一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置製造方法
2023-04-28 11:25:01
一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，該裝置包括蹺蹺板以及電連接的檢測元件、控制部件及調整部件；檢測元件檢測蹺蹺板的傾斜角度，並將該信息反饋給控制部件，控制部件通過運算得出使蹺蹺板平衡配重元件所需的擺動角度，並輸出控制信號給驅動元件，驅動元件帶動配重元件偏轉所需角度以控制蹺蹺板的平衡。該裝置的數學模型與倒立擺基本相同，但其機械結構及製作工藝相對簡單，製造成本很低，且安全性好，適用於實驗教學的使用。
【專利說明】一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於自動控制【技術領域】，具體涉及一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置。
【背景技術】
[0002]在「自動控制原理」及「計算機控制」等相關課程的教學實驗中，一般需要採用實驗裝置配合來講解自動控制的組成、結構、運行與實際效果，使學生對課程的內容有更加深入、全面和具體的理解。
[0003]目前用於有關課程教學的實驗裝置很少，深圳的固高公司是在這方面做的比較好的。固高公司在這方面的典型產品有各種類型的倒立擺，自平衡小車、球桿控制和球板控制系統。
[0004]倒立擺控制系統是一個複雜的、不穩定的、非線性系統，是進行控制理論教學及開展各種控制實驗的理想實驗平臺，對倒立擺系統的研究能有效的反應控制中的許多典型問題，如:非線性問題、魯棒性問題、鎮定問題、隨動問題以及跟蹤問題等，通過對倒立擺的控制用來檢驗新的控制方法是否有較強的處理非線性和不穩定性問題的能力，同時其控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業過程領域中都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發射中的垂直度控制和衛星飛行中的姿態控制等。
[0005]但該類產品結構及其製作工藝相對複雜，生產成本較高，其售價一般在幾萬元到幾十萬元不等，費用昂貴，而教學實驗的經費有限，難以購買優質且實用的實驗產品。
[0006]而且，倒立擺在運行時速度較高，一般需要人員離開一定安全距離。如果控制不當，或者發生故障，擺杆有可能甩出傷人，存在相應的安全隱患。
[0007]鑑於以上問題，有必要提出一種結構更為簡單、實用且廉價的實驗產品，在便於實驗教學的同時，降低實驗裝置對人身的危害。
實用新型內容
[0008]有鑑於此，本實用新型提供了一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，通過設置檢測元件可精確的檢測蹺蹺板的傾角，調整部件可根據傾角的大小進行擺動調整，實現蹺蹺板的自動控制平衡實驗，且該裝置的數學模型與倒立擺基本相同，而機械結構及製作工藝相對簡單，製造成本很低。且安全性好。
[0009]根據本實用新型的目的提出的一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，包括蹺蹺板、位於所述蹺蹺板中心處的支撐機構、檢測所述蹺蹺板傾角的檢測元件、調整所述蹺蹺板平衡的調整部件、以及控制部件，所述控制部件分別與所述檢測元件及所述調整部件電連接；
[0010]所述調整部件包括設置於所述蹺蹺板上的配重元件、以及驅動所述配重元件向蹺蹺板兩端擺動的驅動元件，所述驅動元件與所述控制部件電連接。
[0011]優選的，所述驅動元件為固定設置於所述蹺蹺板上的舵機，所述配重元件為固定設置於所述舵機轉軸上的擺錘，所述擺錘隨舵機轉軸的轉動而產生擺動。
[0012]優選的，所述舵機設置於所述蹺蹺板中心位置處。
[0013]優選的，所述檢測元件為樹脂電位器或旋轉編碼器，所述檢測元件與所述支撐機構集成於一體，所述檢測元件的轉軸為所述蹺蹺板的轉軸，所述蹺蹺板轉動固定於所述檢測元件的轉軸上。
[0014]優選的，所述檢測元件為MEMS重力傳感器，所述MEMS重力傳感器設置於所述蹺蹺板上。
[0015]優選的，所述檢測元件為光電傳感器，所述光電傳感器對稱固定於所述蹺蹺板兩端對應的水平面上。
[0016]優選的，所述控制部件為具有A/D功能和PWM輸出功能的單片機。
[0017]優選的，所述平衡控制裝置還包括通信模塊。
[0018]優選的，所述通訊模塊採用藍牙無線通信；或所述通信模塊的通信接口為UART接口，所述通信模塊通過UART轉USB轉換器連接至計算機的USB接口。
[0019]優選的，所述控制部件上還具有鍵盤操作模塊和液晶顯示模塊。
[0020]與現有技術相比，本實用新型公開的用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置的優點是:該裝置包括蹺蹺板以及電連接的檢測元件、控制部件及調整部件；檢測元件檢測蹺蹺板的傾斜角度，並將該信息反饋給控制部件，控制部件通過運算得出使蹺蹺板平衡配重元件所需的擺動角度，並輸出控制信號給驅動元件，驅動元件帶動配重元件偏轉所需角度以控制蹺蹺板的平衡。該裝置的數學模型與倒立擺基本相同，但其機械結構及製作工藝相對簡單，製造成本很低，且具有很高的安全性，在任何情況下都不會對周圍人員造成傷害，適用於教學實驗的使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1為用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置實施例1的結構示意圖。
[0023]圖2為用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置實施例2的結構示意圖。
[0024]圖3為用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置實施例3的結構示意圖。
[0025]圖4為控制系統圖。
[0026]圖中的數字或字母所代表的相應部件的名稱:
[0027]1、蹺蹺板2、支撐機構3、檢測元件4、舵機5、擺錘
【具體實施方式】
[0028]目前用於有關課程教學的實驗裝置很少，一般為倒立擺，自平衡小車、球桿控制和球板控制系統。該類產品結構及其製作工藝相對複雜，安全性低，生產成本較高，其售價一般在幾萬元到幾十萬元不等，費用昂貴，而教學實驗的經費有限，難以購買優質且實用的實驗廣品。
[0029]本實用新型針對現有技術中的不足，提供了一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，通過設置檢測元件可精確的檢測蹺蹺板的傾角，調整部件可根據傾角的大小進行擺動調整，實現蹺蹺板的自動控制平衡實驗，且該裝置數學模型與倒立擺基本相同，機械結構及製作工藝相對簡單，具有較高的安全性，製造成本較低。
[0030]下面將通過【具體實施方式】對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0031]實施例1
[0032]請一併參見圖1與圖4，一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，包括蹺蹺板1、位於蹺蹺板1中心處的支撐機構2、檢測蹺蹺板1傾角的檢測元件、調整蹺蹺板1平衡的調整部件、以及控制部件(未示出)，控制部件分別與檢測元件及調整部件電連接。
[0033]蹺蹺板1可為用木料、塑料或金屬製作的長條形板，蹺蹺板的中心與支撐機構2連接，蹺蹺板1可以支撐機構2為中心擺動。
[0034]調整部件包括設置於蹺蹺板1上的配重元件以及驅動配重元件擺動的驅動元件，驅動元件與控制部件電連接。其中本實用新型的驅動元件優選為固定設置於蹺蹺板1上的舵機4，配重元件為固定設置於舵機4轉軸上的擺錘5，擺錘5隨舵機4轉軸的轉動而產生擺動以調整蹺蹺板的平衡。
[0035]舵機是車模和航模上廣泛使用的控制執行元件，可以通過控制信號使舵機的轉軸旋轉給定的角度。本實用新型中可根據需要選擇合適的舵機型號，使舵機的輸出足夠驅動擺錘的重量，從而實現期望的控制效果。具體型號不做限制。
[0036]舵機一般設置於蹺蹺板中心位置處。在蹺蹺板傾斜時方便控制部件計算擺錘的偏轉角度。
[0037]本申請中舵機一般採用日本生產的FUTABA S3003D舵機，除採用舵機驅動外，還可採用電機驅動等方式，具體根據使用需要而定。
[0038]檢測元件為MEMS (微機電系統)重力傳感器，圖1中未示出，MEMS重力傳感器可設置於蹺蹺板1上。MEMS重力傳感器可以直接輸出傾角的數字量，很方便與控制部件連接。有些傳感器還可以檢測角速度和角加速度，該類傳感器可為ADI公司生產的ADXL345三軸加速度傳感器，可以直接用於計算機控制的計算，目前這類傳感器的價格在幾十元左右，價格低廉，使用成本較低。
[0039]控制部件為單片機。單片機接收檢測元件的發出的蹺蹺板傾角信號，通過一定的算法計算出舵機的旋轉角度，從而使蹺蹺板保持穩定的平衡狀態。其中該單片機為具有A/D(模數轉換)功能和PWM(脈衝寬度調製)輸出功能的單片機，單片機型號可為PIC30F401K微芯公司產品)和MSP430F149(TI公司產品)，具體型號不做限制。
[0040]該平衡控制裝置還包括通信模塊，將蹺蹺板的狀態信息及數據發送給其他計算機以顯示。通訊模塊的通信接口為UART(通用異步收發傳輸器)接口，通信模塊通過UART轉USB轉換器連接至計算機的USB接口，以方便進行詳細的觀察和分析。用MATLAB (matrix與laboratory兩個詞的組合)編寫的應用軟體可以實時顯示蹺蹺板系統的運行狀態。在能夠保證實時性的情況下(通信速度足夠快以能夠跟得上控制的需要)，甚至可以用MATLAB通過通訊模塊直接對系統進行控制。
[0041 ] 通信模塊還可以採用藍牙無線通信。可以避免連線的麻煩，方便用戶使用。
[0042]控制部件上還具有鍵盤操作模塊和液晶顯示模塊。控制部分單獨使用時(不通過通信模塊與通用計算機聯機)，也能夠通過液晶顯示模塊顯示系統的運行狀態，並通過鍵盤操作模塊修改控制參數。
[0043]本實用新型的原理如下:
[0044]檢測元件檢測蹺蹺板的傾斜角度，並將該信息反饋給控制部件，控制部件通過運算得出使蹺蹺板平衡配重元件所需的擺動角度，並輸出控制信號給驅動元件，驅動元件帶動配重元件偏轉所需角度以控制蹺蹺板的平衡。
[0045]實施例2
[0046]請參見圖2，其餘與實施例1相同，不同之處在於，檢測元件3為樹脂電位器或旋轉編碼器，檢測元件與支撐機構集成於一體，檢測元件可直接設置於水平面上，檢測元件的轉軸為蹺蹺板的轉軸，蹺蹺板轉動固定於檢測元件的轉軸上。
[0047]其中旋轉編碼器可為E6B2-CWZ6C1200P/R歐姆龍編碼器，樹脂電位器可為WDD3OT4-10K精密導電塑料電位器，具體型號根據使用需要而定，在此不做限制。
[0048]採用樹脂電位器或者旋轉編碼器作為傾角檢測元件的好處在於，檢測元件可用作支撐機構使用，樹脂電位器或者旋轉編碼器的轉軸同時也是蹺蹺板的轉軸。從而可以簡化系統機械結構。同時這兩種傳感器的可靠性和抗幹擾性也很好。
[0049]實施例3
[0050]請參見圖3，其餘與實施例1相同，不同之處在於，檢測元件為光電傳感器，光電傳感器對稱固定於蹺蹺板1兩端對應的水平面上。
[0051]採用光電傳感器可以檢測蹺蹺板的傾角。兩個反射式光電傳感器(M1、M2)配置在蹺蹺板的兩端。當傾角為0時，兩個反射式光電傳感器到蹺蹺板的距離相等，兩個反射式光電傳感器的輸出信號也相等(si = S2)。當蹺蹺板發生傾斜時，兩個反射式光電傳感器的距離便發生變化。其中一個變大，另外一個變小。兩者輸出的信號差(S1-S2)就可以間接表示蹺蹺板傾角的大小。採用光電傳感器的優點是無接觸，因而可以避免摩擦力的影響。另外反射式紅外光電傳感器的成本也要低很多。
[0052]其中，光電傳感器為億光公司生產的ITR9908反射式光電傳感器，具體信號根據使用需要而定，在此不做限制。
[0053]本實用新型公開了一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，該裝置包括蹺蹺板以及電連接設置的檢測元件、控制部件及調整部件；檢測元件檢測蹺蹺板的傾斜角度，並將該信息反饋給控制部件，控制部件通過運算得出使蹺蹺板平衡配重元件所需的擺動角度，並輸出控制信號給驅動元件，驅動元件帶動配重元件偏轉所需角度以控制蹺蹺板的平衡。該裝置數學模型與倒立擺基本相同，但其機械結構及製作工藝相對簡單，製造成本很低，且具有很高的安全性，在任何情況下都不會對周圍人員造成傷害，適用於教學實驗的使用。
[0054]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本實用新型將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
【權利要求】
1.一種用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，其特徵在於，包括蹺蹺板、位於所述蹺蹺板中心處的支撐機構、檢測所述蹺蹺板傾角的檢測元件、調整所述蹺蹺板平衡的調整部件、以及控制部件，所述控制部件分別與所述檢測元件及所述調整部件電連接； 所述調整部件包括設置於所述蹺蹺板上的配重元件、以及驅動所述配重元件向蹺蹺板兩端擺動的驅動元件，所述驅動元件與所述控制部件電連接。
2.如權利要求1所述的用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，其特徵在於，所述驅動元件為固定設置於所述蹺蹺板上的舵機，所述配重元件為固定設置於所述舵機轉軸上的擺錘，所述擺錘隨舵機轉軸的轉動而產生擺動。
3.如權利要求2所述的用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，其特徵在於，所述舵機設置於所述蹺蹺板中心位置處。
4.如權利要求1所述的用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，其特徵在於，所述檢測元件為樹脂電位器或旋轉編碼器，所述檢測元件與所述支撐機構集成於一體，所述檢測元件的轉軸為所述蹺蹺板的轉軸，所述蹺蹺板轉動固定於所述檢測元件的轉軸上。
5.如權利要求1所述的用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，其特徵在於，所述檢測元件為MEMS重力傳感器，所述MEMS重力傳感器設置於所述蹺蹺板上。
6.如權利要求1所述的用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，其特徵在於，所述檢測元件為光電傳感器，所述光電傳感器對稱固定於所述蹺蹺板兩端對應的水平面上。
7.如權利要求1所述的用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，其特徵在於，所述控制部件為具有A/D功能和PWM輸出功能的單片機。
8.如權利要求7所述的用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，其特徵在於，所述平衡控制裝置還包括通信模塊。
9.如權利要求8所述的用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，其特徵在於，所述通信模塊採用藍牙無線通信；或所述通信模塊的通信接口為UART接口，所述通信模塊通過UART轉USB轉換器連接至計算機的USB接口。
10.如權利要求7所述的用於實驗教學的蹺蹺板平衡控制裝置，其特徵在於，所述控制部件上還具有鍵盤操作模塊和液晶顯示模塊。
【文檔編號】G09B25/02GK204102445SQ201420487360
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】王富東, 楊歆豪, 王敬馳, 侍曉麗 申請人:蘇州大學