MATLAB/Simulink模型开发乐高EV3 双足平衡机器人

MATLAB/Simulink 2018a 模型开发乐高EV3 双足平衡机器人（含视频）

之前只是用Matlab做一些算法的仿真，数据的计算分析处理，知道MATLAB中包含有Simulink，只知道Simulink用于控制一类的仿真，最近深入接触了一下Simulink，发现这个工具实在是太强大了。如果说仅仅把MATLAB/Simulink想象成一个仿真计算的工具，那实在是太落伍了。
目前MATLAB/Simulink更多的是在产品的实现阶段发挥更重要的作用，例如之前我要开发一个机器人产品原型，我要去实现产品，需要做什么：

• 硬件设计及生产；
• 根据实际硬件，不断调试软硬件接口、驱动；
• 算法仿真；

• 针对硬件进行算法编码，部署到硬件上更改算法的各项参数

  事实上传统模式花费功夫最大的是硬件及软件编码，而产品最重要的算法设计往往精力分配不够。

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下面一段话是本文的中心思想，也是做这个项目的目的：

MATLAB/Simulink不光用来做仿真、数据处理，可以直接完成软硬件集成、调试、测试、报告等过程，实现产品数字化、自动化设计过程，人花费精力最大是产品的设计过程，而产品的实现和测试由Simulink工具完成。这也就是基于模型的设计（MBD）的概念，成为当今产品研发的主流模式。在汽车行业，要讲究开发效率和可靠性，所以几乎所有的软件都以这种模式进行开发，逐渐成为一个行业标准。
欢迎大家添加我们的公众号，基于模型的智能系统研发。会在公众号中分享更多基于模型的开发案例，包括一些低成本硬件如STM32、ARM、树莓派等，并提供最前沿的MATLAB技术发展咨询。

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下面就以平衡机器人的开发为例，进行介绍，做这个东西，搭乐高机器人用了半天时间，调试开发环境和模型用了两天，所以公用两天半完成平衡机器人的原型开发。
基于模型的开发，你可以直接找成熟的硬件，MATLAB/Simulink包含有相关的硬件驱动，可以直接在Simulink环境中完成数据的读取、设备的控制，并将算法直接生成代码下载到硬件当中。本项目MATLAB/Simulink通过WiFi与乐高EV3机器人相连接，通过Simulink对EV3控制系统进行建模，模型自动生成代码下载到EV3中运行，并生成报告，将传感器数据实时采集到模型中进行仿真并显示。

目录

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乐高机器人

• 乐高机器人被广泛用于编程、机器人设计、控制设计等领域的入门教学。在美国和日本，乐高机器人被广泛用于学生和爱好者的竞赛当中。在中国，我们也发现越来越多的少儿教育中，开始引入这些低成本的教学平台，用于激发学生的学习兴趣，同时也帮助提高学生的动手能力。
• 如果用传统的方式学习制作机器人，我们得先学习电脑基本概论，接着要了解电子电路、数位逻辑和微处理器，才能制作出基本的微电脑控制电路。然后还要学习汇编语言（Assembly）或C语言，撰写微处理器的程序…对了，也许最麻烦的是机械结构，我们得决定要用步进马达还是一般的直流马达，不同的驱动形式，信号的驱动和回馈处理方式也不一样；而且即便是采用最单纯的轮胎或履带作为行走方式，也可能要搭配各种齿轮来调配扭力和速度。想到要学习、DIY这么多东西，很多对自制机器人怀抱憧憬的业余玩家，满腔热血到此就凉了大半截。
  
• 最新一代的LEGO头脑风暴系列的主控–EV3。它的按钮可以发光,根据光的颜色可看出EV3的状态.更高的分辨率的黑白显示器,内置扬声器,USB端口,一个迷你SD读卡器,四个输入端口和四个输出端口。支持USB2.0,蓝牙和WiFi与电脑通讯。还有一个编程接口用于编程和数据日志上传和下载。兼容与移动设备，（安卓、IOS）由AA电池或EV3充电直流电池供电。

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MATLAB与乐高

通过安装在MATLAB上的乐高硬件支持包，你可以通过Simulink编程，并用USB线、蓝牙、WiFi、网线来控制乐高Mindstorms机器人，从而:

• 不需要任何其他工具箱就可以直接开始编程
• 在MATLAB工作环境中交互式地开发调试和排除故障
• 开发自定义的图像用户界面来用于控制机器人
• *使用MATLAB来分析传感数据并使其可视化

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1 开发环境

Simulink　乐高EV3　

项目	版本	备注
计算机	Win10 64位	带WiFi、蓝牙模块
MATLAB/Simulink	2018a	安装乐高硬件支持包
LEGO EV3	45544,固件：V1.08E	配件： WiFi模块、USB线，EV3自带蓝牙，产品ID：001653******

2 开发过程

1) 组装乐高机器人：
组装过程见http://robotsquare.com/2013/10/01/education-ev3-45544-instruction/

2) 构建MATLAB/Simulink控制系统模型
打开GyroBoy模型，相关模型下载见公众号

平衡车系统模型：



硬件驱动部分：

在模型界面点击Tools- Run on Hardware – Options, 在Harware Implementation中，选择EV3，设置为WiFi模式，填入相应的ID和IP地址，点击OK。
Simulink与乐高通讯相关设置：

然后在主界面中，确认仿真模式为External模式，点击运行按钮， 等待30s-60s，会弹出报告生成界面，
通过Simulink模型自动生成平衡车代码，相关报告：

平衡车上的传感器数据实时采集返回到Simulink中，并在模型中完成参数实时更改调试：

运行效果图：

相关视频见：
http://www.56.com/u52/v_MTUxNjEwNjY1.html

3 调试注意事项

对EV3的1.09版本兼容性不够，需要对EV3版本进行确认，最好使用1.03-1.08版本。固件更改可通过下载乐高官方软件进行固件升级，参考乐高官方文件。目前采用WiFi模式，如果调试有问题，请确认各项设置是否正确，多试几次。对于USB、蓝牙等模式还在调试当中。

4 基于模型的开发带来的好处

核心控制器软件的开发仅需一名工程师，使用MATLAB和Simulink，设计师不再亲自为控制器编写一个控制算法及底层驱动代码，无需要担心低层次细节，如指针、内存分配、类型声明、预处理、编译或链接等，所以有更多的时间去探索实际的编程概念和实践。在将后续进行产品化时，使用Embedded Coder针对嵌入式处理器，从现有的控制器模型直接生成代码，大大缩减开发时间。

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