本發(fā)明涉及平衡控制技術，具體為一種可全方位傾斜的小車蹺蹺板裝置及其平衡控制方法。

背景技術：

小車蹺蹺板平衡控制實驗裝置具有結構簡單、運動機理易于分析等良好的物理特性，是進行運動控制理論研究的一種實驗平臺，目前常運用于大學生電子設計大賽、智能車大賽等表演展示領域。

現有的小車蹺蹺板實驗平臺通常是由可以繞固定方向傾斜的蹺蹺板以及可以在蹺蹺板上自由運動的小車組成，其基本的控制原理是通過單軸的傾角傳感器檢測蹺蹺板的傾斜狀態(tài)，并實時調整小車相對蹺蹺板的位置來使蹺蹺板保持動態(tài)平衡。然而，現有的小車蹺蹺板實驗裝置，其中的蹺蹺板只能單方向傾斜，以這種小車蹺蹺板實驗系統進行控制理論研究時，其研究的范圍會受到一定的限制，比如控制系統的維數。

如果能夠將只能繞固定方向轉動的單自由度蹺蹺板改為可以繞空間任意方向轉動的空間多自由度蹺蹺板，則可以大大地提高小車蹺蹺板平衡控制系統的維度，從而擴大小車蹺蹺板控制理論研究的范圍與深度。

目前尚未見到有可以繞任意軸轉動的小車蹺蹺板實驗平臺。

技術實現要素：

為此，本發(fā)明提出了一種可全方位傾斜的小車蹺蹺板裝置及其平衡控制方法。

本發(fā)明可全方位傾斜的小車蹺蹺板裝置，其技術方案包括蹺蹺板平衡機構，所不同的是所述蹺蹺板平衡機構包括蹺蹺板平臺和全向輪支撐組件：

1、全向輪支撐組件包括分別通過對應輪架安裝且圓周均布的三個全向輪，三個全向輪的軸線向下交匯于一點，各輪架上分別設有檢測對應全向輪轉動參數(轉動幅度和轉動速度)的絕對式編碼器和增量式編碼器。

2、所述蹺蹺板平臺包括同軸設置的上、下圓形軌槽，所述下圓形軌槽通過其底部同軸設置的半球體置于三個全向輪上，上圓形軌槽或下圓形軌槽上設有可實時反饋蹺蹺板平臺姿態(tài)的陀螺儀傳感器。

3、一圓形軌槽內設有可制造干擾因素使蹺蹺板平臺傾斜的自由運動小車，另一圓形軌槽內設有使蹺蹺板平臺恢復平衡的可控小車，各圓形軌槽的底部和/或側部圓周均布設有檢測對應小車位置的霍爾傳感器，各小車上設有檢測其自身運動速度的編碼器。

進一步，所述自由運動小車設于下圓形軌槽內，所述可控小車設于上圓形軌槽內。

更進一步，所述自由運動小車設為一個，所述可控小車設為兩個。

按常規(guī)，上、下圓形軌槽的大小設計為一致。

按常規(guī)，所述輪架通過的支撐架設于底座上。

本發(fā)明可全方位傾斜的小車蹺蹺板裝置平衡控制方法為當蹺蹺板平臺受到自由運動小車的干擾而發(fā)生傾斜時，可通過控制可控小車的運動使蹺蹺板平臺恢復水平并保持動態(tài)平衡，其平衡控制步驟為：

1、建立蹺蹺板系統的坐標系，其中，Z軸垂直于蹺蹺板平臺，X軸和Y軸構成的平面在初始時刻與水平面平行。

2、由上、下圓形軌槽內的霍爾傳感器分別測出自由運動小車和可控小車在坐標系中的坐標，通過各小車上的編碼器確定各自的行走速度。

3、通過蹺蹺板平臺上的陀螺儀傳感器以及各輪架上的編碼器實時測量出蹺蹺板平臺的運動狀態(tài)。

4、結合各小車位置坐標以及蹺蹺板平臺的運動狀態(tài)計算出自由運動小車重力對半球體球心產生的力矩和可控小車重力對半球體球心產生的力矩。

5、以自由運動小車和可控小車的合力矩為虛擬控制輸入量，以減小蹺蹺板平臺的傾角和傾角速度、恢復并保持蹺蹺板平臺水平為目標，計算得出可控小車需要達到的位置。

6、根據可控小車需要達到的位置，結合可控小車的當前速度推算出可控小車需要的輸入速度大小和方向。

7、按照步驟6的計算結果驅動可控小車運動。

8、重復步驟2進行下一次控制循環(huán)。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明可全方位傾斜的小車蹺蹺板裝置及其平衡控制方法解決了由于干擾因素導致蹺蹺板平臺向任意方向傾斜的問題，為研究復雜的平衡控制問題提供一種簡潔的通用平臺。

2、本發(fā)明在一定的程度上提高了小車蹺蹺板平衡控制系統的維度，并在結構原理上擴大了小車蹺蹺板控制理論研究的范圍與深度，從而更有效的訓練使用者的控制系統設計開發(fā)能力。

3、本發(fā)明通過各種編碼器和傳感器實時測量小車以及蹺蹺板平臺的運動參數實現實時平衡，更具有動態(tài)效果。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明一種實施方式的立體結構示意圖。

圖2為圖1實施方式中全向輪支撐組件的立體結構示意圖。

圖3(a)為圖1實施方式中下圓臺及下環(huán)形軌槽的俯視圖。

圖3(b)為圖3(a)中的A-A剖視圖。

圖號標識：1、上圓形軌槽；2、下圓形軌槽；3、全向輪；4、輪架；5、絕對式編碼器；6、增量式編碼器；7、上圓臺；8、下圓臺；9、支撐柱體；10、半球體；11、自由運動小車；12、可控小車；13、霍爾傳感器；14、支撐架；15、底座；16、陀螺儀傳感器；17、全向輪支撐組件。

具體實施方式

下面結合附圖所示實施方式對本發(fā)明的技術方案作進一步說明。

本發(fā)明可全方位傾斜的小車蹺蹺板裝置的技術方案包括蹺蹺板平衡機構，所述蹺蹺板平衡機構包括蹺蹺板平臺和全向輪支撐組件17，如圖1所示。

所述全向輪支撐組件17包括于同一水平層面上圓周內均布的三個全向輪3，各全向輪3安裝于對應的“U”型輪架4內，各輪架4分別通過各自的支撐架14安裝于底座15上，三個全向輪3的軸線向下交匯于底座15中心處；所述輪架4上設有與對應全向輪3的兩輪軸分別連接的絕對式編碼器5和增量式編碼器6，如圖1、圖2所示。

所述蹺蹺板平臺包括大小一致且同軸的上圓形軌槽1和下圓形軌槽2，所述上圓形軌槽1同軸設于上圓臺7上，所述下圓形軌槽2同軸設于下圓臺8上，上、下圓臺7、8通過圓周均布的支撐柱體9連接為一體，下圓臺8底部同軸設有空心的半球體10，所述半球體10內部的下圓臺8底部中央設有陀螺儀傳感器16，蹺蹺板平臺通過半球體10放置于三個全向輪3上，三個全向輪3可以實現蹺蹺板平臺在任意角度方向上的運動，滿足任意自由度的傾斜；所述下圓形軌槽2內設有一個自由運動小車11，所述上圓形軌槽1內設有兩個可控小車12，各小車上設有磁性元件和檢測其自身運動速度的編碼器，各圓形軌槽的底部和一側面上圓周均布設有霍爾傳感器13，所述霍爾傳感器13上的線圈與小車上的磁性元件發(fā)生作用從而實現對小車位置的檢測，如圖1、圖3(a)、圖3(b)所示。

本發(fā)明通過全向輪支撐組件17實現了蹺蹺板平臺在空間繞任意軸線的傾斜，當系統受到外界干擾(自由運動小車11的運行)發(fā)生傾斜時，通過陀螺儀傳感器16、各種編碼器、霍爾傳感器13等不同類型的傳感器來檢測蹺蹺板平臺以及其上自由運動小車11的相關物理參數，驅動可控小車12到達適當的位置來使蹺蹺板平臺恢復水平并保持動態(tài)平衡。

具體的，本發(fā)明可全方位傾斜的小車蹺蹺板裝置平衡控制方法，其平衡控制步驟為：

1、建立蹺蹺板系統的坐標系，其中，Z軸垂直于蹺蹺板平臺，X軸和Y軸構成的平面在初始時刻與水平面平行。

2、通過上圓形軌槽1內的霍爾傳感器13測出兩個可控小車12在坐標系中的坐標，通過下圓形軌槽2內的霍爾傳感器13測出自由運動小車11在坐標系中的坐標，并通過各小車上的編碼器確定各自的行走速度。

3、通過下圓臺8上的陀螺儀傳感器16以及各輪架4上的編碼器(絕對式和增量式)實時測量出蹺蹺板平臺的運動狀態(tài)。

4、結合各小車位置坐標以及蹺蹺板平臺的運動狀態(tài)計算出自由運動小車11重力對半球體10球心產生的力矩和兩可控小車12重力對半球體10球心產生的力矩。

5、以自由運動小車11和兩可控小車12的合力矩為虛擬控制輸入量，以減小蹺蹺板平臺的傾角和傾角速度、恢復并保持蹺蹺板平臺水平為目標，計算得出兩可控小車12需要各自達到的位置。

6、根據兩可控小車12需要達到的位置，結合各可控小車12的當前速度推算出各可控小車12需要的輸入速度大小和方向。

7、按照步驟6的計算結果分別驅動各可控小車12運動。

8、重復步驟2進行下一次控制循環(huán)。