樂高實驗指導書

機電一體化

創(chuàng)新綜合實驗

目錄TOC\o"1-5"\h\z第一部分課程總覽3第二部分綜合實驗6Labi光電傳感器自動跟蹤小車6\o"CurrentDocument"Lab2光電傳感器測距功能測試7\o"CurrentDocument"Lab3光電傳感器位移傳感應用9\o"CurrentDocument"Lab4超聲波傳感器測試10\o"CurrentDocument"Lab5超聲波傳感器位移傳感應用12第三部分創(chuàng)新實驗a）雙輪自平衡機器人；b）碰觸傳感機器人設計（基于MicrosoftRoboticsStudio平臺）；c）尋線機器人的仿真和建模及實例（基于Lejos-Osek設計一個機器人的實例）;d）自己提出一個合理的項目第_部分目的與意義提倡“素質教育”、全面培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新以及綜合設計能力是當前高等工科院校實驗教學改革的主要目標之一。為適應素質教育的要求，高等工科院校的實驗課程正經歷著從“單一型”“驗證型”向“設計型”“開放型”的變革過程。我院測試及控制類課程《電工電子技術》《測試技術》《微機原理及接口技術》等課程涵蓋了機械設備及加工過程測試控制相關的電子電路、傳感器、信號處理、接口、控制原理、測控計算機軟件等理論及技術，具有綜合性、實踐性強的特點，但目前各課程的實驗教學存在著孤立、分散、缺乏系統(tǒng)性的問題。為促進機械工程學科學生對于計算機測控技術的工程創(chuàng)新設計能力、促進相關理論知識的理解和靈活應用，本機電一體化創(chuàng)新綜合實驗以丹麥樂高(LEGO)公司教育部開發(fā)的積木式教學組件一智力風暴(MINDSTORMS)為基礎進行。采用LEGOMINDSTORMS為基礎建立開放型創(chuàng)新實驗室，并根據我院測試及控制類課程《電工電子技術》《測試技術》《微機原理及接口技術》等課程設計多層次的綜合創(chuàng)新實驗設計項目，具有技術綜合性和趣味性以及挑戰(zhàn)性，能有效激發(fā)學生的學習興趣，使學生在實踐項目的過程中激發(fā)和強化他們的創(chuàng)造力、動手能力、協(xié)作能力、綜合能力和進取精神；可使學生在實施項目的過程中對材料、機械、電子、計算機硬件、軟件均有直觀的認知并掌握機械工程測試與控制的綜合分析設計能力。實驗基礎2.1LEGOMINDSTORMS控制器硬件要求認識和理解RCX、NXT的基本結構，輸入輸出設備及接口，DCP傳感器及接口，并熟練進行連接與操作。2.2根據具體的實驗要求選擇適合的軟件MicrosoftRoboticsStudio基礎VPL編程MicrosoftRoboticsStudio軟件Robolab軟件NXT軟件Matlab等等2.3授課方式：課堂講授，編程以自學為主參考書：LEGO快速入門樂高組件和ROBOLAB軟件在工程學中的應用ROBOLAB2.9編程指南ROBOLAB研究者指南e）各類有關樂高機器人的網站和論壇附錄：小車搭建步驟見“9797手冊”綜合實驗任務及要求Lego組件具有強大的靈活性，可根據我院教學任務分層次、分階段的實驗項目，根據涉及的技術層次以及難度擬分為指定項目實驗（基礎實驗部分）以及創(chuàng)新綜合實驗兩個層次，其中指定項目實驗學生根據教師指定的參考項目設計方案完成指定對象的測試與控制的設計和實現；創(chuàng)新綜合實驗則僅給出某個測控主題及目標，由學生分組自行完成全部設計與構建。指定項目實驗（基礎實驗部分）Labi光電傳感器自動跟蹤小車（必選）內容：搭建小車并使之自動跟蹤黑色軌跡。目的：熟悉ROBOLAB編程方法以及NXT使用。Lab2光電傳感器測距功能測試內容：測試LEGO光電傳感器的特性,并熟悉ROBOLAB測試環(huán)境的應用。目的：確定光電傳感器用于測距的線性范圍及特性。Lab3光電傳感器位移傳感應用內容：應用光感的局部線性特征搭建可與障礙物保持給定距離的小車，測試LEGO光電傳感器的距離傳感性能。目的：采用光電傳感器進行距離測量。Lab4超聲波傳感器測試內容：應用超聲波傳感器線性特征搭建小車，并與障礙物保持一定的距離，測試其線性范圍。目的：確定超聲波傳感器用于測距的線性特性。Lab5超聲波傳感器位移傳感應用內容：應用超聲波傳感器閃避障礙物，測試LEGO超聲傳感器的距離傳感性能。目的：熟悉超聲傳感器的用途創(chuàng)新實驗設計土雙輪自平衡機器人；碰觸傳感機器人設計（基于MicrosoftRoboticsStudio平臺）；尋線機器人的仿真和建模及實例（基于Lejos-Osek設計一個機器人的實例）；上自己提出一個合理的項目綜合實驗說明書要求編寫說明書是綜合實驗的一個重要組成部分，它反映學生在整個設計過程中的工作表現和能力，編寫設計說明書也是培養(yǎng)學生科技寫作能力的一次訓練，設計說明書應力求簡潔、文理通順、字跡工整。設計說明書的內容應包括：1）實驗報告以小組為單位，每小組一份2）實驗目的3）實驗要求4）小組成員分工5）軟件設計，程序流程圖，ROBOLABVI程序及截圖6）調試過程出現的問題及解決方案7）結論（實驗結果，體會與建議等，可附上有創(chuàng)意的小車圖片）8）附機械結構圖，算法流程圖，數據處理表等等；9）LEGO硬件結構的設計10）測試與控制算法以及軟件編程；11）實驗結果，測試數據記錄，分析；12）收獲、體會，意見及建議；時間安排《機電一體化創(chuàng)新綜合實驗》教學計劃時間為：日上午，為了使課程設計能按時完成，其時間安排如下：1）閱讀綜合實驗指導書，了解設計任務和要求，查閱參考資料，2?3天；2）各班與老師聯系上機調試時間課程設計成績的評定1）成績的評定，根據學生在整個設計過程中的表現、設計和制作水平，動手操作能力，設計說明書的編寫質量等項目的評分綜合評定。2）答辯成績分優(yōu)秀、良好、中等、合格和不合格五級。第二部分基礎實驗Labi光電傳感器自動跟蹤小車實驗目的：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ROBOLAB軟件；實驗要求：能做搭建比較牢靠的小車模型，能夠實現小車沿著黑線行走（實際上是沿著黑線走Z字形）。軟件設計：編寫程序流程圖并寫出程序。測試環(huán)境：實驗步驟：1）搭建小車模型，參考附錄步驟或自行設計（創(chuàng)新可加分）。2）用ROBOLAB編寫上述程序。（也可以自己編程序）3）將小車與電腦用USB數據線連接，并打開NXT的電源。點擊ROBOLAB的RUN按鈕，傳送程序。4）取有黑線的白板，運行程序，觀察小車的運動情況，不斷的調試，力求沿黑線走得越快越好。實驗報告要求：?實驗目的?實驗要求?小組成員分工?軟件設計，程序流程圖，ROBOLABVI程序及截圖?調試過程出現的問題及解決方案?結論（實驗結果，體會與建議等，可附上有創(chuàng)意的小車圖片）注意事項：?光電傳感器對環(huán)境光較為敏感，現采用直接采光裝置，提高對環(huán)境的適應度。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。Lab2光電傳感器測距功能測試實驗目的：＞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ROBOLAB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，然后推導出位移一光強曲線及方程。軟件設計：編寫程序流程圖并寫出程序。測試環(huán)境：如圖所示：注意事項：實驗應盡量降低環(huán)境干擾因素，同時小車的設計宜使速度盡量低。（如何在馬達的能量一定的情況下，降低小車的速度？）紅板實驗步驟：車模型，參考附錄步驟或自行設計（創(chuàng)新可加分）。光電傳感器卜7/212）用ROBOLAB編寫上述程序。3）將小車與電腦用USB數據線連接，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的數據采集按鈕，進行數據采集，將數據放入紅色容器。共進行四次數據采集。6）點擊ROBOLAB的計算按鈕，分別對四次采集的數據進行同時顯示、平均線及擬和線處理。數據顯示平均線擬和線7）利用數據處理結果及圖表，得出時間同光強的對應關系。再利用小車位移同時間的關系（近似為勻速直線運動），推導出小車位移同光強的關系表達式（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？）。實驗報告要求：?實驗目的?實驗要求?小組成員分工?軟件設計，程序流程圖，ROBOLABVI程序及截圖?調試過程出現的問題及解決方案?實驗數據表格?實驗數據曲線圖截圖?位移與光強擬合函數及在圖中可以看出和推導出的物理量。?結論（實驗結果，體會與建議等，可附上有創(chuàng)意的小車圖片）注意事項：?光電傳感器對環(huán)境光較為敏感，故應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，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用實驗目的：＞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、1CM時各停止5秒鐘并以不同音調提示到達指定位置?；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。重復實驗三次并記錄相關數據。軟件設計：自行設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計（創(chuàng)新可加分）。2）用ROBOLAB編寫程序（控制閾值需要修改）。紅板3）將小車與電腦用USB數據線連接，并打開NXT的電源。點擊ROBOLAB的RUN按鈕，下載程序。紅板3）出由任成釧一紅顏色的紙板（或其他紅板）豎直擺放，并在桌面平面與紙板垂直光電傳感器方向放置直尺，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。重復三次。6）將記錄的數據記錄在自制的表格中。（可以用辦公軟件繪制表格和圖形）實驗報告要求：-?實驗目的?實驗要求?小組成員分工軟件設計，程序流程圖，ROBOLABVI程序及截圖?調試過程出現的問題及解決方案，至少提供一種解決方案。?實驗數據表格（可截圖）實驗數據曲線（可截圖）?結論（實驗結果，體會與建議等，可附上創(chuàng)意部分的圖片）?你能把光電傳感器的光感和位移的關系應用到其它方面嗎？請把你的想法用Lego表達出來。7.注意事項:?光電傳感器對環(huán)境光較為敏感，故應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，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。?讀取直尺數值時盡量保持以垂直桌面的角度，減小誤差。Lab4超聲波傳感器測試實驗目的：＞了解確定超聲波傳感器用于測距的線性特性；＞掌握LEGO基本模型的搭建；＞熟練掌握ROBOLAB軟件；實驗要求：測試LEGO超聲波傳感器的特性，并熟悉ROBOLAB測試環(huán)境的應用。超聲波傳感器其工作原理是把特殊的聲波發(fā)送出去，聲波經過障礙物后反射回來，控制器把發(fā)送與接收的時間進行計算和分析，把距離算出來。軟件設計：編寫程序流程圖并寫出程序。測試環(huán)境：如圖所示：在小車前面是平面墻。注意事項：實驗應盡量降低環(huán)境干擾因素，把超聲波傳感器對準障礙物，障礙物要盡量大。5.實驗步驟：1）把采樣總數設為50,運行小車獲取測試數據;2）在ROBOLAB的數據分析環(huán)境中得到超聲波感器特性曲線，如下圖所示；3）分析超聲波傳感器特性曲線，是否存在線性或近似線性范圍？4）在同等條件下重復實驗三次，得到相應實驗曲線圖片保存下來；如圖所示5）在ROBOLAB計算環(huán)境中選取computetools3,得到三次實驗的平均值曲線，如下圖所示；6）取三次實驗小車位移的平均值，分析與ROBOLAB中的距離值與測數值的擬合程度。7）根據線性范圍修改采樣數，如20，再進行上述實驗；比較兩次的結果，你得到什么結論，你從圖中可以得到哪些其它的結論。8）分析該超聲波電傳感器用作位移傳感器的可行性。9）對比分析光電傳感器與超聲波傳感器在測量距離時的優(yōu)點與缺點。10）用實驗求出自己用的超聲波傳感器的最小測量距離，要求把程序與數據采樣截圖寫在實驗報告上。實驗報告要求：?實驗目的?實驗要求?小組成員分工軟件設計，程序流程圖，ROBOLABVI程序及截圖?調試過程出現的問題及解決方案?實驗數據表格實驗數據曲線圖截圖?位移與光強擬合函數?結論（實驗結果，體會與建議等，可附上有創(chuàng)意的小車圖片）?你知道超聲波還有其它的應用嗎？請把你的想法和創(chuàng)意用Lego表達出來。Lab5超聲波傳感器位移傳感應用實驗目的：>掌握及確定超聲波傳感器用于測距以及把測出的數據控制電機的轉動的應用，以及感性認識超聲波傳感器的工作原理。>測試LEGO超聲波傳感器的特性，并熟悉ROBOLAB中容器和跳轉語句以及判斷語句的應用。實驗要求：設計小車能根據障礙物的距離進行速度反應，如果距離高于設定值，小車會向前運動，而且速度會根據離設定地點的距離的大小而變化，距離越大，速度越大；如果距離低于設定值，小車會向后運動，而且速度會根據離設定地點的距離的大小而變化，距離越大，速度越大。（提示：設計時要注意容器的使用，要把超聲波反饋回來的數據放到容器里面，調用容器來確定電機的轉速。容器存放的數值是整數，如果是小數會四舍五入取整。）軟件設計：自行設計軟件流程圖及程序。測試環(huán)境：如圖所示，在小車前一定距離用于移動障礙物，障礙物要盡量大，可以用大的課本代替。調試與分析1）運行小車，移動障礙物，觀察小車的運動，并做紀錄；2）改變設定的距離，按（1）進行觀察；3）分析小車是否會根據距離的無窮遠而電機的速度會變得無窮大，為什么？4）把自己的算法寫出來，并加以分析；5）如果障礙物突然消失了，超聲波不能返回而小車一直往后，設計一個方案使小車的電機不受損壞；（提示：加上一個觸動傳感器）6）分析自己的程序在離設定距離多遠處開始小車的速度不再受距離影響；7）分析光電傳感器能否換成超聲波傳感器，為什么？（寫一下自己的看法，理由）實驗步驟：搭建小車模型，沿用LAB2的小車結構?？梢宰约涸O計。編寫程序。a.設定距離（如75cm）把超聲波的數據存放到容器里面，接著在容器中運算，把與設定距離的差額L算出來。把差額L進行運算轉化為馬達的轉速。用跳轉指令把上述的動作循環(huán)。（特別提示：電機的轉速范圍為0?5,大于5的都只能按5的速度來運動，同學們可以進行試驗。）3下載并開始實驗。實驗報告要求：?實驗項目目標?項目小組成員及分工?硬件結構（采用LEGO攝像頭拍攝結構照片）軟件設計，程序流程圖，ROBOLABVI程序及截圖?回答調試與分析中的問題寫出自己的算法并分析?調試過程出現的問題及解決方案?實驗數據表格?實驗數據曲線圖?結論（實驗結果，體會與建議等）第三部分創(chuàng)新實驗機電一體化創(chuàng)新設計實驗一、概述及背景機電一體化創(chuàng)新設計(Mechanical&ElectricalIntegrationCreativeDesign,MEICD)是指在機構的主功能，動力功能，信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械設計與電子化設計及軟件結合起來所構成系統(tǒng)的總稱。機電一體化發(fā)展至今已經發(fā)展成一門有自身體系的新型學科，隨著科學技術的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內容。但其基本的特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術，微電子技術，自動控制技術，計算機技術，信息技術，傳感測控技術，電力電子技術，接口技術，信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標，合理配置和布局各功能單元，在多功能，多質量，高可靠性，低能耗的意義上實現特定的功能價值，并使整修系統(tǒng)功能最優(yōu)化的系統(tǒng)工程實驗。針對學院測試及控制類課程《電工電子技術》、《測試技術》、《微機原理及接口技術》等課程涵蓋了機械設備及加工過程測試控制相關的電子電路、傳感器、信號處理、接口、控制原理、測控計算機軟件等理論及技術，具有綜合性、實踐性強的特點，但目前各課程的實驗教學存在著孤立、分散、缺乏系統(tǒng)性的問題。為促進機械工程學科學生對于計算機測控技術的工程創(chuàng)新設計能力、促進相關理論知識的理解和靈活應用，本機電一體化創(chuàng)新綜合實驗正是適應了機電一體化技術的要示，以丹麥樂高(LEGO)公司教育部開發(fā)的積木式教學組件一智力風暴(MINDSTORMS)為基礎進行。采用LEGOMINDSTORMS為基礎建立開放型創(chuàng)新實驗室，并根據學院測試及控制類課程《電工電子技術》、《測試技術》、《微機原理及接口技術》等課程設計多層次的綜合創(chuàng)新實驗設計項目，具有技術綜合性和趣味性以及挑戰(zhàn)性，能有效激發(fā)學生的學習興趣，使學生在實踐項目的過程中激發(fā)和強化學生的創(chuàng)造力、動手能力、協(xié)作能力、綜合能力和進取精神；可使學生在實施項目的過程中對材料、機械、電子、計算機硬件、軟件均有直觀的認知并掌握機械工程測試與控制的綜合分析設計能力。機電一體化創(chuàng)新設計(MCD)的一般過程分為四個階段，見圖1.1所示。

機電一體化創(chuàng)新實驗的任務和要求圖1.1機電一體化創(chuàng)新設計的一般過程1、確定（選定或發(fā)明）研究課題和方向它涉及機電學對象的不同層次、不同類型的機構組合，或不同學科知識、技術的問題。對機器人軟硬件的認識，和控制類知識。2、根據功能要求選定適合軟件，學習編程知識，進行算法研究Lego機器人提供了多種的編程平臺，有官方的NXT，RABOLAB，和第三方的軟件比如微軟MicrosoftRoboticsStudio,Matlab中的Lejos-osek等等，同樣也提供了多種編程的語言，有G語言（圖形化語言），C#等等，還有模塊化設計的理論等等，涉及到計算機和控制的綜合。3、機械結構類型及其優(yōu)選其難點在于求得完成預定任務的最佳機械結構方案，利用學到的機械結構，不斷的優(yōu)化，不斷改進。引入優(yōu)化法、代數消元法等數學方法分析機構學，使該問題有了突破性進展。4、調試機器人，優(yōu)化機械結構和算法其中涉及到了計算機接口技術，數據處理等學科領域。其難點在于動力參數量大、參數值變化域廣的多維非線性動力學方程組的求解。完成上述課題選擇、軟件和算法研究、運動學、動力學分析與綜合的四個階段，便形成了機器人實現特定功能的優(yōu)選方案。然后，即可進入機電一體化創(chuàng)新設計階段，該階段主要解決基于機器人靈活性、穩(wěn)定性、精確性設計問題。綜上所述，機電一體化創(chuàng)新化設計有如下特點：1、涉及多學科，如機械、、電力、電子、信息、藍牙及控制等多種科技的交叉、滲透與融合；2、設計過程中相當部分工作是非數據性、非計算性的，必須依靠在知識和經驗積累基礎上思考、推理、判斷，以及創(chuàng)造性發(fā)散思維（靈感、形象的突發(fā)性思維）相結合的方法；3、盡可能在較多方案中進行方案優(yōu)選。即在大的設計空間內，基于知識、經驗、靈感與想象力的系統(tǒng)中搜索并優(yōu)化設計方案；4、機電一體化創(chuàng)新設計是多次反復、多級篩選過程，每一設計階段有其特定內容與方法、但各階段之間又密切相關，形成一個整體的系統(tǒng)設計。機電一體化創(chuàng)新設計技術和機械系統(tǒng)設計（SD）、計算機輔助設計（CAD）、優(yōu)化設計（OD）、可靠性設計（RD）、控制元設計（CD）等一起構成現代機電設計方法學庫，并吸收鄰近學科有益的設計思想與方法。隨著認識科學、思維科學、人工智能、專家系統(tǒng)及人腦研究的發(fā)展，認識科學、思維科學、人工智能、設計方法學、科學技術哲學等已為MEICD提供了一定的理論基礎及方法。可以說，機電一體化創(chuàng)新設計是建立在現有機械設計學和電子計算機理論基礎上，吸收科技哲學、認識科學、思維科學、設計方法學、發(fā)明學、創(chuàng)造學等相關學科的有益成份，經過綜合交叉而成的一種設計技術和方法。二、課題簡介雙輪自平衡機器人搭建一個雙輪自平衡的機器人，選定一種可以實現機器人自平衡的算法（PID算法），確定適用的傳感器（建議用光電傳感器），選定實現這種算法的編程平臺和編程語言（RobotC）.碰觸傳感機器人設計（基于MicrosoftRoboticsStudio）建議在MicrosoftRoboticsStudio1.5版（2008技術預覽版已經推出，有興趣可以試著使用）平臺上，充分利用網上資源，在這里推薦1個(/robotics/)其實在Google搜MicrosoftRoboticsStudio這個關鍵詞會得到所要的資料。入門最重要一點是看安裝軟件隨帶的教程。這個平臺提供的實例，認識模塊化設計理論，設計出一個基于建?？刂茩C器人的實例。MicrosoftRoboticsStudio是微軟一個戰(zhàn)略性計劃，它不拘于硬件平臺，是一個通用的設計平臺，甚至可以自己設計硬件，而使用MicrosoftRoboticsStudio編程，在這里，使用的硬件是LEGO的NXT系列，要求使用NXT與MicrosoftRoboticsStudio（當然還可以結合其它軟件，這就突出了MicrosoftRoboticsStudio的兼容性）設計出屬于自己的東西。例如走迷宮機器人。尋線機器人的仿真和建模及實例（基于Lejos-Osek設計一個機器人的實例）；nxtOSEK、ECRobotNXT與MATLAB簡介：nxtOSEK是一個提供給NXT的RTOS（實時操作系統(tǒng)）和C/C++編程環(huán)境。不僅如此，nxtOSEK也可以被用作圖形化編程和仿真模擬環(huán)境平臺，它由設備驅動、C匯編源代碼、實時操作系統(tǒng)代碼構成。NXTOSKE可提供：使用GCC系列工具的ANSIC/C++語言開發(fā)環(huán)境NXT電機，傳感器和其他裝置的實時控制的C語言的API與C++語言的API符合汽車電子控制系統(tǒng)標準的（TOPPERS）OSEK提供的實時多任務調度NXT的一些其他編程語言是通過一個虛擬機解釋執(zhí)行的，而nxtOSEK的應用程序是于本地運行的。并且NXTOSEK固件消耗的ROM存儲器空間共僅占約10kb。EmbeddedCoderRobotNXT是一個為LEGOMINDSTORMSNXT設計的基于MATLAB和Simulink的開發(fā)環(huán)境。EmbeddedCoderRobotNXT提供了一個編程建模功能，用來完成NXT的控制策略、設備的動態(tài)特性和在3D圖形虛擬環(huán)境中模擬呈現這些模型部件。它也提供了nxtOSEK對于真實NXT硬件的對象調度，它是基于Real-TimeWorkshopEmbeddedCode的。這意味著可以完全體會LEGO的建模、仿真、代碼生成、目標對象的建立以及在真實的NXT上進行測試。MATLAB和Simulink是由TheMathWorks生產的專有軟件，目前主要被廣泛地應用在控制工程中。MATLAB是一個高性能的科學計算軟件，一種簡單、高效、功能極強的高級語言，具有強大的矩陣運算能力和極高的編程效率，這一方面使得MATLAB程序可以被高度向量化，另一方面使得程序易讀易懂。它廣泛應用于數學計算、算法開發(fā)、數學建模、系統(tǒng)仿真、數據分析處理及可視化、科學和工程繪圖、應用系統(tǒng)開發(fā)（包括建立用戶界面）等。當前它的使用范圍涵蓋了工業(yè)、電子。醫(yī)療、建筑等領域。附件為四個課題的入門指導及實現簡介:附件1：雙輪自平衡機器人附件2：碰觸傳感機器人設計（基于MicrosoftRoboticsStudio附件3：尋線機器人的仿真和建模及實例（基于Lejos-Osek設計一個機器人的實例）附件1:雙輪自平衡機器人一、目的了解LEGO傳感器的相關功能并熟練應用，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節(jié)算法研究。二、要求能夠利用LEGO積木搭建一輛兩輪機器人小車，并配置所需傳感器；利用ROBOTC編寫控制程序，建議選擇PID控制算法，選擇合適的kp，ki，kd等參數使該機器人能夠在較長一段時間內實現自動平衡（當有外界擾動時，機器人小車也能快速做出反應使自己處于一個平衡狀態(tài)）。三、過程簡介利用LEGO積木搭建實驗所需的機器人小車并安裝必要的傳感器；選擇控制算法，設計程序流程圖；學習ROBOCTC的編程方法，初步掌握一些功能函數的調用，并利用ROBOTC編寫控制程序；下載程序到NXT小車中進行調試、收集必要的數據，據此來不斷改善算法參數，使得小車能夠長時間保持平衡狀態(tài)；編寫課程設計說明書，完成該實驗。四、拓展機器人只能在較暗的環(huán)境下、純色的白紙板上才能維持較長時間不倒。在調試過程中，傳感器應盡可能的縮短與地面的距離，因為傳感器在5?30mm內才是近似線性相關。機器人初始平衡點如果沒有找好，機器人很難保持平穩(wěn)。由于會受到周圍環(huán)境的影響，可以適當修改kp，ki，kd等參數，使機器人具有良好的自動調節(jié)功能。此次實驗的最終目標是希望能實現兩輪機器人的行走，以及利用搖桿控制兩輪機器人轉向或前行后退等。在行走過程中如何計算及調節(jié)機器人的重心，都是非常關鍵的困難點。附件2：碰觸傳感機器人設計基于MicrosoftRoboticsStudio平臺一、目的學習基于MicrosoftRoboticsStudio平臺的建模和仿真方法，對樂高機器人進行相關的控制和算法實現的研究。二、要求設計一個碰觸傳感機器人，也就是說觸動該機器人的觸碰傳感器則驅動電機馬達使機器人能夠前行，一旦當從觸碰傳感器上撤去外部壓力時，則電機馬達停止轉動，機器人停止前行。首先充分利用MSRS的豐富擴展功能，為機器人增添一個計算機報數功能，即每按下一次觸碰傳感器時，機器人不但向前運新，而且還能夠將信號通過藍牙無線傳輸給遠端控制計算機，在電腦上語音播報當前碰觸傳感器的按鍵次數。在開始變成前，要對MicrosoftRoboticsStudio作充分學習了解。三、過程簡介在開始動手編程前，需要對所要設計的機器人程序有一個大致的流程框架和思路；在VPL編程環(huán)境中設計碰觸傳感器的判斷；而后數據流分為兩路，一路控制語音播報，一路控制樂高電機馬達。利用VPL提供的TTS服務實現計算機語音朗讀；樂高N