專利名稱：一種移動倒立擺小車裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及科研教學(xué)研究用的實驗儀器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種移動倒立擺小車裝置。
背景技術(shù)：
倒立擺為欠驅(qū)動的自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，常用來檢測控制理論的有效性，如經(jīng)典控制理論、魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制等。倒立擺裝置是控制理論領(lǐng)域中研究、測試各類新的控制策略常用的實驗驗證設(shè)備，它還是《自動控制原理》和《線性系統(tǒng)理論》教學(xué)中常用的教學(xué)實驗裝置?，F(xiàn)有的倒立擺多為直線運(yùn)動倒立擺系統(tǒng)，其中擺桿裝在滑動小車上，滑動小車由電機(jī)驅(qū)動沿直線導(dǎo)軌滑動，以實現(xiàn)擺桿的穩(wěn)定。由于導(dǎo)軌的設(shè)置，使得現(xiàn)有的直線運(yùn)動倒立擺系統(tǒng)具有體積大、質(zhì)量重、和成本高的限制。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)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(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案如下:一種移動倒立擺小車裝置，包括控制系統(tǒng)和小車，所述小車包括車體和設(shè)置于車體上的擺桿，所述車體包括基板和設(shè)于基板上的車輪以及電源，所述車輪包括設(shè)于基板前端靠電機(jī)驅(qū)動的兩個主動輪和設(shè)于基板后端中心位置的導(dǎo)向輪，所述兩個主動輪分別設(shè)置在基板左右兩側(cè)；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；所述擺桿上連接有用于測量擺桿的角速度的第二編碼器，所述擺桿的擺動方向與兩個主動輪連線相垂直；所述控制系統(tǒng)設(shè)于車體的基板上，包括控制器和分別與之相連的電機(jī)驅(qū)動模塊、兩個鑒相器和電源模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊與電機(jī)連接，兩個鑒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(qū)動結(jié)構(gòu)，代替現(xiàn)有的復(fù)雜的直線運(yùn)動驅(qū)動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對小車的驅(qū)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(shè)計的車輪結(jié)構(gòu)，即三輪式的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)小車的穩(wěn)定以及靈活移動。再者，通過將編碼器安裝于外置的從動輪上，來進(jìn)行小車位移和方向的測量，避免直接將編碼器安裝于主動輪時復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以及由于主動輪打滑引起的測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因為如果將編碼器安裝于主動輪上，就需要外加傳動部件(例如齒輪、齒輪帶)才能實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且顯然這樣增大了裝置的體積。進(jìn)一步的，所述從動輪與第一編碼器同軸連接，并通過一連桿固定于車體的基板上。這樣既便于編碼器的安裝，還可以能消除因主動輪打滑而導(dǎo)致的測量誤差。進(jìn)一步的，所述擺桿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于車體的基板上；第二編碼器的軸與兩個主動輪的連線相平行。這樣易于拆卸和安裝，可根據(jù)實驗要求靈活選用不同長度和重量的擺桿，調(diào)整倒立擺小車系統(tǒng)可穩(wěn)定的控制周期的最大值。進(jìn)一步的，為保護(hù)測量擺桿擺角的第二編碼器，所述固定座上連接有擺桿彈性保護(hù)片，所述擺桿彈性保護(hù)片設(shè)于擺桿擺動方向上，在擺桿兩側(cè)各設(shè)一個擺桿彈性保護(hù)片，以限制擺桿的角位移，防止由于擺桿擺角過大對第二編碼器造成的損壞。進(jìn)一步的，所述控制系統(tǒng)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(shè)置，可以實現(xiàn)與上位機(jī)的無線通信，這樣就可以從上位機(jī)上實時讀取和繪制小車和擺桿的位移信號、相應(yīng)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(xiàn)無線遙控穩(wěn)定，編碼器信息可以無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制器，遠(yuǎn)程控制器計算控制量后，再無線傳輸給小車，使倒立擺小車穩(wěn)定。進(jìn)一步的，所述無線模塊與控制器通過串行接口連接。進(jìn)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(jìn)一步的，所述控制系統(tǒng)焊接在一電路板上，所述電路板固定于車體的基板上。這樣可以提高整個裝置的集成度，進(jìn)一步縮小了裝置的體積和重量。進(jìn)一步的，所述每個主動輪各通過一個電機(jī)驅(qū)動。主動輪分別由一個電機(jī)驅(qū)動，這樣提高電機(jī)對小車的驅(qū)動力。進(jìn)一步的，所述電機(jī)為直流減速電機(jī)。因為直流減速電機(jī)具有力矩大、噪音低、轉(zhuǎn)速可調(diào)、控制方便的特點。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型技術(shù)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(qū)動結(jié)構(gòu)，代替現(xiàn)有的復(fù)雜的直線運(yùn)動驅(qū)動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對小車的驅(qū)動，減小了整個裝置的體積和重量，同時了降低了成本。并且通過將控制系統(tǒng)的各個模塊焊接于一電路板上，提高了整個裝置的集成度，進(jìn)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(shè)計的車輪結(jié)構(gòu)，即三輪式的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)小車的穩(wěn)定以及靈活移動。另外，通過將編碼器安裝于外置的從動輪上，來進(jìn)行小車位移和方向的測量，進(jìn)一步簡化了結(jié)構(gòu)，同時減小了測量誤差。本實用新型通過設(shè)置無線模塊，可以實現(xiàn)與上位機(jī)的無線通信，可以從上位機(jī)上實時讀取和繪制小車和擺桿的位移信號、相應(yīng)的速度信息及控制力矩等，同時實現(xiàn)對小車的遠(yuǎn)程控制。本實用新型移動倒立擺小車裝置的各個子結(jié)構(gòu)之間可快捷拆裝，易于組合或者拆開。

圖1為本實用新型實施例的移動倒立擺小車裝置結(jié)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(jié)合附圖和實施例對本實用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。為了便于解釋和說明，各個部分和結(jié)構(gòu)的大小，并不代表實際尺寸，有夸大的，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(jié)構(gòu)可能是省略的，對這些結(jié)構(gòu)的說明也省略了。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，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(guī)定或者限定，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“連接”、“相連”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或者電連接或者氣路連接，也可以是兩個元件內(nèi)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，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)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(jié)構(gòu)示意圖，移動倒立擺小車裝置，包括控制系統(tǒng)和小車。小車包括車體和設(shè)置于車體上的擺桿10。車體包括基板6和設(shè)于基板6上的車輪、電源(圖中未不出)。車輪包括設(shè)于基板6前端的兩個主動輪4和設(shè)于基板6后端中心位置的一個導(dǎo)向輪11，兩個主動輪4分別設(shè)置在基板6左右兩側(cè)，每個主動輪4各通過一個電機(jī)5驅(qū)動?；迩岸诉€連接有一個從動輪1，從動輪I與第一編碼器3同軸連接，并通過一連桿2固定于車體的基板6上，第一編碼器3用于測量小車的位移以及方向。擺桿10上連接有用于測量擺桿10的角速度的第二編碼器8，擺桿10直接連接在第二編碼器8的軸上，使擺桿可在與該第二編碼器8的軸垂直的面內(nèi)繞軸擺動。同時這樣易于拆卸和安裝，可靈活選用不同長度和重量的擺桿，調(diào)整倒立擺小車裝置可穩(wěn)定的控制周期的最大值。第二編碼器8通過一固定座9固定于車體的基板6上。很顯然,擺桿10的擺動方向與兩個主動輪4連線相垂直，即與小車前后移動的方向相一致，設(shè)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。為了限制擺桿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上連接有擺桿彈性保護(hù)片7，擺桿彈性保護(hù)片7設(shè)于擺桿10擺動方向上，在擺桿10兩側(cè)各設(shè)一個擺桿彈性保護(hù)片7。如圖1中所示?？刂葡到y(tǒng)(圖1中未示出)設(shè)于車體的基板6上，如圖2所示，包括控制器12和分別與之相連的電機(jī)5驅(qū)動模塊13、兩個鑒相器15、電源模塊16和無線模塊14。電機(jī)驅(qū)動模塊13與電機(jī)5連接，兩個鑒相器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(tǒng)焊接在一電路板17上，電路板17固定于車體的基板6上。采用無線模塊14可以實現(xiàn)小車與上位機(jī)的通信，可以通過上位機(jī)實時讀取和繪制小車和擺的位移信號、相應(yīng)的速度信息及控制力矩，并能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)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采用三相增量式500線編碼器，第二編碼器8采用的是三相增量式1000線編碼器。如圖3中控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖所示，控制器12采用飛思卡爾公司的MC912XS128單片機(jī)，電機(jī)4采用減速直流電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動模塊13采用IRF3205組成的H橋；無線模塊14采用GW200KB，以實現(xiàn)小車與上位機(jī)的通信；鑒相器15采用74LS393，用以判斷擺桿的擺動方向及小車的方向。采用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采用穩(wěn)壓芯片LM2940-5。再結(jié)合圖3，第二編碼器8的A相信號輸入到與之連接的鑒相器15的D1、CLK1，第一編碼器3的B相信號輸入到與之連接的鑒相器15的D2、CLK2。鑒相器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的脈沖直接與控制器12的T7 口脈沖累加器連接，用來統(tǒng)計第二編碼器的脈沖數(shù)。由于控制器12只有一個脈沖累加器，所以添加了一個計數(shù)器CD4520來對第一編碼器3的脈沖來進(jìn)行計數(shù)。第一編碼器3的脈沖輸入連接到計數(shù)器的脈沖輸入CLK端，計數(shù)器的輸出Q0-Q7連接到控制器12的A 口，通過讀取A 口的數(shù)據(jù)就可以得出第一編碼器3的脈沖數(shù)。在得到第二編碼器8的方向信息和脈沖信息后，就可以計算出擺桿10的角速度，在得到第一編碼器3的方向信息和脈沖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(jī)驅(qū)動模塊13以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動?？刂破?2的串口 S0，SI與無線模塊16的S0，SI連接，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息通過無線模塊傳輸給PC機(jī)。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(jìn)行初始化，控制器12初始化后，手動將擺桿10轉(zhuǎn)到重力方向初始化的擺角度，然后打開控制器
12的中斷和鑒相器15使能開始工作。小車在控制器12的控制下開始運(yùn)動。本實施例中設(shè)定控制器12的定時器間隔50毫秒觸發(fā)一次中斷，當(dāng)50毫秒中斷發(fā)生時，采集第二編碼器8的脈沖和方向信息，計算出擺桿10的角速度信息，采集第一編碼器3的脈沖和方向信息，計算出小車的位移和速度信息，然后利用H)控制算法，控制器12計算出需要電機(jī)5輸入的力所對應(yīng)的PWM信號，PWM信號輸入到電機(jī)驅(qū)動模塊13來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，從而使整個系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。中斷使能后，擺桿10方向和小車的方向一旦發(fā)生改變，鑒相器15就可以檢測出此次改變，鑒相器15的輸出電平發(fā)生改變，控制器12捕捉到鑒相器15輸出電平變化就可以獲得小車或者擺桿方向信息。上述實施例是本實用新型的較佳實施方案，應(yīng)該理解的是，上述實施例并不用于限制本實用新型，本領(lǐng)域的普通技術(shù)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(yīng)落入本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種移動倒立擺小車裝置，包括控制系統(tǒng)和小車，所述小車包括車體和設(shè)置于車體上的擺桿，其特征在于，所述車體包括基板和設(shè)于基板上的車輪以及電源，所述車輪包括設(shè)于基板前端靠電機(jī)驅(qū)動的兩個主動輪和設(shè)于基板后端中心位置的導(dǎo)向輪，所述兩個主動輪分別設(shè)置在基板左右兩側(cè)；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；所述擺桿上連接有第二編碼器，所述擺桿的擺動方向與兩個主動輪連線相垂直；所述控制系統(tǒng)設(shè)于車體的基板上，包括控制器和分別與之相連的電機(jī)驅(qū)動模塊、兩個鑒相器和電源模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊與電機(jī)連接，兩個鑒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(jù)權(quán)利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特征在于，所述從動輪與第一編碼器同軸連接，并通過一連桿固定于車體的基板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特征在于，所述擺桿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于車體的基板上；第二編碼器的軸與兩個主動輪的連線相平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動倒立擺小車裝置，其特征在于，所述固定座上連接有擺桿彈性保護(hù)片，所述擺桿彈性保護(hù)片設(shè)于擺桿擺動方向上，在擺桿兩側(cè)各設(shè)一個擺桿彈性保護(hù)片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的移動倒立擺小車裝置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)還包括無線模塊，所述無線模塊與控制器連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的移動倒立擺小車裝置，其特征在于，所述無線模塊與控制器通過串行接口連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)焊接在一電路板上，所述電路板固定于車體的基板上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特征在于，所述電機(jī)為直流減速電機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動倒立擺小車裝置，其特征在于，所述每個主動輪各通過一個電機(jī)驅(qū)動。
專利摘要本實用新型涉及科研教學(xué)研究用的實驗儀器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種移動倒立擺小車裝置，包括控制系統(tǒng)和小車，所述小車包括車體和設(shè)置于車體上的擺桿，所述車體包括基板和設(shè)于基板上的車輪以及電源，所述車輪包括設(shè)于基板前端靠電機(jī)驅(qū)動的兩個主動輪和設(shè)于基板后端中心位置的導(dǎo)向輪，所述兩個主動輪分別設(shè)置在基板左右兩側(cè)；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；所述擺桿上連接有用于測量擺桿的角速度的第二編碼器，所述擺桿的擺動方向與兩個主動輪連線相垂直；所述控制系統(tǒng)設(shè)于車體的基板上，用于控制整個車體的運(yùn)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(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者成慧, 陳有生, 黃永成 申請人:中山大學(xué), 香港中文大學(xué)