CN218384311U - 环形倒立摆实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于稳定控制领域，尤其涉及一种环形倒立摆实验装置；具有结构轻便，实现快速启停的目的。技术方案为：一种环形倒立摆实验装置，包括：动力组件、旋转套件、旋转轴、摆杆和编码器。其中，动力组件至少包括竖直设置的动力输出轴，旋转套件至少一端开口的管状结构，旋转套件固定于动力输出轴上，且旋转套件的中心轴水平。旋转轴活动设置于旋转套件内，旋转轴的中心轴与旋转套件的中心轴共线，旋转轴具有随旋转套件以输出轴为中心转动的趋势，且旋转轴还具有以其中心轴为中心转动的趋势。摆杆与旋转轴固定连接，且摆杆与旋转轴相互垂直。旋转轴与编码器输入轴同轴固定连接，且编码器的反馈信号传输至动力组件。

Description

环形倒立摆实验装置

技术领域

本实用新型属于稳定控制领域，尤其涉及一种环形倒立摆实验装置。

背景技术

倒立摆(Inverted Pendulum)是典型的多变量、高阶次、非线性、强耦合、自然不稳定系统。倒立摆系统的稳定控制是控制理论中的典型问题，在倒立摆的控制过程中能有效反映控制理论中的许多关键问题，如非线性问题、鲁棒性问题、随动问题、镇定、跟踪问题等。因此倒立摆系统作为控制理论教学与科研中典型的物理模型，常被用来检验新的控制理论和算法的正确性及其在实际应用中的有效性。

环形一级倒立摆实验装置是学习稳定控制系统的典型平台，当前的环形倒立摆存在结构笨重，电机初始启动和停止时，无法根据控制做到即时启动和停止，影响实验效果。

实用新型内容

为克服上述相关技术中的缺陷，本实用新型提供一种环形倒立摆实验装置，具有结构轻便，实现快速启停的目的。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案为：一种环形倒立摆实验装置，包括：动力组件、旋转套件、旋转轴、摆杆和编码器。其中，动力组件至少包括竖直设置的动力输出轴，旋转套件至少一端开口的管状结构，所述旋转套件固定于所述动力输出轴上，且所述旋转套件的中心轴水平。旋转轴活动设置于所述旋转套件内，所述旋转轴的中心轴与所述旋转套件的中心轴共线，所述旋转轴具有随旋转套件以所述输出轴为中心转动的趋势，且所述旋转轴还具有以其中心轴为中心转动的趋势。摆杆与所述旋转轴固定连接，且所述摆杆与所述旋转轴相互垂直。所述旋转轴与所述编码器输入轴同轴固定连接，且所述编码器的反馈信号传输至所述动力组件。

优选地，所述动力组件包括：控制中心和电机。其中，控制中心与所述编码器电连接，电机与所述控制中心电连接，且所述电机的输出轴竖直设置，所述电机的输出轴为所述动力输出轴。

优选地，所述控制中心包括：微处理器、电机控制器、电源管理电路和开关。其中，所述微处理器与所述编码器、所述电机控制器和所述电源管理电路电连接，所述电机控制器和电源管理电路电连接，所述电源管理电路与电源总线电连接，其中，所述电源总线上设置有开关。

优选地，所述动力组件和旋转套件之间设置有连接板，所述连接板为板状结构，所述连接板下端面与所述动力输出轴固定连接，所述连接板上端面与所述旋转套件外壁固定连接，且所述动力输出轴的中心线与所述旋转套件的中心线相交。

优选地，所述环形倒立摆实验装置还包括至少一个轴承，所述至少一个轴承的外圈与所述旋转套件内壁固定连接，且所述旋转轴固定于所述至少一个轴承的内圈中。

优选地，所述环形倒立摆实验装置还包括机身，所述机身为空腔结构，所述机身内设置有动力组件，且所述动力输出轴延伸至所述机身上方。

优选地，所述环形倒立摆实验装置还包括底板，所述底板为板状结构，所述底板上固定有所述机身，所述底板的下端面设置有防滑垫片。

本实用新型的有益效果在于：

第一、采用旋转套件与动力组件相连接，旋转套件作为支撑旋转轴、摆杆和编码器的支撑点，可以减少动力组件需要驱动的零件质量，减少在惯性作用下，便于动力组件控制旋转轴在水平面上快速启动旋转和停止旋转。

第二、采用连接板，利于旋转套件和动力组件的动力输出轴固定连接。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型结构图；

图2为本实用新型侧面结构图；

图3为本实用新型立体图；

图4为本实用新型爆炸图；

图5为本实用新型电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在一些现有技术中，环形一级倒立摆实验装置包括上部的旋转板，在旋转板上在安装旋转套件、旋转轴、摆杆和编码器等，旋转板作为承载上述零件的装置，需要随旋转套件在水平方向上转动，因此旋转板的质量增加了动力组件驱动旋转套件转动的惯性阻力，不利于装置快速启停。

一种环形倒立摆实验装置，如图1至图4所示，包括：动力组件1、旋转套件2、旋转轴3、摆杆4和编码器5。其中，动力组件1至少包括竖直设置的动力输出轴11，旋转套件2至少一端开口的管状结构，所述旋转套件2固定于所述动力输出轴11上，且所述旋转套件2的中心轴水平。旋转轴3活动设置于所述旋转套件2内，所述旋转轴3的中心轴与所述旋转套件2的中心轴共线，所述旋转轴3具有随旋转套件2以所述输出轴为中心转动的趋势，且所述旋转轴3还具有以其中心轴为中心转动的趋势。摆杆4与所述旋转轴3固定连接，且所述摆杆4与所述旋转轴3相互垂直。所述旋转轴3与所述编码器5输入轴同轴固定连接，且所述编码器5的反馈信号传输至所述动力组件1。

示例性地，旋转套件2可以为两端开口的管状结构，旋转轴3的一端套装于旋转套件2内。

优选地，所述环形倒立摆实验装置还包括至少一个轴承7，所述至少一个轴承7的外圈与所述旋转套件2内壁固定连接，且所述旋转轴3固定于所述至少一个轴承7的内圈中。

例如，至少一个轴承7可以为一个、两个或四个，多个轴承7并列排列于旋转套件2内，旋转轴3的一端共同贯穿多个轴承7的内圈。实现旋转轴3可相对旋转套件2，绕自身的中轴转动。

编码器5可以设置与旋转轴3靠近摆杆4的一侧或者位于旋转轴3远离摆杆4一侧。

优选地，所述动力组件1包括：控制中心和电机。其中，控制中心与所述编码器5电连接，电机与所述控制中心电连接，且所述电机的输出轴竖直设置，所述电机的输出轴为所述动力输出轴11。

示例性地，电机可以为伺服电机和步进电机，便于控制中心对电机转动角度和速度精确控制。

优选地，如图5所示，所述控制中心包括：微处理器12、电机控制器13、电源管理电路14和开关15。其中，所述微处理器12与所述编码器5、所述电机控制器13和所述电源管理电路14电连接，所述电机控制器13和电源管理电路14电连接，所述电源管理电路14与电源总线电连接，其中，所述电源总线上设置有开关15。

示例性地，微处理器12可以为单片机，电机控制器13根据电机的类型进行选择，例如，电机为伺服电机，电机控制器13采用伺服电机控制器，电机为步进电机，电机控制器13采用步进电机控制器。

电源管理电路14包括与电源连接的电源总线，例如电源可以为12V电池。电源管理电路14包括稳压电路，其中稳压电路可以与12V电池电连接，输出3.3V直流电，稳压电路为微处理器12、编码器5提供运行电力。12V电池还可以与电机控制器13电连接，为电机提供运行电力。

优选地，所述动力组件1和旋转套件2之间设置有连接板6，所述连接板6为板状结构，所述连接板6下端面与所述动力输出轴11固定连接，所述连接板6上端面与所述旋转套件2外壁固定连接，且所述动力输出轴11的中心线与所述旋转套件2的中心线相交。

优选地，所述环形倒立摆实验装置还包括机身8，所述机身8为空腔结构，所述机身8内设置有动力组件1，且所述动力输出轴11延伸至所述机身8上方。

机身8可以为方形结构，上端设置有盖板。电机的输出轴贯穿盖板延伸至机身8外部。

优选地，所述环形倒立摆实验装置还包括底板9，所述底板9为板状结构，所述底板9上固定有所述机身8，所述底板9的下端面设置有防滑垫片10。

需要说明的是，本实用新型在运行之前需要在微处理器中写入控制程序。

本实用新型具体运行方式如下：

打开开关，根据编码器反馈的信号，微处理器控制电机转动，使得摆杆呈竖直状态，当摆杆倾倒时，编码器向微处理器反馈转动信息，根据反馈的转动信号，微处理器可以判断摆杆转动方向以及转动角度，根据摆杆质量，微处理器计算电机的输出轴需要转动角度、转动速度以及转动方向。例如摆杆向左倾倒，电机的输出轴顺时针转动，摆杆向右倾倒，电机的输出轴逆时针转动。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种环形倒立摆实验装置，其特征在于，包括：

动力组件，至少包括竖直设置的动力输出轴；

旋转套件，至少一端开口的管状结构，所述旋转套件固定于所述动力输出轴上，且所述旋转套件的中心轴水平；

旋转轴，活动设置于所述旋转套件内，所述旋转轴的中心轴与所述旋转套件的中心轴共线，所述旋转轴具有随旋转套件以所述输出轴为中心转动的趋势，且所述旋转轴还具有以其中心轴为中心转动的趋势；

摆杆，与所述旋转轴固定连接，且所述摆杆与所述旋转轴相互垂直；

编码器，所述旋转轴与所述编码器输入轴同轴固定连接，且所述编码器的反馈信号传输至所述动力组件。

2.根据权利要求1所述的环形倒立摆实验装置，其特征在于，所述动力组件包括：

控制中心，与所述编码器电连接；

电机，与所述控制中心电连接，且所述电机的输出轴竖直设置，所述电机的输出轴为所述动力输出轴。

3.根据权利要求2所述的环形倒立摆实验装置，其特征在于，所述控制中心包括：微处理器、电机控制器、电源管理电路和开关；

所述微处理器与所述编码器、所述电机控制器和所述电源管理电路电连接，所述电机控制器和电源管理电路电连接，所述电源管理电路与电源总线电连接，其中，所述电源总线上设置有开关。

4.根据权利要求3所述的环形倒立摆实验装置，其特征在于，所述动力组件和旋转套件之间设置有连接板，所述连接板为板状结构，所述连接板下端面与所述动力输出轴固定连接，所述连接板上端面与所述旋转套件外壁固定连接，且所述动力输出轴的中心线与所述旋转套件的中心线相交。

5.根据权利要求4所述的环形倒立摆实验装置，其特征在于，所述环形倒立摆实验装置还包括至少一个轴承，所述至少一个轴承的外圈与所述旋转套件内壁固定连接，且所述旋转轴固定于所述至少一个轴承的内圈中。

6.根据权利要求5所述的环形倒立摆实验装置，其特征在于，所述环形倒立摆实验装置还包括机身，所述机身为空腔结构，所述机身内设置有动力组件，且所述动力输出轴延伸至所述机身上方。

7.根据权利要求6所述的环形倒立摆实验装置，其特征在于，所述环形倒立摆实验装置还包括底板，所述底板为板状结构，所述底板上固定有所述机身，所述底板的下端面设置有防滑垫片。

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