CN208027121U - 一种滚球控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的目的是解决现阶段缺少用于教学的结构简单、操作方便的滚球控制系统的问题，提供的一种滚球控制系统。包括底板、运动平台、图像采集模块和运动控制模块，所述的运动平台通过支撑臂架设在底板上方；所述的图像采集模块通过支架架设在运动平台上方，支架下端固定在底板上；所述的运动控制模块一端与图像采集模块相连，另一端与支撑臂相连。本实用新型结构简单，操作方便，便于安装和维护，对滚球具有高精度控制和精准运动的效果，方便教学研究。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种控制系统，特别涉及一种滚球控制系统。
背景技术
随着现代科学技术的飞速发展，自动控制理论也取得了重大突破，尤其是在自动化技术、计算机技术、人工智能技术领域的快速发展，使得不同学科之间的交叉和渗透，都对自动控制理论的形成和发展起到了积极地推动作用。
滚球控制系统是对经典的控制对象球杆系统的二维扩展，包含多个变量，是一个非线性控制系统。滚球控制系统是为了学习与研究自动控制、运动控制、图像处理、机器视觉等课程开发的，是经典控制理论、现代控制理论、计算机图像处理内容的综合应用，也是一个便于进行实验和研究的控制平台。目前缺少一种结构简单、操作方便的滚球控制系统用于基础教学和理论研究，多领域的结合也使得该系统的研究极具挑战性。
发明内容
本实用新型的目的是解决现阶段缺少用于教学的结构简单、操作方便的滚球控制系统的问题，提供的一种滚球控制系统。
本实用新型提供的滚球控制系统，包括底板、运动平台、图像采集模块和运动控制模块，所述的运动平台通过支撑臂架设在底板上方；所述的图像采集模块通过支架架设在运动平台上方，支架下端固定在底板上；所述的运动控制模块一端与图像采集模块相连，另一端与支撑臂相连。
所述的支撑臂包括上臂、下臂和舵机，其中上臂和下臂通过铰链连接，上臂与运动平台之间通过万向轴连接，下臂与舵机相连，舵机固定在底板上。
所述的图像采集模块包括摄像头和图像处理器，其中摄像头通过支架架设在运动平台上方，图像处理器设在支架上，图像处理器与摄像头相连。
所述的运动控制模块包括主控制器和舵机驱动器，其中主控制器一端与舵机驱动器相连，另一端与图像采集模块中的图像处理器相连；舵机驱动器与支撑臂的舵机相连。
所述的支撑臂也可以为液压伸缩杆，包括伸缩杆和液压泵。
所述的运动控制模块包括主控制器和舵机驱动器，其中主控制器一端与舵机驱动器相连，另一端与图像采集模块中的图像处理器相连；舵机驱动器与支撑臂的液压泵相连。
所述的底板和运动平台之间设有主支撑轴，主支撑轴竖直设置于运动平台中心点处；主支撑轴的下端固定在底板上，上端通过万向轴与运动平台连接；两个支撑臂与运动平台的连接点分别位于运动平台的两条相互垂直的轴线上。
所述的底板和运动平台之间设有两条弹簧，两条弹簧分别位于两个支撑臂的相对侧。
所述的主控制器为STM32控制器。
本系统采用6.0V直流电源供电。
所述的舵机、摄像头、图像处理器、主控制器、STM32控制器、舵机驱动器、液压伸缩杆均为现有设备，因此具体结构不在此赘述。
本实用新型的工作原理：
首先在运动平台上设定预定区域，将滚球置于运动平台上的预定区域，图像采集模块中的摄像头实时采集运动平台上预定区域的图像，并发送到图像处理器，图像处理器通过对图形的识别，采集到滚球的位置信息，并将滚球当前位置信息发送到运动控制模块中的主控制器，主控制器接收到滚球位置信息后进行解算，解算出滚球运动的方向、速度和加速度等，并通过PID等控制调节算法进行滚球姿态解算，预测滚球下一步可能的运动状态和运动平台需要进行的调整方式，将对运动平台的调整控制信号发送到舵机驱动器，由舵机驱动器发出控制信号，控制支撑臂的舵机进行相应的运行，进而控制支撑臂的屈伸来实现运动平台的倾斜，图像采集模块实时采集滚球位置信息，由运动控制模块实时发出控制信号控制运动平台的倾斜变化，进而控制滚球的运动走向，最终使滚球完成相应的静止或运动的动作。
PID控制调节算法(比例-积分-微分)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供的一种滚球控制系统，结构简单，操作方便，便于安装和维护，对滚球具有高精度控制和精准运动的效果。
附图说明
图1为本实用新型整体结构示意图一。
图2为本实用新型整体结构示意图二。
图3为本实用新型整体结构示意图三。
图4为本实用新型局部结构示意图。
图5为本实用新型总控制图。
图6为本实用新型算法流程图。
1、底板 2、运动平台 3、支撑臂 4、支架 5、上臂 6、下臂
7、舵机 8、万向轴 9、摄像头 10、图像处理 11、主控制器
12、舵机驱动器 13、主支撑轴。
具体实施方式
请参阅图1-图6所示：
本实用新型提供的一种滚球控制系统，包括底板1、运动平台2、图像采集模块和运动控制模块，所述的运动平台2通过支撑臂3架设在底板1上方；所述的图像采集模块通过支架4架设在运动平台2上方，支架4下端固定在底板1上；所述的运动控制模块一端与图像采集模块相连，另一端与支撑臂3相连。
所述的支撑臂3包括上臂5、下臂6和舵机7，其中上臂5和下臂6通过铰链连接，上臂5与运动平台2之间通过万向轴8连接，下臂6与舵机7相连，舵机7固定在底板1上。
所述的图像采集模块包括摄像头9和图像处理器10，其中摄像头9通过支架4架设在运动平台2上方，图像处理器10设在支架4上，图像处理器10与摄像头9相连。
所述的运动控制模块包括主控制器11和舵机驱动器12，其中主控制器11一端与舵机驱动器12相连，另一端与图像采集模块中的图像处理器10相连；舵机驱动器12与支撑臂3的舵机7相连。
所述的底板1和运动平台2之间设有主支撑轴13，主支撑轴13竖直设置于运动平台2中心点处；主支撑轴13的下端固定在底板1上，上端通过万向轴8与运动平台2连接；两个支撑臂3与运动平台2的连接点分别位于运动平台2的两条相互垂直的轴线上。作为优选，两个连接点分别位于运动平台2两条相互垂直的中轴线的四分之一位置处，使支撑臂3能有效支撑并控制运动平台2的倾斜，同时使支撑臂3运动幅度较小，有助于主控制器11对控制数据的计算。
所述的底板1和运动平台2之间设有两条弹簧，两条弹簧分别位于两个支撑臂3的相对侧，起到辅助支撑臂3使运动平台2回位的作用。
所述的主控制器11为STM32控制器。
本系统采用6.0V直流电源供电。
本实用新型的工作原理：
首先在运动平台2上设定预定区域，并在该区域内设置目标点或路径，然后将滚球放在预定区域内的某一点，图像采集模块中的摄像头9实时采集运动平台2上预定区域的图像，并发送到图像处理器10，图像处理器10通过对图形的识别，采集到滚球的实时位置信息，并将滚球当前位置信息发送到运动控制模块中的主控制器11，主控制器11接收到滚球位置信息后进行解算，解算出滚球运动的方向、速度和加速度等，并通过PID等控制调节算法进行滚球姿态解算，预测滚球下一步可能的运动状态和运动平台2需要进行的调整方式，将对运动平台2的调整控制信号发送到舵机驱动器12，由舵机驱动器12发出控制信号，控制支撑臂3的舵机7进行相应的运行：当需要运动平台2一端升高时，舵机驱动器12驱动相应侧的支撑臂3的舵机7运行，支撑臂3的下臂6带动上臂5将运动平台2顶起，运动平台2的该侧以主支撑轴13为中心向上翘起；反之，当需要运动平台2一端下降时，舵机驱动器12驱动相应侧的支撑臂3的舵机7反向运行，进而使运动平台2的该侧下降。
舵机驱动器12控制支撑臂3的屈伸来实现运动平台2的倾斜，当需要滚球向某一侧滚动时，相对侧则升高；当滚球接近目标位置时，目标位置所在侧逐渐升高使滚球减速运行，滚球受到运动平台2不同倾斜角度产生的力和重力的影响，在运动平台上进行滚动，图像采集模块实时采集滚球位置信息，并通过运动控制模块输出控制信号，控制运动平台2的倾斜变化进而控制滚球的运动走向，最终滚球可在运动平台2上完成预设的在某点静止或沿某条运行轨迹滚动等动作，供教学或科研使用。
运动平台2可以由以上实施例中所述的一个主支撑轴13和两个支撑臂3支撑，也可以由四个支撑臂3支撑，四个支撑臂3分别位于运动平台2的两条相互垂直的轴线的四个方向，由舵机驱动器12分别控制四个支撑臂3伸缩。
所述的支撑臂3也可以为液压伸缩杆，包括伸缩杆和液压泵。所述的运动控制模块包括主控制器11和舵机驱动器12，其中主控制器11一端与舵机驱动器12相连，另一端与图像采集模块中的图像处理器10相连；舵机驱动器12与支撑臂3的液压泵相连，控制液压伸缩杆的伸缩。
Claims (8)
1.一种滚球控制系统，其特征在于：包括底板、运动平台、图像采集模块和运动控制模块，所述的运动平台通过支撑臂架设在底板上方；所述的图像采集模块通过支架架设在运动平台上方，支架下端固定在底板上；所述的运动控制模块一端与图像采集模块相连，另一端与支撑臂相连。
2.根据权利要求1所述的一种滚球控制系统，其特征在于：所述的支撑臂包括上臂、下臂和舵机，其中上臂和下臂通过铰链连接，上臂与运动平台之间通过万向轴连接，下臂与舵机相连，舵机固定在底板上。
3.根据权利要求1所述的一种滚球控制系统，其特征在于：所述的支撑臂为液压伸缩杆，包括伸缩杆和液压泵。
4.根据权利要求1所述的一种滚球控制系统，其特征在于：所述的图像采集模块包括摄像头和图像处理器，其中摄像头通过支架架设在运动平台上方，图像处理器设在支架上，图像处理器与摄像头相连。
5.根据权利要求2或4所述的一种滚球控制系统，其特征在于：所述的运动控制模块包括主控制器和舵机驱动器，其中主控制器一端与舵机驱动器相连，另一端与图像采集模块中的图像处理器相连；舵机驱动器与支撑臂的舵机相连。
6.根据权利要求3或4所述的一种滚球控制系统，其特征在于：所述的运动控制模块包括主控制器和舵机驱动器，其中主控制器一端与舵机驱动器相连，另一端与图像采集模块中的图像处理器相连；舵机驱动器与支撑臂的液压泵相连。
7.根据权利要求1所述的一种滚球控制系统，其特征在于：所述的底板和运动平台之间设有主支撑轴，主支撑轴竖直设置于运动平台中心点处；主支撑轴的下端固定在底板上，上端通过万向轴与运动平台连接；两个支撑臂与运动平台的连接点分别位于运动平台的两条相互垂直的轴线上。
8.根据权利要求7所述的一种滚球控制系统，其特征在于：所述的底板和运动平台之间连接有两条弹簧，两条弹簧分别位于两个支撑臂的相对侧。
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Publications (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110716504A (zh) * | 2019-10-21 | 2020-01-21 | 同济大学 | 一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法 |
| CN110764405A (zh) * | 2019-09-17 | 2020-02-07 | 同济人工智能研究院(苏州)有限公司 | 一种多角支撑的滚球控制系统及方法 |
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| CN110716504A (zh) * | 2019-10-21 | 2020-01-21 | 同济大学 | 一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法 |
| CN110716504B (zh) * | 2019-10-21 | 2022-06-14 | 同济大学 | 一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法 |
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