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控制原理课程实验设计 基于LEGO Mindstorm NXT套件 2012年1月 助教：于文君 本科《控制理论原理》 授课教授：黄迅 研究员 北京大学工学院航空航天工程系 安静飞行器实验室 /faculty/huangxun 目录 实验一 LEGO套件基础 3 一．实验目的 3 二．实验器材介绍 3 图1 Lego整体图 3 图2 Lego控制器、机电及传感器 4 三．编程准备 4 1. NXT Brick系统处理 4 2. IDE（Integrated Development Environment）配置 5 3. LeJOS的HelloWorld实现 5 附录：Java基础 6 1. 面向对象编程（OOP）基本概念 6 2. Java开发准备 7 3. Java基本语法 7 实验二 Lego电机驱动 10 一． 实验目标 10 二． NXT Brick和Lego电机介绍 10 三． 电机驱动 10 四． 实际操作 11 五． 程序编译烧写执行 11 六． 总结 12 实验三 传感器操作 13 一． 实验目的 13 二． Lego传感器简介 13 三． 传感器编程 13 四． 实验步骤 15 五．总结 15 实验四 自主跟踪小车的搭建 16 一． 实验目的 16 二． 机械结构搭建 16 三． 程序的编写 16 四． 提高 16 实验五 自主实验 17 实验一 LEGO套件基础 一．实验目的 了解Lego NXT套件的架构和使用方法 掌握对Lego NXT套件的编程方法 二．实验器材介绍 这套实验配套于黄迅老师的自动控制课程。目的：一方面验证自动控制的理论方法，初步学习控制的实际应用；另一方面锻炼同学们动手能力，了解工程实际中的控制实现方式。 在本实验中，采用容易上手、简单易用的LEGO NXT套件。LEGO是一个丹麦玩具公司，其产品风靡全世界。我们这里采取了其产品中性能较高的Mind-storm NXT套件，这套套件机械结构齐全，电子设备较齐全，已经包含整个项目所需的设备。 图1 Lego整体图 图2 Lego控制器、机电及传感器 想要在Lego NXT 套件上进行一个项目设计，大致的流程是这样的。首先需要利用Lego的机械积木设计并搭建一个机械结构，并合理的布置电机和控制器以及传感器，然后将算法编写成程序烧写在Lego的控制器中，如果设计得当，程序没有错误，则在Lego的控制器上运行此程序，即可以达到所要求的控制动作和目的。 在完成这样一个项目之前，我们也需要做一些准备。主要分为两方面，一个是机械结构的设计，另一个是编程的准备。对于机械结构，不同的项目或实验需要不同的机械结构，需要仔细单独考虑。而对于编程有一些通用的环境设置需要我们在进入本学期的具体实验课程之前完成准备。 三．编程准备 对于NXT的编程主要在计算机上完成，可以利用Java或者Labview来进行编程。Labview是一种图形编程的语言，有其一套对应的开发套件，但是其中处理复杂算法比较麻烦，所以我们采取的是Java语言，然后利用提供的API和烧写工具进行编译解析成机器执行码，这是一个文件，然后利用工具将其烧写在NXT的控制器NXT Brick上面。 对于这部分需要进行两方面的准备，一个是NXT Brick的系统处理，另一个是计算机上的集成开发环境（IDE）的配置。 在具体配置之前，我们需要先安装Lego提供的驱动，在windows下需要运行一个安装程序，LabVIEW LEGO MINDSTORMS NXT Module中的setup.exe。 安装完成后将NXT Brick与计算机用USB线进行连接既可以识别，在安装完成后可能需要重启计算机。 然后需要安装JDK（Java Development Kits），可以到官方网站去下载必威体育精装版版本，Java语言为完全开源的（Open-source），可以免费下载。 没有Java开发经验的同学可以参考附录部分的Java简介。 安装完JDK并进行环境变量配置后可以在控制台输入java -version或javac -version查看版本。 然后安装LeJOS_0.8.5.exe，查看环境变量。 NXT Brick系统处理 直接购买回来的NXT套件中的Brick预装的是适合Labview使用的界面系统（固件Firmware），所以需要人工将系统修改为LeJOS的界面系统。 LeJOS是一套利用Java语言对Lego套件进行开发的操作系统，它提供一套相应的API，使用户可以直接通过封装好的接口对于NXT套件进行操作。我们这里采用的是LeJOS_0.8.5。 如果已经在NXT上烧写过LeJOS固件，则这部分可以忽略。否则，我们需要将NXT的系统烧写为LeJOS。烧写过程如下： 首先把NXT切换到固件上载模