CN117831400A - 一种一维旋转倒立摆实验仪 - Google Patents
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Abstract
一种一维旋转倒立摆实验仪，是一款针对控制算法的实验教具。当实验仪处于开启状态下，通过控制电机的运转，可以使得实验仪摆杆始终保持目标状态(垂直状态)，实现位姿增稳。一维旋转倒立摆实验仪包括主控电路板、采集‑控制电路板、连接器电路板、整体结构以及外接器件，其中在整体结构中设计了摆杆，在其顶部安置六角铜柱，可使用安装螺丝的方式来增加重量；还设计了磁吸连接器，使得实验仪可以方便地分离或更换；实验仪只需正常连接电源便可正常使用，无论是否触动实验仪摆杆，摆杆始终保持目标状态。
Description
技术领域
本发明涉及位姿增稳技术领域，具体涉及一维旋转倒立摆实验仪。
背景技术
作为工业控制的核心，经典控制理论仍是工程应用中应用最广泛的理论，随着运动控制的更新迭代，人们对于控制算法的要求逐步提高，为此产生了多种控制实验仪模型；倒立摆实验仪是一种利用电子控制系统，通过控制算法将摆杆保持在一个稳定姿态的仪器，常被运用在智能车以及机器人等领域；通过更改实验算法，可以直观的观测到控制算法对于实验仪的作用。
在倒立摆实验仪基础上，提出一维旋转倒立摆实验仪；本一维旋转倒立摆实验仪，利用霍尔高精度角度传感器获取当前摆杆位姿，再采用先进PID算法控制直流减速电机进行位姿增稳，具有较高精度，并且在旋转盘与柱体之间安置滑环并增加了薄壁轴承，使得旋转盘运动更加精准；还设置了磁吸连接器，方便旋转倒立摆实验仪的收纳与结合，并易于更换实验器材，使得实验项目更加丰富。
发明内容
本发明目的是提供一款对于控制算法的实验仪教具，使用控制算法对实验仪进行运动控制，使得实验仪在旋转或受到外力干扰时，摆杆始终保持目标状态(垂直向上)。
本发明实施例提供了一款针对控制算法的实验仪，包括：主控电路板，采集-控制电路板，连接器电路板，外接器件，整体结构以及电路连接框图：
所述主控电路板，包括：Arduino Pro Mini单片机(15)、USB接口、DC12V电源接口、SMA插座、XH2.54贴片插座；
所述采集-控制电路板，包括：XH2.54贴片插座、TB6612电机驱动模块、磁吸连接器母座；
所述连接器电路板，包括：XH2.54贴片插座、磁吸连接器公座；
所述外接器件，包括：TB6612电机驱动模块；
所述整体结构，包括：显示台(6)、显示台底座(8)、上桶体(4)、下桶体(5)、桶体底壳(9)、上旋转盘(2)、下旋转盘(3)、摆杆(1)，摆杆与霍尔高精度角度传感器之间使用旋转轴连接在一起；
所述电路连接框图，包括：220V市电(10)、滑环(7)、TB6612电机驱动模块、霍尔高精度角度传感器、Arduino Pro Mini单片机(15)，电源适配器(11)将220V市电(10)转换为DC12V，通过DC-005插座连接主控电路板，对于不同传感器驱动电压不同，输入的DC12V电源有两方面作用，一方面通过连接器电路板至采集-控制板对直流减速电机(14)进行供电，并通过滑环(7)过线对霍尔高精度角度传感器进行供电，一方面通过电源转换电路将DC12V转换成DC5V电源给主控电路板的Arduino Pro Mini单片机(15)进行供电，霍尔高精度角度传感器向主控电路板中的Arduino Pro Mini单片机(15)发送位姿数据，Arduino Pro Mini单片机通过串级PID算法处理完数据后向直流减速电机(14)发送控制命令；
优选的是，还包括：上旋转盘(2)与下旋转盘(3)之间使用开孔沉头磁吸进行连接，并在内部设计备用手拧螺丝以及摆杆的固定槽；
优选的是，还包括：一个滑环(7)，位于下旋转盘(3)以及上桶体(4)之间，用于旋转盘连通，输送能源和信号；
优选的是，还包括：上桶体(4)以及下桶体(5)，分别固定滑环以及直流减速电机；
优选的是，还包括：两个轴承，分别位于摆杆(1)与霍尔高精度角度传感器之间的旋转轴以及下旋转盘(3)与上桶体(4)之间，前者用于固定轴，使得摆杆的摆动可以带动霍尔高精度角度传感器旋转，后者用于使旋转盘进行旋转以及承重；
优选的是，还包括：三对磁吸连接器，分别固定在桶体底壳(9)以及显示台底座(8)上，方便实验仪的分离、更换；
优选的是，还包括：其主控电路板包括Arduino Pro Mini单片机(15)、USB接口、DC12V电源接口、SMA插座、XH2.54贴片插座；采集-控制电路板包括XH2.54贴片插座、TB6612电机驱动模块、磁吸连接器母座；连接器电路板包括XH2.54贴片插座、磁吸连接器公座；
与现有技术相比，本发明实施例主要有以下优点：
1.本发明在实验测试环节使用方便，操作简单，触动摆杆便可对实验仪的位姿控制效果进行测试。
2.本发明在旋转盘与上桶体间使用滑环进行过线，从而防止霍尔高精度角度传感器发生线路缠绕现象。
3.本发明各多处使用磁吸结构进行固定，结构可靠，外观设计比较美观，便于拆卸且可以根据需求更换器材。
4.本发明在摆杆顶端开槽，可安装螺丝用于对摆杆的重量进行增减，方便且不影响整体美观。
5.本发明的一维旋转倒立摆实验仪具有明显的控制效果，抗干扰性强等特点。具体数据表现为角度在300ms内经过小幅度波动后稳定在设定值，角速度变化范围为±1s-1内。
6.本发明绝大多数结构使用3D打印技术，在极大的减轻整体重量以及占地面积的同时，还能保证运动时的稳定效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明一维旋转倒立摆实验仪的立体图(视角1)。
图2是本发明一维旋转倒立摆实验仪的立体图(视角2)。
图3是本发明一维旋转倒立摆实验仪的主视图。
图4是本发明一维旋转倒立摆实验仪的后视图。
图5是本发明一维旋转倒立摆实验仪的俯视图。
图6是本发明一维旋转倒立摆实验仪的仰视图。
图7是本发明一维旋转倒立摆实验仪的左视图。
图8是本发明一维旋转倒立摆实验仪的右视图。
图9是本发明一维旋转倒立摆实验仪显示台的立体图。
图10是本发明一维旋转倒立摆实验仪显示台的主视图。
图11是本发明一维旋转倒立摆实验仪显示台的后视图。
图12是本发明一维旋转倒立摆实验仪显示台的俯视图。
图13是本发明一维旋转倒立摆实验仪显示台的仰视图。
图14是本发明一维旋转倒立摆实验仪显示台的左视图。
图15是本发明一维旋转倒立摆实验仪显示台的右视图。
图16是本发明一维旋转倒立摆实验仪旋转主体的立体图。
图17是本发明一维旋转倒立摆实验仪旋转主体的主视图。
图18是本发明一维旋转倒立摆实验仪旋转主体的后视图。
图19是本发明一维旋转倒立摆实验仪旋转主体的俯视图。
图20是本发明一维旋转倒立摆实验仪旋转主体的仰视图。
图21是本发明一维旋转倒立摆实验仪旋转主体的左视图。
图22是本发明一维旋转倒立摆实验仪旋转主体的右视图。
图23是本发明一维旋转倒立摆实验仪的电路连接框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：参照图1、图2具体说明实施方式，本实施方式一所述的一种一维旋转倒立摆实验仪，包括上旋转盘(2)、下旋转盘(3)、摆杆(1)、上桶体(4)、下桶体(5)、桶体底壳(9)、显示台(6)、显示台底座(8)。
上述一维旋转倒立摆实验仪在上旋转盘(2)与下旋转盘(3)之间使用开孔沉头磁吸进行连接，并在内部设计了备用手拧螺丝以及摆杆的固定槽，在稳固的同时方便拆卸；
分别在摆杆与霍尔高精度角度传感器之间的旋转轴以及下旋转盘(3)与上桶体(4)之间设置轴承，前者用于固定旋转轴的轴线，使得摆杆的摆动可以带动霍尔高精度角度传感器旋转，后者用于使旋转盘进行旋转以及承重的效果；
桶体底壳(9)与显示台底座(8)之间使用了三对磁吸连接器进行连接并传输信号，便于更换实验仪，使实验项目更加多样性；设置了三个固定柱用于防止实验仪产生位移；
上述主控电路板，包括Arduino Pro Mini单片机(15)、USB接口、DC12V电源接口、SMA插座、XH2.54贴片插座；
上述采集-控制电路板，包括XH2.54贴片插座、TB6612电机驱动模块、磁吸连接器母座；
上述连接器电路板，包括XH2.54贴片插座、磁吸连接器公座；。
具体实施方式二：参照图1、图2、图9具体说明本实施方式，本实施方式一所述的一种一维旋转倒立摆实验仪；
一维旋转倒立摆实验仪的工作原理：结合说明书附图中的电路连接框图可见，电源适配器将220V市电(10)转换为DC12V，通过DC-005插座连接主控电路板，对于不同传感器驱动电压不同，输入的DC12V电源有两方面作用，一方面通过连接器电路板至采集-控制板对直流减速电机(14)进行供电，并通过滑环(7)过线对霍尔高精度角度传感器进行供电，一方面通过电源转换电路将DC12V转换成DC5V电源给主控电路板的Arduino Pro Mini(15)进行供电，当一维旋转倒立摆实验仪首次上电工作时，需要使用程序下载器连接主控电路板上的Arduino Pro Mini单片机的下载口进行程序代码的烧录，当程序正常运行后，霍尔高精度角度传感器向主控电路板中的Arduino Pro Mini单片机发送位姿数据，Arduino ProMini单片机通过串级PID算法处理完数据后向直流减速电机发送控制命令，从而不断对摆杆进行位姿校正，使得始终保持在垂直位姿状态，以满足需求。
Claims (7)
1.一种一维旋转倒立摆实验仪，其特征在于，包括：主控电路板，采集-控制电路板，连接器电路板，外接器件，整体结构以及电路连接框图：
所述主控电路板，包括：Arduino Pro Mini单片机(15)、USB接口、DC12V电源接口、SMA插座、XH2.54贴片插座；
所述采集-控制电路板，包括：XH2.54贴片插座、TB6612电机驱动模块、磁吸连接器母座；
所述连接器电路板，包括：XH2.54贴片插座、磁吸连接器公座；
所述外接器件，包括：TB6612电机驱动模块；
所述整体结构，包括：显示台(6)、显示台底座(8)、上桶体(4)、下桶体(5)、桶体底壳(9)、上旋转盘(2)、下旋转盘(3)、摆杆(1)，摆杆与霍尔高精度角度传感器之间使用旋转轴连接在一起；所述电路连接框图，包括：220V市电(10)、滑环(7)、TB6612电机驱动模块、霍尔高精度角度传感器、Arduino Pro Mini单片机(15)，电源适配器(11)将220V市电(10)转换为DC12V，通过DC-005插座连接主控电路板，对于不同传感器驱动电压不同，输入的DC12V电源有两方面作用，一方面通过连接器电路板至采集-控制板对直流减速电机(14)进行供电，并通过滑环(7)过线对霍尔高精度角度传感器进行供电，一方面通过电源转换电路将DC12V转换成DC5V电源给主控电路板的Arduino Pro Mini单片机(15)进行供电，霍尔高精度角度传感器向主控电路板中的Arduino Pro Mini单片机(15)发送位姿数据，Arduino Pro Mini单片机通过串级PID算法处理完数据后向直流减速电机(14)发送控制命令。
2.根据权利要求1所述一维旋转倒立摆实验仪，其特征在于，包括：上旋转盘(2)与下旋转盘(3)之间使用开孔沉头磁吸进行连接，并在内部设计备用手拧螺丝以及摆杆的固定槽。
3.根据权利要求1所述一维旋转倒立摆实验仪，其特征在于，包括：一个滑环(7)，位于下旋转盘(3)以及上桶体(4)之间，用于旋转盘连通，输送能源和信号。
4.根据权利要求1所述一维旋转倒立摆实验仪，其特征在于，包括：上桶体(4)以及下桶体(5)，分别固定滑环以及直流减速电机。
5.根据权利要求1所述一维旋转倒立摆实验仪，其特征在于，包括：两个轴承，分别位于摆杆(1)与霍尔高精度角度传感器之间的旋转轴以及下旋转盘(3)与上桶体(4)之间，前者用于固定轴，使得摆杆的摆动可以带动霍尔高精度角度传感器旋转，后者用于使旋转盘进行旋转以及承重。
6.根据权利要求1所述一维旋转倒立摆实验仪，其特征在于，包括：三对磁吸连接器，分别固定在桶体底壳(9)以及显示台底座(8)上，方便实验仪的分离、更换。
7.根据权利要求1所述一维旋转倒立摆实验仪，其特征在于，包括：其主控电路板包括Arduino Pro Mini单片机(15)、USB接口、DC12V电源接口、SMA插座、XH2.54贴片插座；采集-控制电路板包括XH2.54贴片插座、TB6612电机驱动模块、磁吸连接器母座；连接器电路板包括XH2.54贴片插座、磁吸连接器公座。
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