一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统技术方案

本发明专利技术公开了一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统，包括MATLAB实验界面端、实验电路板、云服务端和虚拟倒立摆；MATLAB实验界面是基于MATLAB开发的一个显示界面，用于与实验者进行交互。实验电路板是一个带有网口和串口的电路板，它通过串口接受MATLAB实验界面端发来的数据并将数据通过网口发送至云服务端；云服务端用于存储实验过程数据；虚拟倒立摆是基于HTML5+Javascript+X3技术开发的可以在浏览器中显示的三维模型及其脚本，其脚本用于监测云服务端存储的实验数据，并将数据解析，进而驱动三维模型进行运动，实现倒立摆实验。

A semi virtual inverted pendulum system based on single chip microcomputer and network 3D Technology

The invention discloses a Semi-virtual inverted pendulum system utilizing single chip microcomputer and network 3D technology, including MATLAB experimental interface, experimental circuit board, cloud server and virtual inverted pendulum; MATLAB experimental interface is a display interface developed based on MATLAB for interacting with the experimenter. The experimental circuit board is a circuit board with a network port and a serial port. It receives the data from the MATLAB experimental interface through the serial port and sends the data to the cloud server through the network port; the cloud server is used to store the experimental data; the virtual inverted pendulum is developed based on HTML5 + Javascript + X3 technology and can be displayed in the browser. The three-dimensional model and its script are used to monitor the experimental data stored in the cloud server and parse the data, then drive the three-dimensional model to move and realize the inverted pendulum experiment.

【技术实现步骤摘要】
一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统
本专利技术涉及自动控制领域内的实验设备，更具体的说，是涉及一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统。
技术介绍
倒立摆是一种机、电、控制耦合的不稳定、非线性系统实验设备，可以用于LQR控制，根轨迹方法控制，频域响应控制等实验。诸多高等院校的机电、电器、自动化等与控制相关的专业都存在采用倒立摆或者虚拟的倒立摆进行的教学环节或科研项目。常见的倒立摆有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆，其级数可以为一级、二级、三级、四级乃至多级。但这些类型的倒立摆的机械部分大部分都包含摆杆，滑轨，电机，底座，皮带等，而且受到控制精度的要求，这些零部件的质量和精度都需要有保证。因此，倒立摆的价格一般都比较昂贵：市面上廉价的倒立摆需要2-3万/台，性能较好的设备则需要约20万元/台，并且后期的维修费用也是一笔不小的开销。由于受到经费的制约，大多数学校的自动化实验室缺乏设备或者利用虚拟倒立摆进行替换。开展倒立摆实验时，也是以小组为单位甚至是学生观看老师演示实验，或者只对倒立摆实验进行仿真，实验结果过于抽象，并且导致许多学生不能亲自动手操作，阻碍了动手实践能力的培养，无法激发同学们的学习兴趣，影响了教学效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统，以此来增加学生学习的兴趣和节省了教学成本。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统，包括MATLAB实验界面端、实验电路板、云服务端和虚拟倒立摆，所述MATLAB实验界面端的实验界面上包括控制参数调整栏、控制区域以、电机位置图和摆杆角度图；所述实验电路板通过串口协议接受MATLAB实验界面端发送的数据；通过TCP协议将数据发送至云服务端；所述云服务端接受实验电路板发送的数据并存入数据库；所述虚拟倒立摆由三维绘图软件制成，通过生成HTML文件则可在网页中打开三维模型，所述虚拟倒立摆通过HTTP协议时刻监控云服务端数据库中的数据，当有数据被存入数据库，虚拟倒立摆接受数据并解析，将相应数据转化为电机实时的位置和摆杆的实时角度，并将数据赋值给电机与摆杆脚本函数中，最终实现虚拟倒立摆电机和摆杆的移动。进一步的，所述控制参数调整栏由KP，KI，KD三个下拉菜单按钮组成，分别用于选择实验时的PID参数；所述控制区域中包括了开始实验、保存数据、保存参数、继续刷新四个按钮，分别用于下载此次实验输入的PID数据、保存虚拟倒立摆中电机移动位置和倒立摆摆杆的偏移角度、保存此次实验输入的PID数据、读取记录最近一次电机位置和虚拟倒立摆摆杆角度的数据；所述电机位置图用于显示虚拟倒立摆中的电机位置随实验时间实时变化的曲线；所述摆杆角度图显示了虚拟倒立摆中摆杆的角度随实验时间的实时变化曲线。进一步的，所述虚拟倒立摆模型为HTML语言编写并在网页显示的虚拟3D模型。进一步的，通过改变网页脚本参数驱动虚拟倒立摆的3D模型。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：1.该系统价格低廉，种类多样，可以满足全方面的满足实验教学对设备的要求。2.该系统体积较小，可以轻松将它搬入课堂进行课堂演示。3.本实验系统在有网络的情况下即可进行实验，不需要进行集中教学，是新型的实验教学模式。附图说明图1为本专利技术的系统框架结构示意图。图2为本专利技术的MATLAB实验界面端示意图。图3为本专利技术的云服务端的数据接受界面示意图。图4为本专利技术的网页虚拟倒立摆示意图。图5为本专利技术的TCP协议流程示意图。图6为本专利技术的HTTP协议流程示意图。图7（a）至图7（c）为本专利技术的虚拟倒立摆工件示意图。图8为本专利技术的虚拟倒立摆整体结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。图1为本专利技术实施方案的利用3D虚拟倒立摆代替实际倒立摆的系统框架示意图。如图1所示，本实施方案的系统框架示意图包括：MATLAB实验界面端、实验电路板、云服务端、虚拟倒立摆；MATLAB实验界面端基于MATLAB设计，负责实验数据的输入与实验数据反馈显示；实验电路板负责传递实验界面输入的数据和反馈虚拟倒立摆的实验数据；云服务端负责接受实验电路板数据，并将数据存入数据库；虚拟倒立摆（其中虚拟倒立摆可由任意一款的三维软件绘制而成）负责将云服务端的数据库中的KI，KP，KD解析成电机位置和摆杆角度参数，并驱动网络三维模型；以下是将以具体功能实现的使用过程以及得到的结论。如图2给出了所述的实验界面，其包含了状态栏，控制参数调整栏，控制区域以及倒立摆摆杆角度和电机位置图状态栏:包括3个静态文本和3个可编辑文本控件，分别为线路状态，电机状态，EMLO状态。功能是显示虚拟倒立摆的网页界面各个部分的实时状态。控制区域:包括4个按钮，分别是开始实验，保存参数，保存数据和继续刷新。点击开始实验按钮，会通过串口将数据发送到实验电路板；点击保存数据按钮，会调用回调函数，利用HTTP，TCP以及串口协议将实验数据传送到MATLAB实验界面；点击保存参数按钮，利用函数，将KI，KP，KD相对应的值储存在MATLAB数据库中；点击继续刷新按钮，实验界面利用回调函数，HTTP，TCP以及串口协议将实验数据进行回调至实验界面中显示。实验员在计算机实验界面对应的参数窗口输入数据，并绘制趋势图。控制参数调整栏:包括KP，KD，KL三个弹出式按钮，KP，KD，KL按钮的范围在0~5，PLD三个按钮是实验人员在实验端输入倒立摆的三个参数，可以调控范围；倒立摆摆杆角度和电机位置图：分别为两幅变化趋势图，其中倒立摆摆杆角度折线统计图的横坐标为时间，坐标为角度；电机位置图横坐标为时间，坐标为电机位置（mm）。电机位置与倒立摆摆杆角度会时刻显示在图中，作为实验数据储存在MATLAB数据库中。本实施例中实验电路板实质是带有串口通讯功能和网络通讯功能的路由，它采用STM32F107VCT6作为主处理器，采用集成磁RJ45连接器HR911105A作为网络通讯连接口，采用DB9接口和MAX3232作为串口通讯连接器，其作用在于接受MATLAB实验界面发送的数据并将数据转化为JSON格式的数据，准备发送。MATLAB实验界面与实验电路板之间同过串口通信协议，其流程如图4所示：其过程如下：先进行PC与实验板串口的初始化，配置相互吻合的通信端口，波特率，停止校验位和奇偶检验位。之后实验板会检测电脑是否发送“允许通讯”特殊信号，当检测到信号时，单片机则开始读取数据。将数据存入储存器中，并将数据转换成JSON格式的数据，准备将数据以JSON的格式发送到云服务端。如图3给出了云服务端示意图，其包括2个按钮和一张数据显示表格。两个按钮分别为刷新数据和入库图示，当点击按钮时可以刷新表格来显示表格中的数据，点击入库图示可以以折线图的形式显示出最近输入数据。数据表格中包括序号，DEV_ID，KP，KL，KD和更新时间。DEV_ID为设备号，KP，KD，KL为实验电路板发送的数据，更新时间显示接受数据的具体时间。其作用在于接受实验电路板发送的数据并将数据储存到数据库中实验电路板与云服务端之间通过TCP协议通信，求流程图如图5所示：其过程如下：实验电路板与云服务端的通讯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统，其特征在于，包括MATLAB实验界面端、实验电路板、云服务端和虚拟倒立摆，所述MATLAB实验界面端的实验界面上包括控制参数调整栏、控制区域以、电机位置图和摆杆角度图；所述实验电路板通过串口协议接受MATLAB实验界面端发送的数据；通过TCP协议将数据发送至云服务端；所述云服务端接受实验电路板发送的数据并存入数据库；所述虚拟倒立摆由三维绘图软件制成，通过生成HTML文件则可在网页中打开三维模型，所述虚拟倒立摆通过HTTP协议时刻监控云服务端数据库中的数据，当有数据被存入数据库，虚拟倒立摆接受数据并解析，将相应数据转化为电机实时的位置和摆杆的实时角度，并将数据赋值给电机与摆杆脚本函数中，最终实现虚拟倒立摆电机和摆杆的移动。

【技术特征摘要】
1.一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统，其特征在于，包括MATLAB实验界面端、实验电路板、云服务端和虚拟倒立摆，所述MATLAB实验界面端的实验界面上包括控制参数调整栏、控制区域以、电机位置图和摆杆角度图；所述实验电路板通过串口协议接受MATLAB实验界面端发送的数据；通过TCP协议将数据发送至云服务端；所述云服务端接受实验电路板发送的数据并存入数据库；所述虚拟倒立摆由三维绘图软件制成，通过生成HTML文件则可在网页中打开三维模型，所述虚拟倒立摆通过HTTP协议时刻监控云服务端数据库中的数据，当有数据被存入数据库，虚拟倒立摆接受数据并解析，将相应数据转化为电机实时的位置和摆杆的实时角度，并将数据赋值给电机与摆杆脚本函数中，最终实现虚拟倒立摆电机和摆杆的移动。2.根据权利要求1所述一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐利超，朱俊江，黄浩，丁晨旭，徐佳明，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33