教育机器人实验系统的设计与开发

论文摘要

教育机器人融合了机械、电子、计算机技术、人工智能等诸多先进技术,是理想的控制学科教学实验平台。实验系统是教育机器人平台的重要组成部分,为基于教育机器人平台的教学实验提供一个良好的实验操作环境。但是现有实验系统并不针对我国控制学科教学实验而开发、扩展性差、实验案例不丰富,不能充分发挥教育机器人在控制学科教学实验中的作用。因此设计并开发一套符合控制学科教学实验需要的教育机器人实验系统具有重要意义。本文依托东北大学“985工程”流程工业综合自动化科技创新平台,针对教育机器人平台设计并开发了一套以控制学科教学实验为目的、界面友好、实验操作简便、实验案例丰富、扩展性好的实验系统。本实验系统的优越性在于虚拟仿真对象实验与硬件在回路仿真实验相结合,经过虚拟仿真对象实验验证的算法,利用图形化的编辑环境替换相应接口模块后,可自动编译生成实时代码并进行连接、下载和自动运行,无需任何额外工作即可直接进行硬件在回路仿真实验。本文的主要内容包括：1.针对我国控制学科教学实验的现状及存在的问题,结合现有实验系统的不足,对教育机器人实验系统进行需求分析。2.对教育机器人实验系统进行结构和功能设计。根据需求分析提出实验系统总体设计思想和总体结构。实验系统由人机界面、模块库、实验案例库三个部分组成,对每个部分的构成及功能进行设计。3.进行教育机器人实验系统开发。对实验系统开发的关键技术进行研究,基于MATLAB采用代码编程和图形化编程相结合的方式进行开发。进行了人机界面开发,部分接口模块、算法模块开发,并创建了部分实验案例。为保证实验系统的可扩展性,提出了开放式存储结构规则。4.进行教育机器人实验系统实验验证。在教育机器人平台上,通过实验系统进行硬件在回路仿真实验和虚拟仿真对象实验。实验结果证明,本文所设计和开发的实验系统满足控制学科基于教育机器人平台的实验需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 控制学科教学现状分析
• 1.1.2 控制学科教学面临的问题
• 1.1.3 教育机器人平台在控制学科教学中的优势
• 1.1.4 教育机器人实验系统开发的意义
• 1.2 教育机器人发展现状
• 1.2.1 教育机器人的产生与发展
• 1.2.2 教育机器人应用现状与存在的问题
• 1.3 教育机器人实验系统发展现状
• 1.3.1 教育机器人实验系统的现状
• 1.3.2 教育机器人实验系统的不足
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 教育机器人实验系统设计
• 2.1 教育机器人平台概述
• 2.1.1 机械系统
• 2.1.2 硬件系统
• 2.1.3 软件系统
• 2.1.4 实验系统
• 2.2 教育机器人实验系统总体设计
• 2.2.1 实验系统需求分析
• 2.2.2 实验系统总体设计思想
• 2.2.3 实验系统开发环境
• 2.2.4 实验系统功能
• 2.2.5 实验系统组成
• 2.3 实验系统人机界面设计
• 2.3.1 人机界面结构设计
• 2.3.2 人机界面功能设计
• 2.4 实验系统Simulink模块库设计
• 2.4.1 Simulink接口模块库设计
• 2.4.2 Simulink算法模块库设计
• 2.5 实验系统实验案例库设计
• 2.5.1 硬件在回路仿真实验案例设计
• 2.5.2 虚拟仿真对象实验案例设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 教育机器人实验系统开发
• 3.1 人机界面开发
• 3.1.1 MATLAB GUI概述
• 3.1.2 实验系统的开放式存储结构
• 3.1.3 人机界面结构实现
• 3.1.4 人机界面功能的实现
• 3.2 Simulink模块库开发
• 3.2.1 Simulink模块开发关键技术研究
• 3.2.2 Simulink接口模块库开发
• 3.2.3 Simulink算法模块库开发
• 3.3 创建实验案例库
• 3.3.1 硬件在回路仿真实验案例
• 3.3.2 虚拟仿真对象实验案例
• 3.3.3 实验案例的实验指导书
• 3.4 本章小结
• 第4章 教育机器人实验系统实验验证
• 4.1 实验验证目的
• 4.2 实验系统基本实验步骤及优越性分析
• 4.2.1 实验系统基本实验步骤
• 4.2.2 实验系统优越性分析
• 4.3 实验验证系统
• 4.3.1 硬件在回路仿真实验验证系统
• 4.3.2 虚拟仿真对象实验验证系统
• 4.4 伺服系统线性二次型最优控制实验验证
• 4.4.1 伺服系统机理建模
• 4.4.2 伺服系统可控性分析
• 4.4.3 线形二次型最优控制器设计
• 4.4.4 创建Simulink实验模型
• 4.4.5 伺服系统线性二次型最优控制实验
• 4.4.6 实验结论
• 4.5 串联教育机器人仿真模型蛇形扭动运动实验验证
• 4.5.1 建立3D虚拟仿真对象和仿真环境
• 4.5.2 控制器设计
• 4.5.3 创建Simulink实验模型
• 4.5.4 串联教育机器人仿真模型蛇形扭动运动实验
• 4.5.5 实验结论
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的主要工作