[發明專利]一種可搭載旋轉LED的平衡小車系統及控制方法

有效

• 申請號: 202010543747.7
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111830823B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 劉慧;施志翔;孫淼
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42;B62D63/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種可搭載旋轉LED的平衡小車系統，其特征在于，包括平衡小車機構、旋轉LED、姿態檢測和平衡控制系統；

所述平衡小車機構包括小車上底板(8)、小車下底板(10)、小車直流電機及其編碼器(12)、電機支架(11)、小車輪胎(13)、固定銅柱(9)；所述小車上底板(8)、小車下底板(10)之間通過固定銅柱(9)連接；小車下底板(10)設置有電機支架(11)，電機支架(11)放置小車直流電機及其編碼器(12)，小車直流電機及其編碼器(12)帶動小車輪胎(13)轉動；

所述旋轉LED包括旋轉電路板及其立體板(1)、圓盤固定板(4)、銅柱(6)、旋轉電機(3)及其編碼器、旋轉電機固定板(2)、無線供電模塊、遙控器、旋轉底盒(5)；所述小車上底板(8)上設置有旋轉底盒(5)，旋轉底盒(5)上設置旋轉電機(3)，所述小車上底板(8)上通過銅柱(6)平行固定連接圓盤固定板(4)，圓盤固定板(4)用于固定旋轉電機(3)的上側，旋轉電路板及其立體板(1)下端連接旋轉電機固定板(2)，旋轉電機固定板(2)整體作為一個電機軸承，連接旋轉電機(3)和旋轉電路板；無線供電模塊分為無線供電發射端和接收端，接收端集成在旋轉電路板上，通過線圈得到感應電壓，給旋轉電路板及其立體板(1)供電；遙控器是一種紅外發射器，能夠和旋轉電路板及其立體板(1)上的紅外接收器通訊，實現對旋轉LED的圖案控制；

所述姿態檢測和平衡控制系統包括主控板(7)、降壓模塊、超聲波傳感器、顯示屏、姿態傳感器、電機驅動模塊、通訊模塊；所述主控板分別連接超聲波傳感器、顯示屏、姿態傳感器、通訊模塊、電機驅動模塊；所述降壓模塊和旋轉電機(3)、無線供電模塊、主控板(7)、電機驅動模塊、小車直流電機及其編碼器(12)相連，固定于旋轉底盒(5)中，用作為提供不同電壓的電源；姿態傳感器用于得到小車的姿態數據，超聲波傳感器用于判斷小車前方是否有阻擋物，所述顯示屏用于人機交互，能夠對小車的工作狀態進行實時反應；所述電機驅動模塊實現主控板對旋轉電機、小車車輪電機的實時控制；所述通訊模塊的從機設置在小車本體上，主機設置在上位機上，通過上位機對小車傳輸顯示LED、前進、后退命令；

主控板(7)用于實現平衡控制算法過程如下：

步驟a，獲取旋轉LED的具體參數，對旋轉穩定時候進行物理分析，求取旋轉LED對小車的干擾力；

步驟b，建立兩輪自平衡小車數學模型，得到系統線性化模型；

步驟c，建立線性化模型的簡化狀態方程，對小車搭載能力進行評估，如果小車能夠搭載，進行步驟d，否則更換零件，以滿足搭載條件；

步驟d，對串級PID的控制參數進行整定調整；

步驟e，實時狀態檢測，直立環，角度環，速度環控制，得到電機輸出量并輸入電機；

步驟f，重復步驟d，步驟e多次后，最終達到平衡狀態，實現對旋轉LED的搭載；

旋轉LED對小車的干擾力為：

為半個周期T/2向前的平均作用力，其中，ω為旋轉LED繞定軸轉動的總角速度，m_l是旋轉LED的質量差，F為剛體旋轉時對主軸的作用力合力，n為電機轉速，r是剛體的質心與轉軸之間的距離；另一個周期的平均作用力-大小相同，方向相反；將以上的平均作用力作為對小車的干擾力；

所述步驟c中，簡化狀態空間表達式為：

其中，為車輪的加速度，為小車的角加速度；M為假設包括旋轉LED的小車總質量，R為電機電阻，m為剛體質量，Km為轉矩轉化常數，K_e為反電動勢，L為質心距小車下平臺的距離；ω為電機的轉子角速度，g為重力加速度，是車輪水平方向的速度，是車輪水平方向的加速度，v為驅動電機的電樞電壓，I_ω是車輪慣量，I_p是車體慣量，f(t)為小車的水平推力，r為輪胎半徑，x(t)為小車位移；其中，

狀態變量代表了小車的車輪位移、車輪的速度、小車的傾角和小車的角速度；此狀態方程用來研究小車的搭載能力，將旋轉LED對于小車的平均作用力取最大值，將小車本體具體參數輸入，帶入上式的狀態方程得到各種系數矩陣，得出搭載時候需要的最少電機驅動力，小車的傾角可控范圍。