CN102522042B - 一种基于电磁效应的倒立摆系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电磁效应的倒立摆系统，包括基座、转动连接轴、线圈、舵机、舵机连接杆、永磁体支架、永磁体、隔板、陀螺仪、加速度计、控制模块、电源模块、线圈绕组，线圈支架，基座把手。本倒立摆系统中控制本电磁倒立摆系统平衡的力是施加在倒立摆的上端的，且将电磁效应应用到倒立摆系统中，发明了一套应用电磁效应产生力来控制倒立摆系统的平衡的装置。本发明系统设计简单可靠，结构清晰明了，为独轮机器人侧向平衡等研究提供实验平台，该系统可在控制领域用来检验某种理论或方法的正确性与可行性，更重要的是该系统可以为独轮机器人的侧向平衡提供解决方案。

Description

一种基于电磁效应的倒立摆系统

技术领域

本发明涉及科学研究或教学的实验系统，尤其涉及一种基于电磁效应的倒立摆系统，该系统在控制领域用来检验某种理论或方法的正确性与可行性，更重要的是该系统可以为独轮机器人的侧向平衡提供解决方案。

背景技术

文献检索及专利检索显示，现有的倒立摆系统控制其平衡的力或力矩绝大多数是在倒立摆的下端，如很常见的小车倒立摆就是通过控制连接摆杆的小车运动达到控制倒立摆平衡的目的，但是随着独轮机器人研究的进行，独轮机器人侧向平衡问题一直困扰着研究人员，因为独轮机器人的一个轮子只有前后方向的自由度，没有侧向的自由度，因而在不改变轮子结构前提下，不能通过只控制一个独轮就保持独轮机器人的平衡，必须通过在独轮机器人上方施加力方可保持独轮机器人的侧向平衡，为此申请号为200810106348.3的发明专利首先给出了一种控制独轮机器人侧向平衡的方案，其通过改变侧向配重的重心位置来达到控制独轮机器人侧向平衡的目的；然后申请号为201010151221.0的发明专利给出了基于惯性飞轮旋转产生反扭矩控制倒立摆平衡，间接解决了机器人侧向平衡问题。但是以上两类解决方案都存在系统笨重问题，即需要质量较大的装置才能保持平衡，而且惯性飞轮的方法产生的力与加速度有关系，受电机性能限制很难控制。

发明内容

为了解决现有从倒立摆上部产生作用力的倒立摆平衡控制系统结构笨重，质量较大的问题，本发明提出了一种基于电磁效应产生力或力矩作用于倒立摆上部来得到控制倒立摆平衡，间接为控制独轮机器人侧向平衡提供解决方案。因为其控制巧妙亦可作为高等院校的实验教学仪器，为独轮机器人的侧向平衡研究及高等院校教学提供实验平台。更值得一提的是因为采用电磁效应产生作用力所以系统的体积小，质量轻，更加适合独轮机器人的机动性能要求。

本发明采用如下技术方案，参照图1，基于电磁效应的倒立摆系统，包括基座1、连接轴2、线圈3、线圈平台4、舵机5、舵机连接杆6、永磁体支架7、永磁体8、隔板9、陀螺仪10、加速度计11、控制模块12、电源模块13、线圈绕组14、线圈支架15，基座把手16，电磁屏蔽材料17。

基座1与连接杆2活动相连，线圈3下端与连接轴2固定连接，平台4与线圈3是一个整体，位于线圈3侧面的下端，舵机5固定在线圈3一侧的平台4上，舵机连接杆6下端与舵机5转动盘同心连接，永磁体支架7与舵机连接杆6的另一端固定连接，永磁体8固定在永磁体支架7上，三块隔板9镶嵌入线圈的内侧，陀螺仪10和加速度计11安放在第二块隔板9上，控制模块12安放在最下边的隔板9上，陀螺仪10和加速度计11由控制模块13供电，并且与控制模块12相连将测量的信息传输给控制模块12，电源模块13安放在线圈3下部的内侧面上，线圈绕组14绕于线圈3外侧面，电源模块13给控制模块12和线圈绕组14供电，控制模块12输出控制量控制舵机4和线圈绕组14中的电流。线圈支架15固定在基座1上对称置于转动连接轴2两侧，。

基座1通过两个轴承与连接杆2相连。

所述的控制模块13为单片机芯片，DSP芯片、ARM芯片或FPGA。

所述的舵机5亦可替代为步进电机或直流电机。

所述的基于电磁效应的倒立摆系统，线圈绕组14位于线圈3顶部杆处加有铁芯，以增强电磁效应所产生的力或力矩，但线圈绕组14位于线圈3底部外侧安放有电磁屏蔽材料，以避免电磁效应对底部的线圈绕组产生力的作用。

所述的基于电磁效应的倒立摆系统，所述的线圈3与舵机4连接有两种结构，一种是舵机4固定在线圈3一侧的平台上，这时永磁体在舵机4作用下将一直在线圈正上方产生磁场；另一种结构是在线圈4两侧对称伸出两个平台，也就是将第一种结构的平台4向上移动到侧面中心位置，并在对面对称这么设置，然后在平台4上固定连接两个舵机5，这时舵机5将带动永磁体8在线圈3周边旋转，这样同样可以起到在线圈3正上方有一磁场的效果。

所述的基于电磁效应的倒立摆系统，线圈支架15的角度可调，既可以起到保护倒立摆装置作用，又可起到调节倒立摆初始摆角作用，还可以在装置不使用时起到固定倒立摆装置的作用。

所述的基于电磁效应的倒立摆系统，基座把手16可以起到方便搬运整个装置的作用。

倒立摆平衡主要基于电磁效应来实现，即通电线圈在磁场中受力这样原理来实现倒立摆的平衡控制，通过控制线圈中电流的方向及大小就可以实现倒立摆装置的平衡控制。

本发明可以取得如下有益效果：永磁体可在舵机或电机带动下在线圈正上方或一周产生磁场，通电线圈在磁场中受力或带动整个系统保持平衡状态。由于不是采用惯性飞轮等产生力矩的方式，故质量和体积都可以做得很小，这样使得倒立摆系统更加轻巧灵活。

附图说明

图1一种基于电磁效应的倒立摆系统结构示意图；

图2一种基于电磁效应的倒立摆系统的控制系统连接示意图；

图3一种基于电磁效应的倒立摆系统的受力分析示意图；

图4一种基于电磁效应的倒立摆系统的实施例2的结构示意图

图中：1基座，2连接轴，3线圈，4平台，5舵机，6舵机连接杆，7永磁体支架，8永磁体，9隔板，10陀螺仪，11加速度计，12控制模块，13电源模块，14线圈绕组，15线圈支架，16基座把手，17电磁屏蔽材料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明。

为了避免电磁对装置的影响，本系统结构材料为ABS型塑料，主要部件型号如下：舵机5型号为FutabaS3003，陀螺仪10型号为L3G4200D，加速度计11型号为ADXL345；控制模块12选用飓风数字系统(北京)有限公司MTK28335系统板，该系统的处理器采用TI公司TMS320F28335DSP，系统为5V直流供电；电源模块由可充电锂电池和电源转换板构成，锂电池选用LBS-100C标准锂电池，标称电压：29.6V，工作范围：33.6V-24V，标称容量：150Wh，保护电路：内置过充、过放、过流及短路保护，集成电量监控，电源转接板：华北工控PW-4512电源模块13，给控制模块12及其他电子器件供电，输入电压：16-40V DC，输出电压：ATX：+3.3V5A，+5V/+5VSB5A，+12V5A，-12V0.8A；实施例2中舵机5被电机5替代后，电机的参考型号选用Maxon公司的直流无刷电机套件RE35，24V供电，90W功率，3.7∶1的行星齿轮减速器GP32C，电机配有增量式光电编码器，精度为500线。

实施例1：

如图1所示，本发明的结构如前所述。

参照图2，首先对系统进行初始化，调整线圈支架15保持线圈部分和永磁体部分的摆角都为零度，给系统上电后控制模块12对陀螺仪10和加速度计11等惯导元件进行初始化，然后调整线圈支架15使得线圈部分和永磁体部分有一定摆角θ，参照图3，以线圈部分和永磁体部分偏向左侧为例，永磁体产生的磁场方向入图3中箭头所示，这时线圈上部的线圈绕组的电流方向被控制模块12置成垂直于纸面向外方向，参考洛伦兹力公式F＝BIL，则线圈3上部将会受到一个顺时针方向的力矩，在该力矩的作用下，摆角θ将减小，如果系统为一过阻尼系统则使用一定的控制算法就可以使摆角θ收敛为零，如果系统为一欠阻尼系统则摆角θ会产生超调量，即摆角θ会变成负的规定逆时针方向角度为正时，这时需要控制模块将线圈绕组14中的电流方向反向就可以使线圈整体受到一个逆时针方向的力矩，在控制摆角θ过程中，线圈绕组14中的电流大小是可调的，这一点通过控制模块中的D/A转换实现，这样将线圈绕组14中的电流作为控制量就可以快速地将整个系统控制在竖直的方向上了。

实施例2

实施例2如图4所示，其与图1中所示的实施例1的不同在于，在线圈3两侧对称伸出两个平台，也就是将实施例1的平台向上移动一定位置，并在对面对称设置，然后在线圈3平台上固定连接两个直流电机5，这时直流电机5将带动永磁体8在线圈周边旋转，当电机的转速比线圈摆角变化要快得多时，可以等效视为在线圈绕组的周边圆上有一固定磁场，以下的具体实施方式与实施例1相同，不再赘述。

最后要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述实施例已经进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.基于电磁效应的倒立摆系统，包括基座（1）、连接轴（2）、线圈（3）、平台（4）、舵机（5）、舵机连接杆（6）、永磁体支架（7）、永磁体（8）、隔板（9）、陀螺仪（10）、加速度计（11）、控制模块（12）、电源模块（13）、线圈绕组（14）、线圈支架（15）、基座把手（16）；其特征在于： 

基座（1）与连接轴（2）活动相连，线圈（3）下端与连接轴（2）固定连接，平台（4）与线圈（3）是一个整体，位于线圈（3）侧面的下端，舵机（5）固定在线圈（3）一侧的平台（4）上，舵机连接杆（6）下端与舵机（5）转动盘同心连接，永磁体支架（7）与舵机连接杆（6）的另一端固定连接，永磁体（8）固定在永磁体支架（7）上，三块隔板（9）镶嵌入线圈的内侧，陀螺仪（10和加速度计（11）安放在第二块隔板（9上，控制模块（12）安放在最下边的隔板（9）上，陀螺仪（10）和加速度计（11）由控制模块（13）供电，并且与控制模块（12）相连将测量的信息传输给控制模块（12），电源模块（13）安放在线圈（3）下部的内侧面上，线圈绕组（14）绕于线圈（3）外侧面，电源模块（13）给控制模块（12）和线圈绕组（14）供电，控制模块（12）输出控制量控制舵机（5）和线圈绕组（14）中的电流；线圈支架（15）固定在基座（1）上对称置于连接轴（2）两侧；线圈绕组（13）的有效部分为线圈绕组（13）的上侧面，该侧面与永磁体（8）产生的磁场方向保持垂直，且该侧面中绕圈绕组中的电流方向与磁场方向垂直。 

2.根据权利要求1所述的基于电磁效应的倒立摆系统，其特征在于：所述的基座（1）通过两个轴承与连接轴基于电磁效应的倒立摆系统（2）相连。 

3.根据权利要求1所述的基于电磁效应的倒立摆系统，其特征在于：所述的控制模块（13）为单片机芯片，DSP芯片、ARM芯片或FPGA。 

4.根据权利要求1所述的基于电磁效应的倒立摆系统，其特征在于：所 述的舵机(5）亦可替代为步进电机或直流电机。 

5.根据权利要求1所述的基于电磁效应的倒立摆系统，其特征在于：线圈绕组(14）位于线圈(3）顶部杆处加有铁芯，以增强电磁效应所产生的力或力矩，但线圈绕组(14）位于线圈(3）底部外侧安放有电磁屏蔽材料(17），以避免电磁效应对底部的线圈绕组产生力的作用。 

6.根据权利要求1所述的基于电磁效应的倒立摆系统，其特征在于：所述的线圈（3）与舵机（4）连接有两种结构，所述的舵机（5）固定在线圈（3）一侧的平台（4）上的结构也可替换为:在线圈（4）两侧对称伸出两个平台，也就是将第一种结构的平台（4）向上移动到侧面中心位置，并在对面对称这么设置，然后在平台（4）上固定连接两个舵机（5）。 

7.根据权利要求1所述的基于电磁效应的倒立摆系统，其特征在于：所述的线圈支架（15）为配合线圈（3）倾斜角度可调。 

8.根据权利要求1所述的基于电磁效应的倒立摆系统，其特征在于：线圈支架（15）长度可调节。 

9.根据权利要求1所述的基于电磁效应的倒立摆系统，其特征在于：基座把手（16）对称固定基座(1）上，且位于基座(1）两个侧面。

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