华中科技大学控制系统综合设计与实验.pdf-资料库

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2018 控制工程专业学位研究生实验课程 -控制系统综合设计与实验实验报告姓名：涂浩袁隽殊李艳学号： M201872503 M201872501 M201872517 年级： 18 任课教师：郑定富时间： 2019.1.15

目录 1 实验目的与内容 ........................................................................................................................... 3 1.1 实验目的............................................................................................................................. 3 1.2 Dobot Magician 写毛笔字 .................................................................................................. 3 1.3 Dobot Magician 搬运积木 .................................................................................................. 4 2 实验过程与原理 ........................................................................................................................... 5 1.4 ROS 机器人综合实验 ......................................................................................................... 5 2.1 写毛笔字的实验原理和过程 ............................................................................................ 5 2.2 搬运积木的实验原理与过程 ............................................................................................ 8 2.3 ROS 机器人综合实验 ....................................................................................................... 11 2.3.1 Ubuntu 系统和 ROS 开发环境环境安装 .............................................................. 11 2.3.2 让小乌龟动起来：画圆和矩形 ........................................................................... 19 2.3.3 SLAM 建图和 Navigation 导航 .............................................................................. 23 2.3.4 基于 kinect2 的人脸检测、桌面物体检测和物体跟踪 ..................................... 28 2.3.5 语音指令、识别关键字和语音播报 ................................................................... 36 3 实验结果与分析 ......................................................................................................................... 38 3.1 DOBOT 实验结果............................................................................................................... 38 3.2 ROS 移动机器人综合实验结果与分析 ........................................................................... 38 4 总结与展望................................................................................................................................. 39 5 文献综述..................................................................................................................................... 40 6 课程体会..................................................................................................................................... 41 7 课程建议..................................................................................................................................... 42 8 成绩及教师评语 ......................................................................................................................... 43 9 附录 ............................................................................................................................................ 44 ~ 2 ~

1 实验目的与内容 1.1 实验目的实验目的： •以控制工程相关专业的典型系统和设备为对象 • 旨在让学生了解和掌握智能机器人、运动控制、机器视觉系统的特点、系统结构与内容、处理方法和手段、系统原理及高新技术的应用 • 使学生能够掌握相关技术并能独立进行开发和研究工作。 • 通过实验掌握相关实验系统及研究领域的主要原理和系统结构 • 并深刻理解相关基本概念 • 理解理论知识与实际系统之间的依存互动关系 • 培养专业研究生综合素质 • 在今后工作中，具有独立设计、实现完整中、小规模专业任务的能力 • 能适应机器人、工业生产、机器视觉、航空航天等众多行业领域的应用需求。 1.2 Dobot Magician 写毛笔字在开始进行 Dobot Magician 写毛笔字和搬运积木两个实验之前，需要安装 DobotStudio 控制软件，并按照指导书将计算机与 Dobot 机械臂相连，保证控制软件可以对机械臂进行控制。 Dobot 魔术师写毛笔字的实验任务是利用 Dobot 机械臂和滑轨完成毛笔字的自动书写，书写内容是“控制综合实验”加组员姓名，且在机械臂写毛笔字的过程中，需包含必要的蘸墨动作，以保证毛笔字体的清晰度。控制机器人自动完成毛笔字的书写动作。下面对此实验内容进行简要概述：在滑轨和 DobotStudio 控制软件安装成功之后，接下来进行写毛笔字的实验。首先利用 CorelDRAW X7 软件，对“控制综合实验涂浩袁隽殊李艳” ~ 3 ~

内容进行临摹，分别保存为 cdr 格式和 PLT 格式。其中 cdr 格式文件可以直接对内容进行修改，减少检修时间；而 PLT 文档的作用是可以导入 DobotStudio，让 Dobot 机械臂按照文档内容写出对应的毛笔字。接下来进入 DobotStudio 控制软件界面，将软件和滑轨连接起来之后，进入“写字&画画”界面，导入制作好的 PLT 文档，需要注意的是，导入的 PLT 文档内容需在界面内上下两条线之间，即当字体由红色变为蓝色后（两条线之间表示机械臂可达的空间）。设置毛笔写字高度和蘸墨触发线。然后进入“试教&再现”界面，控制机械臂存入相应的点位来设置毛笔蘸墨动作。最后进入“写字&画画”界面，使机械臂从写字的起点开始写字。以上实验内容的原理和过程将在实验报告第二章中详细描述。 1.3 Dobot Magician 搬运积木 Dobot 魔术师搬运积木的实验任务是利用 Dobot 机械臂和传送带完成对积木的搬运和复原，实验所用到的积木模型是用 9 块大小相同的正方体积木摆成 3*3 形状的积木堆，首先机械臂需要从积木堆中将积木分块搬运到传送带上，为了防止积木在传送带上发生碰撞，传送带需要及时将搬运来的积木移开以腾出空余位置，相当于给下一个搬运来的积木腾出摆放位置。将积木全部搬运至传送带之后，再把传送带上的积木搬回原来的位置，并复原为 3*3 的形状。搬运和复原操作过程中必须保证积木之间不发生碰撞等危险行为。下面对此实验内容进行简要概述。在传送带和 DobotStudio 控制软件安装成功之后，进入 DobotStudio 控制软件界面，将传送带按钮点亮，表示开启了传送带的功能，利用控制面板自动读取坐标的功能测量要搬运的第一个积木和第二个积木的位置坐标，计算出小立方体的棱长，并且计算出搬运过程中机械臂需要上下左右移动的距离。接下来进入“Blockly”界面，编写机械臂搬运积木的程序，最后开始搬运积木即可。以上实验内容的原理和过程将在实验报告第二章中详细描述。 ~ 4 ~

1.4 ROS 机器人综合实验实验任务：（1） ubuntu 系统和 ROS 开发环境安装（2）编写小乌龟控制程序（3）手柄操控（4）编写运动控制 Node （5）激光雷达（6） SLAM 建图（7） Navigation 导航（8）人脸检测（9）桌面物体检测（10）物体跟踪（11）语音指令（12）语音播报（13）定制语音识别关键词 2 实验过程与原理 2.1 写毛笔字的实验原理和过程在进行此实验过程之前，滑轨和写字套件已经提前安装完成，故省略上述两步的安装步骤。下面分详细介绍 DobotStudio 控制软件的安装和检验步骤。步骤 1：下载 Windows 操作系统的 Dobot 软件包。步骤 2：打开“DobotStudioSetup.exe”文件，选择语言为中文并点击 ok 按键。步骤 3：在弹出的“DriverSetup(X64)”界面中选择安装机械臂驱动。步骤 4：驱动安装成功之后选择继续安装 DobotStudio 控制软件。 ~ 5 ~

步骤 5：打开 DobotStudio 控制软件，查看界面左上角出现串口信息，点击连接控制软件与机械臂，如下图所示，说明 DobotStudio 控制软件和机械臂驱动都已安装成功且机械臂与 DobotStudio 连接成功。图 2-1 DobotStudio 软件界面 DobotStudio 控制软件与滑轨连接起来，滑轨在 Dobot 机械臂写毛笔字中的作用是给 Dobot Magician 机器人提供移动的轨道。Dobot Magician 的写字范围是滑轨长度所覆盖的范围，Dobot Magician 每写一个毛笔字，写下一个字之前，都要在滑轨上移动到下一个字体所在的位置，此时滑轨就相当于一个可以移动的轨道，以便 Dobot 机械臂实现在大范围宣纸上写字的功能，Dobot 机械臂与滑轨的结合克服了机械臂空间的局限性。接下来制作 PLT 文档。PLT 文档是提供了 Dobot 机械臂写毛笔字的具体内容。首先下载 CorelDRAW X7 软件，然后进入 CorelDRAW X7 软件制作写有“控制综合实验涂浩袁隽殊李艳” 内容的 PLT 文档，详细步骤如下。步骤 1:制作写有“控制综合实验涂浩袁隽殊李艳”的 PNG 图片。步骤 2：在 CorelDRAW X7 软件中导入 PNG 图片，为了防止后面临摹时位置偏移，需要锁定对象。 ~ 6 ~

步骤 3：点击手绘工具，选择钢笔、美术字、轮廓比宽度 0.25mm 和临摹颜色红色。步骤 4：开始临摹字体。步骤 5：临摹完毕之后，新建一个文件，将临摹的笔画按照倒序的模式，剪切粘贴到新的文件中，这样生成的 PLT 文件在写字时字体才是正常的笔画顺序。步骤 6：保存为两个格式——PLT、cdr，PLT 文件用于 Dobot 机械臂写字，cdr 格式方便修改。临摹字体如下图所示。图 2-2 实验要写的字 PLT 文档制作完成之后，进入 DobotStudio 控制软件初始界面，选择“滑轨控制”并单击“滑轨”图，如下图所示。并单击“L+”和“L-”检测滑轨是否能正常运动。接下来将机械臂手动调到一定的高度，点击在 DobotStudio 界面点击“归零”，对滑轨和机械臂进行回零操作。图 2-3 选择“滑轨控制”并单击“滑轨” 成功连接滑轨之后，进入“写字&画画”界面，导入已经制作完成的 PLT 格式的文件。 ~ 7 ~

调整字体大小和位置之后，使字体位于界面上下两个横线之间，即机械臂可达的范围之间，设置毛笔写字的高度。手动调节机械臂，将毛笔的笔尖贴近水写纸，调整距离，使毛笔字的粗细程度恰当，点击“AutoZ”保存写字的高度以及 Z 轴的位置坐标。接下来右键单击空白处选择触发线，在字与字的空隙处设置蘸墨触发线，当毛笔每次运行到这条触发线，就会自动执行蘸墨动作。本实验在“验”和“涂”字之间设置了一条蘸墨触发线。蘸墨触发线设置完成之后，进入“试教&再现”设置蘸墨动作。第一步按住机械臂小臂上的解锁键，拖得机械臂使毛笔到砚台的正上方，松开解锁键存储第一个点的位置。第二步以同样的方法存储第二到第四个位置。第二个位置就砚台墨水中心位置，使毛笔尖能够接触到墨水。第三个位置是砚台边缘，模拟毛笔擦去多余墨水的操作。第四个位置是砚台上方的位置，防止毛笔碰撞到物体。四个点位完整地模拟了毛笔蘸墨的全过程。最后回到“写字&画画”界面，点击“位置同步”使机械臂回到写字起点的正上方。点击“开始”即可完成机械臂和滑轨写字功能。 2.2 搬运积木的实验原理与过程在进行搬运积木实验之前，已经完成 DobotStudio 控制软件安装和传送带安装，下面直接对实验过程进行详细说明。首先进入 DobotStudio 控制软件的控制面板，手动确定和测量积木的放置位置和坐标。我们将 3*3 形状的积木搬运顺序设定为从左到右、从上到下，即先搬运上面第一排的积木，第一个搬运的积木靠近 Dobot 机械臂，等第一排积木全部搬运完成后，再开始第二排积木的搬运，依次进行。图 2-4 机械臂的 XYZ 坐标信息 ~ 8 ~

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