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创新综合实验实验指导书

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2020年4月19日
文档仅供参考

1． 实验基础
2.1 LEGO MINDSTORMS 控制器硬件
要求认识和理解RCX、NXT的基本结构，输入输出设备及接口，DCP传感器及接口，并熟练进行连接与操作。

2.2 根据具体的实验要求选择适合的软件
Ÿ Microsoft Robotics Studio基础
Ÿ VPL编程
Ÿ Microsoft Robotics Studio软件
Ÿ Robolab软件
Ÿ NXT软件
Ÿ Matlab等等

2.3 授课方式：
课堂讲授，编程以自学为主
参考书：
a) LEGO快速入门
b) 乐高组件和ROBOLAB软件在工程学中的应用
c) ROBOLAB2.9编程指南
d) ROBOLAB研究者指南
e) 各类有关乐高机器人的网站和论坛
附录：小车搭建步骤见“9797手册”

2． 综合实验任务及要求
Lego组件具有强大的灵活性，可根据我院教学任务分层次、分阶段的实验项目，根据涉及的技术层次以及难度拟分为指定项目实验(基础实验部分)以及创新综合实验两个层次，其中指定项目实验学生根据教师指定的参考项目设计方案完成指定对象的测试与控制的设计和实现；创新综合实验则仅给出某个测控主题及目标，由学生分组自行完成全部设计与构建。

3． 指定项目实验 (基础实验部分)
4.1.1 Lab1 光电传感器自动跟踪小车（必选）
内容：搭建小车并使之自动跟踪黑色轨迹。
目的：熟悉ROBOLAB 编程方法以及NXT使用。
4.1.2 Lab2 光电传感器测距功能测试
内容：测试LEGO光电传感器的特性,并熟悉ROBOLAB测试环境的应用。
目的：确定光电传感器用于测距的线性范围及特性。
4.1.3 Lab3 光电传感器位移传感应用
内容：应用光感的局部线性特征搭建可与障碍物保持给定距离的小车，测试LEGO光电传感器的距离传感性能。
目的： 采用光电传感器进行距离测量。
4.1.4 Lab4 超声波传感器测试
内容：应用超声波传感器线性特征搭建小车，并与障碍物保持一定的距离，测试其线性范围。
目的：确定超声波传感器用于测距的线性特性。
4.1.5 Lab5 超声波传感器位移传感应用
内容：应用超声波传感器闪避障碍物，测试LEGO超声传感器的距离传感性能。
目的：熟悉超声传感器的用途
4． 创新实验设计
a.双轮自平衡机器人；
b.碰触传感机器人设计（基于Microsoft Robotics Studio平台）；
c.寻线机器人的仿真和建模及实例（基于Lejos-Osek 设计一个机器人的实例）；
d.自己提出一个合理的项目

5． 综合实验说明书要求
编写说明书是综合实验的一个重要组成部分，它反映学生在整个设计过程中的工作表现和能力，编写设计说明书也是培养学生科技写作能力的一次训练，设计说明书应力求简洁、文理通顺、字迹工整。设计说明书的内容应包括：
1) 实验报告以小组为单位，每人一份
2) 实验目的
3) 实验要求
4) 小组成员分工
5) 软件设计，程序流程图，ROBOLAB VI程序及截图
6) 调试过程出现的问题及解决方案
7) 结论（实验结果，体会与建议等，可附上有创意的小车图片）
8) 附机械结构图，算法流程图，数据处理表等等；
9) LEGO硬件结构的设计
10) 测试与控制算法以及软件编程；
11) 实验结果，测试数据记录，分析；
12) 收获、体会，意见及建议；

6． 时间安排
《机电一体化创新综合实验》教学计划时间为： 日上午，为了使课程设计能按时完成，其时间安排如下：
1) 阅读综合实验指导书，了解设计任务和要求，查阅参考资料，2～3天；
2) 各班与老师联系上机调试时间

课程设计成绩的评定
1) 成绩的评定，根据学生在整个设计过程中的表现、设计和制作水平，动手操作能力，设计说明书的编写质量等项目的评分综合评定。
2) 答辩成绩分优秀、良好、中等、合格和不合格五级
第二部分 基础实验
Lab1 光电传感器自动跟踪小车
1. 实验目的：
Ø 了解光电传感器感光特性；
Ø 掌握LEGO基本模型的搭建；
Ø 基本掌握ROBOLAB软件；
2. 实验要求：
能做搭建比较牢靠的小车模型，能够实现小车沿着黑线行走(实际上是沿着黑线走Z字形)。
3. 软件设计：
编写程序流程图并写出程序。程序可参考下图：

4. 测试环境：
如图所示：

5. 实验步骤：
1) 搭建小车模型，参考附录步骤或自行设计(创新可加分)。
2) 用ROBOLAB编写上述程序。(也能够自己编程序)
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，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，不断的调试，力求沿黑线走得越快越好。

6. 实验报告要求：
l 实验目的
l 实验要求
l 小组成员分工
l 软件设计，程序流程图，ROBOLAB VI程序及截图
l 调试过程出现的问题及解决方案
l 结论（实验结果，体会与建议等，可附上有创意的小车图片）

7. 注意事项：
l 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，最大限度的减少环境光对实验的不利影响。
l 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

Lab5 超声波传感器位移传感应用

1. 实验目的：
Ø 掌握及确定超声波传感器用于测距以及把测出的数据控制电机的转动的应用，以及感性认识超声波传感器的工作原理。
Ø 测试LEGO超声波传感器的特性,并熟悉ROBOLAB中容器和跳转语句以及判断语句的应用。

2. 实验要求：
设计小车能根据障碍物的距离进行速度反应，如果距离高于设定值，小车会向前运动，而且速度会根据离设定地点的距离的大小而变化，距离越大，速度越大；如果距离低于设定值，小车会向后运动，而且速度会根据离设定地点的距离的大小而变化，距离越大，速度越大。（提示：设计时要注意容器的使用，要把超声波反馈回来的数据放到容器里面，调用容器来确定电机的转速。容器存放的数值是整数，如果是小数会四舍五入取整。）

3. 软件设计：
自行设计软件流程图及程序。

4. 测试环境：
如图所示，在小车前一定距离用手移动障碍物，障碍物要尽量大，能够用大的课本代替。

5. 调试与分析
1) 运行小车，移动障碍物，观察小车的运动，并做纪录；
2) 改变设定的距离，按（1）进行观察；
3) 分析小车是否会根据距离的无穷远而电机的速度会变得无穷大，为什么？
4) 把自己的算法写出来，并加以分析；
5) 如果障碍物突然消失了，超声波不能返回而小车一直往后，设计一个方案使小车的电机不受损坏；（提示：加上一个触动传感器）
6) 分析自己的程序在离设定距离多远处开始小车的速度不再受距离影响；
7) 分析光电传感器能否换成超声波传感器，为什么？（写一下自己的看法，理由）

6. 实验步骤：
1 　搭建小车模型，沿用LAB2的小车结构。能够自己设计。
2 　编写程序。
a . 设定距离（如75cm）
b. 把超声波的数据存放到容器里面，接着在容器中运算，把与设定距离
的差额L算出来。
c. 把差额L进行运算转化为马达的转速。
d. 用跳转指令把上述的动作循环。

( 特别提示：电机的转速范围为0~5，大于5的都只能按5的速度来运动，同学们能够进行试验。)

3 下载并开始实验。

7. 实验报告要求：
l 实验项目目标
l 项目小组成员及分工
l 硬件结构（采用LEGO 摄像头拍摄结构照片）
l 软件设计，程序流程图，ROBOLAB VI程序及截图
l 回答调试与分析中的问题
l 写出自己的算法并分析
l 调试过程出现的问题及解决方案
l 实验数据表格
l 实验数据曲线图
l 结论（实验结果，体会与建议等）