基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺，包括底座、支架、直流電機(jī)、旋轉(zhuǎn)臂、角位移傳感器和擺桿，所述支架設(shè)置在所述底座上，所述直流電機(jī)豎直安裝在所述支架內(nèi)部，所述旋轉(zhuǎn)臂的中部與所述直流電機(jī)的輸出軸固定連接，所述角位移傳感器設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)臂的一端，所述擺桿安裝在所述角位移傳感器的轉(zhuǎn)軸上。本實(shí)用新型基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺能避免手編代碼，極大地減小工作量，同時(shí)該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由數(shù)字信號(hào)處理器直接驅(qū)動(dòng)，可靠性高，電機(jī)的調(diào)速和位移量變化范圍大，容易實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)速度快。
【專利說(shuō)明】基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種倒立擺，尤其涉及一種基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺。

【背景技術(shù)】
[0002] 基于模型設(shè)計(jì)是近10年才發(fā)展起來(lái)的21世紀(jì)前沿技術(shù)，采用該技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所 花的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本只有傳統(tǒng)方法的1/5-1/2,該技術(shù)對(duì)一個(gè)國(guó)家的整體科技創(chuàng)新能力影 響較大，近年來(lái)幾乎所有的重大創(chuàng)新項(xiàng)目都有基于模型設(shè)計(jì)的影子，比如洛克希德一馬丁 公司投資超過(guò)2000億美元的F-35項(xiàng)目，基本上是采用基于模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。
[0003] 倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)非線性自然不穩(wěn)定系統(tǒng)，是進(jìn)行控制理論教學(xué)及開(kāi)展各種控制 實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，許多抽象的控制概念如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性、魯棒性、系統(tǒng)收 斂速度和系統(tǒng)抗干擾能力等，都可以通過(guò)倒立擺系統(tǒng)直觀地地表現(xiàn)出來(lái)，除教學(xué)用途外，由 于倒立擺系統(tǒng)的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強(qiáng)耦合等特性使得許多現(xiàn)代控制理論的 研究人員一直將它視為研究對(duì)象用來(lái)解決航天技術(shù)中遇到的問(wèn)題，倒立擺根據(jù)其基座運(yùn)動(dòng) 形式不同可以分為直線倒立擺、旋轉(zhuǎn)倒立擺和平面倒立擺；旋轉(zhuǎn)倒立擺由于其非線性問(wèn)題 較為強(qiáng)烈，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒 立擺。
[0005] 本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的：
[0006] -種基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺，包括底座、支架、直流電機(jī)、旋轉(zhuǎn)臂、角位移傳感 器和擺桿，所述支架設(shè)置在所述底座上，所述直流電機(jī)堅(jiān)直安裝在所述支架內(nèi)部，所述旋轉(zhuǎn) 臂的中部與所述直流電機(jī)的輸出軸固定連接，所述角位移傳感器設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)臂的一 端，所述擺桿安裝在所述角位移傳感器的轉(zhuǎn)軸上。
[0007] 進(jìn)一步，所述倒立擺包括電源、第一降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片、第二降壓開(kāi)關(guān)型集 成穩(wěn)壓芯片、角位移傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述電源的電壓 輸出端分別與所述第一降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的電壓輸入端、第二降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓 芯片的電壓輸入端和所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電壓輸入端連接，所述第一降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯 片的電壓輸出端與所述角位移傳感器的電壓輸入端連接，所述角位移傳感器的信號(hào)輸出端 與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入端連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸出端與所述數(shù)字信號(hào)處理 器的信號(hào)輸入端連接，所述第二降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的電壓輸出端與所述數(shù)字信號(hào)處 理器的電壓輸入端連接，所述數(shù)字信號(hào)處理器的信號(hào)輸出端與所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出 端連接，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端與所述直流電機(jī)的信號(hào)輸入端連接。
[0008] 本實(shí)用新型的有益效果在于：
[0009] 本實(shí)用新型基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺能避免手編代碼，極大地減小工作量，同 時(shí)該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由數(shù)字信號(hào)處理器直接驅(qū)動(dòng)，可靠性高，電機(jī)的調(diào)速和位移量變化范圍大， 容易實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)速度快。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是本實(shí)用新型基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖2是本實(shí)用新型基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺的結(jié)構(gòu)框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0013] 如圖1所示，本實(shí)用新型基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺，包括底座1、支架2、直流電 機(jī)3、旋轉(zhuǎn)臂4、角位移傳感器5和擺桿6,支架2設(shè)置在底座1上，直流電機(jī)3堅(jiān)直安裝在支 架2內(nèi)部，旋轉(zhuǎn)臂4的中部與直流電機(jī)3的輸出軸固定連接，角位移傳感器5設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臂 4的一端，擺桿6安裝在角位移傳感器5的轉(zhuǎn)軸上。
[0014] 如圖2所示，倒立擺包括電源、第一降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片、第二降壓開(kāi)關(guān)型集 成穩(wěn)壓芯片、角位移傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電源的電壓輸出 端分別與第一降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的電壓輸入端、第二降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的電 壓輸入端和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電壓輸入端連接，第一降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的電壓輸出端與 角位移傳感器的電壓輸入端連接，角位移傳感器的信號(hào)輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入端 連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸出端與數(shù)字信號(hào)處理器的信號(hào)輸入端連接，第二降壓開(kāi)關(guān)型集 成穩(wěn)壓芯片的電壓輸出端與數(shù)字信號(hào)處理器的電壓輸入端連接，數(shù)字信號(hào)處理器的信號(hào)輸 出端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端與直流電機(jī)的信號(hào)輸入端 連接。
[0015] 本實(shí)用新型基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺的工作原理如下：
[0016] 數(shù)字信號(hào)處理器的信號(hào)為T(mén)MS320F28335,運(yùn)算能力強(qiáng)，增強(qiáng)型模塊使用方便，自由 度大，通用10 口數(shù)量多，數(shù)模轉(zhuǎn)換器為數(shù)字信號(hào)處理器自帶的16通道12位高精度ADC模 塊，角位移傳感器5的型號(hào)為WDY3OT4,阻值為10K Ω，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為L(zhǎng)298N，L298N芯 片電路簡(jiǎn)單，可靠性高，單片機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的調(diào)速和位移量變化范圍大，容易實(shí)現(xiàn)， 反應(yīng)速度快，第一降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片和第二降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的型號(hào)均為 LM2596S-ADJ，本芯片最大輸出電流為3A，最高輸出電壓為37V，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)75 %?88 %， 發(fā)熱很小，電源的輸出電壓為12V，第一降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的輸出電壓為3V，第二降 壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的輸出電壓為5V。
[0017] 通過(guò)角位移傳感器5實(shí)現(xiàn)角度-電阻-電壓的轉(zhuǎn)換，傳感器輸出模擬電壓經(jīng)一階 濾波，濾除噪聲，傳到TMS320F28335內(nèi)部ADC采樣，然后采用數(shù)字濾波算法再次進(jìn)行濾波， 最后通過(guò)數(shù)字PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確控制（其中，涉及的DSP內(nèi)部算法以及程序均 運(yùn)用Matlab通過(guò)基于模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)），按照搭建模型-仿真通過(guò)-代碼自動(dòng)生成的過(guò)程 較為精確的實(shí)現(xiàn)了擺桿6的倒立以及倒立旋轉(zhuǎn)等功能。
[0018] 本系統(tǒng)通過(guò)CCS1 ink工具箱將已經(jīng)驗(yàn)證的Simul ink模型轉(zhuǎn)換為C語(yǔ)言代碼并 自動(dòng)完成編譯、燒錄，本設(shè)計(jì)所用到的PID算法經(jīng)過(guò)Simulink測(cè)試以后修改為代碼模型直 接生成代碼，省去了數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為代碼模型的過(guò)程，完全實(shí)現(xiàn)了零手寫(xiě)代碼，大大提高了 效率；采用基于模型的設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成代碼，避免了編程時(shí)的出錯(cuò)概率，減少了工作量；采 用模塊化功能控制直流電機(jī)3,易于實(shí)現(xiàn)，而且可以按照控制者意愿方便實(shí)施控制與修改； 采用高精度角位移傳感器5,相比于以往倒立擺能夠更快、更精準(zhǔn)采集信息，使系統(tǒng)更加穩(wěn) 定；采用數(shù)字濾波對(duì)傳感器傳過(guò)來(lái)的信號(hào)再次濾波后，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法，很好 的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)精確控制。本系統(tǒng)所采用部分器件相比于其它旋轉(zhuǎn)倒立擺節(jié)省了一定 成本。
[0019] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案不限于上述具體實(shí)施例的限制，凡是根據(jù)本實(shí)用新型的技 術(shù)方案做出的技術(shù)變形，均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺，其特征在于：包括底座、支架、直流電機(jī)、旋轉(zhuǎn)臂、 角位移傳感器和擺桿，所述支架設(shè)置在所述底座上，所述直流電機(jī)堅(jiān)直安裝在所述支架內(nèi) 部，所述旋轉(zhuǎn)臂的中部與所述直流電機(jī)的輸出軸固定連接，所述角位移傳感器設(shè)置在所述 旋轉(zhuǎn)臂的一端，所述擺桿安裝在所述角位移傳感器的轉(zhuǎn)軸上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)倒立擺，其特征在于：包括電源、第一降 壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片、第二降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片、角位移傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字 信號(hào)處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述電源的電壓輸出端分別與所述第一降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯 片的電壓輸入端、第二降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的電壓輸入端和所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電壓輸 入端連接，所述第一降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片的電壓輸出端與所述角位移傳感器的電壓輸 入端連接，所述角位移傳感器的信號(hào)輸出端與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入端連接，所述數(shù) 模轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸出端與所述數(shù)字信號(hào)處理器的信號(hào)輸入端連接，所述第二降壓開(kāi)關(guān)型集 成穩(wěn)壓芯片的電壓輸出端與所述數(shù)字信號(hào)處理器的電壓輸入端連接，所述數(shù)字信號(hào)處理器 的信號(hào)輸出端與所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端連接，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端與所述 直流電機(jī)的信號(hào)輸入端連接。
【文檔編號(hào)】G05D3/12GK203909627SQ201420155889
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】格潤(rùn)洲, 孟鵬飛, 潘耘昊, 毛澤宇, 于思奇 申請(qǐng)人:孟鵬飛