一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(diào)整部件；檢測元件檢測蹺蹺板的傾斜角度，并將該信息反饋給控制部件，控制部件通過運(yùn)算得出使蹺蹺板平衡配重元件所需的擺動角度，并輸出控制信號給驅(qū)動元件，驅(qū)動元件帶動配重元件偏轉(zhuǎn)所需角度以控制蹺蹺板的平衡。該裝置的數(shù)學(xué)模型與倒立擺基本相同，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)及制作工藝相對簡單，制造成本很低，且安全性好，適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的使用。
【專利說明】一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在“自動控制原理”及“計(jì)算機(jī)控制”等相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，一般需要采用實(shí)驗(yàn)裝置配合來講解自動控制的組成、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行與實(shí)際效果，使學(xué)生對課程的內(nèi)容有更加深入、全面和具體的理解。
[0003]目前用于有關(guān)課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(tǒng)。
[0004]倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)，是進(jìn)行控制理論教學(xué)及開展各種控制實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)驗(yàn)平臺，對倒立擺系統(tǒng)的研究能有效的反應(yīng)控制中的許多典型問題，如:非線性問題、魯棒性問題、鎮(zhèn)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(yàn)新的控制方法是否有較強(qiáng)的處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力，同時(shí)其控制方法在軍工、航天、機(jī)器人和一般工業(yè)過程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如機(jī)器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。
[0005]但該類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其制作工藝相對復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，其售價(jià)一般在幾萬元到幾十萬元不等，費(fèi)用昂貴，而教學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)有限，難以購買優(yōu)質(zhì)且實(shí)用的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。
[0006]而且，倒立擺在運(yùn)行時(shí)速度較高，一般需要人員離開一定安全距離。如果控制不當(dāng)，或者發(fā)生故障，擺桿有可能甩出傷人，存在相應(yīng)的安全隱患。
[0007]鑒于以上問題，有必要提出一種結(jié)構(gòu)更為簡單、實(shí)用且廉價(jià)的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，在便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，降低實(shí)驗(yàn)裝置對人身的危害。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]有鑒于此，本實(shí)用新型提供了一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，通過設(shè)置檢測元件可精確的檢測蹺蹺板的傾角，調(diào)整部件可根據(jù)傾角的大小進(jìn)行擺動調(diào)整，實(shí)現(xiàn)蹺蹺板的自動控制平衡實(shí)驗(yàn)，且該裝置的數(shù)學(xué)模型與倒立擺基本相同，而機(jī)械結(jié)構(gòu)及制作工藝相對簡單，制造成本很低。且安全性好。
[0009]根據(jù)本實(shí)用新型的目的提出的一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，包括蹺蹺板、位于所述蹺蹺板中心處的支撐機(jī)構(gòu)、檢測所述蹺蹺板傾角的檢測元件、調(diào)整所述蹺蹺板平衡的調(diào)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(diào)整部件電連接；
[0010]所述調(diào)整部件包括設(shè)置于所述蹺蹺板上的配重元件、以及驅(qū)動所述配重元件向蹺蹺板兩端擺動的驅(qū)動元件，所述驅(qū)動元件與所述控制部件電連接。
[0011]優(yōu)選的，所述驅(qū)動元件為固定設(shè)置于所述蹺蹺板上的舵機(jī)，所述配重元件為固定設(shè)置于所述舵機(jī)轉(zhuǎn)軸上的擺錘，所述擺錘隨舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生擺動。
[0012]優(yōu)選的，所述舵機(jī)設(shè)置于所述蹺蹺板中心位置處。
[0013]優(yōu)選的，所述檢測元件為樹脂電位器或旋轉(zhuǎn)編碼器，所述檢測元件與所述支撐機(jī)構(gòu)集成于一體，所述檢測元件的轉(zhuǎn)軸為所述蹺蹺板的轉(zhuǎn)軸，所述蹺蹺板轉(zhuǎn)動固定于所述檢測元件的轉(zhuǎn)軸上。
[0014]優(yōu)選的，所述檢測元件為MEMS重力傳感器，所述MEMS重力傳感器設(shè)置于所述蹺蹺板上。
[0015]優(yōu)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于所述蹺蹺板兩端對應(yīng)的水平面上。
[0016]優(yōu)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(jī)。
[0017]優(yōu)選的，所述平衡控制裝置還包括通信模塊。
[0018]優(yōu)選的，所述通訊模塊采用藍(lán)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(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換器連接至計(jì)算機(jī)的USB接口。
[0019]優(yōu)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(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型公開的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置的優(yōu)點(diǎn)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(diào)整部件；檢測元件檢測蹺蹺板的傾斜角度，并將該信息反饋給控制部件，控制部件通過運(yùn)算得出使蹺蹺板平衡配重元件所需的擺動角度，并輸出控制信號給驅(qū)動元件，驅(qū)動元件帶動配重元件偏轉(zhuǎn)所需角度以控制蹺蹺板的平衡。該裝置的數(shù)學(xué)模型與倒立擺基本相同，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)及制作工藝相對簡單，制造成本很低，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，適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)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(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1為用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3為用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4為控制系統(tǒng)圖。
[0026]圖中的數(shù)字或字母所代表的相應(yīng)部件的名稱:
[0027]1、蹺蹺板2、支撐機(jī)構(gòu)3、檢測元件4、舵機(jī)5、擺錘

【具體實(shí)施方式】
[0028]目前用于有關(guān)課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(tǒng)。該類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其制作工藝相對復(fù)雜，安全性低，生產(chǎn)成本較高，其售價(jià)一般在幾萬元到幾十萬元不等，費(fèi)用昂貴，而教學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)有限，難以購買優(yōu)質(zhì)且實(shí)用的實(shí)驗(yàn)廣品。
[0029]本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，通過設(shè)置檢測元件可精確的檢測蹺蹺板的傾角，調(diào)整部件可根據(jù)傾角的大小進(jìn)行擺動調(diào)整，實(shí)現(xiàn)蹺蹺板的自動控制平衡實(shí)驗(yàn)，且該裝置數(shù)學(xué)模型與倒立擺基本相同，機(jī)械結(jié)構(gòu)及制作工藝相對簡單，具有較高的安全性，制造成本較低。
[0030]下面將通過【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0031]實(shí)施例1
[0032]請一并參見圖1與圖4，一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，包括蹺蹺板1、位于蹺蹺板1中心處的支撐機(jī)構(gòu)2、檢測蹺蹺板1傾角的檢測元件、調(diào)整蹺蹺板1平衡的調(diào)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(diào)整部件電連接。
[0033]蹺蹺板1可為用木料、塑料或金屬制作的長條形板，蹺蹺板的中心與支撐機(jī)構(gòu)2連接，蹺蹺板1可以支撐機(jī)構(gòu)2為中心擺動。
[0034]調(diào)整部件包括設(shè)置于蹺蹺板1上的配重元件以及驅(qū)動配重元件擺動的驅(qū)動元件，驅(qū)動元件與控制部件電連接。其中本實(shí)用新型的驅(qū)動元件優(yōu)選為固定設(shè)置于蹺蹺板1上的舵機(jī)4，配重元件為固定設(shè)置于舵機(jī)4轉(zhuǎn)軸上的擺錘5，擺錘5隨舵機(jī)4轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生擺動以調(diào)整蹺蹺板的平衡。
[0035]舵機(jī)是車模和航模上廣泛使用的控制執(zhí)行元件，可以通過控制信號使舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)給定的角度。本實(shí)用新型中可根據(jù)需要選擇合適的舵機(jī)型號，使舵機(jī)的輸出足夠驅(qū)動擺錘的重量，從而實(shí)現(xiàn)期望的控制效果。具體型號不做限制。
[0036]舵機(jī)一般設(shè)置于蹺蹺板中心位置處。在蹺蹺板傾斜時(shí)方便控制部件計(jì)算擺錘的偏轉(zhuǎn)角度。
[0037]本申請中舵機(jī)一般采用日本生產(chǎn)的FUTABA S3003D舵機(jī)，除采用舵機(jī)驅(qū)動外，還可采用電機(jī)驅(qū)動等方式，具體根據(jù)使用需要而定。
[0038]檢測元件為MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))重力傳感器，圖1中未示出，MEMS重力傳感器可設(shè)置于蹺蹺板1上。MEMS重力傳感器可以直接輸出傾角的數(shù)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(chǎn)的ADXL345三軸加速度傳感器，可以直接用于計(jì)算機(jī)控制的計(jì)算，目前這類傳感器的價(jià)格在幾十元左右，價(jià)格低廉，使用成本較低。
[0039]控制部件為單片機(jī)。單片機(jī)接收檢測元件的發(fā)出的蹺蹺板傾角信號，通過一定的算法計(jì)算出舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而使蹺蹺板保持穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。其中該單片機(jī)為具有A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)功能和PWM(脈沖寬度調(diào)制)輸出功能的單片機(jī)，單片機(jī)型號可為PIC30F401K微芯公司產(chǎn)品)和MSP430F149(TI公司產(chǎn)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(tài)信息及數(shù)據(jù)發(fā)送給其他計(jì)算機(jī)以顯示。通訊模塊的通信接口為UART(通用異步收發(fā)傳輸器)接口，通信模塊通過UART轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換器連接至計(jì)算機(jī)的USB接口，以方便進(jìn)行詳細(xì)的觀察和分析。用MATLAB (matrix與laboratory兩個(gè)詞的組合)編寫的應(yīng)用軟件可以實(shí)時(shí)顯示蹺蹺板系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在能夠保證實(shí)時(shí)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(tǒng)進(jìn)行控制。
[0041 ] 通信模塊還可以采用藍(lán)牙無線通信?？梢员苊膺B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?？刂撇糠謫为?dú)使用時(shí)(不通過通信模塊與通用計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī))，也能夠通過液晶顯示模塊顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過鍵盤操作模塊修改控制參數(shù)。
[0043]本實(shí)用新型的原理如下:
[0044]檢測元件檢測蹺蹺板的傾斜角度，并將該信息反饋給控制部件，控制部件通過運(yùn)算得出使蹺蹺板平衡配重元件所需的擺動角度，并輸出控制信號給驅(qū)動元件，驅(qū)動元件帶動配重元件偏轉(zhuǎn)所需角度以控制蹺蹺板的平衡。
[0045]實(shí)施例2
[0046]請參見圖2，其余與實(shí)施例1相同，不同之處在于，檢測元件3為樹脂電位器或旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測元件與支撐機(jī)構(gòu)集成于一體，檢測元件可直接設(shè)置于水平面上，檢測元件的轉(zhuǎn)軸為蹺蹺板的轉(zhuǎn)軸，蹺蹺板轉(zhuǎn)動固定于檢測元件的轉(zhuǎn)軸上。
[0047]其中旋轉(zhuǎn)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(dǎo)電塑料電位器，具體型號根據(jù)使用需要而定，在此不做限制。
[0048]采用樹脂電位器或者旋轉(zhuǎn)編碼器作為傾角檢測元件的好處在于，檢測元件可用作支撐機(jī)構(gòu)使用，樹脂電位器或者旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)軸同時(shí)也是蹺蹺板的轉(zhuǎn)軸。從而可以簡化系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)這兩種傳感器的可靠性和抗干擾性也很好。
[0049]實(shí)施例3
[0050]請參見圖3，其余與實(shí)施例1相同，不同之處在于，檢測元件為光電傳感器，光電傳感器對稱固定于蹺蹺板1兩端對應(yīng)的水平面上。
[0051]采用光電傳感器可以檢測蹺蹺板的傾角。兩個(gè)反射式光電傳感器(M1、M2)配置在蹺蹺板的兩端。當(dāng)傾角為0時(shí)，兩個(gè)反射式光電傳感器到蹺蹺板的距離相等，兩個(gè)反射式光電傳感器的輸出信號也相等(si = S2)。當(dāng)蹺蹺板發(fā)生傾斜時(shí)，兩個(gè)反射式光電傳感器的距離便發(fā)生變化。其中一個(gè)變大，另外一個(gè)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。采用光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(chǎn)的ITR9908反射式光電傳感器，具體信號根據(jù)使用需要而定，在此不做限制。
[0053]本實(shí)用新型公開了一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，該裝置包括蹺蹺板以及電連接設(shè)置的檢測元件、控制部件及調(diào)整部件；檢測元件檢測蹺蹺板的傾斜角度，并將該信息反饋給控制部件，控制部件通過運(yùn)算得出使蹺蹺板平衡配重元件所需的擺動角度，并輸出控制信號給驅(qū)動元件，驅(qū)動元件帶動配重元件偏轉(zhuǎn)所需角度以控制蹺蹺板的平衡。該裝置數(shù)學(xué)模型與倒立擺基本相同，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)及制作工藝相對簡單，制造成本很低，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，適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的使用。
[0054]對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實(shí)用新型。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)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(shí)用新型的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本實(shí)用新型將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，其特征在于，包括蹺蹺板、位于所述蹺蹺板中心處的支撐機(jī)構(gòu)、檢測所述蹺蹺板傾角的檢測元件、調(diào)整所述蹺蹺板平衡的調(diào)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(diào)整部件電連接； 所述調(diào)整部件包括設(shè)置于所述蹺蹺板上的配重元件、以及驅(qū)動所述配重元件向蹺蹺板兩端擺動的驅(qū)動元件，所述驅(qū)動元件與所述控制部件電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，其特征在于，所述驅(qū)動元件為固定設(shè)置于所述蹺蹺板上的舵機(jī)，所述配重元件為固定設(shè)置于所述舵機(jī)轉(zhuǎn)軸上的擺錘，所述擺錘隨舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生擺動。
3.如權(quán)利要求2所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，其特征在于，所述舵機(jī)設(shè)置于所述蹺蹺板中心位置處。
4.如權(quán)利要求1所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，其特征在于，所述檢測元件為樹脂電位器或旋轉(zhuǎn)編碼器，所述檢測元件與所述支撐機(jī)構(gòu)集成于一體，所述檢測元件的轉(zhuǎn)軸為所述蹺蹺板的轉(zhuǎn)軸，所述蹺蹺板轉(zhuǎn)動固定于所述檢測元件的轉(zhuǎn)軸上。
5.如權(quán)利要求1所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，其特征在于，所述檢測元件為MEMS重力傳感器，所述MEMS重力傳感器設(shè)置于所述蹺蹺板上。
6.如權(quán)利要求1所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，其特征在于，所述檢測元件為光電傳感器，所述光電傳感器對稱固定于所述蹺蹺板兩端對應(yīng)的水平面上。
7.如權(quán)利要求1所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，其特征在于，所述控制部件為具有A/D功能和PWM輸出功能的單片機(jī)。
8.如權(quán)利要求7所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，其特征在于，所述平衡控制裝置還包括通信模塊。
9.如權(quán)利要求8所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，其特征在于，所述通信模塊采用藍(lán)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(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換器連接至計(jì)算機(jī)的USB接口。
10.如權(quán)利要求7所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的蹺蹺板平衡控制裝置，其特征在于，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(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】王富東, 楊歆豪, 王敬馳, 侍曉麗 申請人:蘇州大學(xué)