清华开发者书库：Simulink与低成本硬件及机电一体化简介，目录书摘

　　《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。

　　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。

第1章Simulink与低成本硬件开发平台

1.1Arduino

1.2Raspberry Pi

1.3Simulink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PWM

4.2.3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PWM

4.3.3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