CN108427321B - 基于ssh协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台 - Google Patents
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Abstract
一种基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台，包含机械部分与电气部分，所述机械部分包括倒立摆底座、倒立摆小车、倒立摆摆杆、角位移传感器、限位器、步进电机以及其传动和固定组件；所述电气部分包含树莓派控制板、STM32底层硬件驱动板、步进电机驱动器，树莓派控制板通过SSH协议经以太网与PC机中的Simulink仿真模块进行人机交互，STM32底层硬件驱动板与树莓派控制板通过SPI总线进行传感器和步进电机控制量等数据交换。本发明实验平台控制电路简单，设计成本低，并且支持通过以太网进行远程控制实验，可广泛用于高校控制理论实验教学以及控制算法验证。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术教学与科研领域和半实物仿真技术领域，特别是一种基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台。
背景技术
倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、强耦合、不稳定的非线性系统。目前研究人员已在倒立摆系统中实现了诸如非线性控制、变结构控制、预测控制、鲁棒控制、模糊控制等众多控制算法。倒立摆系统中的控制算法已经广泛的应用到了机器人、航空航天、火箭发射等众多领域中。利用倒立摆系统进行控制理论实验时实验现象直观，实验结果清晰，是目前进行控制理论实验教学和控制方法验证的经典实验平台之一。
传统倒立摆系统有两种类型，一种是由研究人员根据实验需求，采用微处理器(单片机、DSP、ARM)、低成本传感器和驱动装置设计的嵌入式倒立摆系统。在该类倒立摆系统中实验时，用户需在IDE编译器中利用C语言编写下位机对应的硬件驱动程序和控制算法，并根据下位机的通讯协议编写对应的上位机，用来观测实验数据，这对用户的编程能力要求较高，使得实验变得非常复杂。
另一种是诸如Quanser、固高、ECP等国内外知名教学仪器公司基于Matlab的RTW工具集设计的实时倒立摆半实物仿真实验平台。这类倒立摆系统大多采用PCI运动控制板卡、伺服驱动器和电机、增量式编码器等标准化工业组件构建而成。Matlab的RTW工具集为开发者们提供了一条从系统设计到硬件实现的直接途径，其支持国内外部分知名公司的少部分PCI运动控制卡。因此教学仪器公司基于这些型号PCI运动控制板卡设计的倒立摆系统，通过RTW工具将用户从复杂的编程工作中解放出来，通过Simulink模块构建实验程序和算法，使得用户可以将注意力集中到控制算法的工作中。但由于PCI运动控制板卡是一种基于PCI通信协议开发的标准的工业运动控制卡，其功能强大，价格昂贵，用在倒立摆系统中存在严重的硬件资源冗余，而且PCI运动控制板卡依赖于台式PC机或工控机中的PCI接口，限制了用户的使用。另一方面，采用工业型伺服驱动器和增量式编码器等组件，虽然简化了设备的开发时间，但过度的资源冗余也直接增加了设备的开发成本。
发明内容
为了克服传统嵌入式倒立摆实验平台的控制程序设计复杂、传感器精度低、难以数学建模的缺点，以及PCI型倒立摆系统依赖于台式PC和工控机PCI通信接口，造价昂贵，所采用器件资源冗余严重的不足，本发明提供了一种基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台，该实验平台控制电路简单，设计成本低，并且支持通过以太网进行远程控制实验，可广泛用于高校控制理论实验教学以及控制算法验证。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台，包含机械部分与电气部分，所述机械部分包括倒立摆底座、倒立摆小车、倒立摆摆杆、角位移传感器、限位器、步进电机以及其传动和固定组件，所述步进电机通过轴连器与滚珠丝杠直连，滚珠丝杠通过轴承固定于倒立摆底座中，倒立摆小车嵌套于丝杠中，并用两根平行圆杆对小车纵向加以限定；角位移传感器固定于倒立摆小车中，并通过连接片与摆杆相连接；
所述电气部分包括树莓派开发板(Raspberry Pi)、STM32底层硬件驱动板、步进电机驱动器以及开关电源，所述树莓派控制板通过SSH协议经以太网与PC机中的Simulink仿真模块进行人机交互，STM32底层硬件驱动板与树莓派控制板通过SPI总线进行数据交换；PC机中的Simulink仿真模块作为与实验平台的交互接口，利用RTW目标模型搭建控制模型，然后在模型运行时首先自动生成可通过SSH协议与Simulink进行数据交互的模型可执行代码，并通过以太网端口下载到树莓派控制板中运行，树莓派接收STM32底层硬件驱动板经SPI上传的角度位移传感器和步进电机编码器输出的角速度和线速度信号，并将根据STM32底层硬件驱动板反馈的传感器信号解算出步进电机控制信号经SPI总线下发到STM32底层硬件驱动板。
进一步，所述机械部分中，采用步进电机固定板和电机紧固螺钉将步进电机固定于倒立摆底座的右侧；步进电机的转轴通过联轴器与滚珠丝杠直连带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠的两端则由左侧滚珠丝杠固定轴承和右侧滚珠丝杠固定轴承分别固定于倒立摆底座上的左侧丝杠固定组件和右侧丝杠固定组件；倒立摆小车嵌套在滚珠丝杠和内外两根倒立摆小车固定杆中，并可跟随滚珠丝杠在倒立摆底座中自由滑动，倒立摆底座滑槽两端分别安装有一个防撞限位器；角位移传感器由传感器固定片和传感器固定片紧固螺钉固定于倒立摆小车顶部，角位移传感器转轴通过摆杆连接器与摆杆连接。
更进一步，所述STM32底层硬件驱动板通过内部三路32位定时器采集三相经光耦进行电平转换和隔离的步进电机编码器输出的线速度信号，通过自带两路12位ADC采集经跟随器和分压电路转换的角位移传感器输出角速度信号。
再进一步，所述STM32底层硬件驱动板包括限位器信号采集电路、角度位移传感器信号采集电路、步进电机编码器信号采集电路以及PWM电平转换电路，由于限位器输出电压为5～24V，STM32底层硬件驱动板采用TLP521-2型光耦进行电压匹配与隔离，步进电机编码器输出高电平为24V，STM32底层硬件驱动板采用ADUM1300型高速光耦进行电压匹配与隔离，角度位移传感器输出电压范围为0～5V，STM32底层硬件驱动板中利用LTC2052运算放大器和高精度电阻器设计对应的角度位移传感器信号采集电路。
所述PC机是预装有R2015b及后续版本的MATLAB和树莓派Simulink硬件支持包的任何台式PC机、便携笔记本电脑以及工控机。
MathWorks公司提供的Simulink的树莓派硬件支持包包含了一个树莓派Simulink硬件驱动工具箱和精确裁剪的专用微型Linux操作系统，树莓派的Simulink硬件驱动工具箱为PC机提供了对应的硬件资源访问接口，利用树莓派硬件驱动工具箱中模块开发了基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台对应的硬件目标模型，用户利用硬件目标模型可方便构建自定义半实物仿真模型，该模型经Matlab编译成对应的.elf格式可执行程序后通过以太网下载到树莓派Linux系统中的主目录下，在用户在Simulink中运行模型后，树莓派将计算得到的控制量下发到STM32底层硬件驱动板中，控制板将控制量解算为步进电机控制量，同时STM32板采集电机编码器和角位移传感器输出的倒立摆小车线速度和摆杆的角速度信息，并将传感器信息以数据包形式反馈给树莓派，树莓派将数据传送回RTW模型中以方便用户实时观测数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用树莓派和STM32底层硬件驱动板共同构成倒立摆系统的控制器，支持RTW仿真的树莓派开发板通过SSH协议实现与PC机中的Simulink实现交互，并通过SPI总线将控制量下发到STM32底层硬件驱动板和接受STM32采集得到了的倒立摆小车线速度和倒立摆摆杆角速度。该方法用低成本的树莓派和STM32底层硬件驱动板替换了昂贵的对台式PC机和控制器PCI接口严重依赖的PCI运动控制卡，SSH与SPI均为高速通信总线，克服了其他支持RTW仿真的低成本硬件通信速度低的问题。
(2)本发明的机械部分中的步进电机通过联轴器与丝杠直连，省去了传统倒立摆系统中皮带传输中的中间传动机构，简化了倒立摆系统的机械结构，使得倒立摆系统模型更接近经典理论模型。同时对比于价格昂贵的直线电机，步进电机成本低，控制程序容易实现。
(3)本发明树莓派控制器通过SSH协议实现与PC机中的Simulink通信，因此用户可在安装有树莓派硬件支持包的任何PC机中方便的进行倒立摆系统的远程控制实验。
附图说明
图1为基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台系统框图。
图2为基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台机械本体示意图。
图3为基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台实验流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案、设计思路能更加清晰，下面结合附图再进行详尽的描述。
参照图1～图3，一种基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台，包含机械部分与电气部分，所述机械部分包括倒立摆底座、倒立摆小车、倒立摆摆杆、角位移传感器、限位器、步进电机以及其传动和固定组件，所述步进电机通过轴连器与滚珠丝杠直连，滚珠丝杠通过轴承固定于倒立摆底座中，倒立摆小车嵌套于丝杠中，并用两根平行圆杆对小车纵向加以限定；角位移传感器固定于倒立摆小车中，并通过连接片与摆杆相连接；
所述电气部分包括树莓派开发板(Raspberry Pi)、STM32底层硬件驱动板、步进电机驱动器以及开关电源，所述树莓派控制板通过SSH协议经以太网与PC机中的Simulink仿真模块进行人机交互，STM32底层硬件驱动板与树莓派控制板通过SPI总线进行数据交换；PC机中的Simulink仿真模块作为与实验平台的交互接口，利用RTW目标模型搭建控制模型，然后在模型运行时首先自动生成可通过SSH协议与Simulink进行数据交互的模型可执行代码，并通过以太网端口下载到树莓派控制板中运行，树莓派接收STM32底层硬件驱动板经SPI上传的角度位移传感器和步进电机编码器输出的角速度和线速度信号，并将根据STM32底层硬件驱动板反馈的传感器信号解算出步进电机控制信号经SPI总线下发到STM32底层硬件驱动板。
进一步，所述机械部分中，采用步进电机固定板和电机紧固螺钉将步进电机固定于倒立摆底座的右侧；步进电机的转轴通过联轴器与滚珠丝杠直连带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠的两端则由左侧滚珠丝杠固定轴承和右侧滚珠丝杠固定轴承分别固定于倒立摆底座上的左侧丝杠固定组件和右侧丝杠固定组件；倒立摆小车嵌套在滚珠丝杠和内外两根倒立摆小车固定杆中，并可跟随滚珠丝杠在倒立摆底座中自由滑动，倒立摆底座滑槽两端分别安装有一个防撞限位器；角位移传感器由传感器固定片和传感器固定片紧固螺钉固定于倒立摆小车顶部，角位移传感器转轴通过摆杆连接器与摆杆连接。
更进一步，所述STM32底层硬件驱动板通过内部三路32位定时器采集三相经光耦进行电平转换和隔离的步进电机编码器输出的线速度信号，通过自带两路12位ADC采集经跟随器和分压电路转换的角位移传感器输出角速度信号。
再进一步，所述STM32底层硬件驱动板包括限位器信号采集电路、角度位移传感器信号采集电路、步进电机编码器信号采集电路以及PWM电平转换电路，由于限位器输出电压为5～24V，STM32底层硬件驱动板采用TLP521-2型光耦进行电压匹配与隔离，步进电机编码器输出高电平为24V，STM32底层硬件驱动板采用ADUM1300型高速光耦进行电压匹配与隔离，角度位移传感器输出电压范围为0～5V，STM32底层硬件驱动板中利用LTC2052运算放大器和高精度电阻器设计对应的角度位移传感器信号采集电路。
所述PC机是预装有R2015b及后续版本的MATLAB和树莓派Simulink硬件支持包的任何台式PC机、便携笔记本电脑以及工控机。
所述机械部分如图1所示，包括摆杆1、摆杆连接器2、传感器固定片3、滚珠丝杠4、倒立摆小车固定杆5、左侧滚珠丝杠固定轴承6、左侧丝杠固定组件7、角位移传感器8、传感器固定片紧固螺钉9、倒立摆小车10、倒立摆底座11、右侧滚珠丝杠固定轴承12、联轴器13、步进电机固定板14、步进电机15、电机紧固螺钉16和右侧丝杠固定组件17，其中用步进电机固定板14和电机紧固螺钉16将步进电机15固定于倒立摆底座11的右侧；步进电机15的转轴通过联轴器13与滚珠丝杠4直连带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠4的两端则由左侧滚珠丝杠固定轴承6和右侧滚珠丝杠固定轴承12分别固定于倒立摆底座11上的左侧丝杠固定组件7和右侧丝杠固定组件17；倒立摆小车10嵌套在滚珠丝杠4和内外两根倒立摆小车固定杆5中，并可跟随滚珠丝杠4在倒立摆底座11中自由滑动，倒立摆底座11滑槽两端分别安装有一个防撞限位器；角位移传感器8由传感器固定片3和传感器固定片紧固螺钉9固定于倒立摆小车10顶部，角位移传感器8转轴通过摆杆连接器2与摆杆1连接。
所述电气部分如图2所示，倒立摆本体部分有限位器，角位移传感器、步进电机构成，其中步进电机中带有对应的增量式编码器，由于树莓派为单板机电脑，外部硬件资源有限，不能满足控制需求，因此本发明采用树莓派控制板和STM32底层硬件驱动板结合的方式实现对倒立摆的控制。其中，树莓派的主要功能为运行经PC机编译好的RTW模型.elf可执行文件，通过SSH协议与PC机之间进行RTW实时仿真数据交换，树莓派输出的电机控制量以及STM32底层硬件驱动板采集得到的传感器信息则通过SPI总线进行交换。STM32底层硬件驱动板解算树莓派输出的电机控制量，以PWM信号发送到步进电机驱动器，驱动器驱动步进电机转动。为防止干扰以及实现电压匹配，本发明中采用TLP521-2和TLP521-4光耦分别设计了限位器和电机编码器信号采集电路，利用STM32的两路GPIO_IN端口采集经电平转换和隔离后的限位器信号，利用STM32的三路定时器采集进电平转换和隔离的步进电机输出的A、B、Z三相位置编码器信号。角度位移传感器的输出经ADC采集电路处理后输入STM32中的12位ADC中。
如图3所示，基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台的实验过程如下：
(1)对角度位移传感器，步进电机编码器进行标定校准，并检测能否正确识别左右限位器限位信号；
(2)利用倒立摆RTW系统目标构建RTW仿真模型。接着为仿真模型配置编译环境，将“Hardware board”选择为“RaspberryPi”，“Device Address”填写树莓派的IP地址或者在“Host Name”，“Username”和“Password”中分别填写树莓派中的用户名和对应的密码。
(3)编译模型，并通过SSH协议将可执行文件下载到树莓派Linux系统的home目录下；
(4)运行模型，根据实验现象和监测数据，修改模型参数，直到获得理想实验结果。实验中如倒立摆小车触发限位信号，则系统停止运行。
Claims (5)
1.一种基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台，其特征在于：所述实验平台包含机械部分与电气部分，所述机械部分包括倒立摆底座、倒立摆小车、倒立摆摆杆、角位移传感器、限位器、步进电机以及其传动和固定组件，所述步进电机通过联轴器与滚珠丝杠直连，滚珠丝杠通过轴承固定于倒立摆底座中，倒立摆小车嵌套于滚珠丝杠中，并用两根平行圆杆对小车纵向加以限定；角位移传感器固定于倒立摆小车中，并通过连接片与摆杆相连接；
所述电气部分包括树莓派开发板、STM32底层硬件驱动板、步进电机驱动器以及开关电源，所述树莓派控制板通过SSH协议经以太网与PC机中的Simulink仿真模块进行人机交互，STM32底层硬件驱动板与树莓派控制板通过SPI总线进行数据交换；PC机中的Simulink仿真模块作为与实验平台的交互接口，利用RTW目标模型搭建控制模型，然后在模型运行时首先自动生成可通过SSH协议与Simulink进行数据交互的模型可执行代码，并通过以太网端口下载到树莓派控制板中运行，树莓派接收STM32底层硬件驱动板经SPI上传的角度位移传感器和步进电机编码器输出的角速度和线速度信号，并将根据STM32底层硬件驱动板反馈的传感器信号解算出步进电机控制信号经SPI总线下发到STM32底层硬件驱动板。
2.如权利要求1所述的基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台，其特征在于：所述机械部分中，采用步进电机固定板和电机紧固螺钉将步进电机固定于倒立摆底座的右侧；步进电机的转轴通过联轴器与滚珠丝杠直连带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠的两端则由左侧滚珠丝杠固定轴承和右侧滚珠丝杠固定轴承分别固定于倒立摆底座上的左侧丝杠固定组件和右侧丝杠固定组件；倒立摆小车嵌套在滚珠丝杠和内外两根倒立摆小车固定杆中，并可跟随滚珠丝杠在倒立摆底座中自由滑动，倒立摆底座滑槽两端分别安装有一个防撞限位器；角位移传感器由传感器固定片和传感器固定片紧固螺钉固定于倒立摆小车顶部，角位移传感器转轴通过摆杆连接器与摆杆连接。
3.如权利要求1或2所述的基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台，其特征在于：所述STM32底层硬件驱动板通过内部三路32位定时器采集三相经光耦进行电平转换和隔离的步进电机编码器输出的线速度信号，通过自带两路12位ADC采集经跟随器和分压电路转换的角位移传感器输出角速度信号。
4.如权利要求3所述的基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台，其特征在于：所述STM32底层硬件驱动板包括限位器信号采集电路、角度位移传感器信号采集电路、步进电机编码器信号采集电路以及PWM电平转换电路，由于限位器输出电压为5～24V，STM32底层硬件驱动板采用TLP521-2型光耦进行电压匹配与隔离，步进电机编码器输出高电平为24V，STM32底层硬件驱动板采用ADUM1300型高速光耦进行电压匹配与隔离，角度位移传感器输出电压范围为0～5V，STM32底层硬件驱动板中利用LTC2052运算放大器和高精度电阻器设计对应的角度位移传感器信号采集电路。
5.如权利要求1或2所述的基于SSH协议的低成本倒立摆半实物仿真实验平台，其特征在于：所述PC机是预装有R2015b及后续版本的MATLAB和树莓派Simulink硬件支持包的任何台式PC机、便携笔记本电脑以及工控机。
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| GR01 | Patent grant | ||
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