东北大学自动化认识实习大二参观实验室Word下载.docx
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参观轧钢实验室感悟---------------------------------------------------------------34
参观action团队感悟----------------------------------------------------------------35
总结------------------------------------------------------------------------------------36
4.参考文献-------------------------------------------------------------------------------------37
1.实习时间与地点
智能车实验室
实习时间：
*月**日早8：
40——10：
50
实习地点：
大成教学馆203、
大成教学馆二楼大厅东北大学智能汽车大学生创新基地
流程重点实验室
30
建筑学馆二楼流程工业综合自动化国家重点实验室
轧钢重点实验室
50——11：
10
轧制技术及连轧自动化国家重点实验室
action实验室
50——10：
40
何世礼208、
综合楼北楼梯下方东北大学机器人基地（action实验室）
2.实习基本内容
2.1智能车实验室
2.1.1智能车竞赛简介
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。
组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高为获胜者。
其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。
图2-1智能汽车赛道
该竞赛由竞赛秘书处设计、规范标准硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。
该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。
该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，力求向健康、普及、持续的方向发展。
图2-1摄像头组智能汽车
全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。
竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。
每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。
每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。
全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻"
政府倡导、专家主办、学生主体、社会参与"
的16字方针，充分调动各方面参与的积极性。
竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。
因而该竞赛是涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的比赛。
2.1.2智能汽车大学生创新基地介绍
东北大学智能车基创新基地成立于2006年10月。
以智能汽车、智能设备为研究对象，智能控制为研究方向，以培养具有创新意识、吃苦耐劳和团队精神的复合型人才为目的，为全校信息、机械、生医、物理、材料等相关学科的大学生提供一个提高自身素质的创新平台。
基地谨遵学校“自强不息，知行合一”校训，追求理论与实践相结合，通过不断超越自我的智能车比赛，特别磨练学生的韧性和创新精神，培养学生具备杰出人才的意志品质。
基地的主要特色：
①学生自我管理、指导老师定期监督指导
②通过极具挑战的竞技比赛，让学生不断挑战和超越自我，培养创新能力。
③嵌入式系统全流程设计实施、控制系统分析设计调试，具有较高技术性和挑战性。
基地目前主要面向的比赛有：
飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛、全国大学生电子设计竞赛、国家大学生创新项目等，并取得丰硕成果，多次获得包括飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛特等奖在内的多项国家级赛事奖励。
图2-3智能汽车大学生创新基地获奖证书
基地成员积极申请大学生科技创新项目，并开展了一系列的研究开发，其中主要有基于WiFi的智能车调试系统项目，基于模型设计的智能车仿真分析系统设计，基于四旋翼无人机的金属矿顶分析系统等。
基地培养的学生除了保研和出国以外，就业很好，基地毕业多名本科学生到华为中兴就职，取得了良好的工作业绩。
2.1.3智能汽车参赛事宜
（1）竞赛特点：
1速度是检验水平的唯一标准
2跨专业跨学科，培养综合能力
3理论与实践相结合，强调实践
4难易适中，适合本科生参加
5需要团队合作精神
6要有专注的科研习惯
7需要顽强意志
（2）比赛规则：
1预决赛规则：
参加决赛队伍抽签决定比赛顺序。
赛道由宽45cm白色PVC两侧贴宽黑色边界构成，比赛场地使用一个赛道，每支决赛队伍有三次比赛机会，在跑道上跑一圈，以计时起始线为计时点，以最快单圈时间计算最终成绩;
计时由电子计时器完成并实时在屏幕显示。
预赛成绩不记入决赛成绩，只决定决赛比赛顺序。
2比赛过程规则：
按照比赛顺序，裁判员指挥参赛队伍顺序进入场地比赛。
在裁判员点名后，每队指定一名队员持赛车进入比赛场地，将赛车放置在赛道出发区。
裁判员宣布比赛开始后，赛车应在30秒之内离开出发区，沿着环形赛道黑色引导线连续跑两圈，由计时起始线两边传感器进行自动计时。
跑完后，选手拿起赛车离开场地。
如果比赛完成，由计算机评分系统自动给出单圈最好成绩。
③比赛犯规与失败规则：
比赛过程中，如果赛车冲出跑道。
赛车前两次冲出跑道时，由裁判员取出赛车交给比赛队员，立即在起跑区重新开始比赛，该圈成绩取消。
选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛。
比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败:
裁判点名后，1分钟30秒之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备;
比赛开始后，赛车在30秒之内没有离开出发区;
赛车在离开出发区之后2分钟之内没有跑完两圈;
赛车冲出跑道的次数超过3次;
比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车;
决赛前，赛车没有通过技术检验。
如果比赛失败，则不计成绩。
3比赛禁止事项
赛车必须全自主运行，不允许遥控赛车;
不允许在赛道周围安装辅助照明设备及其它辅助传感器等;
选手进入赛场后，除了可以更换电池之外，不允许进行任何硬件和软件的修改;
比赛场地内，除了裁判与1名队员之外，不允许任何其他人员进入场地;
不允许其它影响赛车运动的行为。
（3）比赛重点与难点：
1车模/机构（控制对象）基本相同，比的是技术
2各队伍电路独立设计，不允许买现成的
3按照传感器分组别：
视觉组（面阵光学传感器）
光电组（线性光学传感器）
电磁组（利用电磁场，缺点是精确度较低）
电轨组（利用金属探测器）
追逐组（双车，传感器类似于视觉组）
信标组（追逐灯光跑）
图2-4智能车在赛道飞驰
2.1.4智能汽车技术问题：
（1）电路问题：
1直流电机驱动
集成/分立的H桥驱动
2传感器放大
电磁信号
3舵机驱动
驱动较大的电流电源涉及
（2）控制问题：
1四轮车：
速度控制
方向控制
2直立车：
直立控制
（3）控制算法：
1PID控制：
位置式，单输入，单输出
通过调结电压来调节速度
PID参数：
比例系数：
设定比例系数为1，实际情况小于1
增大比例系数可减小净差
积分系数：
积分项可消减净差
积分系数越大震动越小
微分参数：
微分项起到阻尼作用，微分系数不可过大或过小
2PID控制的改进：
遇限削弱积分法：
对误差范围进行判断，调节较大误差
分段的PID控制：
判断误差量，并根据误差范围给出比例系数
BANG-BANG控制
微分处理策略：
系统设定的变化不能引起微分项的变化
3分段的PID控制：
确定输入输出量
输入变量:
、
输出控制量:
△CH[1],△CH[2],△CH[3],△CH[4]
其中:
——————俯仰角偏差:
——————滚转角偏差;
————为角度偏差
的PID控制量
————角速率GYRO-X,GYRO-Y,GYRO-Z的PID控制量;
—————遥控器三通道和四通道的控制增量;
△CH[1],△CH[2],△CH[3],△CH[4]———右、前、后、左电机的8位精度控制增量:
4模糊控制：
简介：
模糊控制算法,是对手动操作者的手动控制策略、经验的总结.模糊控制算法有多种实现形式,采用应用最早、最广泛的查表法,可大大提高模糊控制的时效性,节省内存空间。
模糊控制是一种基于语言的控制。
模糊控制的优势：
传统的自动控制控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型（即传递函数模型或状态空间模型）的基础上，但是在实际中，很多系统的影响因素很多，很难找出精确的数学模型。
这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大。
因为模糊控制不用建立数学模型不需要预先知道过程精确的数学模型。
模糊控制的工作原理：
把由各种传感器测出的精确量转换成为适于模糊运算的模糊量,然后将这些量在模糊控制器中加以运算,最后再将运算结果中的模糊量转换为精确量,以便对各执行器进行具体的操作控制。
在模糊控制中,存在着一个模糊量和精确量之间相互转化的问题
模糊控制的特点:
适用于不易获得精确数学模型的被控对象
是一种语言变量控制器
从属于智能控制的范畴。
该系统尤其适于非线性，时变，滞后系统的控制
抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性
5LOR控制:
X=Ax（t）+Bu（t）
Y（t）=Cx（t）+Du（t）
在上述方程中，A、B、C和D均为矩阵，k是时间系数，x称为系统状态，u是系统的已知输入，y是所测量的输出。
w和z表示噪音，其中变量w称为进程噪音，z称为测量噪音，它们都是向量。
LOR控制方法通过确定最佳控制量u（t）=-Kx（t）中的矩阵K使得控制性能指标取极小值
6卡尔曼滤波控制：
卡尔曼滤波简介：
卡尔曼滤波由卡尔曼（Kalman）提出的，用于时变线性系统的递归滤波器。
卡尔曼算法是用状态方程和递推方法进行估计的，而且所得的解是以估计值的形式给出的。
它主要用来解决信号与噪声的多维、非平稳、时变、功率谱不稳定的问题。
卡尔曼滤波器与大多数我们常用的滤波器不同之处，在于它是一种纯粹的时域滤波器，不需要像低通滤波器等频域滤波器那样，需要在频域设计再转换到时域实现。
卡尔曼滤波在智能汽车中的应用：
直立车角度控制
加速度计：
应用于静止时
角速度传感器（角速度积分易出现漂移）：
用于运动时
加速度计与角速度计相结合
互补卡尔曼滤波：
时间较长时漂移严重
列出卡尔曼滤波方程，选取系统变量，选取协方差矩阵
卡尔曼滤波器的软硬件实现：
目前,卡尔曼滤波器已经有很多不同的实现形式。
卡尔曼最初提出的形式现在一般称为简单卡尔曼滤波器。
除此以外,还有施密特扩展卡尔曼滤波器,信息滤波器以及平方根滤波器。
最常见的卡尔曼滤波器是锁相环，采用FPGA硬件可以实现卡尔曼滤波器。
卡尔曼滤波器有良好的滤波效果，但由于其计算量大，当采样率高时，一个采样周期内难以完成计算，且计算机的字长有限，使计算中舍入误差和截断误差积累、传递，造成数值不稳定，因此用MCU和DSP难以实现。
FPGA可以实现并行计算，它有多个乘法器和累加器并行处理数据，采用FPGA实现的卡尔曼滤波器，由于输入和输出数据计算同时进行，因此可以大大提高滤波速度。
（4）图像识别问题：
智能车采用CMOS图像传感器用于检测黑色跑道上两边的白线，扩展了检测范围，有助于选择正确的行进路线。
在检测中，对图像中的前十行的像素进行分析，找出两条白线的中点，通过反复的实验，智能小车能够以一个较高的速度稳定地运行在给定的跑道上。
路线的识别和确定：
路线识别和确定是智能车可以前行的前提。
通过对摄像头所采集的图像进行二值化，然后对前十行的像素进行分析，由每行中两个白点的坐标来确定中心的坐标，从而得出十个中心坐标，将十个中心坐标连接起来，就是小车需要走的路径。
图2-5所示为摄像头对跑道图像二值化的结果。
图2-5跑道的图像二值化结果
方向控制：
智能汽车方向控制的核心是舵机控制，其输入信号是PWM脉冲，并输出相应的弧度角。
本文采用的S12单片机PWM输出信号端口作为舵机的输入信号。
为了使检测时更加稳定，本文采用了PID控制器，由于无需考虑已经走过的轨道，所以本文只用比例微分调节器模块，下面公式显示了D调节器的控制算法：
在enew，eold定义了这一次和下一次的角度的计算，t是CMOS摄像头扫描时间，微分系数Kd被强制规定运行在到（通过多次试验得）。
（5）其他技术问题:
嵌入式实时操作系统
网络协议栈
上位机/手机调试软件编写
（6）智能汽车基地其他方向：
四旋翼飞机
移动机器人导航
（7）毕业生就业方向：
大疆
华为
光启
（8）与其他相关赛事：
亚太机器人大赛
电子设计竞赛
RobMasters
数学建模国赛/美赛
2.2流程重点实验室
1.1.1实验室简介：
流程工业综合自动化国家重点实验室的前身是郎世俊教授领导的工业自动化教研室（1955）和张嗣瀛院士领导的控制理论教研室（1970）。
1996年东北大学自动化研究中心（主任柴天佑）与东北大学系统工程研究所整合组建工业生产过程综合自动化冶金部重点实验室。
2001年成立863计划流程工业综合自动化重点实验室。
2002年初成立东北大学流程工业综合自动化实验室；
2003年被辽宁省教育厅确认为辽宁省高校重点实验室。
2003年底经教育部批准，开始筹建流程工业综合自动化教育部重点实验室，2004年1月开始实施实验室的建设计划，2005年12月通过教育部验收专家组的验收，2006年9月实验室参加信息科学领域教育部重点实验室现场评估，成绩“优秀”。
2007年3月经教育部推荐，以部级实验室参加科技部对信息科学领域国家重点实验室现场评估，成绩“良好”，在参评6家国家重点实验室排名第3。
图2-6流程工业综合自动化国家重点实验室
2011年4月通过科技部国家重点实验室评审，2011年10月科技部正式批准开始筹建国家重点实验室。
实验室领导班子和学术委员会进行了重新组建，柴天佑院士担任实验室主任，吴澄院士担任学术委员会主任，戴汝为院士和张嗣瀛院士担任学术委员会名誉主任、孙优贤院士和柴天佑院士担任学术委员会副主任。
实验室固定人员50人，拥有国家自然科学基金委创新研究群体2个。
实验室现有院士2人、中组部千人计划1人、新世纪百千万人才工程国家级人选2人，长江学者特聘教授3人、长江学者讲座教授5人、国家杰出青年基金获得者4人、海外杰出青年基金获得者2人、教育部新世纪优秀人才12人。
实验室现有教授30人，副教授8人，其中博士生导师22人，讲师5人，助教1人，工程技术人员3人，专职管理人员3人，具有博士学位的教师人数占科研人员人数的%，45岁以下的教师人数占科研人员人数的%。
1.1.2实验室定位
开展流程工业综合自动化领域的基础研究与应用基础研究，面向国家流程工业发展的重大需求，解决实现流程工业绿色化与综合自动化的关键科学与技术问题。
通过机制创新，促进“重点实验室—国家冶金自动化工程技术研究中心—863产业化基地”的有机结合，推进科研成果转化，形成“基础理论研究—技术创新—研究成果转化”的完整创新体系。
基础研究瞄准国家目标和国际自动化学术发展前沿，在主要研究方向上不断探索新理论与新方法，取得具有国际领先、对我国工业自动化进步具有推动作用的研究成果，使我国的自动化学科处于国际先进水平。
技术创新以自主创新的理论与方法为基础，发挥创新群体的作用，协调攻关，解决流程工业综合自动化的重大关键技术问题，形成具有自主知识产权的核心技术成果，为我国流程工业实现绿色化与综合自动化，由制造大国变为制造强国提供科学技术支撑。
科研成果转化以实验室具有自主知识产权的核心技术成果为支撑，与东北大学国家冶金自动化工程技术研究中心合作，研发相关的高技术产品，通过863产业化基地，在流程工业企业广泛推广应用，推动行业技术进步。
1.1.3主要研究方向
实验室面向实现我国流程工业绿色化与综合自动化、实现企业全局优化、提高企业竞争力的重大需求，解决实现流程工业综合自动化提出的工业界亟待解决的，对控制理论与控制系统设计方法中具有挑战性的关键科学技术问题，确定了实验室的主要研究方向为：
生产全流程一体化控制、企业生产与运作管理中的建模与优化决策方法、具有综合复杂性的工业过程智能建模与控制、难测工艺参数与生产指标的软测量与检测技术及装置、生产过程的运行工况故障预测、诊断与自愈控制。
五个研究方向形成有机的整体，以工业装置的检测与控制—复杂工业过程的运行控制与运行工况故障诊断—生产管理与运作管理的决策—全流程一体化控制—流程工业综合自动化理论与方法为主线，解决难测参数与生产指标的实时检测、具有综合复杂性的工业过程的控制、难以建立数学模型的工业过程的安全运行控制、以综合生产指标为目标的生产全流程运行控制以及综合自动化系统的安全性、协同性和易用性等的理论与方法问题。
主要研究方向的相互关系如下图所示。
1生产全流程一体化控制
流程工业综合自动化是采用自动化技术，以计算机和网络技术为手段，将生产过程的生产工艺技术、设备运行技术和生产过程管理技术进行集成，实现生产过程的控制、运行、管理的优化集成，从而实现管理的扁平化与精细化和与产品质量、产量、成本、消耗相关的综合生产指标的优化控制。
因此，需要从总体上研究生产全流程一体化控制的体系结构、设计技术、集成技术和实现技术。
主要研究内容包括：
1生产全流程一体化过程控制系统的模型体系、模型结构与建模方
2数据、机理分析和知识驱动的复杂工业过程整体优化控制理论与方法
3生产制造全流程运行优化控制方法
4全流程运行优化控制与企业生产与运作管理的优化集成方法
5综合自动化系统的半实物仿真系统的研制与仿真研究
6综合自动化系统体系结构、设计方法、实现技术及工程应用
⑵企业生产与运作管理中的建模与优化决策方法
生产管理与经营决策是综合自动化的一个核心内容。
“管理与决策”将设备级的底层自动化系统与企业面临的产品、原料两个市场联系起来，使企业成为一个“资源配置合理、物料流动有序、生产井井有条”的有机整体，在整个综合自动化中起着“提纲挈领”的作用。
主要包括：
1数据和模型相融合的多目标非线性智能优化理论与方法
2企业运作管理中的建模与优化决策方法
③流程工业生产计划调度和物流与供应链计划调度中的建模与优化理论和技术
3流程工业一体化计划调度理论与方法
4制造执行系统的体系结构、设计方法与实现技术及应用
5企业资源计划系统的体系结构、设计方法与实现技术及应用
⑶具有综合复杂性的工业过程混合智能建模与控制
具有综合复杂性的工业过程控制是对基于数学模型的控制理论与控制器设计方法具有挑战性的难题。
混合智能建模与控制的理论和技术是实现复杂工业系统运行优化和优化控制的理论基础。
①复杂工业过程混合智能建模方法
②非线性鲁棒自适应控制
③多变量智能解耦控制理论与方法
④数据驱动的具有综合复杂性的工业过程智能控制方法
⑤复杂工业系统的分析与优化控制方法
⑥重大耗能设备智能优化控制系统的研究与应用
图2-7网络化实验控制器
⑷难测工艺参数与生产指标的软测量与检测技术及装置
流程工业工艺参数与生产指标是确保生产全流程安全、可靠、高效运行的关键参数与指标。
其检测、监控、分析测试技术和装置是综合自动化系统得以正常运行的神经中枢。
①黑体空腔辐射测温理论及其钢水
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