[發明專利]平面二維自由度旋轉倒立擺裝置

有效

• 申請號: 201410020741.6
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103810929A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 巫慶輝;丁碩;楊禎山;楊友林;張博;韓建群;劉闖
• 申請（專利權）人: 渤海大學
• 主分類號: G09B25/02
• 分類號: G09B25/02;G05B19/418
• 代理公司: 錦州遼西專利事務所 21225
• 代理人: 李輝

技術領域

本發明涉及檢驗控制算法、研究控制理論很有效的實驗設備，尤其是平面二維自由度旋轉倒立擺裝置。

背景技術

倒立擺系統是檢驗控制算法、研究控制理論很有效的實驗設備，倒立擺系統按照結構形式不同可以分為：1）直線倒立擺系統，即小車倒立擺系統；2）旋轉式倒立擺系統，即環形倒立擺系統；3）平面倒立擺系統；4）柔性倒立擺系統；5）直線柔性連接倒立擺系統。倒立擺是典型的非線性、多變量、耦合與欠驅動的系統，旋轉式倒立擺與小車式倒立擺不同，由于將小車的平動控制改為懸臂控制，在硬件結構上減少了中間傳動機構，相對于小車式倒立擺具有更大的非線性、不穩定性和復雜性，對控制算法提出了更高的要求。目前，一維自由度的旋轉倒立擺已經應用于教學實驗中，然而從結構、對象模型復雜度及控制難度上看都比較簡單容易，不利于先進控制策略及算法的驗證。平面倒立擺是最為復雜的一類，具有兩個自由度，在XY平面內自由運動，在兩個正交控制方向上存在耦合作用，平面倒立擺更加突出模型的非線性、耦合性及多變量等特點，使得控制的實現更具有挑戰性。平面倒立擺是通過X、Y兩個正交直線方向的加減速運動來實現倒立擺控制的，由于其結構本身的空間限制，因此，在X與Y方向的運動必然受限，大大限制該驗證平臺的應用范圍。

為了進一步增強對象模型的非線性、xy方向的耦合性、不穩定性及復雜性，打破傳統平面倒立擺Y方向的運動受限問題，將平面倒立擺與旋轉擺結合，構建平面二維自由度的旋轉倒立擺裝置，即適合于一維自由度又適合于二維自由度倒立擺控制，到目前為止還未見有相關的報道。

發明內容

本發明針對現有的旋轉倒立擺裝置只適用于一維自由度倒立擺的控制算法檢驗問題、傳統平面倒立擺在XY方向運動受限的問題，提供一種既適用于一維自由度又適用于二維自由度的平面二維自由度旋轉倒立擺裝置。

本發明的技術解決方案是：

一種平面二維自由度旋轉倒立擺裝置，有一個第一支架，第一支架上設置有旋轉伺服電機，其特殊之處是：旋轉伺服電機的第一轉軸上安裝直線飼服電機，直線飼服電機的動子上設置懸臂，懸臂一端設置第一編碼器，懸臂另一側設置第二支架，第二支架一側設置第二編碼器，再通過第二轉軸連接托盤，托盤的一側設置第三編碼器，托盤另一側設置配重塊，使得配重塊與另一側的第三編碼器平衡，第三編碼器上設置第三轉軸，第三轉軸在水平方向與第二轉軸垂直，第三轉軸端部設置可拆卸第一擺桿，第一擺桿的垂直投影正好位于托盤的中心位置，第一編碼器上設置第四轉軸，第四轉軸與托臂方向平行，第四轉軸端部設置可拆卸第二擺桿，第一編碼器用于檢測沿托臂的切線方向擺動的第二擺桿的偏轉角度，第二編碼器與第三編碼器分別檢測第一擺桿沿著切線方向和軸向的偏離角度。

第一擺桿即可以沿托臂的切線方向擺動，也可以沿托臂的軸向方向擺動，第二編碼器與第三編碼器可分別檢測第一擺桿沿著兩個方向的偏離角度；第二擺桿只能沿著托臂的切線方向擺動，并由第一編碼器檢測其偏轉角度。第一擺桿與第二擺動均可拆卸，當進行一維自由度旋轉倒立擺實驗時，將第一擺桿拆卸掉；當進行二維自由度旋轉倒立擺實驗時，將第二擺桿拆卸掉。

檢測與控制裝置由第一編碼器、第二編碼器、第三編碼器、旋轉伺服電機角度傳感器、直線伺服電機位置傳感器、微型計算機系統、旋轉伺服電機驅動模塊、直線伺服電機驅動模塊及通信模塊構成。當系統進行一維自由度的旋轉倒立擺實驗時，微型計算機系統通過第一編碼器與旋轉伺服電機角度傳感器檢測系統狀態，通過相應的控制算法計算控制律，并通過旋轉伺服電機驅動模塊控制旋轉伺服電動機的加（減）角速度來實現擺桿的控制任務；?系統進行二維自由度旋轉平面倒立擺實驗時，微型計算機系統通過第二編碼器、第三編碼器、旋轉伺服電機角度傳感器與直線伺服電機位置傳感器檢測系統狀態，通過相應的控制算法計算控制律，并通過旋轉伺服電機驅動模塊與直線伺服電機驅動模塊分別控制旋轉伺服電動機的加（減）角速度、直線伺服電動機的軸線直線加（減）速度來實現擺桿的控制任務。