三轴风摆运动控制的实验教学装置及其使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种三轴风摆运动控制的实验教学装置，包括三轴风摆和上位机，所述三轴风摆包括支架，所述支架上设置有电源、控制装置和驱动装置，所述支架悬臂的自由端通过万向节与摆杆相连，所述摆杆与托架相连，所述托架上设置有角度传感器和三轴电机，所述三轴电机上安装有正反桨；所述控制装置与上位机通讯连接，所述上位机通过多种交互模式控制三轴风摆的运动或调节其状态。因此，本发明提供了一种三轴风摆运动控制的实验教学平台及其使用方法，该平台涉及了运动检测、控制算法、机器学习等多方面的训练，适合自动化、计算机、电子信息技术等多专业学生进行实践训练。
【专利说明】
三轴风摆运动控制的实验教学装置及其使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种三轴风摆运动控制的实验教学装置及其使用方法，属于控制算法 的试验装置领域。
【背景技术】
[0002] 随着我国智能制造业迅速发展，急需具备自动控制、检测技术以及相关专业综合 实践技能的人才，因此现今工科类院校，绝大多数都开设有自动化或与自动化相关的专业。 自动化专业的自动与检测相关课程教学中，结合实践训练，可以从多个方面培养学生的开 发技能，帮助深入理解相关理论知识。
[0003] 按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制算法是应用最为广泛的 一种自动控制算法，它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定 比较简单等优点。如果能够利用实验装置来体现这一算法的应用，就能够让学生通过实验 过程使其对该算法了解更加清晰，并可以培养学生的基本科研能力和创新能力，提高学生 分析问题、解决问题的能力。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种三轴风摆运动控制的实验教学装置，能够 实现运动检测、控制算法、机器学习、人机交互等多方面的训练，更进一步地，提供一种三轴 风摆运动控制的实验教学装置的使用方法，可以训练运动状态检测与控制、人机交互、通信 接口的硬件与软件的设计与开发能力。
[0005] 为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三轴风摆运动控制的实验 教学装置，
[0006] 包括三轴风摆和上位机，
[0007] 所述三轴风摆包括支架，所述支架包括立柱和悬臂，所述支架上设置有电源、控制 装置和驱动装置，所述悬臂的自由端通过万向节与摆杆相连，所述摆杆与托架相连，所述托 架上设置有角度传感器和三轴电机，所述三轴电机上安装有正反桨；
[0008] 所述控制装置包括依次相连的数据分类模块、数据记录模块、信息处理模块、分析 和指令执行模块，所述角度传感器、控制装置、驱动装置通过传输系统依次相连，所述驱动 装置与三轴电机相连，所述电源向控制装置和三轴电机供电；所述控制装置通过通讯接口 连接上位机；
[0009] 所述上位机包括处理器和与其相连的显示屏、扬声器、输入装置、双向通讯模块， 所述上位机通过多种交互模式控制三轴风摆的运动或调节其状态。
[0010] 所述控制装置包括STM32F4单片机。
[0011] 所述角度传感器包括三轴陀螺仪mpu6050。
[0012] 所述电源包括交流电源和电池，所述交流电源对直流无刷电机进行供电，所述电 池为7.2V的镍镉电池，通过LM2940芯片稳压5V对单片机供电。
[0013] 所述三轴电机包括高速电机X001515。
[0014] 所述正反桨包括T-Motor全碳纤维正反桨。
[0015] 所述上位机包括电脑和智能手机，所述智能手机包括重力感应装置，所述通讯接 口为蓝牙串口模块。
[0016] 一种三轴风摆运动控制的实验教学装置的使用方法，使用者通过上位机对控制算 法参数与控制模式进行修改，可以进行三种运动模式的控制:模式一，单摆模式，通过上位 机修改托架自由摆动的幅度与相对角度;模式二，停止模式，先将托架放置任何位置与角 度，松开后托架可以自动调整到相对零点;模式三，转圈模式，可以使托架进行圆周运动。
[0017] 所述智能手机控制三轴风摆的方式包括实时重力感应控制：智能手机采用重力感 应装置获取两种数据，第一种是智能手机头端指向的地理位置，取值范围是[0,360°]，第二 种是智能手机头部翻转的角度，取值选择范围[-90°，+90° ]，手机将获取的数据通过蓝牙发 送至蓝牙串口模块，使三轴风摆与手机同步运动。
[0018] 本发明的有益效果在于：
[0019] 本发明通过角度传感器实现运动检测，通过上位机设置控制模式和模式参数实现 了人机交互，通过数据分类模块、数据记录模块、信息处理模块、分析和指令执行模块实现 了控制算法和机器学习，可以为进行运动检测、控制算法、机器学习、人机交互等多方面的 训练提供平台；
[0020] 通过上位机对三轴风摆进行三种运动模式控制和实时重力感应控制，可以让使用 者从对PID各个参数的作用到相应组合的作用有直观的感受，让使用者对该控制算法进一 步理解，并且本发明采用三轴各呈120度的风摆，与正交的四轴风摆相比，运动调节比较困 难，具有一定挑战性，更适合进行PID算法控制操作的训练，进而训练运动状态检测与控制、 人机交互、通信接口的硬件与软件的设计与开发能力；
[0021 ]上位机可以为智能手机、平板电脑等设备，因此硬件兼容性强，不需要特殊设备， 使用方便，且减少了硬件投入。
[0022]因此，本发明提供了一种三轴风摆运动控制的实验教学平台及其使用方法，该平 台涉及了运动检测、控制算法、机器学习、上位机等多方面的训练，可以训练运动状态检测 与控制、人机交互、通信接口的硬件与软件的设计与开发能力，适合自动化、计算机、电子信 息技术等多专业学生进行研发训练。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的结构不意图；
[0024] 图2为本发明的系统构成示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0026]如图1和2所示的一种三轴风摆运动控制的实验教学装置，
[0027]包括三轴风摆和上位机，
[0028]所述三轴风摆包括支架，所述支架包括立柱1和悬臂2,所述支架上设置有电源3、 控制装置4和驱动装置5,所述悬臂2的自由端通过万向节6与摆杆7相连，所述摆杆7与托架8 相连，所述托架8上设置有角度传感器9和三轴电机10,所述三轴电机10上安装有正反桨11; [0029]所述控制装置4包括依次相连的数据分类模块、数据记录模块、信息处理模块、分 析和指令执行模块，所述角度传感器9、控制装置4、驱动装置5通过传输系统依次相连，所述 驱动装置5与三轴电机10相连，所述电源3向控制装置4和三轴电机10供电，所述控制装置4 通过通讯接口连接上位机12;
[0030] 所述上位机12包括处理器和与其相连的显示屏、扬声器、输入装置、双向通讯模 块，所述上位机12通过多种交互模式控制三轴风摆的运动或调节其状态。
[0031] 所述控制装置4包括STM32F4单片机，与角度传感器9通信于RRC数据总线。
[0032] 所述角度传感器9包括三轴陀螺仪mpu6050。
[0033]所述电源3包括交流电源和电池，所述交流电源对直流无刷电机进行供电，所述电 池为7.2V的镍镉电池，通过LM2940芯片稳压5V对单片机供电。
[0034] 所述三轴电机10包括高速电机X001515。
[0035] 所述正反桨11包括T-Motor全碳纤维正反桨。
[0036] 所述上位机12包括智能手机，所述智能手机包括重力感应装置，所述通讯接口为 蓝牙串口模块，智能手机端安装蓝牙APP。
[0037]所述智能手机控制三轴风摆的方式包括：
[0038] 一、标识三轴风摆的运动模式
[0039] 使用者通过智能手机对控制算法参数与控制模式进行修改，可以进行三种运动模 式的控制：
[0040] 模式一:单摆模式，为自由摆动，可以修改摆动的幅度与相对角度，其中原理为控 制模块通过改变相应电机的转速达到；
[0041 ]模式二:停止模式，先将托架8放置任何位置与角度，松开后，托架8可以自动调整 到相对零点；
[0042]模式三:转圈模式，可以进行圆周运动；
[0043]以上三种模式可以让使用者从对PID各个参数的作用到相应组合的作用有直观的 感受，让使用者对该控制算法进一步理解。
[0044] 二、实时重力感应控制
[0045]智能手机采用重力感应器获取两种数据，一个是智能手机头端指向的地理位置， 取值范围是[0,360°]，另一个是智能手机头部翻转的角度，取值选择范围[_90°，+90°]，智 能手机将获取的数据通过蓝牙发送至蓝牙串口模块，使三轴风摆与手机同步运动。
[0046]智能手机与三轴风摆间信息交互的方式为：
[0047]智能手机蓝牙发送的数据有两种类型，一种标识三轴风摆的三种运动模式(包括 单摆模式、停止模式、转圈模式），还有一种重力感应装置的实时重力感应控制，发送的数据 需要将二者区分出来，使用一个字节的一个比特位区分标识位，三种运动模式的数据采用 两个比特(一个字节)来发送，重力感应装置的数据需要采用字符串字节流发送，一共需要7 个字节。运动模式中除了 2个有用字节外，其它5个字节可以任取，这里全用0x00填充。综上 所述，采取7字节固定长度为一个数据帧，无需加入其它附加信息位，接收端单片机USART串 口采用一个循环接收即可完全正确获取控制信息。
[0048] 数据协议格式如下：
[0049] 运动模式
[0051 ] 传感控制
[0053]将需要发送的数据获取处理后按协议格式装载到7个字节长度的字符串数组中， 从蓝牙输出流发送，接收端串口定义一个同样长度的缓冲区，循环接受数据，无需复杂的数 据接受处理，直接使用。将得到的数据按命令进行控制输出。
[0054]三轴风摆的工作过程为：
[0055] (1)由角度传感器9测得三轴风摆实时相对角度；
[0056] (2)由数据分类模块对数据进行识别分类；
[0057] (3)由数据记录模块记录步骤(2)中识别分类好的数据；
[0058] (4)由信息处理模块、分析和指令执行模块进行PID算法处理(3)中的数据并对驱 动装置5发出指令;若使用者调节超出调整范围，控制装置4通过数据分类模块、数据记录模 块、信息处理模块、分析和指令执行模块进行计算后，发送提醒指令至智能手机，并通过扬 声器发出声音提醒使用者；
[0059] (5)使用者可以利用智能手机调整相关算法参数与控制模式，控制模块再次分析 数据并对电机发出指令。
[0060] 本发明的有益效果在于：
[0061 ]本发明通过角度传感器实现运动检测，通过上位机设置控制模式和模式参数实现 了人机交互，通过数据分类模块、数据记录模块、信息处理模块、分析和指令执行模块实现 了控制算法和机器学习，可以为进行运动检测、控制算法、机器学习、人机交互等多方面的 训练提供平台；
[0062] 通过上位机对三轴风摆进行三种运动模式控制和实时重力感应控制，可以让使用 者从对PID各个参数的作用到相应组合的作用有直观的感受，让使用者对该控制算法进一 步理解，并且本发明采用三轴各呈120度的风摆，与正交的四轴风摆相比，运动调节比较困 难，具有一定挑战性，更适合进行PID算法控制操作的训练，进而训练运动状态检测与控制、 人机交互、通信接口的硬件与软件的设计与开发能力；
[0063] 上位机可以为智能手机、平板电脑等设备，因此硬件兼容性强，不需要特殊设备， 使用方便，且减少了硬件投入。
[0064] 因此，本发明提供了一种三轴风摆运动控制的实验教学平台及其使用方法，该平 台涉及了运动检测、控制算法、机器学习等多方面的训练，可以训练运动状态检测与控制、 人机交互、通信接口的硬件与软件的设计与开发能力，适合自动化、计算机、电子信息技术 等多专业学生进行实践训练。
[0065]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种三轴风摆运动控制的实验教学装置，其特征在于， 包括三轴风摆和上位机， 所述三轴风摆包括支架，所述支架包括立柱和悬臂，所述支架上设置有电源、控制装置 和驱动装置，所述悬臂的自由端通过万向节与摆杆相连，所述摆杆与托架相连，所述托架上 设置有角度传感器和三轴电机，所述三轴电机上安装有正反桨； 所述控制装置包括依次相连的数据分类模块、数据记录模块、信息处理模块、分析和指 令执行模块，所述角度传感器、控制装置、驱动装置通过传输系统依次相连，所述驱动装置 与三轴电机相连，所述电源向控制装置和三轴电机供电；所述控制装置通过通讯接口连接 上位机； 所述上位机包括处理器和与其相连的显示屏、扬声器、输入装置、双向通讯模块，所述 上位机通过多种交互模式控制三轴风摆的运动或调节其状态。2. 如权利要求1所述的三轴风摆运动控制的实验教学装置，其特征在于，所述控制装置 包括STM32F4单片机。3. 如权利要求1所述的三轴风摆运动控制的实验教学装置，其特征在于，所述角度传感 器包括三轴陀螺仪mpu6050。4. 如权利要求1所述的三轴风摆运动控制的实验教学装置，其特征在于，所述电源包括 交流电源和电池，所述交流电源对直流无刷电机进行供电，所述电池为7.2V的镍镉电池，通 过LM2940芯片稳压5V对单片机供电。5. 如权利要求1所述的三轴风摆运动控制的实验教学装置，其特征在于，所述三轴电机 包括高速电机X001515。6. 如权利要求1所述的三轴风摆运动控制的实验教学装置，其特征在于，所述正反桨包 括T-Motor全碳纤维正反桨。7. 如权利要求1所述的三轴风摆运动控制的实验教学装置，其特征在于，所述上位机包 括电脑和智能手机，所述智能手机包括重力感应装置，所述通讯接口为蓝牙串口模块。8. 如权利要求1所述的三轴风摆运动控制的实验教学装置的使用方法，其特征在于，使 用者通过上位机对控制算法参数与控制模式进行修改，可以进行三种运动模式的控制:模 式一，单摆模式，通过上位机修改托架自由摆动的幅度与相对角度;模式二，停止模式，先将 托架放置任何位置与角度，松开后托架可以自动调整到相对零点；模式三，转圈模式，可以 使托架进行圆周运动。9. 如权利要求7所述的三轴风摆运动控制的实验教学装置的使用方法，其特征在于，所 述智能手机控制三轴风摆的方式包括实时重力感应控制：智能手机采用重力感应装置获取 两种数据，第一种是智能手机头端指向的地理位置，取值范围是[〇,360°]，第二种是智能手 机头部翻转的角度，取值选择范围[-90°，+90°]，手机将获取的数据通过蓝牙发送至蓝牙串 口模块，使三轴风摆与手机同步运动。
【文档编号】G09B9/00GK106097817SQ201610450044
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】刘小峰, 王程程, 汪建明, 危海明, 周小芹, 张婷婷, 苏新, 姚潇
【申请人】河海大学常州校区