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摘要 學生制造的。串行服務器連接到一個獨立的 3 軸機器人車輪總成嵌入式控制器。這輪之間的任何上網(wǎng)功能的計算機上啟用的溝通。網(wǎng)真控制體系和原型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（ 開發(fā)和測試。這個系統(tǒng)是適當?shù)男薷模赃m應課程實驗室的需求，從而使學生設計，調試和測試在其選定的時間和地點的實時實驗室的項目。 這方面的一個遠程實驗室全功能演示可以在這里找到 ： ，是通過互聯(lián)網(wǎng)的興起導致，提升了移動通信技術和高速計算機的可用性。這些事態(tài)發(fā)展讓其他領域大大受益，如國家儀器公司的 [1]和 位于猶他州州立大學計算機系 電氣工程提供了一個分布式控制系統(tǒng) [2]研究生水平的課程設計，執(zhí)行和網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡，和分布參數(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，這當然涉及。 該部門還提供了機電一體化 [3]，當然其中涉及的原則，接口和信號的運動傳感器和執(zhí)行器，建模，分析，離散時間系統(tǒng)辨識空調，數(shù)字控制器的設計方法。 本文介紹了一種低成本解決方案，遠程實驗室在美國猶他州州立大學的機電一體化和分布式控制系統(tǒng)的課程發(fā)展。本文分為八個部分。第 - 三型給出了關于“智能輪”制 度，是要在控制植物實驗課的背景 資料。第至四提供了目標和課程實驗室的整體結構。第 - 第六提供如何在課程的學生可以執(zhí)行實驗室“在這去”的詳情。 最后，第至第七和第至第八總結的結果，并概述了未來項目的目標。 二。 教學動機 至關重要的是，工程學科，特別是在控制系統(tǒng)方面，包括一動手實驗室組件擴展課堂經(jīng)驗。但是，安裝，操作和維修設備的實驗室成為資源密集型，耗時和昂貴。虛擬實驗室提供成本效益的替代方案，但他們往往不能模型的實際效果，并不能代替的經(jīng)驗與實際系統(tǒng)。 遠程實驗室提供比傳統(tǒng)和虛擬實驗室具有明顯的優(yōu)勢。 除 了降低成本，更有效的實驗室設備，減少了維護，靈活和自學使用，有能力，使學生的經(jīng)驗，他們將同一種通常獲得與使用傳統(tǒng)的實驗室設置多功能，實時 世界設備。 應用程序調用一個遠程學習“到有次優(yōu)”（ 美國俄勒岡州立大學 [4]開發(fā)。這種解決方案集成，如數(shù)據(jù)收集設施，實時視頻和音頻流，安全和穩(wěn)定的措施，調控的幾個特點訪問和協(xié)作支持所有這些使遠程實驗室，為學生愉快和身臨其境的體驗。 三。植物背景資料 圖。 1。 移動臺的智能車輪大會。 位于猶他州州立大學的研究中心自組織與智能系統(tǒng)（ 計并開發(fā) 了幾個原型概念為基礎的一個重點扶持機器人車輛被稱為“智能車輪。”這是一個獨立的具有 3個獨立的軸輪模塊機器人 即轉向軸，驅動器軸， 多個智能車輪連接到機箱，由此產(chǎn)生的車輛被稱為一個全方位的汽車 [5]。 圖所示。 1）轉向和驅動馬達， 動電機和驅動器，驅動器和轉向反饋，微控制器編碼器電路，和配電裝置。 聰明的車輪總成進行了改進，并在上述兩個課程使用增加。預期的成果是使學生能夠設計和測試的車輪轉向和驅動軸自己的控制器。大會還兼作示范制度 [6]展示 能力的智能車輪在原地向游客和參觀者，到 四。系統(tǒng)概述 A：實驗室簡介 由于這兩種課程包括前面提到的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究（不同層次），有必要建立一個實驗室的組成部分，以增加課堂上的理論。 一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)中，控制回路通過通信網(wǎng)絡 7]。至關重要的是，遠程實驗為這個實驗室使用。在這種情況下，植物和反饋傳感器是該大學內的研究中心，位于該控制器位于遠程學生的計算機和通信網(wǎng)絡之間的設備 /傳感器和控制器 然而，對于這樣一個專門的實驗室專用 設備是非常昂貴的規(guī)劃和安裝非常耗時。一個低成本解決方案，其中一個系列服務器是用來制造智能四輪大會思和實施。 B：分布式控制系統(tǒng)設計實驗室 在這個過程中，學生須設計并測試一個車輪的智能網(wǎng)絡控制系統(tǒng)轉向軸。 串行端口的智能輪的嵌入式控制器（ 是連接到一個以太網(wǎng)集線器通過串口服務器，以太網(wǎng)之間的轉換和 輪上的微控制器編程，以被調查的位置編碼和傳輸，通過它的串行端口這些值。它也接受通過串口速度值，并將其轉換成脈沖寬度調制它（ 號來驅動電機 。 具有上網(wǎng)功能的電腦在任何遠程位置的學生將安裝一個虛擬 為了交流與智能輪的串行服務器。他可以在計算機上，傳輸速度值將會向智能控制器輪他的計劃，計算編碼器接收從智能輪讀數(shù)?；ヂ?lián)網(wǎng)引入了隨機的時間延遲和干擾。這些網(wǎng)絡引起的影響也須考慮而設計的，通過適當?shù)募夹g，如網(wǎng)絡預測和延遲補償使用控制器。該控制系統(tǒng)的性能進行檢查，通過分析和繪圖在遠程計算機上的編碼數(shù)據(jù)。任何基于 圖。 2顯示了用戶對網(wǎng)絡控制原型在 。設定點（轉向角度）和控制器收益（ 用戶可選擇的，用戶可以通過觀察角位置的情節(jié)，在現(xiàn)實上的圖形顯示的時間出現(xiàn)的系統(tǒng)性能。網(wǎng)際網(wǎng)路攝像頭實時視頻和音頻流使學生意見，并聽取了實時控制面板上的時間之輪的議案。 C：機電一體化實驗室設計方案 由于這是一個在本科層次的課程，學生可以設計和測試，但不考慮網(wǎng)絡誘導影響到他們的設計簡單 是建議延長大會的智能車輪為在 2006年機電一體化中的運用。 圖。 2。屏幕截圖的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)原型應用。 D：演示系 統(tǒng) 車輪上的智能微控制器也有它的控制算法為指導，推動和 這種情況下，微控制器接受規(guī)定從游戲桿對或為三個軸的遠程計算機的每個點和控制輪根據(jù)其板上的控制程序。此功能使摩天輪的能力，令參觀者展示就地和對輪不被該課程的實驗室。圖。 3顯示了用戶對于智能輪的臨場感控制系統(tǒng)的接口。 適合握手，控制之間的協(xié)調和仲裁協(xié)議的操縱桿，遠程呈現(xiàn)和網(wǎng)絡控制模式，并確?？深A測的行為，當多個用戶試圖訪問系統(tǒng)。 五，系統(tǒng)描述 A：建筑 該獨立智能輪演示系統(tǒng)架構 [6]，如圖所示。 4。 督導電機，驅動電機，線性致動器控制轉向軸，驅動軸和 指導和驅動馬達控制 導電機耦合到絕對編碼器，可以測量絕對角位置的車輪。電機驅動器連接到一個正交編碼器測量的是輪的相對運動。線性致動器將整個轉向柱向上或向下沿直線下滑。線性電位器提供了有關的 數(shù)字到模擬轉換器（ 電壓值基礎，從線性電位器反饋。 圖。 3。屏幕截圖的臨場感控制系統(tǒng)中的應用。 圖。 4。智能車輪系統(tǒng)概述 。 車輪節(jié)點數(shù)字接口板的 （ 成，一按發(fā)病計算機公司 [8]摩托羅拉的 還提供了串行通信，電機驅動器， 對和正交編碼器，電源和調節(jié)，電平轉換，光隔離，硬件看門狗單元電路接口。 該指導和驅動馬達驅動一 50電機驅動器）。該調制器（ 沖寬度占空比決定了信號的方向和邏輯電平信號電機的旋轉速度決定的方向。 提供了兩個操縱桿，以便使游客來控制的 3輪的原位軸。在 此期間，該系統(tǒng)被認為是在操縱桿模式。其中一人（搖桿 - 1）是一個 3軸操縱桿，其中的 一個單軸操縱桿（搖桿 - 2）用于設定 Z 與通過諸如串口服務器，用來轉換成以太網(wǎng)格式，反之亦然的 311系列服務器艾技術在系統(tǒng)中使用選定其成本低，帳戶 [9]易于安裝的軟件驅動程序，和吞吐量（ 50 阿 640 * 480分辨率可達每秒 30幀）視頻大會和車輪運動的智能遠程操作員的音頻位于 [10]。它允許多達 20個用戶，查看實驗室活動，而其中只有一個是與植物相互作用。 遠程操作員可以溝通，無論是在網(wǎng)真系統(tǒng)模式，在此期間，對車輪的機載控制算法控制的 3對設置從遠程計算機接收點的基礎上車輪的軸 ;或在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實驗室模式，在此期間，在遠程計算機控制算法命令輪的軸線上采樣編碼反饋，從車輪上的微控制器收到的資料為基礎。 B：機械硬件描述 一種智能四輪大會橫截面視圖（無 如圖所示。 5。 懸架的 轉向支持整個車輪轉向機構和電子系統(tǒng)。督導主軸直接連接到轉向電機。的枷鎖拴在轉向主軸驅動裝置。的枷鎖還設有電力和通訊電纜，下到車輪。定制滑環(huán)允許關于無限轉動方向盤軸輪。大會的整個驅動器包括驅動器主軸，電機，故障安全制動和編碼器是封閉的內輪殼。驅動電機是科爾摩根模型 407無框電機和力矩電機是一種 440。保本 - 560電腦光學制品正交編碼器是用來測量車輪的相對位置。絕對編碼器用于測量絕對的身體固定轉向電機角度位置的坐標是從電子系統(tǒng)模型 40 能是通過安裝在添加如圖大會。 5一型 性電位器安裝毗鄰接近頂部的線性驅動器。配電單元封閉落后的阻尼器。為 輪電子和電機驅動器安裝在任一轉向柱一側。整個大會是安裝在一個輪式立場。參考圖。 1再次看到一個完整的系統(tǒng)畫面。 圖。 5。智能輪胎機械裝配。 圖。 6。智能車輪軟件體系結構。 C：軟件說明 對于獨立的智能四輪演示系統(tǒng)軟件包括以下內容： - 嵌入式微控制器上的 - 視頻和音 頻流緩沖和互聯(lián)網(wǎng)上的攝像機的 - 嵌入式串行服務器軟件進行以太網(wǎng)和 - 虛擬 許學生之間的遠程計算機和服務器的串行通信。 - 應用軟件的智能車輪的軸對學生的計算機網(wǎng)絡控制。 該系統(tǒng)的軟件結構如圖所示。 6。其中，虛擬 高新技術。），序列 服務器軟件（艾高新技術。），網(wǎng)絡服務器和網(wǎng)絡攝像頭軟件（ ，已經(jīng)提供了各自的生產(chǎn)廠家。與智慧輪的 輪基礎上的從操縱桿（搖 桿模式），或從遠程計算機（臨場感模式）輸入的輸入軸控制算法。在網(wǎng)絡化控制實驗室模式下，微控制器軟件只是樣品，通過串口服務器傳輸?shù)竭h程計算機上的編碼器和驅動器的讀數(shù)發(fā)送遙控器上的計算機控制軟件，它的命令為基礎的馬達。它還仲裁三者之間的適當方式和適當?shù)捻憫敹鄠€用戶試圖同時訪問系統(tǒng) [6]。為了防止空轉，提高資源利用率 ，該系統(tǒng)先來先服務（先來先服務）的基礎，是處理多個請求時進行訪問廠收購的目的。 六。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實驗室 圖。 7描繪的網(wǎng)絡控制的智能四輪轉向軸系統(tǒng)設計實驗室設置為 2005年春節(jié)期間的 生需要安裝虛擬 她的電腦的驅動程序。這使得智能輪的串口服務器出現(xiàn)只是一個串行端口的計算機。使用一個簡單的協(xié)議和數(shù)據(jù)包結構 [11， 12]，學生們可以打開一個會話，接收編碼器反饋值和電機速度傳送到車輪的微控制器。微控制器改裝汽車速度從學生的計算機通過串口接收服務器值轉換成的電機驅動器的 的硬件。樣品的微控制器也隨著編碼器和發(fā)送的時間戳記（使用其機載計時器外設）通過串口服務器的讀數(shù)。系統(tǒng)的響應可以被繪制在學生為績效評估的目的計算 機。 互聯(lián)網(wǎng)智能相機靠近車輪總成位于直接發(fā)送視頻流和音頻智能輪子的運動對學生的計算機上。這使車輪的運動軸待觀察和實時聽取了在開發(fā)和測試。 一個安全的機制使學生停止輪（通過使用一個特殊的命令），如果他 /她發(fā)現(xiàn)任何通過視頻直播的異常行為。為了確保穩(wěn)定的控制回路和在停電，網(wǎng)絡故障的情況下，等系統(tǒng)強制超時，如果沒有一個指定的時間內溝通。 這種設置也將用在 機電一體化課程在 2006年 [12]。學生可以使用相同的系統(tǒng)設計和測試簡單的網(wǎng)絡控制器，但不能指望他們會考慮網(wǎng)絡誘導他們的設計效果。 七。 實驗室利益 在編寫本文時，該系統(tǒng)被用來在 2005年春季推出的分布式控制 圖。 7。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實驗室。 系統(tǒng)課程在美國猶他州州立大學。學生們能夠成功地開發(fā)和測試的任何無線或有線上網(wǎng)功能的電腦中的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計，并獲得相關的網(wǎng)絡控制設計問題的了解。 建模，分析，設計和編程的大部分工作可以做“離線”。該系統(tǒng)可以被用來測試他們的設計和反復爭取更好的閉環(huán)性能移動。由于這一切可以做到在其方便的時間和地點，該系統(tǒng)獲取晝夜，資源沖突提供了最低限度。問題與提供學生進入研究中心，住房與中心的其他活動設備和可能 爭不發(fā)生在這里。 車站只有一個實驗室，每一個學生都能夠體驗到該系統(tǒng)。這有助于該部控制制定這樣一個專門主題的實驗室，同時保持該課程，這是一個以互聯(lián)網(wǎng)為基礎的教育質量成本的主要目標 [13]。 八。結論和未來工作 獨立車輪裝配機器人現(xiàn)在可以同時用于演示目的，以及控制系統(tǒng)的教育。在串行服務器使用無效的本地計算機的互動與發(fā)電廠的需要，因此，對于一個具有成本效益和自給自足的嵌入式遠程學習解決方案決策。 這是建議延長實驗室，包括非華語速度的智能四輪驅動軸控制。這將使學生實施和經(jīng)驗，為指導和動力軸控制線，并與投票 有關的問題和多種傳感器和執(zhí)行器（多速率控制）處理不同的調度指揮方式。