机器人课程设计图文概要.docx
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机器人课程设计图文概要
北京信息科技大学自编实验讲义
机器人控制课程设计指导书
许晓飞编著
自动化学院
智能科学与技术系
2010年1月
前言
一、实验的基本要求
机器人控制课程设计实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法与操作技能。
培养学生学会根据实验目的拟定实验线路,选择所需仪器仪表,遵守实验步骤,测取实际实验数据,进行分析研究,得出正确结论,认真完成实验报告。
现按实验过程提出下列基本要求:
1、实验前的准备
实验前应复习参考资料有关章节,认真研读实验指导书,了解实验目的、原理、内容与步骤,明确实验过程中要解决的问题和应注意的问题;实验前写好预习报告,经指导教师检查,方可开始做实验。
2、实验的进行
1建立小组,合理分工
每次实验都以二人或三人一组为单位进行,人员安排由指导老师具体确定。
实验进行中的接线、记录数据等工作应认真、细致,保证实验的顺利完成。
2选择正确的仪器仪表
熟悉实验台的仪器仪表,选取正确的实验器材;实验完成后,放回原处。
二、实验安全操作规程
为了按时完成机器人控制课程设计实验,确保实验时人身安全与设备完好,要严格遵守如下规定的安全操作规程:
1实验时,人体不可接触带电线路。
2接线或拆线都必须在切断电源情况下进行。
3经指导教师检查和允许,方可接通电源,实验中如发生事故,应立即切断电源,经查清问题和妥善处理故障后,才能继续进行实验。
前言....................................................................................................................................................2课程设计须知................................................................................................................................................4综合设计........................................................................................................................................................5课程设计一基于VC++的圆坐标机械手控制系统设计.........................................................................5课程设计二基于视觉的机器人控制系统开发........................................................................................7课程设计三FIRA竞赛平台的管理决策系统设计.................................................错误!
未定义书签。
课程设计四FIRA竞赛平台足球机器人控制系统的设计....................................................................20课程设计五FIRA竞赛平台视觉系统的设计........................................................错误!
未定义书签。
课程设计六基于贝叶斯决策的电梯群控仿真系统设计..............................................错误!
未定义书签。
课程设计七基于光电检测的智能车设计....................................................................................................11课程设计八基于摄像头检测的智能车设计...............................................................................................14课程设计九基于电磁场检测的智能车设计...............................................................................................17课程设计十旋转机械故障诊断系统设计................................................................错误!
未定义书签。
课程设计十一移动机器人的超声波测距避障系统设计.......................................错误!
未定义书签。
课程设计十二基于脉冲激励的振动系统模态参数测定方法研究.......................错误!
未定义书签。
课程设计十三智能楼宇环境监测系统的设计......................................................错误!
未定义书签。
课程设计十四基于机器学习的红外位移测量系统设计.............................................错误!
未定义书签。
课程设计十五基于智能控制的光照度监控系统设计.................................................错误!
未定义书签。
课程设计十六基于专家决策的无缝钢管检测系统设计...............................................错误!
未定义书签。
课设模板:
..................................................................................................................................................24
课程设计须知
机器人控制课程设计是在19-20周完成,每门课32课时,机器人课程设计每组不能超过六人,请大家根据情况调整组队选题;小组内成员间须有一定明确的分工,欢迎提前来熟悉系统平台;课程考核标准如下:
综合设计
课程设计一智能机器人机械手控制系统设计
一、目的与任务
本课程设计旨在使学生了解机器人的结构,熟练掌握机器人控制与编程;通过实际操作,解决从结构设计到运动控制分析中的问题;通过实验技能的训练,培养学生理论联系实际的作风、严谨的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。
先修课程要求:
学生在进行课程设计之前应先修《电路分析》、《模拟电子技术基础》、《数字电路与逻辑设计》、《微机原理与接口技术》、《数字信号处理》、《控制理论》、《智能传感与检测技术》、《人工智能》、《机器人学》等相关课程和相关实验课程。
本课程设计任务是利用欧鹏科技的圆坐标机械手平台,采用VC编写监控编程实时控制和监测机械手的运动位置,实现其机械手的运动操作的实时控制和监测;通过本设计进一步掌握机器人运动系统的基本原理,组成和设计方法,设计出相应的机器人运动系统,通过本课程设计,使学生初步具有控制系统设计的能力,从而培养和提高学生解决机器人工程问题的能力。
二、课程设计内容
欧鹏科技圆坐标机械手实验台系统机械手的运动操作作为被控对象,分析研究控制卡的性能,实现实时控制与监测。
1.掌握VC编写程序;
2.理解典型控制算法,并能将其用到实际设计控制系统当中;
3.结合所设计的控制平台,调节控制算法参数。
控制误差在要求的范围内。
编写基于VC++软件平台控制系统,此系统包括串口通信模块、坐标定位模块和控制模块组成,由坐标定位模块实现圆柱坐标三自由度XYZ位置定义,确定起始、终止坐标,然后控制步进电机和直流电机的运动,实现圆柱坐标三自由度XYZ连动抓取目标物体并且要求系统抓取目标物体误差小于1%。
三、课程设计条件
PC机
VC软件安装盘两张
控制电路所需元器件
采集卡
TEKTRONIXTDS100260MHZ示波器
欧鹏科技圆坐标机械手实验台:
气动的启动循环系统,机械手,运动控制卡。
四、机械手控制系统组成
提供参考控制系统结构框图如下图所示。
此控制过程包括:
首先要在抓取目标物体之前,要对目标物体有个坐标定位,并且这个坐标定图1控制系统参考结构框图
位要结合机械手的坐标定位,在空间上和数值上要达到一致。
根据这个要求设计了一个机械手运动控制模型,此模型一方面起到定位坐标的作用,另一方面又起到了监控和计算机视觉作用。
其次要考虑控制移动及抓取问题。
此时要充分利用TML库中相关函数,利用MFC设计控制界面,很好的调用库函数,尽量做到减小移动的精确度。
最后完成两部分的充分结合,通过控制模型,运用控制指令在控制界面中完成基本操作。
五、课程设计过程
1.熟悉欧鹏科技圆坐标机械手实验台;
2.熟悉VC编程软件
3.确定被控对象模型及控制方案,初算控制参数
4.根据控制性能要求,实验调节参数
5.完成欧鹏科技圆坐标机械手实验台机械手操作的实时控制和监测
六、课程设计报告
根据课程设计结果,编写课程设计报告。
在报告中应写出设计的方法、步骤、控制方案、实验接线图、实验结果。
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课程设计二全自主导航机器人控制系统设计
一、目的与任务
本课程设计旨在使学生了解机器人的结构,熟练掌握机器人控制与编程;通过实际操作,解决从结构设计到运动控制分析中的问题;通过实验技能的训练,培养学生理论联系实际的作风、严谨的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。
先修课程要求:
学生在进行课程设计之前应先修《电路分析》、《模拟电子技术基础》、《数字电路与逻辑设计》、《微机原理与接口技术》、《数字信号处理》、《控制理论》、《智能传感与检测技术》、《人工智能》、《机器人学》等相关课程和相关实验课程。
本课程设计任务是利用上海英集斯的智能检测机器人的实验平台,通过设计特定目标的搜寻路径,编写路径搜寻算法,先采用Matlab进行算法仿真比较,进一步烧写程序至智能检测机器人平台,完成搜寻机器人对特定搜寻目标的搜寻任务,最后对搜寻机器人的搜寻路径提出了优化方法。
采用C编写监控系统实时控制和监测智能检测机器人的运动位置,设计和调试基于视觉输入的机器人运动控制系统,或运动轨迹规划与控制系统实现其对目标的搜寻;通过本设计进一步掌握机器人运动系统的基本原理,组成和设计方法,设计出相应的机器人运动系统,通过本课程设计,使学生初步具有控制系统设计的能力,从而培养和提高学生解决机器人工程问题的能力。
二、课程设计内容
上海英集斯的智能检测机器人实验台系统机器人的运动操作作为被控对象,分析研究控制器的性能,实现系统实时控制。
1.掌握C语言编写程序;
2.理解典型控制算法,并能将其用到实际设计控制系统当中;
3.结合所设计控制平台,调节控制算法参数。
控制误差在要求的范围内。
要求设计系统重点研究如何规划自主式搜寻机器人的路径,让机器人能够避开环境中的障碍物并到达指定的目标点,设计并完成了对固定目标或移动火源的搜寻策略。
在对移动目标的搜寻中,采用远红外传感器检测远距离火源,光敏传感器检测近距离目标,红外传感器预测障碍并躲避,与碰撞开关一起构成了搜寻机器人的避障系统。
首先,根据不同传感器的特点及功能选定各功能模块所用的传感器。
其次,根据现有条件设计搜寻路径,最后通过对程序的编写完成对火源的搜寻任务。
再次提出一个避障路径规划的算法,以目标与障碍物之间的夹角及自主式搜寻机器人与障碍物之间的距离作为输入变量来调整自主式搜寻机器人前进的方向。
最低要求实现在较简单的环境下（如一个障碍物的最优搜寻控制器,进行搜寻规划。
三、课程设计条件
PC机
C语言软件安装盘两张
控制电路所需元器件
采集卡
TEKTRONIXTDS100260MHZ示波器
智能检测机器人实验台:
传感器模块,控制器,运动平台
四、智能检测机器人控制系统组成
提供参考控制系统结构框图如下图所示。
图1控制系统参考结构框图
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此控制系统设计过程包括:
主要是通过对搜寻机器人如上海英集斯智能检测机器人平台的研究,在计算机上利用图形化交互式C语言编程,编写路径搜寻算法,实时调试机器人,使之完成目标的搜寻,可以实现直接进行现场演示。
五、课程设计过程
1.熟悉上海英集斯智能检测机器人实验台;
2.熟悉C语言编程软件
3.确定被控对象模型及控制方案,初算控制参数
4.根据控制性能要求,实验调节参数
5.完成上海英集斯智能检测机器人实验台实时控制和监测
六、课程设计报告
根据课程设计结果,编写课程设计报告。
在报告中应写出设计的方法、步骤、控制方案、实验接线图、实验结果。
内容:
1.机器人基本结构原理,硬件,软件;避障+
2.调试结果+问题+心得体会
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课程设计三宝贝车机器人的组装设计与制作
一、目的与任务
本课程设计旨在使学生了解机器人的结构,熟练掌握机器人控制与编程;通过实际操作,解决从结构设计到运动控制分析中的问题;通过实验技能的训练,培养学生理论联系实际的作风、严谨的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。
先修课程要求:
学生在进行课程设计之前应先修《电路分析》、《模拟电子技术基础》、《数字电路与逻辑设计》、《微机原理与接口技术》、《数字信号处理》、《控制理论》、《智能传感与检测技术》、《人工智能》、《机器人学》等相关课程和相关实验课程。
本课程设计任务是通过对宝贝车机器人平台控制系统硬件部分总体结构的把握和对应用需求的分析,详细设计实现宝贝车机器人系统功能的具体的实现方案。
包括机械改造方案、控制电路设计方案、检测电路设计方案、电源管理方案以及预留的可扩展方案等。
本设计中的宝贝车机器人硬件系统采用了智能控制原理中的反馈控制方式。
以单片机为检测和控制核心。
采用多种传感器采集所需信息使宝贝车机器人完成各项任务,用光电编码盘和旋转编码器对速度信号进行实时采集;单片机将来自前两者的信号经过运算处理;然后通过输出PWM信号来控制舵机和驱动电机,以实现方向和速度的控制。
同时,采用系统各模块独立的电源供电,保证了系统的稳定性。
通过本课程设计,使学生初步具有控制系统设计的能力,从而培养和提高学生解决机器人工程问题的能力。
二、课程设计内容
通过指导教师分别购买一个宝贝车机器人所需的最基本的器件,以及组装所用的基本工具如螺丝起子、组合扳手和尖嘴钳等,指导学生完成以下几个基本任务:
1组装机器人基本器件,包括底盘、电机、电源、控制电路及最小控制系统主板;2测试主板和电机的电气连接;3测试指示电路,开始编程;4设计测试调试终端的速度控制;5设计测试宝贝车机器人的巡航控制;6设计完成机器人的触觉导航;7设计完成机器人可见光和红外导航;8设计完成机器人的距离检测和避障。
三、课程设计条件
PC机
宝贝车机器人组件多种传感器
KeilC软件环境
四、宝贝车机器人导航系统组成
1宝贝车机器人巡航原理
宝贝车机器人巡航原理是根据传感器检测到的信号,机器人做相应设计巡航路径的运动,包括使机器人走直线、更精确的转弯、计算运动距离等技术。
编程基本的机器人动作,使机器人做一些基本的动作:
向前,向后,左转,右转和原地旋转;调节巡航任务的运动,使动作更加精确;计算机器人运动指定的距离需要发给机器人的脉冲数量;写程序使机器人由突然启动或停止变为逐步加速或减速运动;写一些执行基本动作的子程序,并且每一个子程序都能够被多次调用;将复杂运动记录在单片机模块中没有用到的内存中,编写程序重放这些运动。
图1宝贝车机器人巡航及其驱动方向的指示
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2巡航检测参考电路
宝贝车机器人巡航检测电路如图2所示,通过采用有多种不同传感器能提供各种独特功能进行探测,例如当机器人遇到障碍物时,接触开关就会察觉,通过对机器人编程拾取物体,并放置于别处;光传感器用来探测可见光,并且可以检测不同的光亮度水平。
这样,可以编程使宝贝车机器人识别周围环境的明暗,报告探测到的明暗水平,并且可以寻找手电筒光束或从门口射进黑暗的屋子的光这样的光源。
五、课程设计过程
1.熟悉宝贝车机器人组件;2.熟悉微控制器;
3.确定被控对象模型及控制方案,初算控制参数;4.根据控制性能要求,实验调节参数;5.完成宝贝车机器人组件实时控制和监测。
六、课程设计报告
根据课程设计结果,编写课程设计报告。
在报告中应写出设计的方法、步骤、控制方案、实验
接线图、实验结果。
不同点:
1.走直线,拐弯,刹车,倒车,显示,
系统结构图,调试结果,调试问题,心得体会
图2（a光探测电路（b触角探测电路
课程设计四基于光电检测的机器人车设计
一、目的与任务
本课程设计旨在使学生了解机器人的结构,熟练掌握机器人控制与编程;通过实际操作,解决从结构设计到运动控制分析中的问题;通过实验技能的训练,培养学生理论联系实际的作风、严谨的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。
先修课程要求:
学生在进行课程设计之前应先修《电路分析》、《模拟电子技术基础》、《数字电路与逻辑设计》、《微机原理与接口技术》、《数字信号处理》、《控制理论》、《智能传感与检测技术》、《人工智能》、《机器人学》等相关课程和相关实验课程。
本课程设计任务是通过对智能车控制系统硬件部分总体结构的把握和对应用需求的分析,详细设计实现智能车系统功能的具体的实现方案。
包括机械改造方案、控制电路设计方案、检测电路设计方案、电源管理方案以及预留的可扩展方案等。
本设计中的智能车硬件系统采用了智能控制原理中的反馈控制方式。
以MC9S12DG128单片机为检测和控制核心。
采用红外式的光电传感器采集路径信息使智能车寻找前进路径,用光电编码盘和旋转编码器对速度信号进行实时采集;单片机将来自前两者的信号经过运算处理;然后通过输出PWM信号来控制舵机和驱动电机,以实现方向和速度的控制。
同时,采用系统各模块独立的电源供电,保证了系统的稳定性。
通过本课程设计,使学生初步具有控制系统设计的能力,从而培养和提高学生解决机器人工程问题的能力。
二、课程设计内容
“飞思卡尔”智能车系统的理论设计是基于完成如表1控制参数关系表而进行设计的,因此建议设计人工神经网络训练样本或模糊控制规则库进行系统的综合设计。
表1控制参数关系表
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“飞思卡尔”智能车系统是智能车控制系统设计的基础。
智能车控制系统硬件结构主要由HCS12控制核心、路径识别电路、车速检测模块、转向伺服电机控制电路、直流驱动电机控制电路和电源管理单元组成,其系统硬件结构如图智能车硬件系统的整体结构如图1所示:
图1智能车系统的基本结构图
三、课程设计条件
PC机
MC9S12DG128单片机
“飞思卡尔”智能车模
红外光电传感器
Freescale软件环境
四、光电检测路径识别系统组成
1光电传感器的工作原理
光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。
光电式传感器工作时,先将被测量转换为光量的变化,然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化,从而实现非电量的测量。
光电式传感器的核心（敏感元件是光电器件,光电器件的基础是光电效应。
（a测量光信号
（b测量非光信号
图2光电式传感器的基本组成
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2光电检测电路
在光电管检测中,通过红外发光管发射红外光照射跑道,由于跑道表面与中心线具有不同的反射强度,因此利用红外接收管可以检测到这些信息。
红外接收管接收道路反射的红外光后产生电压的变化,它可以反映出赛道中心线的位置。
这个电压信号可以通过外部的电压比较器变成高、低电平由单片机的I/O端口读取,也可以通过单片机A/D端口直接读取。
从I/O端口读取的电路如图3所示,从A/D端口直接读取的电路如图4所示。
五、课程设计过程
1.熟悉“飞思卡尔”智能车模;2.熟悉FreescaleHCS12微控制器;
3.确定被控对象模型及控制方案,初算控制参数;4.根据控制性能要求,实验调节参数;
5.完成基于光电检测的智能车实时控制和监测。
六、课程设计报告
根据课程设计结果,编写课程设计报告。
在报告中应写出设计的方法、步骤、控制方案、实验
接线图、实验结果。
图3I/O端口读取信号电路
图4A/D端读取信号电路
课程设计五基于摄像头检测的机器人车设计
一、目的与任务
本课程设计旨在使学生了解机器人的结构,熟练掌握机器人控制与编程;通过实际操作,解决从结构设计到运动控制分析中的问题;通过实验技能的训练,培养学生理论联系实际的作风、严谨的科学态度和独立分析与解决实际问题的能力。
先修课程要求:
学生在进行课程设计之前应先修《电路分析》、《模拟电子技术基础》、《数字电路与逻辑设计》、《微机原理与接口技术》、《数字信号处理》、《控制理论》、《智能传感与检测技术》、《人工智能》、《机器人学》等相关课程和相关实验课程。
本课程设计任务是通过对智能车控制系统硬件部分总体结构的把握和对应用需求的分析,详细设计实现智能车系统功能的具体的实现方案。
包括机械改造方案、控制电路设计方案、检测电路设计方案、电源管理方案以及预留的可扩展方案等。
本设计中的智能车硬件系统采用了智能控制原理中的反馈控制方式。
以MC9S12DG128单片机为检测和控制核心。
采用摄像头传感器采集路径信息使智能车寻找前进路径,可用光电编码盘和旋转编码器对速度信号进行实时采集;单片机将来自前两者的信号经过运算处理;然后通过输出PWM信号来控制舵机和驱动电机,以实现方向和速度的控制。
同时,采用系统各模块独立的电源供电,保证了系统的稳定性。
通过本课程设计,使学生初步具有控制系统设计的能力,从而培养和提高学生解决机器人工程问题的能力。
二、课程设计内容
“飞思卡尔”智能车系统的理论设计是基于完成如表1控制参数关系表而进行设计的,因此建议设计人工神经网络训练样本或模糊控制规则库进行系统的综合设计。
表1控制参数关系表
“飞思卡尔”智能车系统设计是智能车控制系统设计的基础。
智能车控制系统硬件结构主要由HCS12控制核心、路径识别电路、车速检测模块、转向伺服电机控制电路、直流驱动电机控制电路和电源管理单元组成,其系统硬件结构如图智能车硬件系统的整体结构如图1所示:
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图1智能车系统的基本结构图
三、课程设计条件
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