清華開發者書庫：Simulink與低成本硬件及機電一體化 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

　　　　《清華開發者書庫：Simulink與低成本硬件及機電一體化》旨在通過介紹一係列圍繞一個數控平颱設計的實驗，指導已經或正在學習機電一體化和數字控製的讀者在實際環境下應用所學理論，實現工程設計。本書配套的實驗平颱采用Simulink 與Arduino硬件支持軟件包作為開發軟件，是一個集設計、仿真、硬件實現和測試驗證為一體的實驗及創新環境。通過學習和使用本書，讀者可以熟悉和理解“基於係統模型的工程設計”的思想、方法和工具。通過實際的建模實踐，練習並掌握使用Simulink進行係統設計的流程和方法。本書涉及的主題：　　（1） Simulink與低成本硬件開發平颱　　（2） 機電一體化實驗　　（3） Simulink 和Arduino　　（4） 模擬輸入 PWM 輸齣 正交編碼器　　（5） 陀螺儀——讀取數值與校準　　（6） 磁力計—— 指南針的設計　　（7） 串行通信　　（8） 藍牙通信　　（9） 直流電機的階梯響應　　（10） 直流電機的位置控製　　（11） 用於直流電機速度控製的PI控製器的設計　　（12） 用陀螺儀和帶互補濾波器的加速度計估計角度
　　

內容簡介

　　

　　《清華開發者書庫：Simulink與低成本硬件及機電一體化》通過在數控平颱上設計的一係列的Simulink 與Arduino實驗，把機電一體化及數字控製的理論應用於真實環境下的係統設計、測試和驗證。有助於更深入地理解工程理論，獲得第一手與實際硬件打交道的經驗。熟悉在機電一體化和數字控製係統中常用的傳感器件和控製算法，如陀螺儀、加速度計、磁力計等，瞭解它們的工作原理、性能特點和使用注意事項； 學習和使用Arduino這一在機電一體化及數字控製領域中常用的低成本硬件平颱，瞭解其特點和適用範圍，為采用這一平颱進行復雜的機電一體化及數字控製係統的設計打下堅實的基礎。

　　 通過學習和使用本書，讀者可以熟悉和理解“基於係統模型的工程設計”的思想、方法和工具； 通過實際的建模實踐，練習並掌握使用Simulink進行係統設計的流程和方法。

　　

作者簡介

　　丁亦農，擁有電氣工程學士、碩士和博士學位，IEEE高級會員。在數字信號處理及數字通信領域擁有三十多年的教學、科研和産品開發經驗。曾在多傢世界500強公司（包括德州儀器（Texas Instruments）、三星移動 （Samsung Mobile））就職，從事信號處理及通信係統的研發和研發管理工作。 2007年加入美國邁斯沃剋（MathWorks）公司，緻力於MATLAB/Simulink這個動態係統設計及開發平颱的推廣與服務工作。

　　Joshua L. Hurst（喬舒亞·何斯特），於2002年、2003年和2008年從美國倫斯勒理工學院先後獲得機械工程學士、碩士和博士學位。曾在位於賓夕法尼亞州的JBT公司從事自動導嚮車輛的導航和製導係統的研發；並在位於紐約的通用電氣全球研發中心控製實驗室任顧問，參與F136 聯閤攻擊戰鬥機飛行控製係統的工作。2011年，加入美國倫斯勒理工學院的機械、航天和核工程係，擔任教授。2013年起，研究開發用於機電一體化教學的低成本硬件設備和平颱，教學興趣主要集中在機電一體化、動態係統及其控製和優化等領域。

內頁插圖

目錄

第1章Simulink與低成本硬件開發平颱

1.1Arduino

1.2Raspberry Pi

1.3Simulink低成本硬件支持軟件包

1.4關於Arduino支持軟件包

第2章基於Arduino的機電一體化實驗平颱

2.1機電一體化平颱的開發環境

2.2機電一體化平颱的組成和組閤形式

2.3機電一體化平颱的硬件配置

2.3.1平颱的主闆

2.3.2直流電機

2.3.3其他可選器件

第3章點亮發光二極管

3.1實驗目的

3.2實驗平颱設置

3.3Simulink/Arduino支持軟件包和Arduino驅動器的安裝

3.3.1Simulink/Arduino支持軟件包的安裝

3.3.2Arduino驅動器(Arduino Mega 2560 drivers)的安裝和設置

3.4建立並在部署至硬件模式下運行Simulink模型

3.4.1建立Simulink模型的步驟

3.4.2在部署至硬件模式下運行Simulink模型

3.4.3糾錯

3.5在外部模式下運行Simulink模型

3.5.1通過改變PWM參數改變發光二極管亮度

3.5.2外部運行模式的特點

3.5.3目標硬體的自由運行

3.5.4糾錯

3.6在Windows 8係統上安裝Arduino驅動器

第4章模擬傳感器與電機編碼器數據的讀取

4.1實驗平颱(硬件)

4.2模擬信號的獲取

4.2.1模數轉換器的背景知識

4.2.2用模擬輸入電壓控製PWM

4.2.3觀測和問題

4.3電機編碼器數據的讀取

4.3.1編碼器的背景知識

4.3.2用編碼器的輸齣控製PWM

4.3.3觀測和問題

第5章通過I2C總綫讀取陀螺儀和加速(度)計的數據

5.1實驗平颱(硬件)

5.2陀螺儀信號數據的讀取

5.2.1陀螺儀的背景知識

5.2.2從陀螺儀及加速度計讀取數據

5.2.3觀測和問題

5.3根據陀螺儀數據計算陀螺儀所處的實驗平颱的角度

5.3.1從陀螺儀獲得角位置

5.3.2消除陀螺儀的誤差

5.3.3問題和練習

第6章數字羅盤(指南針)的製作

6.1實驗平颱(硬件)設置

6.2磁力計信號數據的讀取

6.2.1磁力計的背景知識

6.2.2從磁力計(HMC5883L)讀取數據

6.3收集和分析磁力傳感器數據

6.3.1實驗步驟

6.3.2用MATLAB進行數據分析

6.4在Simulink裏實現羅盤校準算法

6.4.1建立實現羅盤校準算法的Simulink模型

6.4.2觀測與練習

第7章串行通信基礎

7.1串行通信的背景知識

7.2實驗平颱(硬件)的設置

7.3從實驗平颱(Arduino)嚮計算機發送單字節數據

7.4在Arduino集成開發環境(IDE)下實現數據發送

7.5發送和接收含有多個字節的串行數據

7.5.1發送和接收單通道含有雙字節的串行數據

7.5.2發送和接收雙通道含有4個字節的串行數據

7.6用使用並集的S�睩unction發送16比特的整數和單精度浮點數

7.6.1用Simulink發送，MATLAB程序讀取16比特的整數

7.6.2用實驗平颱(Arduino)發送，MATLAB程序讀取單精度的浮點數

7.7用MATLAB讀取串行數據

第8章藍牙通信

8.1實驗平颱(硬件)的設置

8.2藍牙模塊的安裝及設置

8.2.1藍牙通信的背景知識

8.2.2藍牙模塊的安裝

8.2.3藍牙設備及其設置

8.3通過迴路試驗測試藍牙通信

8.3.1RealTerm的設置

8.3.2藍牙通信的迴路測試

8.4接收藍牙模塊發送的數據

8.4.1建立嚮計算機發送數據的Simulink模型

8.4.2在部署至硬件模式下運行Simulink模型

第9章直流電機的階梯響應

9.1實驗平颱

9.2背景知識

9.3電機的階梯響應

9.3.1建立Simulink模型

9.3.2通過Simulink的外部模式獲得電機的階梯響應

9.4通過串行口(串行通信)獲得電機速度的階梯響應

9.4.1Simulink模型及其設置

9.4.2在外部模式和“部署至硬件”模式下獲取電機響應

9.5控製電機的方嚮和速度

9.5.1Simulink模型及其設置

9.5.2電機的受控響應

9.6直流電機階梯響應的仿真

9.6.1一階及二階直流電機模型的階梯響應

9.6.2Simulink模型及其設置

9.6.3電機仿真模型的運行

9.6.4仿真結果及結果觀察

9.6.5考慮數字化和延遲效應時使用一階係統的電機仿真

第10章直流電機控製的基本知識和途徑

10.1實驗平颱(硬件)

10.2電機位置的開環控製

10.2.1Simulink模型

10.2.2獲取數據

10.2.3整理數據

10.2.4用所得數據進行電機位置控製

10.2.5結果討論

10.3電機位置的閉環反饋控製

10.3.1比例控製器(proportional controller)

10.3.2比例加積分控製器(proportional plus integral controller)

10.4電機速度的開環控製

10.5電機速度的閉環反饋控製

第11章實際應用環境下直流電機的仿真及速度控製

11.1實驗平颱(硬件)

11.2理想的二階直流電機模型的階梯響應

11.3用理想電機模型進行速度控製的仿真

11.4飽和效應

11.5控製的離散時間效應

11.6控製的離散測量效應

11.7控製的仿真結果與實際效果的比較

第12章根據加速度計和陀螺儀確定(實驗平颱)角度

12.1實驗平颱(硬件)及背景知識

12.2從陀螺儀讀數計算角位置

12.3從加速度計讀數計算角位置

12.4采用互補濾波器

12.5根據陀螺儀和加速度計的輸齣控製電機的(角)位置

附錄ASimulink/Arduino硬件支持軟件包的獲取和安裝

A.1什麼是Simulink/Arduino硬件支持軟件包

A.2Simulink/Arduino硬件支持軟件包的安裝方法

A.2.1準備工作

A.2.2Arduino硬件Simulink支持軟件包的在綫安裝

A.2.3Arduino硬件Simulink支持軟件包的離綫安裝

精彩書摘

　　第3章點亮發光二極管　　本章討論的實驗是所有後續實驗的基礎，涉及許多重要概念，例如： 什麼是運行Simulink的外部模式； 什麼是部署至硬件模式； 以及如何設置Simulink模型的運行參數，使其在這些模式下運行。　　3.1實驗目的　　這個實驗要達到以下目的。　　（1） 安裝Arduino硬件Simulink支持軟件包（Simulink Support Package for Arduino Hardware）。　　（2） 通過一個數字輸齣點亮發光二極管來確認安裝的正確性。　　（3） 采用外部模式與目標硬體（Arduino）進行通信，並通過使用脈衝寬度調製（PWM）改變發光二極管的亮度。　　3.2實驗平颱設置　　本實驗采用的平颱組閤方式由圖3��1給齣。　　圖3��1實驗的平颱組閤形式（平颱設置）　　3.3Simulink/Arduino支持軟件包和Arduino驅動器的安裝　　這一節介紹如何安裝Simulink/Arduino支持軟件包（Simulink Support Package for Arduino Hardware）以及Arduino驅動器，並通過一個數字輸齣點亮發光二極管來確認安裝的正確性。　　3.3.1Simulink/Arduino支持軟件包的安裝　　讀者可以參考“附錄A： Simulink/Arduino支持軟件包的獲取和安裝”，詳細瞭解這一軟件包的內容以及安裝的具體步驟。　　3.3.2Arduino驅動器（Arduino Mega 2560 drivers）的安裝和設置　　（1） 用一根USB纜綫把計算機與機電一體化及數控實驗平颱的電路闆相連，計算機會自動地試圖尋找和安裝所需要的驅動軟件。　　如果計算機沒有自動找到閤適的驅動軟件，則需要執行如下操作：　　① 打開計算機的Device Manager，如圖3��2所示。Arduino Mega闆應該在Ports （COM & LPT）下； 如果沒有，則可能會在Other Devices下顯示成Unidentified Device。　　② 如果看到一個Unidentified Device，把Arduino Mega闆從計算機斷開以確認這個Unidentified Device就是Arduino Mega闆，確認後再把Arduino Mega闆與計算機相連。　　③ 將鼠標移到Arduino Mega 2560或Unidentified Device上，右擊並選擇Update Device Software …。　　④ 選擇Browse my computer for driver software。　　⑤ 如果使用的MATLAB版本是2013a，則可將地點設為C：＼MATLABROOT＼SupportPackages＼R2013a＼arduino��1.0＼drivers； 這裏C：＼MATLABROOT是MATLAB的安裝根目錄，如C：＼MATLAB。　　⑥ 接下來會收到一個提示： Windows cannot verify the publisher of the driver，選擇Install this driver software anyway。　　⑦ Windows （視窗操作係統）就會從這個目錄下安裝Arduino Mega闆所需要的驅動軟件，安裝完畢後會看到一個提示信息。　　如果計算機的操作係統是Windows 8，安裝驅動器軟件過程中會遇到問題，這是因為驅動軟件一般不具有數字簽名。請參閱http：//mytechblog.com/tutorials/arduino/installarduino�瞕rivers�瞣n�瞱indows��8/，或者按照3.5節“在Windows 8上安裝Arduino驅動器”中給齣的步驟進行安裝。　　（2） 確認Arduino Mega闆相對應的通信口（COM PORT）的（序）號。　　打開計算機的Device Manager，Arduino Mega闆應該齣現在Ports （COM & LPT）下，COM後緊跟的數字就是該闆的通信口號，如圖3��2所示。　　圖3��2Windows 7操作係統下的Device Manager列錶　　3.4建立並在部署至硬件模式下運行Simulink模型　　為瞭驗證計算機（Simulink）與Arduino Mega闆（實驗平颱）能否進行可靠的通信，可以建立並在部署至硬件模式下運行如圖3��3所示的Simulink模型。　　圖3��3用於驗證計算機與平颱通信的Simulink模型　　……

前言/序言

　　前言　　曾在報紙上看一則消息，談到中國至今不能生産某些高級模具鋼，例如圓珠筆的“圓珠”都需要進口。當然，圓珠需要進口，問題不完全是因為不能生産製造圓珠所需要的鋼材。圓珠筆頭開口直徑不到0.1mm，例如常見的0.07mm和0.05mm，但要承受各種書寫姿勢帶來的壓力和摩擦，還要和圓珠完全貼閤，既要書寫流暢，又不能漏油。因此，其硬度、開口大小、墨水槽位置必須搭配得天衣無縫。這些涉及模具製造、生産工藝和設備、製造過程中的精密控製等多方麵的復雜技術。圓珠需要進口是我國的製造業總體水平與發達國傢相比還存在較大差距的一個例子。為什麼會齣現這種現狀呢？一個重要的原因是我們的高級專業技術人纔緊缺，這與我們的教育水平、培養人纔的質量關係密切。不可否認，中國的教育處在不斷改善和發展的過程中，但是在理論聯係實際方麵仍然做得不夠。職業教育水平不夠高，學生難以在真環境下學習真本領。由於工作的關係，我有機會訪問很多中國的高等工科院校，參觀他們的實驗室，嚮老師們瞭解實驗教學的內容和方法。可以說，目前國內高等工科院校，即使是一流的工科院校的大部分的實驗教學內容、教學方法、實驗的性質和三十多年前我和我的同齡人上大學時的情況沒有根本性的變化。同樣是由於工作的關係，我經常走訪全球性的、引領世界科技和工業進步的企業和大型跨國公司，如波音、蘋果、榖歌、通用汽車、華為和三星電子等，親眼所見和切身體會到過去的30年裏，從産品的設想、構思，到係統的設計、調試和驗證，所采用的方法、流程以及工具都發生瞭巨大的變化。在校所學與職場所用之間的溝壑一方麵使得剛剛畢業的大學生、研究生無法很快地把所學的理論知識應用到工作實踐中去，另一方麵使得用人單位、公司與企業不得不花費大量的時間和精力對剛走上工作崗位的畢業生進行長時間的培訓。顯然，努力縮小學與用之間的差距是提高教育質量，改善我國專業技術人纔嚴重緊缺狀況的關鍵途徑之一。希望這本書的齣版能夠為改善這種狀況貢獻綿薄之力。　　本書是一本關於機電一體化及數字控製的案例實驗指導書。學習和使用這本書可以達到以下幾個目的。　　（1） 熟悉和理解“基於係統模型的工程設計”的思想、方法和工具。通過實際的建模實踐，練習並掌握使用Simulink進行係統設計的流程和方法。　　（2） 把機電一體化及數字控製的理論用於真實環境下的係統設計、測試和驗證，更深入地理解工程理論，獲得第一手與實際硬件打交道的經驗。　　（3） 熟悉在機電一體化和數字控製係統中常用的傳感器件和控製算法，瞭解它們的工作原理、性能特點和使用注意事項。　　（4） 學習和使用Arduino（愛絕諾）這一在機電一體化及數字控製領域中最常用的低成本硬件平颱，瞭解其特點和適用範圍，為采用這一平颱進行復雜的機電一體化及數字控製係統的設計打下堅實的基礎。　　全書共由12章組成。第1章介紹低成本硬件的齣現和發展過程，以及美國邁斯沃剋（MathWorks）公司為低成本硬件平颱提供的硬件支持軟件包； 第2章介紹本書討論的所有實驗所采用的機電一體化及數控平颱； 從第3章至第12章，每一章介紹一個實驗，清晰地說明進行實驗的步驟和方法。通過闡明實驗目的，提供參考用Simulink模型以及實驗的示範結果，使讀者能夠自主獨立地領會實驗意圖並完成實驗。這些實驗包括：　　（1） 點亮發光二極管。　　（2） 模數傳感器與電機編碼器數據的讀取。　　（3） 通過I2C總綫讀取陀螺儀和加速度計的數據。　　（4） 數字羅盤（指南針）的製作。　　（5） 串行通信基礎。　　（6） 藍牙通信。　　（7） 直流電機的階梯響應。　　（8） 直流電機控製的基本知識和途徑。　　（9） 實際應用環境下直流電機的仿真及速度控製。　　（10） 根據加速度計和陀螺儀確定（實驗平颱）角度。　　本書提供的所有實驗均采用以Arduino為基礎的機電一體化與數控平颱。該平颱是對Arduino平颱的補充與擴展，增加瞭與實現機電一體化、數字控製、及機器人有關的器件和芯片，如陀螺儀、磁力計、加速度計等。通過這些實驗，讀者可以對該平颱有一個比較透徹的瞭解，熟悉從平颱上的各種傳感器讀取數據的方法，以及如何利用這些傳感數據進行係統設計和控製。在這些實驗基礎上，讀者可以充分地發揮自己的想象力，在平颱上設計各種其他實驗； 或者利用該平颱構造齣各種機電一體化及數控設備； 讀者還可以以這個平颱為藍本，改變平颱的結構，增加更多的機電一體化元器件，如光電傳感器、電機、車輪等，從而製造齣更加復雜、更加有趣、更加實用的機電一體化及數控産品。　　除瞭書中第2章對實驗平颱的介紹外，讀者還可以直接訪問南京真大師實驗室的網站（www.zdslabs.com）瞭解更多有關該平颱的信息。值得注意的是，這個網站提供瞭一個用該實驗平颱在站立式的組閤形式下，利用Simulink設計和模擬，通過Simulink Hardware Support Package for Arduino自動生成執行代碼並下載而製作成的平衡車的例子。讀者可以發現，這個平衡車與學習和研究自動控製理論時使用的最經典的倒立擺在工作原理、控製算法等方麵是完全一樣的。　　說明

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非速度快，書質量很好。自營還是有優勢！

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買瞭很多書，又可以繼續戰鬥瞭，書的質量很好！

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書寫的很好，很有參考價值，值得購買。

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沒多大用處不大啊！買的時候考慮一下

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商品質量好，配送服務也很好。

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