一种用于实验教学的跷跷板平衡控制装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，该装置包括跷跷板以及电连接的检测元件、控制部件及调整部件；检测元件检测跷跷板的倾斜角度，并将该信息反馈给控制部件，控制部件通过运算得出使跷跷板平衡配重元件所需的摆动角度，并输出控制信号给驱动元件，驱动元件带动配重元件偏转所需角度以控制跷跷板的平衡。该装置的数学模型与倒立摆基本相同，但其机械结构及制作工艺相对简单，制造成本很低，且安全性好，适用于实验教学的使用。
【专利说明】一种用于实验教学的跷跷板平衡控制装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于自动控制【技术领域】，具体涉及一种用于实验教学的跷跷板平衡控制装置。
【背景技术】
[0002]在“自动控制原理”及“计算机控制”等相关课程的教学实验中，一般需要采用实验装置配合来讲解自动控制的组成、结构、运行与实际效果，使学生对课程的内容有更加深入、全面和具体的理解。
[0003]目前用于有关课程教学的实验装置很少，深圳的固高公司是在这方面做的比较好的。固高公司在这方面的典型产品有各种类型的倒立摆，自平衡小车、球杆控制和球板控制系统。
[0004]倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台，对倒立摆系统的研究能有效的反应控制中的许多典型问题，如:非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等，通过对倒立摆的控制用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力，同时其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。
[0005]但该类产品结构及其制作工艺相对复杂，生产成本较高，其售价一般在几万元到几十万元不等，费用昂贵，而教学实验的经费有限，难以购买优质且实用的实验产品。
[0006]而且，倒立摆在运行时速度较高，一般需要人员离开一定安全距离。如果控制不当，或者发生故障，摆杆有可能甩出伤人，存在相应的安全隐患。
[0007]鉴于以上问题，有必要提出一种结构更为简单、实用且廉价的实验产品，在便于实验教学的同时，降低实验装置对人身的危害。
实用新型内容
[0008]有鉴于此，本实用新型提供了一种用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，通过设置检测元件可精确的检测跷跷板的倾角，调整部件可根据倾角的大小进行摆动调整，实现跷跷板的自动控制平衡实验，且该装置的数学模型与倒立摆基本相同，而机械结构及制作工艺相对简单，制造成本很低。且安全性好。
[0009]根据本实用新型的目的提出的一种用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，包括跷跷板、位于所述跷跷板中心处的支撑机构、检测所述跷跷板倾角的检测元件、调整所述跷跷板平衡的调整部件、以及控制部件，所述控制部件分别与所述检测元件及所述调整部件电连接；
[0010]所述调整部件包括设置于所述跷跷板上的配重元件、以及驱动所述配重元件向跷跷板两端摆动的驱动元件，所述驱动元件与所述控制部件电连接。
[0011]优选的，所述驱动元件为固定设置于所述跷跷板上的舵机，所述配重元件为固定设置于所述舵机转轴上的摆锤，所述摆锤随舵机转轴的转动而产生摆动。
[0012]优选的，所述舵机设置于所述跷跷板中心位置处。
[0013]优选的，所述检测元件为树脂电位器或旋转编码器，所述检测元件与所述支撑机构集成于一体，所述检测元件的转轴为所述跷跷板的转轴，所述跷跷板转动固定于所述检测元件的转轴上。
[0014]优选的，所述检测元件为MEMS重力传感器，所述MEMS重力传感器设置于所述跷跷板上。
[0015]优选的，所述检测元件为光电传感器，所述光电传感器对称固定于所述跷跷板两端对应的水平面上。
[0016]优选的，所述控制部件为具有A/D功能和PWM输出功能的单片机。
[0017]优选的，所述平衡控制装置还包括通信模块。
[0018]优选的，所述通讯模块采用蓝牙无线通信；或所述通信模块的通信接口为UART接口，所述通信模块通过UART转USB转换器连接至计算机的USB接口。
[0019]优选的，所述控制部件上还具有键盘操作模块和液晶显示模块。
[0020]与现有技术相比，本实用新型公开的用于实验教学的跷跷板平衡控制装置的优点是:该装置包括跷跷板以及电连接的检测元件、控制部件及调整部件；检测元件检测跷跷板的倾斜角度，并将该信息反馈给控制部件，控制部件通过运算得出使跷跷板平衡配重元件所需的摆动角度，并输出控制信号给驱动元件，驱动元件带动配重元件偏转所需角度以控制跷跷板的平衡。该装置的数学模型与倒立摆基本相同，但其机械结构及制作工艺相对简单，制造成本很低，且具有很高的安全性，在任何情况下都不会对周围人员造成伤害，适用于教学实验的使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为用于实验教学的跷跷板平衡控制装置实施例1的结构示意图。
[0023]图2为用于实验教学的跷跷板平衡控制装置实施例2的结构示意图。
[0024]图3为用于实验教学的跷跷板平衡控制装置实施例3的结构示意图。
[0025]图4为控制系统图。
[0026]图中的数字或字母所代表的相应部件的名称:
[0027]1、跷跷板2、支撑机构3、检测元件4、舵机5、摆锤
【具体实施方式】
[0028]目前用于有关课程教学的实验装置很少，一般为倒立摆，自平衡小车、球杆控制和球板控制系统。该类产品结构及其制作工艺相对复杂，安全性低，生产成本较高，其售价一般在几万元到几十万元不等，费用昂贵，而教学实验的经费有限，难以购买优质且实用的实验广品。
[0029]本实用新型针对现有技术中的不足，提供了一种用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，通过设置检测元件可精确的检测跷跷板的倾角，调整部件可根据倾角的大小进行摆动调整，实现跷跷板的自动控制平衡实验，且该装置数学模型与倒立摆基本相同，机械结构及制作工艺相对简单，具有较高的安全性，制造成本较低。
[0030]下面将通过【具体实施方式】对本实用新型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作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。
[0031]实施例1
[0032]请一并参见图1与图4，一种用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，包括跷跷板1、位于跷跷板1中心处的支撑机构2、检测跷跷板1倾角的检测元件、调整跷跷板1平衡的调整部件、以及控制部件(未示出)，控制部件分别与检测元件及调整部件电连接。
[0033]跷跷板1可为用木料、塑料或金属制作的长条形板，跷跷板的中心与支撑机构2连接，跷跷板1可以支撑机构2为中心摆动。
[0034]调整部件包括设置于跷跷板1上的配重元件以及驱动配重元件摆动的驱动元件，驱动元件与控制部件电连接。其中本实用新型的驱动元件优选为固定设置于跷跷板1上的舵机4，配重元件为固定设置于舵机4转轴上的摆锤5，摆锤5随舵机4转轴的转动而产生摆动以调整跷跷板的平衡。
[0035]舵机是车模和航模上广泛使用的控制执行元件，可以通过控制信号使舵机的转轴旋转给定的角度。本实用新型中可根据需要选择合适的舵机型号，使舵机的输出足够驱动摆锤的重量，从而实现期望的控制效果。具体型号不做限制。
[0036]舵机一般设置于跷跷板中心位置处。在跷跷板倾斜时方便控制部件计算摆锤的偏转角度。
[0037]本申请中舵机一般采用日本生产的FUTABA S3003D舵机，除采用舵机驱动外，还可采用电机驱动等方式，具体根据使用需要而定。
[0038]检测元件为MEMS (微机电系统)重力传感器，图1中未示出，MEMS重力传感器可设置于跷跷板1上。MEMS重力传感器可以直接输出倾角的数字量，很方便与控制部件连接。有些传感器还可以检测角速度和角加速度，该类传感器可为ADI公司生产的ADXL345三轴加速度传感器，可以直接用于计算机控制的计算，目前这类传感器的价格在几十元左右，价格低廉，使用成本较低。
[0039]控制部件为单片机。单片机接收检测元件的发出的跷跷板倾角信号，通过一定的算法计算出舵机的旋转角度，从而使跷跷板保持稳定的平衡状态。其中该单片机为具有A/D(模数转换)功能和PWM(脉冲宽度调制)输出功能的单片机，单片机型号可为PIC30F401K微芯公司产品)和MSP430F149(TI公司产品)，具体型号不做限制。
[0040]该平衡控制装置还包括通信模块，将跷跷板的状态信息及数据发送给其他计算机以显示。通讯模块的通信接口为UART(通用异步收发传输器)接口，通信模块通过UART转USB转换器连接至计算机的USB接口，以方便进行详细的观察和分析。用MATLAB (matrix与laboratory两个词的组合)编写的应用软件可以实时显示跷跷板系统的运行状态。在能够保证实时性的情况下(通信速度足够快以能够跟得上控制的需要)，甚至可以用MATLAB通过通讯模块直接对系统进行控制。
[0041 ] 通信模块还可以采用蓝牙无线通信。可以避免连线的麻烦，方便用户使用。
[0042]控制部件上还具有键盘操作模块和液晶显示模块。控制部分单独使用时(不通过通信模块与通用计算机联机)，也能够通过液晶显示模块显示系统的运行状态，并通过键盘操作模块修改控制参数。
[0043]本实用新型的原理如下:
[0044]检测元件检测跷跷板的倾斜角度，并将该信息反馈给控制部件，控制部件通过运算得出使跷跷板平衡配重元件所需的摆动角度，并输出控制信号给驱动元件，驱动元件带动配重元件偏转所需角度以控制跷跷板的平衡。
[0045]实施例2
[0046]请参见图2，其余与实施例1相同，不同之处在于，检测元件3为树脂电位器或旋转编码器，检测元件与支撑机构集成于一体，检测元件可直接设置于水平面上，检测元件的转轴为跷跷板的转轴，跷跷板转动固定于检测元件的转轴上。
[0047]其中旋转编码器可为E6B2-CWZ6C1200P/R欧姆龙编码器，树脂电位器可为WDD3OT4-10K精密导电塑料电位器，具体型号根据使用需要而定，在此不做限制。
[0048]采用树脂电位器或者旋转编码器作为倾角检测元件的好处在于，检测元件可用作支撑机构使用，树脂电位器或者旋转编码器的转轴同时也是跷跷板的转轴。从而可以简化系统机械结构。同时这两种传感器的可靠性和抗干扰性也很好。
[0049]实施例3
[0050]请参见图3，其余与实施例1相同，不同之处在于，检测元件为光电传感器，光电传感器对称固定于跷跷板1两端对应的水平面上。
[0051]采用光电传感器可以检测跷跷板的倾角。两个反射式光电传感器(M1、M2)配置在跷跷板的两端。当倾角为0时，两个反射式光电传感器到跷跷板的距离相等，两个反射式光电传感器的输出信号也相等(si = S2)。当跷跷板发生倾斜时，两个反射式光电传感器的距离便发生变化。其中一个变大，另外一个变小。两者输出的信号差(S1-S2)就可以间接表示跷跷板倾角的大小。采用光电传感器的优点是无接触，因而可以避免摩擦力的影响。另外反射式红外光电传感器的成本也要低很多。
[0052]其中，光电传感器为亿光公司生产的ITR9908反射式光电传感器，具体信号根据使用需要而定，在此不做限制。
[0053]本实用新型公开了一种用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，该装置包括跷跷板以及电连接设置的检测元件、控制部件及调整部件；检测元件检测跷跷板的倾斜角度，并将该信息反馈给控制部件，控制部件通过运算得出使跷跷板平衡配重元件所需的摆动角度，并输出控制信号给驱动元件，驱动元件带动配重元件偏转所需角度以控制跷跷板的平衡。该装置数学模型与倒立摆基本相同，但其机械结构及制作工艺相对简单，制造成本很低，且具有很高的安全性，在任何情况下都不会对周围人员造成伤害，适用于教学实验的使用。
[0054]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，其特征在于，包括跷跷板、位于所述跷跷板中心处的支撑机构、检测所述跷跷板倾角的检测元件、调整所述跷跷板平衡的调整部件、以及控制部件，所述控制部件分别与所述检测元件及所述调整部件电连接； 所述调整部件包括设置于所述跷跷板上的配重元件、以及驱动所述配重元件向跷跷板两端摆动的驱动元件，所述驱动元件与所述控制部件电连接。
2.如权利要求1所述的用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，其特征在于，所述驱动元件为固定设置于所述跷跷板上的舵机，所述配重元件为固定设置于所述舵机转轴上的摆锤，所述摆锤随舵机转轴的转动而产生摆动。
3.如权利要求2所述的用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，其特征在于，所述舵机设置于所述跷跷板中心位置处。
4.如权利要求1所述的用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，其特征在于，所述检测元件为树脂电位器或旋转编码器，所述检测元件与所述支撑机构集成于一体，所述检测元件的转轴为所述跷跷板的转轴，所述跷跷板转动固定于所述检测元件的转轴上。
5.如权利要求1所述的用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，其特征在于，所述检测元件为MEMS重力传感器，所述MEMS重力传感器设置于所述跷跷板上。
6.如权利要求1所述的用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，其特征在于，所述检测元件为光电传感器，所述光电传感器对称固定于所述跷跷板两端对应的水平面上。
7.如权利要求1所述的用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，其特征在于，所述控制部件为具有A/D功能和PWM输出功能的单片机。
8.如权利要求7所述的用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，其特征在于，所述平衡控制装置还包括通信模块。
9.如权利要求8所述的用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，其特征在于，所述通信模块采用蓝牙无线通信；或所述通信模块的通信接口为UART接口，所述通信模块通过UART转USB转换器连接至计算机的USB接口。
10.如权利要求7所述的用于实验教学的跷跷板平衡控制装置，其特征在于，所述控制部件上还具有键盘操作模块和液晶显示模块。
【文档编号】G09B25/02GK204102445SQ201420487360
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】王富东, 杨歆豪, 王敬驰, 侍晓丽 申请人:苏州大学