CN102591367B - 二维球-面系统控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种球-面平衡控制装置，包括球面装置本体，工业计算机，控制柜三部分；其中球面装置本体包括球、支脚、电机、同步带、摄像头、连杆、平面、万向节、同步带轮、支撑平台、倾角传感器。通过平面上部的摄像头即时采集球在平面的具体位置，采集到的位置信息实时发送到工业计算机，同时，电机码盘和倾角传感器采集平面的倾斜角度信息发送到工业计算机，工业计算机根据控制算法发送控制信号到控制柜，控制柜中的电机驱动器驱动电机控制平面两个自由度运动以实现球的实时平衡控制。本装置具有结构简单、节能高效等特点，可广泛地应用于教学场合。

Description

二维球-面系统控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种系统控制装置，特别涉及一种二维球面系统控制装置及方法。

背景技术

欠驱动系统是指控制输入的数目少于系统自由度的一类系统，通过较少的控制输入控制较多自由度的运动，欠驱动系统的应用非常广泛，实际应用中许多系统都被设计成为了欠驱动系统（航天器、直升飞机、水下航行器、卫星、柔性机器人等）。

球棒系统是一类欠驱动系统，由一根连杆和一个可在连杆上自由运动的小球组成，连杆可绕一个转轴在一个垂直平面内转动。在整个系统中，连杆的转角是驱动的，小球的位置是未驱动的。通过在连杆转轴上施加驱动力，调整连杆的转角，从而可以控制连杆和小球同时达到期望的平衡位置。该系统是一个典型的多变量的非线性系统，是非线性控制理论的一个典型实验室课题。该系统通过操作驱动力矩的控制使刚性球稳定在连杆的中心位置。

二维球面系统，包括一个可两自由度旋转的平面和平面上滚动的小球。通过控制平面的旋转角度可以控制平面上小球的位置。整个系统中面的倾角是驱动的，小球的位置是未驱动的。相对于球棒系统，二维球面系统的动力学方程更加复杂，其控制难度更大。现以二维球面系统为研究对象，制造一个实验装置，可以验证非线性控制方法的有效性。通过设计该系统的控制器，无论小球在平面的什么位置，平面的角度如何，该控制装置都能使小球稳定在平面的中心位置。

发明内容

发明目的是提供一种试验装置，将球棒系统的运动由一维扩展到二维，球-面系统是一类欠驱动系统，通过研究球-面系统的控制算法，可以验证欠驱动系统控制算法的好坏。

本发明的技术方案如下：一种球-面系统控制装置，包括工业计算机和控制柜，还包括球面装置本体；所述球面装置本体包括球、支脚、码盘、电机、同步带、摄像头、连杆、平面、万向节、同步带轮、支撑平台和倾角传感器。

所述的小球放置于平面上，平面由支脚固定在支撑平台上，平面与支脚由二自由度的万向节连接，平面的四个顶点由两根同步带对角相连。

每根同步带经过两个同步带轮，四个同步带轮分别固定于平面平行于支撑平台的时候平面四个顶点在支撑平台的投影位置，四个同步带轮中，选择两个相邻同步带轮由电机驱动。

所述的摄像头由四根连杆固定于平面正上方，四根连杆分别连接平面的一个顶点，随时采集小球在平面上的位置，摄像头的输出端与工业计算机的输入端连接。

所述的倾角传感器放置于平面的底面，倾角传感器的输出端与工业计算机的输入端连接。

所述码盘安装在电机的后方，以测量电机的转角。

    控制柜分别通过导线与摄像头、倾角传感器、电机、工业计算机连接，由控制柜给这些设备提供电力。

    工业计算机通过控制柜的电机驱动电路控制电机的运转。

    一种球-面系统控制装置的控制方法，包括以下步骤：

（1）小球的位置信息通过摄像机采集得到，摄像头将采集的信息发送到工业计算机；

（2）码盘采集电机的转角信息，并发送到工业计算机；

（3）倾角传感器采集的平面两自由度倾角，并发送到工业计算机；

（4）工业计算机计算分析倾角传感器、码盘与摄像头采集到的信息，控制算法根据反馈信息和控制目标给出控制信号，控制信号由工业计算机发送到控制柜，由控制柜中的电机驱动两台电机的运转，以控制同步带轮转速记转角，从而保证小球在平面上的平衡并到达所期许的位置。

本发明提出一种球-面系统控制装置。一种球-面系统控制装置，包括球、支脚、电机、同步带、摄像头、连杆、平面、万向节、同步带轮、支撑平台、控制柜、工业计算机、倾角传感器；其中，所述的小球放置于平面上，平面上有刻度值；所述的平面由支脚固定在支撑平台上，平面与支脚由二自由度的万向节连接，平面的四个顶点由两根弹性系数很小的同步带对角相连，每根同步带经过两个同步带轮，四个同步带轮分别固定于平面平行于支撑平台的时候平面四个顶点在支撑平台的投影位置，四个同步带轮中，选择两个相邻同步带轮由电机驱动；所述的摄像头由四根连杆固定于平面正上方，四根连杆分别连接平面一个顶点，随时采集小球在平面上的位置。

平面上部的摄像头即时采集球在平面的具体位置，采集到的位置信息及时发送到工业计算机，同时，倾角传感器采集平面的倾斜角度信息发送到工业计算机，工业计算机经过分析计算控制同步带轮转速及转向，发送控制信号到驱动机，驱动机控制同步带轮来调节同步带从而控制平面纵向以及横向两个自由度运动以达到球能保持平衡。本发明的球-面系统控制装置与方法能有效的控制小球在平面的平衡。

本发明的有益效果如下。

1、本发明所述的球-面系统控制装置能有效的控制小球在平面的平衡，具有结构简单、节能高效等特点。

2、本发明所述装置也是一个典型的欠驱动系统实验平台，通过本装置可验证非线性控制算法的好坏，本装置可广泛地应用于教学场合。

3、本发明所述装置的摄像机与面相对位置固定，以降低图像处理难度，同时可以提高小球位置检测精度。

附图说明

图1是本发明球-面系统控制装置图。

图2是本发明控制装置倾角为0度时平面与支脚连接结构图。

图3是本发明控制装置平面倾斜时平面与支脚连接结构图。

图4为本发明装置控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的一种球-面系统控制装置，包括球面装置本体1，工业计算机2，控制柜3三部分，其中球面装置本体1又包括小球4、支脚5、电机6、同步带7、摄像头8、连杆9、平面10、万向节11、同步带轮12、支撑平台13、码盘14、倾角传感器15等部件。支脚5、电机6、同步带轮12固定连接在支撑平台13上；其中，所述的小球4放置于平面10上，平面10的边缘有台阶，可以防止小球4滚落；平面10由支脚5固定在支撑平台13上，平面10与支脚5由二自由度的万向节11连接，平面10的四个顶点由两根弹性系数很小的同步带7对角相连，同步带保持绷紧状态，每根同步带经过两个同步带轮，四个同步带轮12（如图1中的同步带轮A 、B 、C、 D） 分别固定于平面平行于支撑平台13的时候平面10的四个顶点在支撑平台的投影位置，四个同步带轮12中，选择两个相邻同步带轮12由电机6驱动（如图1所示，同步带轮A 、B分别与两个电机相连，由两个电机驱动）；所述的摄像头8由四根连杆9固定于平面10正上方，四根连杆9分别连接平面10的一个顶点，随时采集小球4在平面10上的位置，摄像头8的输出端与工业计算机2的输入端连接。工业计算机2的内部包含图像采集卡，可将摄像头8采集的图像信号转换为小球4在平面10上的位置信息；此外，工业计算机还包含电机驱动板卡及其相应的软件。所述的倾角传感器15放置于平面10的底面；倾角传感器15的输出端与工业计算机2的输入端连接；所述码盘安装在电机6的后方，以测量电机的转角。控制柜用来提供电源、接口电路、和电机驱动等。摄像头8，倾角传感器15、电机6、工业计算机2分别通过导线与控制柜3连接，由控制柜3给这些设备提供电力。此外，工业计算机2通过控制柜3的电机驱动电路控制电机6的运转。

图2和3所示的是本控制装置二自由度倾角为0度和二自由度倾角分别为，时平面10与支脚5的连接结构图；从图中可以看出，支脚与平面之间通过二自由度的万向节11连接。万向节11可以在X和Y轴方向旋转，使平面倾斜。

球-面系统控制装置的控制过程如图4所示。

该球-面系统控制装置控制小球的过程是：小球4在平面10的具体位置信息由平面10上部的摄像头8即时采集，摄像头8的内部包含图像采集卡，可以将拍摄的图像信息转换为小球在平面上的位置信息，采集到的位置信息及时发送到工业计算机2。小球4和平面10选取色彩对比强烈的颜色，比如球选择黑色，面选为白色，这样当摄像头8拍摄下小球的照片后，输入工业计算机2通过简单的图像处理，便可得到小球4在平面10上X和Y轴方向的位置信息x和y。码盘14采集电机的转角信息，并发送到工业计算机2，工业计算机2通过电机6的转角可以计算出平面10在横向X和纵向Y的倾斜角度和。工业计算机2经过分析计算发送控制信号到控制柜3，控制柜3控制电机6运转，以控制同步带轮12转速及转角，从而来保证小球4在平面10上的平衡并到达所期许的位置。本发明的球-面系统控制装置及方法能有效的控制小球4在平面10的平衡与在平面10上的位置，来保证球在平面10上的平衡。倾角传感器15安装在平面10上，用于测量平面10的倾角，其功能与码盘14相同。在系统开始运行时的起始时刻，由两自由度的倾角计14用来初始化系统，使系统找到水平位置，然后交给码盘14进行反馈平面10的倾角信息，从而实现系统的稳定控制。

假使小球4如图1所示在平面10的一侧，此时平面10平行于支撑平台13，各顶点分别到同步带轮A、B、C、D的同步带7长度均相等，倾角传感器15采集到的横向及纵向角度均为0度，为使小球4到达中心位置O点，可控制同步带轮A与同步带轮B链接的电机6，使之转动，使顶点A1与同步带轮A以及顶点B1与同步带轮B之间同步带7的长度增加，平面10倾斜，小球4向平面10的中心位置O滚动，同时码盘14即时测量平面倾斜角度，传送给工业计算机2，控制结束时，小球停留在位置O，此外，码盘14测量的平面倾斜角度都为0，才能保证小球4在平面10上的平衡。

Claims (4)

1.一种球-面系统控制装置，包括工业计算机和控制柜，其特征在于还包括球面装置本体；所述球面装置本体包括球、支脚、码盘、电机、同步带、摄像头、连杆、平面、万向节、同步带轮、支撑平台和倾角传感器； 所述的球放置于平面上，平面由支脚固定在支撑平台上，平面与支脚由二自由度的万向节连接，平面的边缘有台阶，平面的四个顶点由两根同步带对角相连；每根同步带经过两个同步带轮，四个同步带轮分别固定于平面平行于支撑平台的时候平面四个顶点在支撑平台的投影位置，四个同步带轮中，选择两个相邻同步带轮由电机驱动；所述的摄像头由四根连杆固定于平面正上方，四根连杆分别连接平面的一个顶点，随时采集球在平面上的位置，摄像头的输出端与工业计算机的输入端连接； 所述的倾角传感器放置于平面的底面，倾角传感器的输出端与工业计算机的输入端连接；所述码盘安装在电机的后方，以测量电机的转角。

2.根据权利要求1所述的球-面系统控制装置，其特征在于：所述控制柜分别通过导线与摄像头、倾角传感器、电机、工业计算机连接，由控制柜给这些设备提供电力。

3.根据权利要求1所述的球-面系统控制装置，其特征在于：所述工业计算机通过控制柜的电机驱动电路控制电机的运转。

4.根据权利要求1所述装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）球的位置信息通过摄像机采集得到，摄像头将采集的信息发送到工业计算机；

（2）码盘采集电机的转角信息，并发送到工业计算机；

（3）倾角传感器采集的平面两自由度倾角，并发送到工业计算机；

（4）工业计算机计算分析倾角传感器、码盘与摄像头采集到的信息，控制算法根据反馈信息和控制目标给出控制信号，控制信号由工业计算机发送到控制柜，由控制柜中的电机驱动两台电机的运转，以控制同步带轮转速记转角，从而保证球在平面上的平衡并到达所期许的位置。

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