Simulink与低成本硬件及机电一体化（清华开发者书库）

　　第1章Simulink与低成本硬件开发平台1.1Arduino1.2Raspberry Pi1.3Simulink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…
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　　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…
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　　《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。

　　第1章Simulink与低成本硬件开发平台1.1Arduino1.2Raspberry Pi1.3Simulink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PWM4.2.3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PWM4.3.3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Function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
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　　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。
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　　《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。