一种平面运动倒立摆及其控制系统和控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种平面运动倒立摆，由方型支架、平面运动单元和摆杆部分组成。所述平面运动单元包括第一直线电机、底座、第二直线电机以及一个法兰；所述第一直线电机、第二直线电机空间上十字交叉叠放，第一直线电机提供X轴方向运动，第二直线电机提供Y轴方向运动，合成运动可以沿着平面任意方向运动。所述摆杆部分上端安有高精度姿态传感器，可实时读取摆杆与竖直方向角度和摆杆倾倒数据并传递给DSP控制器，所述DSP控制器进一步根据所述摆杆状态数据进行处理，获得控制量输出数据给电机驱动器。所述平面运动倒立摆系统采用直线电机直接驱动摆杆部分，省去中间传动机构干扰，使得控制更加精确，在军工、航天以及科研教学有着广泛地用途。

A planar motion inverted pendulum and its control system and control method

The invention relates to a planar motion inverted pendulum, which is composed of a square bracket, a plane moving unit and a swing rod part. The plane motion unit includes the first linear motor, the base, the second linear motor and a flange. The first linear motor and the second linear motor are intersecting in space, the first linear motor provides the X axis direction, the second linear motor provides the Y axis direction, and the synthetic motion can be along the plane of any square. Move to the movement. The upper end of the pendulum rod is equipped with a high-precision attitude sensor, which can read the swing bar and the vertical direction and the pendulum tipping data in real time and transmit it to the DSP controller. The DSP controller is further processed according to the state data of the pendulum rod, and the output data of the control amount is obtained to the motor driver. The plane motion inverted pendulum system uses linear motor to drive the swing rod directly, so as to save the interference of the intermediate transmission mechanism, make the control more accurate, and have extensive use in military, space and scientific research and teaching.

【技术实现步骤摘要】
一种平面运动倒立摆及其控制系统和控制方法
本专利技术属于自动控制技术的科研与教学实验装置领域，具体来说涉及一种平面运动倒立摆及其控制系统和控制方法。
技术介绍
由于倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统，而且在它的控制过程中，能有效反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多关键问题，因此是进行控制理论教学及开展各种控制策略的理想实验平台，人们常常利用倒立摆检验各种控制算法的不稳定性、非线性和快速系统的控制能力以及各种控制算法的有效性。对倒立摆系统进行研究，不仅具有理论意义，其类似的控制方法在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行器中的姿态控制和一般工业应用等方面都具有广阔的利用开发前景。传统的倒立摆通常为直线倒立摆系统、环形倒立摆系统，它们都是通过在线性轨迹上运动而达到平衡，不能在平面内完成任意方向的运动。
技术实现思路
本专利技术针对传统倒立摆的不足，提出了一种平面运动倒立摆，由方型支架、平面运动单元和摆杆部分组成，可以实时读取摆杆与竖直方向角度和角加速度数据并传送给控制板，而且采用直线电机直接驱动小车，省去了中间的传动机构及干扰，使得控制更加精确可靠。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种平面运动倒立摆，包括方型支架1、平面运动单元2、摆杆部分3；所述平面运动单元2放置在方型支架1的上方，摆杆部分3通过连接件和平面运动单元2固定；所述平面运动单元2包括第一直线电机20、底座21、第二直线电机20’以及一个法兰5；所述第一直线电机20包括相互配合的第一小车202和第一导轨203，所述第一导轨203固定安装在所述底座21上；所述第二直线电机20’包括相互配合的第二小车202’和第二导轨203’，所述第二导轨203’固定安装在所述方型支架1上；所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’空间上十字交叉叠放，所述底座21固定安装在所述第二小车202’的顶部；所述法兰5固定安装在第一小车202的顶部，所述摆杆部分3与所述法兰5连接；所述第一直线电机20提供X轴方向运动，所述第二直线电机20’提供Y轴方向运动，所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动；所述第一小车202上设有第一线性编码器205，所述第一导轨203上设有与所述第一线性编码器205相对应的第一磁栅206；所述第二小车202’上设有第二线性编码器205’，所述第二导轨203’上设有与所述第二线性编码器205’相对应的第二磁栅206’；所述摆杆部分3内设有姿态传感器；所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’结构相同；所述第一导轨203的截面呈U形槽状，且所述第一导轨203的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第一小车202呈倒U形块状，所述第一小车202跨设在所述第一导轨203上；所述第一直线电机20进一步包括第一直线电机定子200以及第一直线电机动子201；所述第一直线电机定子200均匀分布在第一导轨203的槽口内上下两侧的水平内壁上；第一直线电机动子201一端固定于所述第一小车202的一侧直立内壁上；第一直线电机动子201的另一端配合位于第一导轨203的槽口内，且与第一直线电机定子200相对应；所述第一线性编码器205设置在所述第一小车202远离所述第一导轨203槽口的一侧直立内壁上，所述第一磁栅206设置在所述第一导轨203远离槽口的直立外壁上；所述第二导轨203’的截面呈U形槽状，且所述第二导轨203’的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第二小车202’呈倒U形块状，所述第二小车202’跨设在所述第二导轨203’上；所述第二直线电机20’进一步包括第二直线电机定子200’以及第二直线电机动子201’；所述第二直线电机定子200’均匀分布在第二导轨203’的槽口内上下两侧的水平内壁上；第二直线电机动子201’一端固定于所述第二小车202’的一侧直立内壁上；第二直线电机动子201’的另一端配合位于第二导轨203’的槽口内，且与第二直线电机定子200’相对应；所述第二线性编码器205’设置在所述第二小车202’远离所述第二导轨203’槽口的一侧直立内壁上，所述第二磁栅206’设置在所述第二导轨203’远离槽口的直立外壁上；所述第一导轨203的顶部设置有小导轨204，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020，所述固定板2020的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；所述第二导轨203’的顶部设置有第二导轨204’，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020’，所述固定板2020’的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动。所述方型支架1由一对工型导轨11、一对L型支撑座10以及一对U型底座12组成，所述工型导轨11、L型支撑座10以及U型底座12都是呈平行放置，所述工型导轨11与L型支撑座10垂直放置，U型底座12和工型导轨11相配合。所述摆杆部分3包括摆杆31、球铰链座30、姿态传感器支架32，所述摆杆31底端设置有球体，可嵌入球铰链座30并且旋转运动；所述姿态传感器支架32用于安装姿态传感器，球铰链支架30通过法兰5与上方直线电机20底座相连接。所述第一直线电机20和第二直线电机20’均为无铁心永磁同步直线电机。所述L型支撑座10和底座21上均设置有防撞块4，防撞块4的材料为橡胶。所述倒立摆装置的控制系统，包括：依次通信连接的监测计算机、DSP控制器、电机驱动器；所述DSP控制器分别与所述第一线性编码器205、所述第二线性编码器205’和所述姿态传感器通信连接，所述电机驱动器分别与所述第一直线电机20、第二直线电机20’连接；其中：所述第一线性编码器205用于：实时采集所述第一直线电机20中第一小车202的位移信号，即第一位移信号；所述第二线性编码器205’用于：实时采集所述第二直线电机20’中第二小车202’的位移信号，即第二位移信号；所述姿态传感器用于：实时采集所述摆杆部分3的摆杆姿态信号；所述摆杆姿态信号具体包括：摆杆角度信号、倾倒方向信号；所述DSP控制器用于：实时接收所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态信号，并进行计算和处理，获得控制量输出数据，并输出相应的信号给伺服驱动器；所述伺服驱动器用于：实时接收相应的两路信号分别驱动控制第一直线电机20、第二直线电机20’运动，进而控制摆杆31的运动状态；所述监测计算机用于接收来自DSP控制器的数据，包括摆杆的倾角、倾倒方位、第一直线电机速度、第二直线电机速度。所述DSP控制器的主控芯片型号为TMS320F28335；所述姿态传感器包括三轴陀螺仪和三轴磁力计，其中，所述陀螺仪用于测量摆杆与竖直方向的夹角，所述磁力计用于测量摆杆倾倒的方向。所述控制系统实现倒立摆装置运动控制的方法，包括如下步骤：步骤1，利用所述第一线性编码器205实时采集所述第一直线电机20中第一小车202的位移信号，即第一位移信号；利用所述第二线性编码器205’实时采集所述第二直线电机20’中第二小车202’的位移信号，即第二位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平面运动倒立摆，包括方型支架(1)、平面运动单元(2)、摆杆部分(3)；所述平面运动单元(2)放置在方型支架(1)的上方，摆杆部分(3)通过连接件和平面运动单元(2)固定；其特征在于：所述平面运动单元(2)包括第一直线电机(20)、底座(21)、第二直线电机(20’)以及一个法兰(5)；所述第一直线电机(20)包括相互配合的第一小车(202)和第一导轨(203)，所述第一导轨(203)固定安装在所述第一底座(21)上；所述第二直线电机(20’)包括相互配合的第二小车(202’)和第二导轨(203’)，所述第二导轨(203’)固定安装在所述方型支架(1)上；所述第一直线电机(20)和所述第二直线电机(20’)空间上十字交叉叠放，所述第一底座(21)固定安装在所述第二小车(202’)的顶部；所述法兰(5)固定安装在第一小车(202)的顶部，所述摆杆部分(3)与所述法兰(5)连接；所述第一直线电机(20)提供X轴方向运动，所述第二直线电机(20’)提供Y轴方向运动，所述第一直线电机(20)和所述第二直线电机(20’)的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动；所述第一小车(202)上设有第一线性编码器(205)，所述第一导轨(203)上设有与所述第一线性编码器(205)相对应的第一磁栅(206)；所述第二小车(202’)上设有第二线性编码器(205’)，所述第二导轨(203’)上设有与所述第二线性编码器(205’)相对应的第二磁栅(206’)；所述摆杆部分(3)内设有姿态传感器。...

【技术特征摘要】
1.一种平面运动倒立摆，包括方型支架(1)、平面运动单元(2)、摆杆部分(3)；所述平面运动单元(2)放置在方型支架(1)的上方，摆杆部分(3)通过连接件和平面运动单元(2)固定；其特征在于：所述平面运动单元(2)包括第一直线电机(20)、底座(21)、第二直线电机(20’)以及一个法兰(5)；所述第一直线电机(20)包括相互配合的第一小车(202)和第一导轨(203)，所述第一导轨(203)固定安装在所述第一底座(21)上；所述第二直线电机(20’)包括相互配合的第二小车(202’)和第二导轨(203’)，所述第二导轨(203’)固定安装在所述方型支架(1)上；所述第一直线电机(20)和所述第二直线电机(20’)空间上十字交叉叠放，所述第一底座(21)固定安装在所述第二小车(202’)的顶部；所述法兰(5)固定安装在第一小车(202)的顶部，所述摆杆部分(3)与所述法兰(5)连接；所述第一直线电机(20)提供X轴方向运动，所述第二直线电机(20’)提供Y轴方向运动，所述第一直线电机(20)和所述第二直线电机(20’)的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动；所述第一小车(202)上设有第一线性编码器(205)，所述第一导轨(203)上设有与所述第一线性编码器(205)相对应的第一磁栅(206)；所述第二小车(202’)上设有第二线性编码器(205’)，所述第二导轨(203’)上设有与所述第二线性编码器(205’)相对应的第二磁栅(206’)；所述摆杆部分(3)内设有姿态传感器。2.根据权利要求1所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于：所述第一直线电机(20)和所述第二直线电机(20’)结构相同；所述第一导轨(203)的截面呈U形槽状，且所述第一导轨(203)的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第一小车(202)呈倒U形块状，所述第一小车(202)跨设在所述第一导轨(203)上；所述第一直线电机(20)进一步包括第一直线电机定子(200)以及第一直线电机动子(201)；所述第一直线电机定子(200)均匀分布在第一导轨(203)的槽口内上下两侧的水平内壁上；第一直线电机动子(201)一端固定于所述第一小车(202)的一侧直立内壁上；第一直线电机动子(201)的另一端配合位于第一导轨(203)的槽口内，且与第一直线电机定子(200)相对应；所述第一线性编码器(205)设置在所述第一小车(202)远离所述第一导轨(203)槽口的一侧直立内壁上，所述第一磁栅(206)设置在所述第一导轨(203)远离槽口的直立外壁上；所述第二导轨(203’)的截面呈U形槽状，且所述第二导轨(203’)的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第二小车(202’)呈倒U形块状，所述第二小车(202’)跨设在所述第二导轨(203’)上；所述第二直线电机(20’)进一步包括第二直线电机定子(200’)以及第二直线电机动子(201’)；所述第二直线电机定子(200’)均匀分布在第二导轨(203’)的槽口内上下两侧的水平内壁上；第二直线电机动子(201’)一端固定于所述第二小车(202’)的一侧直立内壁上；第二直线电机动子(201’)的另一端配合位于第二导轨(203’)的槽口内，且与第二直线电机定子(200’)相对应；所述第二线性编码器(205’)设置在所述第二小车(202’)远离所述第二导轨(203’)槽口的一侧直立内壁上，所述第二磁栅(206’)设置在所述第二导轨(203’)远离槽口的直立外壁上；所述第一导轨(203)的顶部设置有小导轨(204)，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板(2020)，所述固定板(2020)的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；所述第二导轨(203’)的顶部设置有第二导轨(204’)，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板(2020’)，所述固定板(2020’)的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移...

【专利技术属性】
技术研发人员：甄圣超，余涛，陈小龙，
申请(专利权)人：安徽合动智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34