中小型水域水面清洁机器人设计

课程名称：电子技术（模拟电子技术、数字电子技术）

实验题目：中小型水域水面清洁机器人设计

课程简要信息

课程名称：竞赛型创新实验设计

课程学时：3-4周

适用专业：机械、自动化

学生年级：本科二年级

实验内容与任务（限500字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

1. 以中小型水域水面清洁机器人为对象，设计制作一个具有遥控/自主巡航功能的水面清洁机器人，基本功能是在水面、前进、后退、转弯、收集水面漂浮物、跟踪漂浮物功能控制；

2. 扩展功能：运用手机APP或设计专用遥控器，对水面机器人的运动方式进行控制；

3. 扩展功能：实现机器人图像采集、传输及目标跟踪；

4. 扩展功能：设计机器人的避障系统，在不同环境下可以使用避障传感器躲避障碍；

5. 扩展功能：运用GPS定位模块实现水下机器人的定位；

6. 扩展功能：利用水面机器人检测系统传感器获取水质、水温等数据，实现无线数据传输功能；

7. 扩展功能：设计并实现机器人故障状态下的控制方式及返航功能。

8. 扩展功能：设计并实现太阳能充电功能。

实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1. 学习了解查阅、阅读相关科技文献的方法；

2. 了解水面机器人的机械结构、电源模块、控制电路、驱动电路、通信与信号系统等设计过程，通信协议选择；

3. 设计水面机器人遥控器硬件电路、完成必要的功能测试方法；

4. 选择符合要求的STM32F407作为控制芯片，了解该芯片的I/O特性，实现水面机器人的全部功能；

5. 构思水面机器人跟踪系统分析、建模、电路设计及控制方式；

6. 设计水面机器人姿态反馈（如：遇风浪情况）控制电路，实现水面机器人在水中保持正确的姿态；

7. 选择水面机器人的图像处理模块型号，实现水面机器人采集图像实时传输；

8. 构建一个水面机器人对漂浮物跟踪的数学模型，通过理论分析水面机器人运行模式及控制方法；

9. 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

相关知识及背景（限150字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

这是一个运用数字和模拟电子技术、嵌入式系统、无线通信技术解决现实生活和工程实际问题的竞赛型案例，控制电路需要运用传感器及检测技术、信号放大、模数信号转换、数据显示。嵌入式系统需要C语言程序设计、计算方法、数据结构等技术。机械结构需要机械结构设计、防水处理及相关国家、国际标准等工程概念与方法。

教学目标与目的（限100字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生了解机械设计、加工、装配方法、传感器技术、嵌入式系统，根据工程需求实现多种功能分别选择不同的技术方案；引导学生根据水面机器人的功能需要设计电路、选择元器件，构建测试环境与条件，并通过测试与分析对项目作出技术评价。

教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 学习相关科技文献的检索与阅读方法，了解申报国家专利的相关知识和方法。

2. 了解机械设计、机械加工工艺、机械装配方法。

3. 了解嵌入式系统的基本功能、实现扩展功能的合理应用方法。

4. 运用掌握的相关知识设计系统电路，包括主电路、电源电路、驱动等电路设计，根据不同的负载类型选择不同的设计方法。

5. 了解电子陀螺仪的使用方法，通过硬件电路的反馈和软件编程实现水面机器人的姿态控制。

6. 在完成水面机器人基本功能的基础上，通过研究讨论，拓展更多的附加功能，了解STM32F407系统扩展模块的硬件电路设计和软件编程方法。

7. 本教学案例实验要求精度并不高，主要是使水面机器人在水中完成设计动做要求。

8. 在水面机器人的姿态控制调试过程中，简略地介绍反馈控制的基本原理，要求学生自学实现反馈控制的方法及参数的整定。

9. 在电路设计、搭建、调试完成后，需要根据实验室所能够提供的条件，设计测试方法，搭建较为稳定的测试环境。

10）在实验完成后，组织学生以不同的电路模块演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

1. 控制系统结构

图1 水面机器人控制系统框图

2. 结构设计方案

图2 第一代水面清洁机器人外形图 图3 第一代水面清洁机器人遥控器

图4 第二代水面清洁机器人模型图 图5 第二代水面清洁机器人爆炸图

图6 第二代水面清洁机器人传动部分爆炸图 图7 第二代水面机器人驱动部分爆炸图

图8 手机APP控制界面

图9 自制遥控器结构

3. 故障状态返航实现方案

图10 水面机器人故障状态返航系统框图

4. 水下机器人系统实现方案

图11 水面机器人控制系统流程图

5. 运用方法

首先确定设计题目、实现基本功能、扩展功能、评分标准、讨论答辩环节；

理论模型建立、分析、控制芯片选择；

运用电路、模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理、嵌入式系统等；

制作水下机器人结构、设计控制电路、选择电子元器件；

功能调试、参数调试、水下调试；

实验总结、撰写报告、讨论答辩。

6. 部分电路如下：

图12 电源充电模块

图13 稳压电路

图14 转接板部分电路

系统参数如下：

教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

运用电子技术、单片机、嵌入式系统相关知识设计具有工程实践的典型案例，了解相关科技文献检索、阅读能力；自学嵌入式系统、机械加工及装配工艺、专利申请等知识；作品制作过程中，针对涉及的知识节点进行讨论研究、改进；通过实物功能、参数检测队作品给予评价验收，并进行演讲答辩。

实验设计思路、目的：开拓学生的知识领域，利用学生感兴趣的具体实物，使学生主动思考、提出问题、开发功能。

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验需求分析

2. 实现方案论证

3. 理论推导计算

4. 电路设计与参数选择

5. 电路测试方法

6. 实验数据记录

7. 数据处理分析

8. 实验结果总结

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1. 实物验收：水面机器人基本功能与性能指标的完成程度（如前进、后退、转弯、追踪漂浮物体），完成时间。

2. 实验质量：结构设计、电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺等。

3. 自主创新：功能构思扩展、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

4. 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5. 实验数据：测试数据和测量误差。

6. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

作品具有多种功能，可以代替人清理、检测、获取陌生水域的水质等级、水面情况等数据，还可以用于中小型水域的水质治理、水上游乐场所的水面搜寻、清洁。具有多种控制方式，可以适应许多不同环境，并且功耗低，成本低廉。

参赛选手信息表