[發明專利]二維球-面系統控制裝置及方法

無效

• 申請號: 201210087173.2
• 申請日: 2012-03-29
• 公開（公告）號: CN102591367A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 高丙團;包宇慶;賈麗娟;湯奕
• 申請（專利權）人: 蘇州市思瑪特電力科技有限公司
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及一種系統控制裝置，特別涉及一種二維球面系統控制裝置及方法。

背景技術

欠驅動系統是指控制輸入的數目少于系統自由度的一類系統，通過較少的控制輸入控制較多自由度的運動，欠驅動系統的應用非常廣泛，實際應用中許多系統都被設計成為了欠驅動系統（航天器、直升飛機、水下航行器、衛星、柔性機器人等）。

球棒系統是一類欠驅動系統，由一根連桿和一個可在連桿上自由運動的小球組成，連桿可繞一個轉軸在一個垂直平面內轉動。在整個系統中，連桿的轉角是驅動的，小球的位置是未驅動的。通過在連桿轉軸上施加驅動力，調整連桿的轉角，從而可以控制連桿和小球同時達到期望的平衡位置。該系統是一個典型的多變量的非線性系統，是非線性控制理論的一個典型實驗室課題。該系統通過操作驅動力矩的控制使剛性球穩定在連桿的中心位置。

二維球面系統，包括一個可兩自由度旋轉的平面和平面上滾動的小球。通過控制平面的旋轉角度可以控制平面上小球的位置。整個系統中面的傾角是驅動的，小球的位置是未驅動的。相對于球棒系統，二維球面系統的動力學方程更加復雜，其控制難度更大。現以二維球面系統為研究對象，制造一個實驗裝置，可以驗證非線性控制方法的有效性。通過設計該系統的控制器，無論小球在平面的什么位置，平面的角度如何，該控制裝置都能使小球穩定在平面的中心位置。

發明內容

發明目的是提供一種試驗裝置，將球棒系統的運動由一維擴展到二維，球-面系統是一類欠驅動系統，通過研究球-面系統的控制算法，可以驗證欠驅動系統控制算法的好壞。

本發明的技術方案如下：一種球-面系統控制裝置，包括工業計算機和控制柜，還包括球面裝置本體；所述球面裝置本體包括球、支腳、碼盤、電機、同步帶、攝像頭、連桿、平面、萬向節、同步帶輪、支撐平臺和傾角傳感器。

所述的小球放置于平面上，平面由支腳固定在支撐平臺上，平面與支腳由二自由度的萬向節連接，平面的四個頂點由兩根同步帶對角相連。

每根同步帶經過兩個同步帶輪，四個同步帶輪分別固定于平面平行于支撐平臺的時候平面四個頂點在支撐平臺的投影位置，四個同步帶輪中，選擇兩個相鄰同步帶輪由電機驅動。

所述的攝像頭由四根連桿固定于平面正上方，四根連桿分別連接平面的一個頂點，隨時采集小球在平面上的位置，攝像頭的輸出端與工業計算機的輸入端連接。

所述的傾角傳感器放置于平面的底面，傾角傳感器的輸出端與工業計算機的輸入端連接。

所述碼盤安裝在電機的后方，以測量電機的轉角。

????控制柜分別通過導線與攝像頭、傾角傳感器、電機、工業計算機連接，由控制柜給這些設備提供電力。

????工業計算機通過控制柜的電機驅動電路控制電機的運轉。

????一種球-面系統控制裝置的控制方法，包括以下步驟：

（1）小球的位置信息通過攝像機采集得到，攝像頭將采集的信息發送到工業計算機；

（2）碼盤采集電機的轉角信息，并發送到工業計算機；

（3）傾角傳感器采集的平面兩自由度傾角，并發送到工業計算機；

（4）工業計算機計算分析傾角傳感器、碼盤與攝像頭采集到的信息，控制算法根據反饋信息和控制目標給出控制信號，控制信號由工業計算機發送到控制柜，由控制柜中的電機驅動兩臺電機的運轉，以控制同步帶輪轉速記轉角，從而保證小球在平面上的平衡并到達所期許的位置。

本發明提出一種球-面系統控制裝置。一種球-面系統控制裝置，包括球、支腳、電機、同步帶、攝像頭、連桿、平面、萬向節、同步帶輪、支撐平臺、控制柜、工業計算機、傾角傳感器；其中，所述的小球放置于平面上，平面上有刻度值；所述的平面由支腳固定在支撐平臺上，平面與支腳由二自由度的萬向節連接，平面的四個頂點由兩根彈性系數很小的同步帶對角相連，每根同步帶經過兩個同步帶輪，四個同步帶輪分別固定于平面平行于支撐平臺的時候平面四個頂點在支撐平臺的投影位置，四個同步帶輪中，選擇兩個相鄰同步帶輪由電機驅動；所述的攝像頭由四根連桿固定于平面正上方，四根連桿分別連接平面一個頂點，隨時采集小球在平面上的位置。

平面上部的攝像頭即時采集球在平面的具體位置，采集到的位置信息及時發送到工業計算機，同時，傾角傳感器采集平面的傾斜角度信息發送到工業計算機，工業計算機經過分析計算控制同步帶輪轉速及轉向，發送控制信號到驅動機，驅動機控制同步帶輪來調節同步帶從而控制平面縱向以及橫向兩個自由度運動以達到球能保持平衡。本發明的球-面系統控制裝置與方法能有效的控制小球在平面的平衡。