专利名称：一种移动倒立摆小车装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及科研教学研究用的实验仪器技术领域，更具体地，涉及一种移动倒立摆小车装置。
背景技术：
倒立摆为欠驱动的自然不稳定系统，常用来检测控制理论的有效性，如经典控制理论、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等。倒立摆装置是控制理论领域中研究、测试各类新的控制策略常用的实验验证设备，它还是《自动控制原理》和《线性系统理论》教学中常用的教学实验装置。现有的倒立摆多为直线运动倒立摆系统，其中摆杆装在滑动小车上，滑动小车由电机驱动沿直线导轨滑动，以实现摆杆的稳定。由于导轨的设置，使得现有的直线运动倒立摆系统具有体积大、质量重、和成本高的限制。
发明内容本实用新型解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本低、体积小和重量轻的移动倒立摆小车装置。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下:一种移动倒立摆小车装置，包括控制系统和小车，所述小车包括车体和设置于车体上的摆杆，所述车体包括基板和设于基板上的车轮以及电源，所述车轮包括设于基板前端靠电机驱动的两个主动轮和设于基板后端中心位置的导向轮，所述两个主动轮分别设置在基板左右两侧；所述基板前端还连接有一个从动轮，所述从动轮上连接有测量小车的位移和方向的第一编码器；所述摆杆上连接有用于测量摆杆的角速度的第二编码器，所述摆杆的摆动方向与两个主动轮连线相垂直；所述控制系统设于车体的基板上，包括控制器和分别与之相连的电机驱动模块、两个鉴相器和电源模块，电机驱动模块与电机连接，两个鉴相器分别和第一编码器和第二编码器连接，所述电源与电源模块连接。本实用新型的移动倒立摆小车装置，通过简单的小车驱动结构，代替现有的复杂的直线运动驱动结构，实现对小车的驱动，减小了整个装置的体积和重量，同时了降低了成本。另外，通过特别设计的车轮结构，即三轮式的结构，可以实现小车的稳定以及灵活移动。再者，通过将编码器安装于外置的从动轮上，来进行小车位移和方向的测量，避免直接将编码器安装于主动轮时复杂的结构，以及由于主动轮打滑引起的测量数据不准确。因为如果将编码器安装于主动轮上，就需要外加传动部件(例如齿轮、齿轮带)才能实现，结构比较复杂，而且显然这样增大了装置的体积。进一步的，所述从动轮与第一编码器同轴连接，并通过一连杆固定于车体的基板上。这样既便于编码器的安装，还可以能消除因主动轮打滑而导致的测量误差。进一步的，所述摆杆连接在第二编码器的轴上，且第二编码器通过一固定座固定于车体的基板上；第二编码器的轴与两个主动轮的连线相平行。这样易于拆卸和安装，可根据实验要求灵活选用不同长度和重量的摆杆，调整倒立摆小车系统可稳定的控制周期的最大值。进一步的，为保护测量摆杆摆角的第二编码器，所述固定座上连接有摆杆弹性保护片，所述摆杆弹性保护片设于摆杆摆动方向上，在摆杆两侧各设一个摆杆弹性保护片，以限制摆杆的角位移，防止由于摆杆摆角过大对第二编码器造成的损坏。进一步的，所述控制系统还包括无线模块，所述无线模块与控制器连接。无线模块的设置，可以实现与上位机的无线通信，这样就可以从上位机上实时读取和绘制小车和摆杆的位移信号、相应的速度信息及控制力矩等，使得实验过程更加直观。同时，可以实现无线遥控稳定，编码器信息可以无线传输到远程控制器，远程控制器计算控制量后，再无线传输给小车，使倒立摆小车稳定。进一步的，所述无线模块与控制器通过串行接口连接。进一步的，所述第一编码器和第二编码器为三相增量式编码器。进一步的，所述控制系统焊接在一电路板上，所述电路板固定于车体的基板上。这样可以提高整个装置的集成度，进一步缩小了装置的体积和重量。进一步的，所述每个主动轮各通过一个电机驱动。主动轮分别由一个电机驱动，这样提高电机对小车的驱动力。进一步的，所述电机为直流减速电机。因为直流减速电机具有力矩大、噪音低、转速可调、控制方便的特点。与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是:本实用新型的移动倒立摆小车装置，通过简单的小车驱动结构，代替现有的复杂的直线运动驱动结构，实现对小车的驱动，减小了整个装置的体积和重量，同时了降低了成本。并且通过将控制系统的各个模块焊接于一电路板上，提高了整个装置的集成度，进一步减小了本实用新型的移动倒立摆小车装置的体积和重量。再者，通过特别设计的车轮结构，即三轮式的结构，可以实现小车的稳定以及灵活移动。另外，通过将编码器安装于外置的从动轮上，来进行小车位移和方向的测量，进一步简化了结构，同时减小了测量误差。本实用新型通过设置无线模块，可以实现与上位机的无线通信，可以从上位机上实时读取和绘制小车和摆杆的位移信号、相应的速度信息及控制力矩等，同时实现对小车的远程控制。本实用新型移动倒立摆小车装置的各个子结构之间可快捷拆装，易于组合或者拆开。
图1为本实用新型实施例的移动倒立摆小车装置结构示意图。图2为本实用新型实施例的移动倒立摆小车装置的控制系统结构框图。图3为本实用新型实施例的移动倒立摆小车装置的控制系统电路图。图4为本实用新型实施例的移动倒立摆小车装置的控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。为了便于解释和说明，各个部分和结构的大小，并不代表实际尺寸，有夸大的，有缩小的，附图表示的仅是示意图，而非实物图。为了清楚具体地说明，有些公知功能和结构可能是省略的，对这些结构的说明也省略了。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。在本实用新型中，除非另有规定或者限定，需要说明的是，术语“安装”、“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是机械连接或者电连接或者气路连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。实施例1如图1所示为本实用新型实施例的移动倒立摆小车装置结构示意图，移动倒立摆小车装置，包括控制系统和小车。小车包括车体和设置于车体上的摆杆10。车体包括基板6和设于基板6上的车轮、电源(图中未不出)。车轮包括设于基板6前端的两个主动轮4和设于基板6后端中心位置的一个导向轮11，两个主动轮4分别设置在基板6左右两侧，每个主动轮4各通过一个电机5驱动。基板前端还连接有一个从动轮1，从动轮I与第一编码器3同轴连接，并通过一连杆2固定于车体的基板6上，第一编码器3用于测量小车的位移以及方向。摆杆10上连接有用于测量摆杆10的角速度的第二编码器8，摆杆10直接连接在第二编码器8的轴上，使摆杆可在与该第二编码器8的轴垂直的面内绕轴摆动。同时这样易于拆卸和安装，可灵活选用不同长度和重量的摆杆，调整倒立摆小车装置可稳定的控制周期的最大值。第二编码器8通过一固定座9固定于车体的基板6上。很显然,摆杆10的摆动方向与两个主动轮4连线相垂直，即与小车前后移动的方向相一致，设置的时候，第二编码器8的轴与两个主动轮4的连线相平行。为了限制摆杆10的摆动幅度，防止其摆动太大引起编码器的损坏，固定座9上连接有摆杆弹性保护片7，摆杆弹性保护片7设于摆杆10摆动方向上，在摆杆10两侧各设一个摆杆弹性保护片7。如图1中所示。控制系统(图1中未示出)设于车体的基板6上，如图2所示，包括控制器12和分别与之相连的电机5驱动模块13、两个鉴相器15、电源模块16和无线模块14。电机驱动模块13与电机5连接，两个鉴相器15分别和第一编码器3和第二编码器8连接，电源与电源模块16连接。无线模块与控制器通过串行接口连接。整个控制系统焊接在一电路板17上，电路板17固定于车体的基板6上。采用无线模块14可以实现小车与上位机的通信，可以通过上位机实时读取和绘制小车和摆的位移信号、相应的速度信息及控制力矩，并能够实现远程控制。第一编码器3和第二编码器8均为为三相增量式编码器。其中第一编码器3采用三相增量式500线编码器，第二编码器8采用的是三相增量式1000线编码器。如图3中控制系统电路结构图所示，控制器12采用飞思卡尔公司的MC912XS128单片机，电机4采用减速直流电机，电机驱动模块13采用IRF3205组成的H桥；无线模块14采用GW200KB，以实现小车与上位机的通信；鉴相器15采用74LS393，用以判断摆杆的摆动方向及小车的方向。采用12V和3A的锂电池作为小车的电源，锂电池固定在小车的基板上，电源模块16采用稳压芯片LM2940-5。再结合图3，第二编码器8的A相信号输入到与之连接的鉴相器15的D1、CLK1，第一编码器3的B相信号输入到与之连接的鉴相器15的D2、CLK2。鉴相器15的输出Ql和Q2分别连接到控制器12的TO、Tl 口，用来捕捉摆和小车方向的变化。第二编码器8的脉冲直接与控制器12的T7 口脉冲累加器连接，用来统计第二编码器的脉冲数。由于控制器12只有一个脉冲累加器，所以添加了一个计数器CD4520来对第一编码器3的脉冲来进行计数。第一编码器3的脉冲输入连接到计数器的脉冲输入CLK端，计数器的输出Q0-Q7连接到控制器12的A 口，通过读取A 口的数据就可以得出第一编码器3的脉冲数。在得到第二编码器8的方向信息和脉冲信息后，就可以计算出摆杆10的角速度，在得到第一编码器3的方向信息和脉冲信息就可以计算出小车的位移和速度。控制器12的PO和Pl 口连接到电机驱动模块13以控制电机的转动。控制器12的串口 S0，SI与无线模块16的S0，SI连接，将系统的数据信息通过无线模块传输给PC机。本实用新型的移动小车倒立摆的控制流程图如图4所示:首先对控制器12进行初始化，控制器12初始化后，手动将摆杆10转到重力方向初始化的摆角度，然后打开控制器
12的中断和鉴相器15使能开始工作。小车在控制器12的控制下开始运动。本实施例中设定控制器12的定时器间隔50毫秒触发一次中断，当50毫秒中断发生时，采集第二编码器8的脉冲和方向信息，计算出摆杆10的角速度信息，采集第一编码器3的脉冲和方向信息，计算出小车的位移和速度信息，然后利用H)控制算法，控制器12计算出需要电机5输入的力所对应的PWM信号，PWM信号输入到电机驱动模块13来驱动电机转动，控制电机转动速度，从而使整个系统达到稳定。中断使能后，摆杆10方向和小车的方向一旦发生改变，鉴相器15就可以检测出此次改变，鉴相器15的输出电平发生改变，控制器12捕捉到鉴相器15输出电平变化就可以获得小车或者摆杆方向信息。上述实施例是本实用新型的较佳实施方案，应该理解的是，上述实施例并不用于限制本实用新型，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理的宗旨的情况下，对上述实施例所做的变化、修改、替换和变形，均应落入本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种移动倒立摆小车装置，包括控制系统和小车，所述小车包括车体和设置于车体上的摆杆，其特征在于，所述车体包括基板和设于基板上的车轮以及电源，所述车轮包括设于基板前端靠电机驱动的两个主动轮和设于基板后端中心位置的导向轮，所述两个主动轮分别设置在基板左右两侧；所述基板前端还连接有一个从动轮，所述从动轮上连接有第一编码器；所述摆杆上连接有第二编码器，所述摆杆的摆动方向与两个主动轮连线相垂直；所述控制系统设于车体的基板上，包括控制器和分别与之相连的电机驱动模块、两个鉴相器和电源模块，电机驱动模块与电机连接，两个鉴相器分别和第一编码器和第二编码器连接，所述电源与电源模块连接。
2.根据权利要求1所述的移动倒立摆小车装置，其特征在于，所述从动轮与第一编码器同轴连接，并通过一连杆固定于车体的基板上。
3.根据权利要求1所述的移动倒立摆小车装置，其特征在于，所述摆杆连接在第二编码器的轴上，且第二编码器通过一固定座固定于车体的基板上；第二编码器的轴与两个主动轮的连线相平行。
4.根据权利要求3所述的移动倒立摆小车装置，其特征在于，所述固定座上连接有摆杆弹性保护片，所述摆杆弹性保护片设于摆杆摆动方向上，在摆杆两侧各设一个摆杆弹性保护片。
5.根据权利要求1-4任一所述的移动倒立摆小车装置，其特征在于，所述控制系统还包括无线模块，所述无线模块与控制器连接。
6.根据权利要求5所述的移动倒立摆小车装置，其特征在于，所述无线模块与控制器通过串行接口连接。
7.根据权利要求1所述的移动倒立摆小车装置，其特征在于，所述第一编码器和第二编码器为三相增量式编码器。
8.根据权利要求1所述的移动倒立摆小车装置，其特征在于，所述控制系统焊接在一电路板上，所述电路板固定于车体的基板上。
9.根据权利要求1所述的移动倒立摆小车装置，其特征在于，所述电机为直流减速电机。
10.根据权利要求1所述的移动倒立摆小车装置，其特征在于，所述每个主动轮各通过一个电机驱动。
专利摘要本实用新型涉及科研教学研究用的实验仪器技术领域，更具体地，涉及一种移动倒立摆小车装置，包括控制系统和小车，所述小车包括车体和设置于车体上的摆杆，所述车体包括基板和设于基板上的车轮以及电源，所述车轮包括设于基板前端靠电机驱动的两个主动轮和设于基板后端中心位置的导向轮，所述两个主动轮分别设置在基板左右两侧；所述基板前端还连接有一个从动轮，所述从动轮上连接有测量小车的位移和方向的第一编码器；所述摆杆上连接有用于测量摆杆的角速度的第二编码器，所述摆杆的摆动方向与两个主动轮连线相垂直；所述控制系统设于车体的基板上，用于控制整个车体的运动情况。本实用新型体积小、重量轻、成本低。
文档编号G09B19/00GK203084998SQ201320058049
公开日2013年7月24日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者成慧, 陈有生, 黄永成 申请人:中山大学, 香港中文大学