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编辑推荐

　　　　《清华开发者书库：Simulink与低成本硬件及机电一体化》旨在通过介绍一系列围绕一个数控平台设计的实验，指导已经或正在学习机电一体化和数字控制的读者在实际环境下应用所学理论，实现工程设计。本书配套的实验平台采用Simulink 与Arduino硬件支持软件包作为开发软件，是一个集设计、仿真、硬件实现和测试验证为一体的实验及创新环境。通过学习和使用本书，读者可以熟悉和理解“基于系统模型的工程设计”的思想、方法和工具。通过实际的建模实践，练习并掌握使用Simulink进行系统设计的流程和方法。本书涉及的主题：　　（1） Simulink与低成本硬件开发平台　　（2） 机电一体化实验　　（3） Simulink 和Arduino　　（4） 模拟输入 PWM 输出 正交编码器　　（5） 陀螺仪——读取数值与校准　　（6） 磁力计—— 指南针的设计　　（7） 串行通信　　（8） 蓝牙通信　　（9） 直流电机的阶梯响应　　（10） 直流电机的位置控制　　（11） 用于直流电机速度控制的PI控制器的设计　　（12） 用陀螺仪和带互补滤波器的加速度计估计角度
　　

内容简介

　　

　　《清华开发者书库：Simulink与低成本硬件及机电一体化》通过在数控平台上设计的一系列的Simulink 与Arduino实验，把机电一体化及数字控制的理论应用于真实环境下的系统设计、测试和验证。有助于更深入地理解工程理论，获得第一手与实际硬件打交道的经验。熟悉在机电一体化和数字控制系统中常用的传感器件和控制算法，如陀螺仪、加速度计、磁力计等，了解它们的工作原理、性能特点和使用注意事项； 学习和使用Arduino这一在机电一体化及数字控制领域中常用的低成本硬件平台，了解其特点和适用范围，为采用这一平台进行复杂的机电一体化及数字控制系统的设计打下坚实的基础。

　　 通过学习和使用本书，读者可以熟悉和理解“基于系统模型的工程设计”的思想、方法和工具； 通过实际的建模实践，练习并掌握使用Simulink进行系统设计的流程和方法。

　　

作者简介

　　丁亦农，拥有电气工程学士、硕士和博士学位，IEEE高级会员。在数字信号处理及数字通信领域拥有三十多年的教学、科研和产品开发经验。曾在多家世界500强公司（包括德州仪器（Texas Instruments）、三星移动 （Samsung Mobile））就职，从事信号处理及通信系统的研发和研发管理工作。 2007年加入美国迈斯沃克（MathWorks）公司，致力于MATLAB/Simulink这个动态系统设计及开发平台的推广与服务工作。

　　Joshua L. Hurst（乔舒亚·何斯特），于2002年、2003年和2008年从美国伦斯勒理工学院先后获得机械工程学士、硕士和博士学位。曾在位于宾夕法尼亚州的JBT公司从事自动导向车辆的导航和制导系统的研发；并在位于纽约的通用电气全球研发中心控制实验室任顾问，参与F136 联合攻击战斗机飞行控制系统的工作。2011年，加入美国伦斯勒理工学院的机械、航天和核工程系，担任教授。2013年起，研究开发用于机电一体化教学的低成本硬件设备和平台，教学兴趣主要集中在机电一体化、动态系统及其控制和优化等领域。

内页插图

目录

第1章Simulink与低成本硬件开发平台

1.1Arduino

1.2Raspberry Pi

1.3Simulink低成本硬件支持软件包

1.4关于Arduino支持软件包

第2章基于Arduino的机电一体化实验平台

2.1机电一体化平台的开发环境

2.2机电一体化平台的组成和组合形式

2.3机电一体化平台的硬件配置

2.3.1平台的主板

2.3.2直流电机

2.3.3其他可选器件

第3章点亮发光二极管

3.1实验目的

3.2实验平台设置

3.3Simulink/Arduino支持软件包和Arduino驱动器的安装

3.3.1Simulink/Arduino支持软件包的安装

3.3.2Arduino驱动器(Arduino Mega 2560 drivers)的安装和设置

3.4建立并在部署至硬件模式下运行Simulink模型

3.4.1建立Simulink模型的步骤

3.4.2在部署至硬件模式下运行Simulink模型

3.4.3纠错

3.5在外部模式下运行Simulink模型

3.5.1通过改变PWM参数改变发光二极管亮度

3.5.2外部运行模式的特点

3.5.3目标硬体的自由运行

3.5.4纠错

3.6在Windows 8系统上安装Arduino驱动器

第4章模拟传感器与电机编码器数据的读取

4.1实验平台(硬件)

4.2模拟信号的获取

4.2.1模数转换器的背景知识

4.2.2用模拟输入电压控制PWM

4.2.3观测和问题

4.3电机编码器数据的读取

4.3.1编码器的背景知识

4.3.2用编码器的输出控制PWM

4.3.3观测和问题

第5章通过I2C总线读取陀螺仪和加速(度)计的数据

5.1实验平台(硬件)

5.2陀螺仪信号数据的读取

5.2.1陀螺仪的背景知识

5.2.2从陀螺仪及加速度计读取数据

5.2.3观测和问题

5.3根据陀螺仪数据计算陀螺仪所处的实验平台的角度

5.3.1从陀螺仪获得角位置

5.3.2消除陀螺仪的误差

5.3.3问题和练习

第6章数字罗盘(指南针)的制作

6.1实验平台(硬件)设置

6.2磁力计信号数据的读取

6.2.1磁力计的背景知识

6.2.2从磁力计(HMC5883L)读取数据

6.3收集和分析磁力传感器数据

6.3.1实验步骤

6.3.2用MATLAB进行数据分析

6.4在Simulink里实现罗盘校准算法

6.4.1建立实现罗盘校准算法的Simulink模型

6.4.2观测与练习

第7章串行通信基础

7.1串行通信的背景知识

7.2实验平台(硬件)的设置

7.3从实验平台(Arduino)向计算机发送单字节数据

7.4在Arduino集成开发环境(IDE)下实现数据发送

7.5发送和接收含有多个字节的串行数据

7.5.1发送和接收单通道含有双字节的串行数据

7.5.2发送和接收双通道含有4个字节的串行数据

7.6用使用并集的S�睩unction发送16比特的整数和单精度浮点数

7.6.1用Simulink发送，MATLAB程序读取16比特的整数

7.6.2用实验平台(Arduino)发送，MATLAB程序读取单精度的浮点数

7.7用MATLAB读取串行数据

第8章蓝牙通信

8.1实验平台(硬件)的设置

8.2蓝牙模块的安装及设置

8.2.1蓝牙通信的背景知识

8.2.2蓝牙模块的安装

8.2.3蓝牙设备及其设置

8.3通过回路试验测试蓝牙通信

8.3.1RealTerm的设置

8.3.2蓝牙通信的回路测试

8.4接收蓝牙模块发送的数据

8.4.1建立向计算机发送数据的Simulink模型

8.4.2在部署至硬件模式下运行Simulink模型

第9章直流电机的阶梯响应

9.1实验平台

9.2背景知识

9.3电机的阶梯响应

9.3.1建立Simulink模型

9.3.2通过Simulink的外部模式获得电机的阶梯响应

9.4通过串行口(串行通信)获得电机速度的阶梯响应

9.4.1Simulink模型及其设置

9.4.2在外部模式和“部署至硬件”模式下获取电机响应

9.5控制电机的方向和速度

9.5.1Simulink模型及其设置

9.5.2电机的受控响应

9.6直流电机阶梯响应的仿真

9.6.1一阶及二阶直流电机模型的阶梯响应

9.6.2Simulink模型及其设置

9.6.3电机仿真模型的运行

9.6.4仿真结果及结果观察

9.6.5考虑数字化和延迟效应时使用一阶系统的电机仿真

第10章直流电机控制的基本知识和途径

10.1实验平台(硬件)

10.2电机位置的开环控制

10.2.1Simulink模型

10.2.2获取数据

10.2.3整理数据

10.2.4用所得数据进行电机位置控制

10.2.5结果讨论

10.3电机位置的闭环反馈控制

10.3.1比例控制器(proportional controller)

10.3.2比例加积分控制器(proportional plus integral controller)

10.4电机速度的开环控制

10.5电机速度的闭环反馈控制

第11章实际应用环境下直流电机的仿真及速度控制

11.1实验平台(硬件)

11.2理想的二阶直流电机模型的阶梯响应

11.3用理想电机模型进行速度控制的仿真

11.4饱和效应

11.5控制的离散时间效应

11.6控制的离散测量效应

11.7控制的仿真结果与实际效果的比较

第12章根据加速度计和陀螺仪确定(实验平台)角度

12.1实验平台(硬件)及背景知识

12.2从陀螺仪读数计算角位置

12.3从加速度计读数计算角位置

12.4采用互补滤波器

12.5根据陀螺仪和加速度计的输出控制电机的(角)位置

附录ASimulink/Arduino硬件支持软件包的获取和安装

A.1什么是Simulink/Arduino硬件支持软件包

A.2Simulink/Arduino硬件支持软件包的安装方法

A.2.1准备工作

A.2.2Arduino硬件Simulink支持软件包的在线安装

A.2.3Arduino硬件Simulink支持软件包的离线安装

精彩书摘

　　第3章点亮发光二极管　　本章讨论的实验是所有后续实验的基础，涉及许多重要概念，例如： 什么是运行Simulink的外部模式； 什么是部署至硬件模式； 以及如何设置Simulink模型的运行参数，使其在这些模式下运行。　　3.1实验目的　　这个实验要达到以下目的。　　（1） 安装Arduino硬件Simulink支持软件包（Simulink Support Package for Arduino Hardware）。　　（2） 通过一个数字输出点亮发光二极管来确认安装的正确性。　　（3） 采用外部模式与目标硬体（Arduino）进行通信，并通过使用脉冲宽度调制（PWM）改变发光二极管的亮度。　　3.2实验平台设置　　本实验采用的平台组合方式由图3��1给出。　　图3��1实验的平台组合形式（平台设置）　　3.3Simulink/Arduino支持软件包和Arduino驱动器的安装　　这一节介绍如何安装Simulink/Arduino支持软件包（Simulink Support Package for Arduino Hardware）以及Arduino驱动器，并通过一个数字输出点亮发光二极管来确认安装的正确性。　　3.3.1Simulink/Arduino支持软件包的安装　　读者可以参考“附录A： Simulink/Arduino支持软件包的获取和安装”，详细了解这一软件包的内容以及安装的具体步骤。　　3.3.2Arduino驱动器（Arduino Mega 2560 drivers）的安装和设置　　（1） 用一根USB缆线把计算机与机电一体化及数控实验平台的电路板相连，计算机会自动地试图寻找和安装所需要的驱动软件。　　如果计算机没有自动找到合适的驱动软件，则需要执行如下操作：　　① 打开计算机的Device Manager，如图3��2所示。Arduino Mega板应该在Ports （COM & LPT）下； 如果没有，则可能会在Other Devices下显示成Unidentified Device。　　② 如果看到一个Unidentified Device，把Arduino Mega板从计算机断开以确认这个Unidentified Device就是Arduino Mega板，确认后再把Arduino Mega板与计算机相连。　　③ 将鼠标移到Arduino Mega 2560或Unidentified Device上，右击并选择Update Device Software …。　　④ 选择Browse my computer for driver software。　　⑤ 如果使用的MATLAB版本是2013a，则可将地点设为C：＼MATLABROOT＼SupportPackages＼R2013a＼arduino��1.0＼drivers； 这里C：＼MATLABROOT是MATLAB的安装根目录，如C：＼MATLAB。　　⑥ 接下来会收到一个提示： Windows cannot verify the publisher of the driver，选择Install this driver software anyway。　　⑦ Windows （视窗操作系统）就会从这个目录下安装Arduino Mega板所需要的驱动软件，安装完毕后会看到一个提示信息。　　如果计算机的操作系统是Windows 8，安装驱动器软件过程中会遇到问题，这是因为驱动软件一般不具有数字签名。请参阅http：//mytechblog.com/tutorials/arduino/installarduino�瞕rivers�瞣n�瞱indows��8/，或者按照3.5节“在Windows 8上安装Arduino驱动器”中给出的步骤进行安装。　　（2） 确认Arduino Mega板相对应的通信口（COM PORT）的（序）号。　　打开计算机的Device Manager，Arduino Mega板应该出现在Ports （COM & LPT）下，COM后紧跟的数字就是该板的通信口号，如图3��2所示。　　图3��2Windows 7操作系统下的Device Manager列表　　3.4建立并在部署至硬件模式下运行Simulink模型　　为了验证计算机（Simulink）与Arduino Mega板（实验平台）能否进行可靠的通信，可以建立并在部署至硬件模式下运行如图3��3所示的Simulink模型。　　图3��3用于验证计算机与平台通信的Simulink模型　　……

前言/序言

　　前言　　曾在报纸上看一则消息，谈到中国至今不能生产某些高级模具钢，例如圆珠笔的“圆珠”都需要进口。当然，圆珠需要进口，问题不完全是因为不能生产制造圆珠所需要的钢材。圆珠笔头开口直径不到0.1mm，例如常见的0.07mm和0.05mm，但要承受各种书写姿势带来的压力和摩擦，还要和圆珠完全贴合，既要书写流畅，又不能漏油。因此，其硬度、开口大小、墨水槽位置必须搭配得天衣无缝。这些涉及模具制造、生产工艺和设备、制造过程中的精密控制等多方面的复杂技术。圆珠需要进口是我国的制造业总体水平与发达国家相比还存在较大差距的一个例子。为什么会出现这种现状呢？一个重要的原因是我们的高级专业技术人才紧缺，这与我们的教育水平、培养人才的质量关系密切。不可否认，中国的教育处在不断改善和发展的过程中，但是在理论联系实际方面仍然做得不够。职业教育水平不够高，学生难以在真环境下学习真本领。由于工作的关系，我有机会访问很多中国的高等工科院校，参观他们的实验室，向老师们了解实验教学的内容和方法。可以说，目前国内高等工科院校，即使是一流的工科院校的大部分的实验教学内容、教学方法、实验的性质和三十多年前我和我的同龄人上大学时的情况没有根本性的变化。同样是由于工作的关系，我经常走访全球性的、引领世界科技和工业进步的企业和大型跨国公司，如波音、苹果、谷歌、通用汽车、华为和三星电子等，亲眼所见和切身体会到过去的30年里，从产品的设想、构思，到系统的设计、调试和验证，所采用的方法、流程以及工具都发生了巨大的变化。在校所学与职场所用之间的沟壑一方面使得刚刚毕业的大学生、研究生无法很快地把所学的理论知识应用到工作实践中去，另一方面使得用人单位、公司与企业不得不花费大量的时间和精力对刚走上工作岗位的毕业生进行长时间的培训。显然，努力缩小学与用之间的差距是提高教育质量，改善我国专业技术人才严重紧缺状况的关键途径之一。希望这本书的出版能够为改善这种状况贡献绵薄之力。　　本书是一本关于机电一体化及数字控制的案例实验指导书。学习和使用这本书可以达到以下几个目的。　　（1） 熟悉和理解“基于系统模型的工程设计”的思想、方法和工具。通过实际的建模实践，练习并掌握使用Simulink进行系统设计的流程和方法。　　（2） 把机电一体化及数字控制的理论用于真实环境下的系统设计、测试和验证，更深入地理解工程理论，获得第一手与实际硬件打交道的经验。　　（3） 熟悉在机电一体化和数字控制系统中常用的传感器件和控制算法，了解它们的工作原理、性能特点和使用注意事项。　　（4） 学习和使用Arduino（爱绝诺）这一在机电一体化及数字控制领域中最常用的低成本硬件平台，了解其特点和适用范围，为采用这一平台进行复杂的机电一体化及数字控制系统的设计打下坚实的基础。　　全书共由12章组成。第1章介绍低成本硬件的出现和发展过程，以及美国迈斯沃克（MathWorks）公司为低成本硬件平台提供的硬件支持软件包； 第2章介绍本书讨论的所有实验所采用的机电一体化及数控平台； 从第3章至第12章，每一章介绍一个实验，清晰地说明进行实验的步骤和方法。通过阐明实验目的，提供参考用Simulink模型以及实验的示范结果，使读者能够自主独立地领会实验意图并完成实验。这些实验包括：　　（1） 点亮发光二极管。　　（2） 模数传感器与电机编码器数据的读取。　　（3） 通过I2C总线读取陀螺仪和加速度计的数据。　　（4） 数字罗盘（指南针）的制作。　　（5） 串行通信基础。　　（6） 蓝牙通信。　　（7） 直流电机的阶梯响应。　　（8） 直流电机控制的基本知识和途径。　　（9） 实际应用环境下直流电机的仿真及速度控制。　　（10） 根据加速度计和陀螺仪确定（实验平台）角度。　　本书提供的所有实验均采用以Arduino为基础的机电一体化与数控平台。该平台是对Arduino平台的补充与扩展，增加了与实现机电一体化、数字控制、及机器人有关的器件和芯片，如陀螺仪、磁力计、加速度计等。通过这些实验，读者可以对该平台有一个比较透彻的了解，熟悉从平台上的各种传感器读取数据的方法，以及如何利用这些传感数据进行系统设计和控制。在这些实验基础上，读者可以充分地发挥自己的想象力，在平台上设计各种其他实验； 或者利用该平台构造出各种机电一体化及数控设备； 读者还可以以这个平台为蓝本，改变平台的结构，增加更多的机电一体化元器件，如光电传感器、电机、车轮等，从而制造出更加复杂、更加有趣、更加实用的机电一体化及数控产品。　　除了书中第2章对实验平台的介绍外，读者还可以直接访问南京真大师实验室的网站（www.zdslabs.com）了解更多有关该平台的信息。值得注意的是，这个网站提供了一个用该实验平台在站立式的组合形式下，利用Simulink设计和模拟，通过Simulink Hardware Support Package for Arduino自动生成执行代码并下载而制作成的平衡车的例子。读者可以发现，这个平衡车与学习和研究自动控制理论时使用的最经典的倒立摆在工作原理、控制算法等方面是完全一样的。　　说明

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书胶开了

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