一種移動倒立擺小車裝置的製作方法
2023-07-14 13:10:56
專利名稱：一種移動倒立擺小車裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及科研教學研究用的實驗儀器技術領域，更具體地，涉及一種移動倒立擺小車裝置。
背景技術：
倒立擺為欠驅動的自然不穩定系統，常用來檢測控制理論的有效性，如經典控制理論、魯棒控制、自適應控制、智能控制等。倒立擺裝置是控制理論領域中研究、測試各類新的控制策略常用的實驗驗證設備，它還是《自動控制原理》和《線性系統理論》教學中常用的教學實驗裝置。現有的倒立擺多為直線運動倒立擺系統，其中擺杆裝在滑動小車上，滑動小車由電機驅動沿直線導軌滑動，以實現擺杆的穩定。由於導軌的設置，使得現有的直線運動倒立擺系統具有體積大、質量重、和成本高的限制。
發明內容本實用新型解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種成本低、體積小和重量輕的移動倒立擺小車裝置。為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案如下:一種移動倒立擺小車裝置，包括控制系統和小車，所述小車包括車體和設置於車體上的擺杆，所述車體包括基板和設於基板上的車輪以及電源，所述車輪包括設於基板前端靠電機驅動的兩個主動輪和設於基板後端中心位置的導向輪，所述兩個主動輪分別設置在基板左右兩側；所述基板前端還連接有一個從動輪，所述從動輪上連接有測量小車的位移和方向的第一編碼器；所述擺杆上連接有用於測量擺杆的角速度的第二編碼器，所述擺杆的擺動方向與兩個主動輪連線相垂直；所述控制系統設於車體的基板上，包括控制器和分別與之相連的電機驅動模塊、兩個鑑相器和電源模塊，電機驅動模塊與電機連接，兩個鑑相器分別和第一編碼器和第二編碼器連接，所述電源與電源模塊連接。本實用新型的移動倒立擺小車裝置，通過簡單的小車驅動結構，代替現有的複雜的直線運動驅動結構，實現對小車的驅動，減小了整個裝置的體積和重量，同時了降低了成本。另外，通過特別設計的車輪結構，即三輪式的結構，可以實現小車的穩定以及靈活移動。再者，通過將編碼器安裝於外置的從動輪上，來進行小車位移和方向的測量，避免直接將編碼器安裝於主動輪時複雜的結構，以及由於主動輪打滑引起的測量數據不準確。因為如果將編碼器安裝於主動輪上，就需要外加傳動部件(例如齒輪、齒輪帶)才能實現，結構比較複雜，而且顯然這樣增大了裝置的體積。進一步的，所述從動輪與第一編碼器同軸連接，並通過一連杆固定於車體的基板上。這樣既便於編碼器的安裝，還可以能消除因主動輪打滑而導致的測量誤差。進一步的，所述擺杆連接在第二編碼器的軸上，且第二編碼器通過一固定座固定於車體的基板上；第二編碼器的軸與兩個主動輪的連線相平行。這樣易於拆卸和安裝，可根據實驗要求靈活選用不同長度和重量的擺杆，調整倒立擺小車系統可穩定的控制周期的最大值。進一步的，為保護測量擺杆擺角的第二編碼器，所述固定座上連接有擺杆彈性保護片，所述擺杆彈性保護片設於擺杆擺動方向上，在擺杆兩側各設一個擺杆彈性保護片，以限制擺杆的角位移，防止由於擺杆擺角過大對第二編碼器造成的損壞。進一步的，所述控制系統還包括無線模塊，所述無線模塊與控制器連接。無線模塊的設置，可以實現與上位機的無線通信，這樣就可以從上位機上實時讀取和繪製小車和擺杆的位移信號、相應的速度信息及控制力矩等，使得實驗過程更加直觀。同時，可以實現無線遙控穩定，編碼器信息可以無線傳輸到遠程控制器，遠程控制器計算控制量後，再無線傳輸給小車，使倒立擺小車穩定。進一步的，所述無線模塊與控制器通過串行接口連接。進一步的，所述第一編碼器和第二編碼器為三相增量式編碼器。進一步的，所述控制系統焊接在一電路板上，所述電路板固定於車體的基板上。這樣可以提高整個裝置的集成度，進一步縮小了裝置的體積和重量。進一步的，所述每個主動輪各通過一個電機驅動。主動輪分別由一個電機驅動，這樣提高電機對小車的驅動力。進一步的，所述電機為直流減速電機。因為直流減速電機具有力矩大、噪音低、轉速可調、控制方便的特點。與現有技術相比，本實用新型技術方案的有益效果是:本實用新型的移動倒立擺小車裝置，通過簡單的小車驅動結構，代替現有的複雜的直線運動驅動結構，實現對小車的驅動，減小了整個裝置的體積和重量，同時了降低了成本。並且通過將控制系統的各個模塊焊接於一電路板上，提高了整個裝置的集成度，進一步減小了本實用新型的移動倒立擺小車裝置的體積和重量。再者，通過特別設計的車輪結構，即三輪式的結構，可以實現小車的穩定以及靈活移動。另外，通過將編碼器安裝於外置的從動輪上，來進行小車位移和方向的測量，進一步簡化了結構，同時減小了測量誤差。本實用新型通過設置無線模塊，可以實現與上位機的無線通信，可以從上位機上實時讀取和繪製小車和擺杆的位移信號、相應的速度信息及控制力矩等，同時實現對小車的遠程控制。本實用新型移動倒立擺小車裝置的各個子結構之間可快捷拆裝，易於組合或者拆開。
圖1為本實用新型實施例的移動倒立擺小車裝置結構示意圖。圖2為本實用新型實施例的移動倒立擺小車裝置的控制系統結構框圖。圖3為本實用新型實施例的移動倒立擺小車裝置的控制系統電路圖。圖4為本實用新型實施例的移動倒立擺小車裝置的控制流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型的技術方案做進一步的說明。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。為了便於解釋和說明，各個部分和結構的大小，並不代表實際尺寸，有誇大的，有縮小的，附圖表示的僅是示意圖，而非實物圖。為了清楚具體地說明，有些公知功能和結構可能是省略的，對這些結構的說明也省略了。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或者暗示相對重要性。在本實用新型中，除非另有規定或者限定，需要說明的是，術語「安裝」、「連接」、「相連」應做廣義理解，例如，可以是機械連接或者電連接或者氣路連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接連接，也可以是通過中間媒介間接相連，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。實施例1如圖1所示為本實用新型實施例的移動倒立擺小車裝置結構示意圖，移動倒立擺小車裝置，包括控制系統和小車。小車包括車體和設置於車體上的擺杆10。車體包括基板6和設於基板6上的車輪、電源(圖中未不出)。車輪包括設於基板6前端的兩個主動輪4和設於基板6後端中心位置的一個導向輪11，兩個主動輪4分別設置在基板6左右兩側，每個主動輪4各通過一個電機5驅動。基板前端還連接有一個從動輪1，從動輪I與第一編碼器3同軸連接，並通過一連杆2固定於車體的基板6上，第一編碼器3用於測量小車的位移以及方向。擺杆10上連接有用於測量擺杆10的角速度的第二編碼器8，擺杆10直接連接在第二編碼器8的軸上，使擺杆可在與該第二編碼器8的軸垂直的面內繞軸擺動。同時這樣易於拆卸和安裝，可靈活選用不同長度和重量的擺杆，調整倒立擺小車裝置可穩定的控制周期的最大值。第二編碼器8通過一固定座9固定於車體的基板6上。很顯然,擺杆10的擺動方向與兩個主動輪4連線相垂直，即與小車前後移動的方向相一致，設置的時候，第二編碼器8的軸與兩個主動輪4的連線相平行。為了限制擺杆10的擺動幅度，防止其擺動太大引起編碼器的損壞，固定座9上連接有擺杆彈性保護片7，擺杆彈性保護片7設於擺杆10擺動方向上，在擺杆10兩側各設一個擺杆彈性保護片7。如圖1中所示。控制系統(圖1中未示出)設於車體的基板6上，如圖2所示，包括控制器12和分別與之相連的電機5驅動模塊13、兩個鑑相器15、電源模塊16和無線模塊14。電機驅動模塊13與電機5連接，兩個鑑相器15分別和第一編碼器3和第二編碼器8連接，電源與電源模塊16連接。無線模塊與控制器通過串行接口連接。整個控制系統焊接在一電路板17上，電路板17固定於車體的基板6上。採用無線模塊14可以實現小車與上位機的通信，可以通過上位機實時讀取和繪製小車和擺的位移信號、相應的速度信息及控制力矩，並能夠實現遠程控制。第一編碼器3和第二編碼器8均為為三相增量式編碼器。其中第一編碼器3採用三相增量式500線編碼器，第二編碼器8採用的是三相增量式1000線編碼器。如圖3中控制系統電路結構圖所示，控制器12採用飛思卡爾公司的MC912XS128單片機，電機4採用減速直流電機，電機驅動模塊13採用IRF3205組成的H橋；無線模塊14採用GW200KB，以實現小車與上位機的通信；鑑相器15採用74LS393，用以判斷擺杆的擺動方向及小車的方向。採用12V和3A的鋰電池作為小車的電源，鋰電池固定在小車的基板上，電源模塊16採用穩壓晶片LM2940-5。再結合圖3，第二編碼器8的A相信號輸入到與之連接的鑑相器15的D1、CLK1，第一編碼器3的B相信號輸入到與之連接的鑑相器15的D2、CLK2。鑑相器15的輸出Ql和Q2分別連接到控制器12的TO、Tl 口，用來捕捉擺和小車方向的變化。第二編碼器8的脈衝直接與控制器12的T7 口脈衝累加器連接，用來統計第二編碼器的脈衝數。由於控制器12隻有一個脈衝累加器，所以添加了一個計數器CD4520來對第一編碼器3的脈衝來進行計數。第一編碼器3的脈衝輸入連接到計數器的脈衝輸入CLK端，計數器的輸出Q0-Q7連接到控制器12的A 口，通過讀取A 口的數據就可以得出第一編碼器3的脈衝數。在得到第二編碼器8的方向信息和脈衝信息後，就可以計算出擺杆10的角速度，在得到第一編碼器3的方向信息和脈衝信息就可以計算出小車的位移和速度。控制器12的PO和Pl 口連接到電機驅動模塊13以控制電機的轉動。控制器12的串口 S0，SI與無線模塊16的S0，SI連接，將系統的數據信息通過無線模塊傳輸給PC機。本實用新型的移動小車倒立擺的控制流程圖如圖4所示:首先對控制器12進行初始化，控制器12初始化後，手動將擺杆10轉到重力方向初始化的擺角度，然後打開控制器
12的中斷和鑑相器15使能開始工作。小車在控制器12的控制下開始運動。本實施例中設定控制器12的定時器間隔50毫秒觸發一次中斷，當50毫秒中斷發生時，採集第二編碼器8的脈衝和方向信息，計算出擺杆10的角速度信息，採集第一編碼器3的脈衝和方向信息，計算出小車的位移和速度信息，然後利用H)控制算法，控制器12計算出需要電機5輸入的力所對應的PWM信號，PWM信號輸入到電機驅動模塊13來驅動電機轉動，控制電機轉動速度，從而使整個系統達到穩定。中斷使能後，擺杆10方向和小車的方向一旦發生改變，鑑相器15就可以檢測出此次改變，鑑相器15的輸出電平發生改變，控制器12捕捉到鑑相器15輸出電平變化就可以獲得小車或者擺杆方向信息。上述實施例是本實用新型的較佳實施方案，應該理解的是，上述實施例並不用於限制本實用新型，本領域的普通技術人員在不脫離本實用新型的原理的宗旨的情況下，對上述實施例所做的變化、修改、替換和變形，均應落入本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種移動倒立擺小車裝置，包括控制系統和小車，所述小車包括車體和設置於車體上的擺杆，其特徵在於，所述車體包括基板和設於基板上的車輪以及電源，所述車輪包括設於基板前端靠電機驅動的兩個主動輪和設於基板後端中心位置的導向輪，所述兩個主動輪分別設置在基板左右兩側；所述基板前端還連接有一個從動輪，所述從動輪上連接有第一編碼器；所述擺杆上連接有第二編碼器，所述擺杆的擺動方向與兩個主動輪連線相垂直；所述控制系統設於車體的基板上，包括控制器和分別與之相連的電機驅動模塊、兩個鑑相器和電源模塊，電機驅動模塊與電機連接，兩個鑑相器分別和第一編碼器和第二編碼器連接，所述電源與電源模塊連接。
2.根據權利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特徵在於，所述從動輪與第一編碼器同軸連接，並通過一連杆固定於車體的基板上。
3.根據權利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特徵在於，所述擺杆連接在第二編碼器的軸上，且第二編碼器通過一固定座固定於車體的基板上；第二編碼器的軸與兩個主動輪的連線相平行。
4.根據權利要求3所述的移動倒立擺小車裝置，其特徵在於，所述固定座上連接有擺杆彈性保護片，所述擺杆彈性保護片設於擺杆擺動方向上，在擺杆兩側各設一個擺杆彈性保護片。
5.根據權利要求1-4任一所述的移動倒立擺小車裝置，其特徵在於，所述控制系統還包括無線模塊，所述無線模塊與控制器連接。
6.根據權利要求5所述的移動倒立擺小車裝置，其特徵在於，所述無線模塊與控制器通過串行接口連接。
7.根據權利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特徵在於，所述第一編碼器和第二編碼器為三相增量式編碼器。
8.根據權利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特徵在於，所述控制系統焊接在一電路板上，所述電路板固定於車體的基板上。
9.根據權利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特徵在於，所述電機為直流減速電機。
10.根據權利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特徵在於，所述每個主動輪各通過一個電機驅動。
專利摘要本實用新型涉及科研教學研究用的實驗儀器技術領域，更具體地，涉及一種移動倒立擺小車裝置，包括控制系統和小車，所述小車包括車體和設置於車體上的擺杆，所述車體包括基板和設於基板上的車輪以及電源，所述車輪包括設於基板前端靠電機驅動的兩個主動輪和設於基板後端中心位置的導向輪，所述兩個主動輪分別設置在基板左右兩側；所述基板前端還連接有一個從動輪，所述從動輪上連接有測量小車的位移和方向的第一編碼器；所述擺杆上連接有用於測量擺杆的角速度的第二編碼器，所述擺杆的擺動方向與兩個主動輪連線相垂直；所述控制系統設於車體的基板上，用於控制整個車體的運動情況。本實用新型體積小、重量輕、成本低。
文檔編號G09B19/00GK203084998SQ201320058049
公開日2013年7月24日 申請日期2013年2月1日 優先權日2013年2月1日
發明者成慧, 陳有生, 黃永成 申請人:中山大學, 香港中文大學