仪加速度计传感器原理，超声波传感器原理。PM1PM6EM1132CO1讲解如何建立智能平衡小车数学模型以及直立环、速度环、转向环控制原理。PM1EM642CO1讲解基于模型设计开发流程以及MATLAB和CCS软件的安装和操作、使用MATLAB/Simulink进行建模并实现代码生成。PM1EM654CO1讲解智能平衡小车基础实验，包括TMS320F28069的GPIO、PWM、ECAP、SCI、ADC等模块原理与应用。PM6EM1164CO1讲解智能平衡小车进阶实验，包括OLED液晶显示、MPU6050数据读取、使用PWM电机调速、ECAP超声波测距、EQEP编码器读取数据、ADC测电压。PM1PM6EM1174CO2讲解智能平衡小车高级实验，包括平衡小车直立平衡、蓝牙APP遥控、超声波避障。PM6EM1184CO1讲解智能平衡小车综合实验，包括简单跟随、红外循迹、线性CCD循迹。PM6EM11总学时24其中课内理论12学时体验教学12学时授课教师信息一览表姓名甄圣超孙浩电子邮箱zhenshengchao@710027036@电话1595512084813865513886接待咨询地点格物楼427格物楼409接待咨询时间每周三下午每周三下午教学内容及要求第一单元（章）教学目标：使学生了解智能车发展现状与趋势、引发对智能驾驶，现代汽车智能化的思考。教学要求：了解智能车发展现状与趋势，通过智能车模型引发对智能驾驶，现代汽车智能化的思考；通过简单的机电系统平台，理解其系统构成，初步认识电路与传感器，及嵌入式控制的概念，学习智能平衡小车的控制原理框图。教学重点：智能平衡小车实车拼装，通过智能车了解到未来交通发展趋势，借助智能平衡车了解小型的机电系统，学习软硬件结合的控制方法。理解基本的控制思想。教学难点：引发学生的主动思考与创新思维，电路知识与软件开发知识的入门介绍，传感器的认识与原理理解，基本控制理论的介绍内容概要：智能平衡移动机器人介绍；智能平衡移动机器人应用；基于模型设计与自动代码生成技术简介；智能平衡移动机器人优势。教学提示：详细讲解智能车发展现状和趋势，通过举例激发学生兴趣，调动上课积极性。第二单元（章）教学目标：使学生掌握直流电机的原理及驱动、编码器原理、MPU6050陀螺仪加速度计原理、超声波传感器原理。教学要求：借助智能车平台学会直流电机的原理及驱动、编码器原理、MPU6050陀螺仪加速度计原理、超声波传感器原理。教学重点：直流电机的选型，驱动芯片的选择与使用方法，PWM控制信号的原理，电源与供电的基本知识；编码器信号的特点与使用方法；陀螺仪加速度计的选型，陀螺仪加速度计的信息读取、处理与分析，超声波传感器原理。教学难点：不同驱动芯片的特性以及PWM的原理，通过驱动来介入对电源的介绍，驱动电源对驱动力的影响等。编码器信号如何计算，如何将位置信号转化成速度信号；对陀螺仪加速度信号进行数据融合的原理，信号滤波的重要性，以及这些信号对整体平衡控制所起到的作用。内容概要：硬件电路接口设计；主控制板电路；电源管理电路；电机驱动电路；直流电机驱动H桥电路；基于陀螺仪与加速度计的姿态测量；蓝牙通信模块；OLED显示模块。教学提示：原理讲解比较枯燥，通过图片和视频的配合吸引学生注意力，加深学生对原理的理解。第三单元（章）教学目标：使学生掌握基本的平衡控制原理，了解PID控制及其他先进的现代控制理论的简要概述。教学要求：介绍基本的平衡控制原理，如何利用角度信号实现平衡控制，如何利用编码器信号进行速度控制，如何利用角速度信号进行转向控制；PID控制及其他先进的现代控制理论的简要概述。教学重点：PID控制原理，PID参数的含义，PWM控制信号的计算，平衡环、速度环、角度环的控制思路，通过实验现象去更正控制算法，了解不同算法的差别，引入高级控制原理的介绍。教学难点：学生如何理解从角度、角速度、速度信息到电流电压物理量的转变；理解闭环控制，正反馈与负反馈的控制效果；如何进行控制参数整定；将控制原理与实际现象相结合进行分析与理解。内容概要：PID控制原理简介；PID参数的含义介绍，PWM控制信号的计算介绍，平衡环、速度环、角度环的控制思路介绍。教学提示：通过实物展示效果，使学生更加深刻理解PID控制原理及参数的含义，掌握三环控制思路。第四单元（章）教学目标：使学生了解MATHWORKS基于模型设计开发流程。教学要求：了解MATHWORKS基于模型设计开发流程，介绍MATLAB和CCS软件的安装和操作、使用MATLAB/Simulink进行建模并实现代码生成。教学重点：CCS以及MATLAB/Simulink基本使用方法，示例代码的运行，代码调试的方法，如何将芯片支持包安装至Simulink工具，如何通过Simulink实现LED亮灭的控制实验，现象观察与实验记录。教学难点：C语言开发与基于模型设计开发的两种开发方式的联系与区别，编译器软件实际操作能力，模型搭建的基本操作，下载至芯片运行的注意事项，创新性实验的开展。内容概要：开发环境介绍；软件安装及配置；软件应用基础；软件高级应用。教学提示：通过示范，使学生掌握CCS以及MATLAB/Simulink基本使用方法。第五单元（章）教学目标：使学生了解DSP的工作原理和常用外设接口，掌握Simulink的基本操作以及学习如何使用Simulink基于模型实现自动生成嵌入式代码的整个流程。教学要求：通过基础实验可以让学生们基本了解和认识DSP的工作原理和常用外设接口，学习Simulink的基本操作以及学习如何使用Simulink基于模型实现自动生成嵌入式代码的整个流程，对基于模型设计有个充分的认识和理解。教学重点：通过配置相应的输出GPIO口，实现IO口的电平翻转从而控制两个LED的亮灭；通过配置相应的输入GPIO口，实现按键控制LED的亮灭；通过配置ePWM模块，调节占空比的大小，实现单路或者双路PWM输出；通过配置eCAP模块，实现捕获PWM的脉冲、周期、高低电平的计数值、占空比；通过配置SCIB模块，设定波特率、奇偶校验位，实现DSP与电脑之间的通讯；通过配置ADC模块，控制两个LED的亮灭以及PWM的占空比调节。教学难点：理解控制模型到C程序代码的转化，理解嵌入式开发中底层驱动与应用层开发的结构与原理，了解模型与代码之间的关系以及单片机的基本原理，对单片机的使用方法以及基于模型的开发的设计趋势。内容概要：GPIO介绍；ADC介绍；ePWM_单路输出；ePWM_双路互补输出；eCAP基本介绍；eCAP捕获PWM脉冲；SCI串行通信；SPI串行通信。教学提示：通过学生自主动手实验，使学生深刻理解掌握GPIO、ADC、ePWM、eCAP等模块的功能和使用。第六单元（章）教学目标：使学生加深学生对DSP的工作原理和机制的认识，了解S-Function在基于模型设计中的作用。教学要求：通过进阶实验可以让学生们根据基础实验的学习对DSP外设接口如何应用到外部传感器有个更进一步的理解，加深学生对DSP的工作原理和机制的认识，了解S-Function在基于模型设计中的作用。教学重点：介绍超声波传感器的工作原理，通过eCAP模块实现超声波测距；介绍DRV8833芯片工作原理，通过ePWM模块实现直流电机的正反转；介绍霍尔编码器的基本原理，通过eQEP模块实现电机转速的测量；介绍S-Function生成的几种方式，详细介绍以Legacy

Code

Tool命令如何生成S-Function；介绍OLED12864的工作原理，以S-Function生成的OLED驱动模块为例，实现浮点型、整数型、字符型数据的显示；介绍MPU6050的工作原理，以S-Function生成的MPU6050驱动模块为例，介绍如何获取MPU6050的数据以及OLED的显示；介绍电压采集芯片的工作原理，以S-Function生成的ADC驱动模块为例，介绍如何获取主控板的电压和电池的电压。教学难点：理解如何通过Simulink实现对外设传感器控制模型的搭建，加深学生对DSP的工作原理和机制的认识，以及如何通过S-Function实现对底层硬件驱动的封装。内容概要：eCAP超声波测距；ePWM电机调速；eQEP正交解码；S-Function；OLED12864显示；MPU6050数据读取；ADC电压采集。教学提示：通过指导学生自主动手进行进阶实验，使学生根据基础实验的学习对DSP外设接口如何应用到外部传感器有个更进一步的理解，加深学生对DSP的工作原理和机制的认识，了解S-Function在基于模型设计中的作用。第七单元（章）教学目标：使学生加深对PID控制的理解以及学习平衡车控制中的三环控制，上机进行直立平衡控制、手机app遥控和超声波避障模型的搭建。教学要求：通过高级实验可以让学生们根据实际控制对象加深对PID控制的理解以及学习平衡车控制中的三环控制，上机进行直立平衡控制、手机app遥控和超声波避障模型的搭建、与下载实现。教学重点：理解控制框图的构建，将控制系统划分部分，由部分到整体地实现控制，对智能小车的各个模块分别实现驱动，实现三环的控制思想的数学模型的搭建，控制模型的调整与创新，最终生成代码烧录小车中实现平衡效果。然后在此基础上结合蓝牙通讯实现手机app遥控以及结合超声波传感器实现避障。教学难点：模型的反复调试，通过实验现象进行控制方式的思考，加深理解控制原理与各部分硬件模块的作用，通过理解超声波传感器和手机蓝牙APP遥控的原理达到学以致用，引发拓展性创新性应用的思考，在课堂中引起头脑风暴。内容概要：平衡控制——直立环；平衡控制——速度环；APP控制。教学提示：通过指导学生自主动手进行高级实验，使学生们根据实际控制对象加深对PID控制的理解以及学习平衡车控制中的三环控制，上机进行直立平衡控制、手机app遥控和超声波避障模型的搭建。第八单元（章）教学目标：提高学生们的动手能力，以及学习如何使用Simulink对平衡小车进行二次开发，培养创新能力。教学要求：通过简单跟随、红外循迹和线性CCD循迹综合实验大大提高学生们的动手能力，以及学习如何使用Simulink对平衡小车进行二次开发，培养创新能力。教学重点：结合智能