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ELVIS III 机电一体化系统实验板卡
01.11 2023

ELVIS III Mechatronic System Board(机电系统板卡)是专门为ELVIS III平台开发的一款融合机器视觉的机电一体化系统实验板卡。学生基于板卡上搭载的2个直流电机(集成旋转编码器)、连杆机构(5连杆)和摄像头,可以进行电机控制、机器视觉、5连杆机构的运动解算、状态机和路径规划等综合性实验。

基于“ELVIS III 机电一体化系统板卡 + LabVIEW”的机器视觉与机电一体化实验方案,学生可以更好的学习和理解机电一体化,机器人控制,图像识别等相关知识,锻炼提升动手实践能力。


这套实验方案的优势体现在:

  • 专门为培养学生系统级机电一体化系统设计和集成能力而设计

  • 一个包括了传感、执行器、机器视觉的完整机电一体化系统

  • 底层代码全开放:FPGA、采集、视觉处理、控制算法、状态机等

  • 专门匹配工程教育专业认证要求的实验设计


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图1 ELVIS III 机电一体化系统板卡上的各个部件


下面向大家具体展示用LabVIEW和机电一体化系统板卡进行实验的过程。

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图2 Mechatronic System Board系统框架图

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图3 Mechatronic System Board综合实验循迹地图


该机电系统板卡实验包含电机相关知识、机构运动学、图像处理、综合实验四部分。


1、电机相关知识实验 —— 编码器、PWM

电机控制的预备知识包括电机的驱动PWM和电机输出轴的位置用编码器检测。编码器实验可以观察到编码器对旋转位置的检测,构建闭环控制的关键在于准确的被测量作反馈,编码器码盘旋转一圈两个光电传感器(A和B)产生脉冲,因为信号在相位上相隔90°并产生四种不同的状态,利用不同的解码算法可对应不同的角分辨率精度。由记录脉冲数可计算出旋转角度;PWM实验可以改变占空比大小进而改变输出电压大小,在机电一体化系统中,有刷直流电机通常使用微处理器驱动和控制,采用脉冲宽度调制(PWM)的技术。该技术涉及快速斩波直流电源电压,改变高电平占一个周期的时间,使得命令电压由信号的平均值表示。因此,可以通过调制所提供脉冲的宽度来改变命令电压。

2、机构运动学和控制实验 —— PID控制,前向/逆向运动学,操纵器控制

PID控制实验可实现观测经典PID控制算法各个参数对动态响应性能的影响。实验中改变比例增益kp,导数增益kd,积分增益ki,可观察电压响应曲线的响应时间,超调量,稳态误差的特征,对应板卡上的连杆4出现按照给定命令的运动,并且呈现不同的摆动效果。前向/逆向运动学实现可以分别实现在上述5连杆机构中已知电机输出轴位置,即连杆1和连杆4求解出末端摄像头位置和已知摄像头所处位置,反求出两个电机输出轴应处位置的计算。为后续末端摄像头按照预定路径行走建立运动学基础。操纵器控制实验是基于前述三项的小综合实验,预设好末端摄像头点要移动的轨迹路线比如圆或者方形轨迹,反求出两个电机应该如何改变旋转位置来实现,并运用PID控制算法实现摄像头点在按照运动轨迹移动时的准确,稳定,不抖动。

3、图像处理知识相关实验 —— 阈值处理,斑点检测,模式匹配,复杂图像处理

图像阈值处理实验可以完成对摄像头采集的图像进行灰度化,然后再进行阈值划分,即进行二值化处理。将图像处理为按照不同阈值划分下仅剩黑、白两种颜色的图片;斑点检测是一种图像分割方法,斑点检测实验可以实现对采集图像提供各种粒子属性;模式匹配实验可以实现在具有错综复杂的细节或关键特征的图像中寻找单独的斑点检测无法唯一识别的对象,可以基于模板唯一地识别该差异,根据与与模板匹配的程度给出可信度分数,即用二值化处理后的已有图形模板如十字、圆、火焰等图标去与实时采集的图像做匹配验证;复杂图像处理实验可以实现更为多类型的图像处理方法施加于所采集的图像上,例如关心区域ROI、图像屏蔽、HSL阈值等同时使用,观察图像处理后的结果。

4、综合实验 —— 状态机,路径循迹

综合实验部分包括状态机和路径循迹2个实验。状态机实验可以实现摄像头轨迹在4个方向(东北,东南,西北,西南)上的运动状态切换,并一直执行下去。帮助学生理解状态机的概念,机器人系统特别关注的状态机是有限状态机(FSM),其可以处于许多但是有限稳定状态之一;路径循迹综合实验可以实现在板卡上布置一张自定义彩色地图,综合利用前三节实验的基础知识,融合图像处理,机构运动学和预备知识完成实时采集地图上的图像,然后进行自定义图像处理,提取出道路信息,然后设定目的地坐标,由机构运动学实验部分的前向和逆向运动学完成路径解算,再配合状态机设定多种机器状态如wait,stop,move等,最终达到沿着路径将摄像头移动到目的地坐标。

以下为部分实验的实验程序前面板展示:

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图4 PID控制实验程序前面板

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图5 图像阈值处理实验程序前面板

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图6 综合实验程序前面板

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