科创研究院2018暑假科研营
自平衡机器人设计与控制方向（自平衡机器人系统设计与实现）
项目简介
机器人方向属于当今乃至整个21世纪最热门的前沿研究领域之一，涉及机械、电子、控制、人工智能等多个学科。本项目以日常生活中常见的自平衡机器人为例，带你步入机器人系统设计的大门。本项目通过理论与实践相结合、仿真平台与物理平台相结合的方式，系统、全面地介绍了机器人系统理论基础、自平衡机器人系统建模与仿真，以及基于Arduino平台的自平衡机器人软硬件开发，旨在提升学生的理论水平、编程能力、团队协作能力，培养创新思维，也为今后的专业方向选择及未来所从事的工作打下基础。
项目进行过程中，会以分组的方式布置多个homework，如调研机器人前沿领域的某个主题并通过presentation展示、使用Matlab/Simulink搭建自平衡机器人仿真系统、基于Arduino平台进行传感器姿态解算及电机闭环控制等。最终引导学生通过所学知识创作属于自己的自平衡机器人，并通过teamwork的方式完成现场展示和交流。项目结束后，导师会根据学生表现出具推荐信。
项目内容
项目内容大致介绍如下：
介绍当今机器人领域的前沿技术、最新研究动态及发展趋势，了解机器人系统的组成及工作原理；
讲解机器人系统建模理论及基础的线性系统理论，并以自平衡机器人系统为例，教会学生如何分析机器人系统，以及如何通过Matlab/Simulink工具进行机器人系统仿真；
讲解常用的控制算法及其在机器人中的应用，并指导学生搭建基于PID算法的自平衡机器人控制系统；
讲解卡尔曼滤波算法及其在机器人状态估计中的应用，并指导学生使用Matlab/Simulink仿真实现卡尔曼滤波算法；
练习使用Arduino开源硬件平台，通过此平台学习传感器MPU6050的姿态解算方法以及直流电机的闭环控制方法；
讲解自平衡机器人系统的控制原理（平衡控制、速度控制、方向控制）及其基于Arduino平台的软硬件设计方法，以及系统的参数整定方法。
师资背景
任职教师为知名研究所助理研究员，主要研究方向为控制理论与应用、机器人与无人自主智能系统设计、嵌入式软硬件开发等，近几年完成多项国家和省部级课题以及企业合作项目，如仿生机器人关键技术研究、智能机器人嵌入式系统开发、双目视觉稳定系统研制等，以第一作者发表论文十余篇，其中包括《控制理论与应用》等期刊论文及机器人领域顶级会议论文等。
招生对象及要求
大二以上优秀本科生及部分优秀高中生，计划申请自动化、机械、电子、计算机等相关专业，为了让学生可以更好的完成科研项目，项目组会以笔试和面试的形式对学生进行筛选。
行程安排
时间：8.4-8.10
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日期 |
时间 |
项目进度 |
Lab相关 |
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8月4日 |
下午 |
外地学生入住酒店，破冰活动，自我介绍，学生分组，导师进行项目简介 |
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8月5日 |
上午 |
介绍机器人的基本概念、特点、分类、系统组成、工作原理，介绍机器人领域的前沿技术、最新研究动态及发展趋势 |
Simulink模块搭建、S-函数编写 |
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下午 |
Matlab常用指令介绍、m文件编写 |
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8月6日 |
上午 |
线性系统理论简介 |
Matlab/Simulink搭建自平衡机器人系统 |
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下午 |
机器人系统建模 |
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8月7日 |
上午 |
机器人控制系统 |
卡尔曼滤波算法的Matlab/Simulink仿真 |
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下午 |
机器人状态估计 |
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8月8日 |
上午 |
开源硬件平台——Arduino开发 |
基于Arduino平台实现MPU6050姿态解算 |
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下午 |
Arduino与姿态传感器MPU6050 |
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8月9日 |
上午 |
直流电机原理与控制 |
直流电机原理及驱动介绍，自平衡机器人软件架构分析 |
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下午 |
自平衡机器人系统设计 |
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8月10日 |
上午 |
自平衡机器人系统调试 |
Matlab/Simulink线性系统仿真 |
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下午 |
大作业验收与课程总结 |
备注：实际行程安排顺序可能会根据特定原因进行调
