CN103810929A - 平面二维自由度旋转倒立摆装置 - Google Patents

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Abstract

一种平面二维自由度旋转倒立摆装置，有一个第一支架，第一支架上设置有旋转伺服电机，其特征是：旋转伺服电机的转轴上安装直线饲服电机，直线饲服电机的动子上设置悬臂，悬臂一端设置第一编码器，悬臂另一侧设置第二支架，第二支架一侧设置第二编码器，再通过第二转轴连接托盘，托盘的一侧设置第三编码器，托盘另一侧设置配重块，使得配重块与另一侧的第三编码器平衡，第三编码器上设置第三转轴，第三转轴在水平方向与第二转轴垂直，第三转轴端部设置可拆卸第一摆杆，第一摆杆的垂直投影正好位于于托盘的中心位置，第一编码器上设置第四转轴，第四转轴与托臂方向平行，第四转轴端部设置可拆卸第二摆杆，第一编码器用于检测沿托臂的切线方向摆动的第二摆杆的偏转角度，第二编码器与第三编码器分别检测第一摆杆沿着切线方向和轴向的偏离角度。

Description

平面二维自由度旋转倒立摆装置
技术领域
本发明涉及检验控制算法、研究控制理论很有效的实验设备，尤其是平面二维自由度旋转倒立摆装置。
背景技术
倒立摆系统是检验控制算法、研究控制理论很有效的实验设备，倒立摆系统按照结构形式不同可以分为：1）直线倒立摆系统，即小车倒立摆系统；2）旋转式倒立摆系统，即环形倒立摆系统；3）平面倒立摆系统；4）柔性倒立摆系统；5）直线柔性连接倒立摆系统。倒立摆是典型的非线性、多变量、耦合与欠驱动的系统，旋转式倒立摆与小车式倒立摆不同，由于将小车的平动控制改为悬臂控制，在硬件结构上减少了中间传动机构，相对于小车式倒立摆具有更大的非线性、不稳定性和复杂性，对控制算法提出了更高的要求。目前，一维自由度的旋转倒立摆已经应用于教学实验中，然而从结构、对象模型复杂度及控制难度上看都比较简单容易，不利于先进控制策略及算法的验证。平面倒立摆是最为复杂的一类，具有两个自由度，在XY平面内自由运动，在两个正交控制方向上存在耦合作用，平面倒立摆更加突出模型的非线性、耦合性及多变量等特点，使得控制的实现更具有挑战性。平面倒立摆是通过X、Y两个正交直线方向的加减速运动来实现倒立摆控制的，由于其结构本身的空间限制，因此，在X与Y方向的运动必然受限，大大限制该验证平台的应用范围。
为了进一步增强对象模型的非线性、xy方向的耦合性、不稳定性及复杂性，打破传统平面倒立摆Y方向的运动受限问题，将平面倒立摆与旋转摆结合，构建平面二维自由度的旋转倒立摆装置，即适合于一维自由度又适合于二维自由度倒立摆控制，到目前为止还未见有相关的报道。
发明内容
本发明针对现有的旋转倒立摆装置只适用于一维自由度倒立摆的控制算法检验问题、传统平面倒立摆在XY方向运动受限的问题，提供一种既适用于一维自由度又适用于二维自由度的平面二维自由度旋转倒立摆装置。
本发明的技术解决方案是：
一种平面二维自由度旋转倒立摆装置，有一个第一支架，第一支架上设置有旋转伺服电机，其特殊之处是：旋转伺服电机的第一转轴上安装直线饲服电机，直线饲服电机的动子上设置悬臂，悬臂一端设置第一编码器，悬臂另一侧设置第二支架，第二支架一侧设置第二编码器，再通过第二转轴连接托盘，托盘的一侧设置第三编码器，托盘另一侧设置配重块，使得配重块与另一侧的第三编码器平衡，第三编码器上设置第三转轴，第三转轴在水平方向与第二转轴垂直，第三转轴端部设置可拆卸第一摆杆，第一摆杆的垂直投影正好位于托盘的中心位置，第一编码器上设置第四转轴，第四转轴与托臂方向平行，第四转轴端部设置可拆卸第二摆杆，第一编码器用于检测沿托臂的切线方向摆动的第二摆杆的偏转角度，第二编码器与第三编码器分别检测第一摆杆沿着切线方向和轴向的偏离角度。
第一摆杆即可以沿托臂的切线方向摆动，也可以沿托臂的轴向方向摆动，第二编码器与第三编码器可分别检测第一摆杆沿着两个方向的偏离角度；第二摆杆只能沿着托臂的切线方向摆动，并由第一编码器检测其偏转角度。第一摆杆与第二摆动均可拆卸，当进行一维自由度旋转倒立摆实验时，将第一摆杆拆卸掉；当进行二维自由度旋转倒立摆实验时，将第二摆杆拆卸掉。
检测与控制装置由第一编码器、第二编码器、第三编码器、旋转伺服电机角度传感器、直线伺服电机位置传感器、微型计算机系统、旋转伺服电机驱动模块、直线伺服电机驱动模块及通信模块构成。当系统进行一维自由度的旋转倒立摆实验时，微型计算机系统通过第一编码器与旋转伺服电机角度传感器检测系统状态，通过相应的控制算法计算控制律，并通过旋转伺服电机驱动模块控制旋转伺服电动机的加（减）角速度来实现摆杆的控制任务； 系统进行二维自由度旋转平面倒立摆实验时，微型计算机系统通过第二编码器、第三编码器、旋转伺服电机角度传感器与直线伺服电机位置传感器检测系统状态，通过相应的控制算法计算控制律，并通过旋转伺服电机驱动模块与直线伺服电机驱动模块分别控制旋转伺服电动机的加（减）角速度、直线伺服电动机的轴线直线加（减）速度来实现摆杆的控制任务。
本发明的有益效果是：在已有的旋转倒立摆装置基础上进行了改进，提供了一套既适用于一维自由度又适用于二维自由度的平面二维自由度旋转倒立摆装置。与传统旋转倒立摆相比较，该装置有两套驱动系统提供动力，一套为旋转驱动系统给倒立摆的摆杆提供摆杆切向方向的动力，另一套给倒立摆摆杆提供轴向方向的动力。当进行一维自由度倒立摆控制实验时，第一摆杆拆卸掉，直线驱动系统关闭，只有旋转驱动系统提供动力；当进行二维自由度倒立摆控制实验时，保留第一摆杆，将第二摆杆拆卸掉，两套驱动系统全部起动，为摆杆提供切向与轴向两个方向的动力，通过控制系统实现摆杆倒立控制、自起摆控制、悬臂位置控制等，为控制理论提供验证平台。
附图说明
图1是该平面二维自由度旋转倒立摆装置的结构示意图；
图2是该平面二维自由度旋转倒立摆装置的控制系统框图。
图中：第一支架1，旋转伺服电机2，直线饲服电机3，动子301，托盘4，第二编码器5，第二转轴6，第三编码器7，第三转轴8，第一摆杆9，第二支架10，配重块11，悬臂12，第一编码器13，第四转轴14，第二摆杆15，第一转轴16。
具体实施方式
如图1所示，该平面二维自由度旋转倒立摆装置，有一个第一支架1，第一支架1上设置有旋转伺服电机2，旋转伺服电机2的第一转轴16上安装直线饲服电机3，直线饲服电机3的动子301上设置悬臂12，悬臂12一端设置第一编码器13，悬臂12另一侧设置第二支架10，第二支架10一侧设置第二编码器5，再通过第二转轴6连接托盘4，托盘4的一侧设置第三编码器7，托盘4另一侧设置配重块11，使得配重块11与另一侧的第三编码器7平衡，第三编码器7上设置第三转轴8，第三转轴8在水平方向与第二转轴6垂直，第三转轴8端部设置可拆卸第一摆杆9，第一摆杆9的垂直投影正好处于托盘4的中心位置，第一编码器13上设置第四转轴14，第四转轴14与托臂12方向平行，第四转轴14端部设置可拆卸第二摆杆15。第一摆杆9既可以沿悬臂12的切线方向摆动，也可以沿托臂12的轴向方向摆动，第二编码器5与第三编码器7分别检测第一摆杆9沿着两个方向的偏离角度；第二摆杆15只能沿着托臂12的切线方向摆动，并由第一编码器13检测其偏转角度。当进行一维自由度旋转倒立摆实验时，将第一摆杆9拆卸掉；当进行二维自由度旋转倒立摆实验时，将第二摆杆15拆卸掉。
如图2所示，该平面二维自由度旋转倒立摆装置的控制系统由第一编码器、第二编码器、第三编码器、旋转伺服电机旋转角度传感器、直线伺服电机动子位置传感器、微型计算机、旋转伺服电机驱动模块、直线伺服电机驱动模块及和上位机通信模块构成。其核心为微型计算机，其输入部分包括第一编码器、第二编码器、第三编码器、旋转伺服电机旋转角度传感器及直线伺服电机动子位置传感器，其输出分别作用在旋转伺服电机驱动模块与直线伺服电机驱动模块，该微型计算机通过上位机通信模块与上位机进行通信。当系统进行一维自由度的旋转倒立摆实验时，微型计算机通过第一编码器与旋转伺服电机旋转角度传感器检测系统状态，通过相应的控制算法计算控制律，并通过旋转伺服电机驱动模块控制旋转伺服电动机的加（减）角速度来实现摆杆的控制任务； 系统进行二维自由度旋转平面倒立摆实验时，微型计算机通过第二编码器、第三编码器、旋转伺服电机旋转角度传感器与直线伺服电机动子位置传感器检测系统状态，通过相应的控制算法计算控制律，并通过旋转伺服电机驱动模块与直线伺服电机驱动模块分别控制旋转伺服电动机的加（减）角速度、直线伺服电动机的轴线直线加（减）速度来实现摆杆的控制任务。
该装置的控制过程可以有两种实现方式：1）由微型计算机（下位机）进行实时控制，上位机进行集中管理。上位机通过通信模块下达控制指令给微型计算机，位微型计算机调用相应的控制模块，实时检测悬臂与摆杆的角度，并根据控制算法程序来驱动相应的旋转伺服电动机与直线伺服电动机，实现对摆杆的控制，倒立摆系统的状态（如悬臂位置、悬臂转速、摆杆位置、摆杆偏转速度、旋转伺服电动机的驱动信号与直线伺服电机的驱动信号）再通过通信模块传送上位机，上位机可进行实时显示、数据保存等处理；2）控制与管理均由上位机来完成，构成直接数字控制系统（DDC）。下位机采集倒立摆的状态（如悬臂位置、悬臂转速、摆杆位置、摆杆偏转速度）通过通信模块传递给上位机，并由上位机调研相应的控制模块，根据控制算法程序产生驱动信号，由通信模块传递给下位机，通过旋转伺服电机驱动模块与直线伺服电机驱动模块来驱动相应的电机，实现倒立摆杆的实时控制。

Claims (1)

1.一种平面二维自由度旋转倒立摆装置，有一个第一支架，第一支架上设置有旋转伺服电机，旋转伺服电机的转轴上安装直线饲服电机，直线饲服电机的动子上设置悬臂，悬臂一端设置第一编码器，悬臂另一侧设置第二支架，第二支架一侧设置第二编码器，再通过第二转轴连接托盘，托盘的一侧设置第三编码器，托盘另一侧设置配重块，使得配重块与另一侧的第三编码器平衡，第三编码器上设置第三转轴，第三转轴在水平方向与第二转轴垂直，第三转轴端部设置可拆卸第一摆杆，第一摆杆的垂直投影正好位于于托盘的中心位置，第一编码器上设置第四转轴，第四转轴与托臂方向平行，第四转轴端部设置可拆卸第二摆杆，第一编码器用于检测沿托臂的切线方向摆动的第二摆杆的偏转角度，第二编码器与第三编码器分别检测第一摆杆沿着切线方向和轴向的偏离角度。
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