CN106843258A - 可全方位倾斜的小车跷跷板装置及其平衡控制方法 - Google Patents

可全方位倾斜的小车跷跷板装置及其平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可全方位倾斜的小车跷跷板装置及其平衡控制方法，其全向轮支撑组件包括圆周均布的三个全向轮，三个全向轮的轴线向下交汇于一点，设有检测对应全向轮转动参数的绝对式编码器和增量式编码器；其跷跷板平台包括上、下圆形轨槽，下圆形轨槽通过其底部同轴设置的半球体置于三个全向轮上，下圆形轨槽上设有陀螺仪传感器，一圆形轨槽内设有自由运动小车，另一圆形轨槽内设有可控小车，各圆形轨槽的底部和侧部圆周均布设有检测对应小车位置的霍尔传感器，各小车上设有检测其自身运动速度的编码器。本发明能够绕任意方向倾斜，大大地提高了跷跷板平台平衡控制系统的维度，从而扩大了跷跷板平台控制理论研究的范围与深度。

Description

可全方位倾斜的小车跷跷板装置及其平衡控制方法
技术领域
本发明涉及平衡控制技术，具体为一种可全方位倾斜的小车跷跷板装置及其平衡控制方法。
背景技术
小车跷跷板平衡控制实验装置具有结构简单、运动机理易于分析等良好的物理特性，是进行运动控制理论研究的一种实验平台，目前常运用于大学生电子设计大赛、智能车大赛等表演展示领域。
现有的小车跷跷板实验平台通常是由可以绕固定方向倾斜的跷跷板以及可以在跷跷板上自由运动的小车组成，其基本的控制原理是通过单轴的倾角传感器检测跷跷板的倾斜状态，并实时调整小车相对跷跷板的位置来使跷跷板保持动态平衡。然而，现有的小车跷跷板实验装置，其中的跷跷板只能单方向倾斜，以这种小车跷跷板实验系统进行控制理论研究时，其研究的范围会受到一定的限制，比如控制系统的维数。
如果能够将只能绕固定方向转动的单自由度跷跷板改为可以绕空间任意方向转动的空间多自由度跷跷板，则可以大大地提高小车跷跷板平衡控制系统的维度，从而扩大小车跷跷板控制理论研究的范围与深度。
目前尚未见到有可以绕任意轴转动的小车跷跷板实验平台。
发明内容
为此，本发明提出了一种可全方位倾斜的小车跷跷板装置及其平衡控制方法。
本发明可全方位倾斜的小车跷跷板装置，其技术方案包括跷跷板平衡机构，所不同的是所述跷跷板平衡机构包括跷跷板平台和全向轮支撑组件：
1、全向轮支撑组件包括分别通过对应轮架安装且圆周均布的三个全向轮，三个全向轮的轴线向下交汇于一点，各轮架上分别设有检测对应全向轮转动参数(转动幅度和转动速度)的绝对式编码器和增量式编码器。
2、所述跷跷板平台包括同轴设置的上、下圆形轨槽，所述下圆形轨槽通过其底部同轴设置的半球体置于三个全向轮上，上圆形轨槽或下圆形轨槽上设有可实时反馈跷跷板平台姿态的陀螺仪传感器。
3、一圆形轨槽内设有可制造干扰因素使跷跷板平台倾斜的自由运动小车，另一圆形轨槽内设有使跷跷板平台恢复平衡的可控小车，各圆形轨槽的底部和/或侧部圆周均布设有检测对应小车位置的霍尔传感器，各小车上设有检测其自身运动速度的编码器。
进一步，所述自由运动小车设于下圆形轨槽内，所述可控小车设于上圆形轨槽内。
更进一步，所述自由运动小车设为一个，所述可控小车设为两个。
按常规，上、下圆形轨槽的大小设计为一致。
按常规，所述轮架通过的支撑架设于底座上。
本发明可全方位倾斜的小车跷跷板装置平衡控制方法为当跷跷板平台受到自由运动小车的干扰而发生倾斜时，可通过控制可控小车的运动使跷跷板平台恢复水平并保持动态平衡，其平衡控制步骤为：
1、建立跷跷板系统的坐标系，其中，Z轴垂直于跷跷板平台，X轴和Y轴构成的平面在初始时刻与水平面平行。
2、由上、下圆形轨槽内的霍尔传感器分别测出自由运动小车和可控小车在坐标系中的坐标，通过各小车上的编码器确定各自的行走速度。
3、通过跷跷板平台上的陀螺仪传感器以及各轮架上的编码器实时测量出跷跷板平台的运动状态。
4、结合各小车位置坐标以及跷跷板平台的运动状态计算出自由运动小车重力对半球体球心产生的力矩和可控小车重力对半球体球心产生的力矩。
5、以自由运动小车和可控小车的合力矩为虚拟控制输入量，以减小跷跷板平台的倾角和倾角速度、恢复并保持跷跷板平台水平为目标，计算得出可控小车需要达到的位置。
6、根据可控小车需要达到的位置，结合可控小车的当前速度推算出可控小车需要的输入速度大小和方向。
7、按照步骤6的计算结果驱动可控小车运动。
8、重复步骤2进行下一次控制循环。
本发明的有益效果：
1、本发明可全方位倾斜的小车跷跷板装置及其平衡控制方法解决了由于干扰因素导致跷跷板平台向任意方向倾斜的问题，为研究复杂的平衡控制问题提供一种简洁的通用平台。
2、本发明在一定的程度上提高了小车跷跷板平衡控制系统的维度，并在结构原理上扩大了小车跷跷板控制理论研究的范围与深度，从而更有效的训练使用者的控制系统设计开发能力。
3、本发明通过各种编码器和传感器实时测量小车以及跷跷板平台的运动参数实现实时平衡，更具有动态效果。
附图说明：
图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。
图2为图1实施方式中全向轮支撑组件的立体结构示意图。
图3(a)为图1实施方式中下圆台及下环形轨槽的俯视图。
图3(b)为图3(a)中的A-A剖视图。
图号标识：1、上圆形轨槽；2、下圆形轨槽；3、全向轮；4、轮架；5、绝对式编码器；6、增量式编码器；7、上圆台；8、下圆台；9、支撑柱体；10、半球体；11、自由运动小车；12、可控小车；13、霍尔传感器；14、支撑架；15、底座；16、陀螺仪传感器；17、全向轮支撑组件。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明可全方位倾斜的小车跷跷板装置的技术方案包括跷跷板平衡机构，所述跷跷板平衡机构包括跷跷板平台和全向轮支撑组件17，如图1所示。
所述全向轮支撑组件17包括于同一水平层面上圆周内均布的三个全向轮3，各全向轮3安装于对应的“U”型轮架4内，各轮架4分别通过各自的支撑架14安装于底座15上，三个全向轮3的轴线向下交汇于底座15中心处；所述轮架4上设有与对应全向轮3的两轮轴分别连接的绝对式编码器5和增量式编码器6，如图1、图2所示。
所述跷跷板平台包括大小一致且同轴的上圆形轨槽1和下圆形轨槽2，所述上圆形轨槽1同轴设于上圆台7上，所述下圆形轨槽2同轴设于下圆台8上，上、下圆台7、8通过圆周均布的支撑柱体9连接为一体，下圆台8底部同轴设有空心的半球体10，所述半球体10内部的下圆台8底部中央设有陀螺仪传感器16，跷跷板平台通过半球体10放置于三个全向轮3上，三个全向轮3可以实现跷跷板平台在任意角度方向上的运动，满足任意自由度的倾斜；所述下圆形轨槽2内设有一个自由运动小车11，所述上圆形轨槽1内设有两个可控小车12，各小车上设有磁性元件和检测其自身运动速度的编码器，各圆形轨槽的底部和一侧面上圆周均布设有霍尔传感器13，所述霍尔传感器13上的线圈与小车上的磁性元件发生作用从而实现对小车位置的检测，如图1、图3(a)、图3(b)所示。
本发明通过全向轮支撑组件17实现了跷跷板平台在空间绕任意轴线的倾斜，当系统受到外界干扰(自由运动小车11的运行)发生倾斜时，通过陀螺仪传感器16、各种编码器、霍尔传感器13等不同类型的传感器来检测跷跷板平台以及其上自由运动小车11的相关物理参数，驱动可控小车12到达适当的位置来使跷跷板平台恢复水平并保持动态平衡。
具体的，本发明可全方位倾斜的小车跷跷板装置平衡控制方法，其平衡控制步骤为：
1、建立跷跷板系统的坐标系，其中，Z轴垂直于跷跷板平台，X轴和Y轴构成的平面在初始时刻与水平面平行。
2、通过上圆形轨槽1内的霍尔传感器13测出两个可控小车12在坐标系中的坐标，通过下圆形轨槽2内的霍尔传感器13测出自由运动小车11在坐标系中的坐标，并通过各小车上的编码器确定各自的行走速度。
3、通过下圆台8上的陀螺仪传感器16以及各轮架4上的编码器(绝对式和增量式)实时测量出跷跷板平台的运动状态。
4、结合各小车位置坐标以及跷跷板平台的运动状态计算出自由运动小车11重力对半球体10球心产生的力矩和两可控小车12重力对半球体10球心产生的力矩。
5、以自由运动小车11和两可控小车12的合力矩为虚拟控制输入量，以减小跷跷板平台的倾角和倾角速度、恢复并保持跷跷板平台水平为目标，计算得出两可控小车12需要各自达到的位置。
6、根据两可控小车12需要达到的位置，结合各可控小车12的当前速度推算出各可控小车12需要的输入速度大小和方向。
7、按照步骤6的计算结果分别驱动各可控小车12运动。
8、重复步骤2进行下一次控制循环。

Claims (6)

1.可全方位倾斜的小车跷跷板装置，包括跷跷板平衡机构，其特征在于所述跷跷板平衡机构包括跷跷板平台和全向轮支撑组件(17)：
①、全向轮支撑组件(17)包括分别通过对应轮架(4)安装且圆周均布的三个全向轮(3)，三个全向轮(3)的轴线向下交汇于一点，各轮架(4)上分别设有检测对应全向轮(3)转动参数的绝对式编码器(5)和增量式编码器(6)；
②、所述跷跷板平台包括同轴设置的上、下圆形轨槽(1、2)，所述下圆形轨槽(2)通过其底部同轴设置的半球体(10)置于三个全向轮(3)上，上圆形轨槽(1)或下圆形轨槽(2)上设有可实时反馈跷跷板平台姿态的陀螺仪传感器(16)；
③、一圆形轨槽内设有可制造干扰因素使跷跷板平台倾斜的自由运动小车(11)，另一圆形轨槽内设有使跷跷板平台恢复平衡的可控小车(12)，各圆形轨槽的底部和/或侧部圆周均布设有检测对应小车位置的霍尔传感器(13)，各小车上设有检测其自身运动速度的编码器。
2.根据权利要求1所述的可全方位倾斜的小车跷跷板装置，其特征在于：所述自由运动小车(11)设于下圆形轨槽(2)内，所述可控小车(12)设于上圆形轨槽(1)内。
3.根据权利要求2所述的可全方位倾斜的小车跷跷板装置，其特征在于：所述自由运动小车(11)设为一个，所述可控小车(12)设为两个。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的可全方位倾斜的小车跷跷板装置，其特征在于：上、下圆形轨槽(1、2)大小一致。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的可全方位倾斜的小车跷跷板装置，其特征在于：各轮架(4)通过对应设置的支撑架(14)安装于底座(15)上。
6.可全方位倾斜的小车跷跷板装置平衡控制方法，其特征在于采用了如权利要求1～3中任意一项所述的可全方位倾斜的小车跷跷板装置，其平衡控制步骤为：
①、建立跷跷板系统的坐标系，其中，Z轴垂直于跷跷板平台，X轴和Y轴构成的平面在初始时刻与水平面平行；
②、由上、下圆形轨槽(1、2)内的霍尔传感器(13)分别测出自由运动小车(11)和可控小车(12)在坐标系中的坐标，通过各小车上的编码器确定各自的行走速度；
③、通过跷跷板平台上的陀螺仪传感器(16)以及各轮架(4)上的编码器实时测量出跷跷板平台的运动状态；
④、结合各小车位置坐标以及跷跷板平台的运动状态计算出自由运动小车(11)重力对半球体(10)球心产生的力矩和可控小车(12)重力对半球体(10)球心产生的力矩；
⑤、以自由运动小车(11)和可控小车(12)的合力矩为虚拟控制输入量，以减小跷跷板平台的倾角和倾角速度、恢复并保持跷跷板平台水平为目标，计算得出可控小车(12)需要达到的位置；
⑥、根据可控小车(12)需要达到的位置，结合可控小车(12)的当前速度推算出可控小车(12)需要的输入速度大小和方向；
⑦、按照步骤⑥的计算结果驱动可控小车(12)运动；
⑧、重复步骤②进行下一次控制循环。
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Application publication date: 20170613

Assignee: Nanning Thumb Cloud Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980046596

Denomination of invention: A small car seesaw device that can tilt in all directions and its balance control method

Granted publication date: 20230523

License type: Common License

Record date: 20231108