基于滚球控制系统的自动化教学用具技术方案

本发明专利技术公开了一种基于滚球控制系统的自动化教学用具，涉及小球运动控制教学用具，包括依次电连接的单片机、驱动电路和直线电机，直线电机连接控制安装在平台上的球，平台上设有连接单片机的红外定位装置用来定位球的位置，直线电机的输出端连接有角度检测模块到单片机构成第二反馈回路，角度检测模块检测平台和球的运动数据。本发明专利技术通过在平台上设置红外定位装置和角度检测模块，解决了滚球运动的不可控问题，具有使用方便、操作容易省力、学生观察方便等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于滚球控制系统的自动化教学用具
本专利技术涉及小球运动控制教学用具，其中涉及到机器视觉、图像处理、运动控制以及智能控制，具体涉及到基于滚球控制系统的自动化教学用具。
技术介绍
自动化专业是一门综合性学科专业，以自动控制领域为主要理论基础，以电子技术、计算机信息技术、传感器与检测技术等为主要技术手段，对各种自动化装置和系统实施控制。在学习运动控制等等理论知识时，由于理论知识晦涩难懂，大部分学生没有实际动手经验或者观览经历，经常是知其然不知其所以然。为了解决这一学习问题，本专利技术对这一些知识进行灵活运动，开发一款专利技术—基于滚球控制系统的自动化教学用具，涵括机器视觉、图像处理、运动控制以及智能控制等知识。在滚球系统运动的过程中，将知识以实际物品进行展示，化无形的知识于有型，这一点对学生是有很大益处的，可以让学生更加容易的去消化课本理论知识。
技术实现思路
根据以上现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是提出一种基于滚球控制系统的自动化教学用具，通过在平台上设置红外定位装置和角度检测模块，解决了滚球运动的不可控问题，具有使用方便、操作容易省力、学生观察方便等优点。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：基于滚球控制系统的自动化教学用具，包括依次连接的单片机、驱动电路和直线电机，直线电机连接控制平台的上平板,上平板为一圆形平面，位于下平板上方,下平板为一大于上平板的圆形平面，通过6个直线电机将上平板和下平板进行连接，平台上设有连接单片机的红外定位装置用来定位球的位置，直线电机的输出端连接有角度检测模块到单片机构成第二反馈回路，角度检测模块检测平台和球的运动数据，即检测平台在运动过程中的倾斜角度以及小球在平台上运动的实时位置，通过将这二者的数据反馈至控制系统。上述装置中,所述驱动电路包括六个驱动模块，每个驱动模块分别控制一个直线电机，共驱动六个直线电机。所述平台设有底座，底座用于固定直线电机，直线电机连接上平板用来带动上平板运动。所述红外定位装置安装在上平板的上方，角度检测模块固定在上平板的下方。所述红外定位装置由垂直于坐标系的多组红外对管组成。基于滚球控制系统的自动化教学用具通过直流稳压电源模块连接外界电源。所述单片机连接有显示屏。本专利技术有益效果是:1)、本系统通过红外定位装置感知平板在运动过程中小球的位置。2)、本系统通过角度检测模块可以感知平台在运动过程中的角度姿态变化。3)、本装置通过控制器控制下的两种闭环设计可以及时的对系统的变化做出响应。4)、本装置结构简单，易于操作，便于展示。附图说明下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：图1是本专利技术的具体实施方式的基于滚球控制系统的自动化教学用具的工作框图。图2是本专利技术的具体实施方式的红外定位装置的示意图。具体实施方式下面对照附图，通过对实施例的描述，本专利技术的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本专利技术的专利技术构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。基于滚球控制系统的自动化教学用具，如图1所示，包括依次电连接的单片机、驱动电路和直线电机，直线电机连接控制安装在平台上的球，平台上设有连接单片机的红外定位装置用来定位球的位置，球、红外定位装置和单片机构成第一反馈回路，直线电机的输出端连接有角度检测模块到单片机构成第二反馈回路，角度检测模块检测平台和球的运动数据，单片机连接有显示屏用来显示数据。上平板为一圆形平面，位于下平板上方,下平板为一大于上平板的圆形平面，通过6个直线电机将上平板和下平板进行连接。直线电机可选用HF-TGA系列直线单机，行程在150mm以内，工作电压为12vDC，速度为40mm/s，最大推力为100N，工作频率为10％。驱动电路包括第一驱动模块、第二驱动模块和第三驱动模块，分别控制三组直线电机，每个电机驱动来驱动一组直线电机，共有六个直线电机；HF-TGA系列直线电机通过万向头与平板进行连接，从而控制平板的运动。平台上设有底座和上平板，底座用于固定电机，直线电机连接上平板用来带动上平板运动。本专利技术中优选HF-TGA系列直线电机，具有形成大、推力大等特性。红外定位装置安装在上平板的上方，角度检测模块固定在上平板的下方。红外定位装置由128*128红外对管组成，如图2所示，即垂直于坐标系对应的发光二极管阵列和光电管阵列，内核芯片为STM32F405。该红外定位装置分为4组，固定在正方形平板的四个边，其中三组头尾相连，最后一组与上一组仅尾部连接，最后一组的头引线出来与控制器连接，用于接收和反馈信号。本专利技术中单片机选用STM32F407最小系统。本专利技术中优选PQLabsMulti-TouchG&﹟179红外定位装置，具有高性能200fps、更好的传感灵敏度等特性。MPU6050角度检测模块工作电压在3V～6V，电流<10mA，量程：【加速度:±16g，角速度:±2000°/s，分辨率：加速度：6.1e-5g，角速度:7.6e-3°/s】；稳定性：【加速度：0.001g，角速度0.02°/s，姿态测量稳定度：0.01°，数据输出频率100Hz(波特率115200)/20Hz(波特率9600)】；数据接口：串口(TTL电平)，I2C(直接连MPU6050，无姿态输出)，波特率115200kps/9600kps。该模块与单片机连接来计算平板在运动过程中的角度变化，接受反馈信号并及时做出调整。本专利技术中优选MPU6050角度检测模块，该模块具有量程大、分辨率高、稳定性强等特性。基于滚球控制系统的自动化教学用具通过直流稳压电源模块连接外界电源。直流稳压电源模块为DC-DC自动升降压稳压器，带电压显示，输入支持到4.5～30V，输出0.5V～33V可调。高级铝壳，最高效率高达91％效率，拥有过热保护，并有显示提示。应用范围广泛升压与降压无缝自动切换，输入电压可以高于也可以低于输出电压，即输入电压变化，输出电压保持不变，如使用到汽车上，可以将电压稳压到12V。本专利技术是通过单片机已存储的程序控制驱动电路来控制直线电机进行相应的运动，在控制直线电机的同时间接控制平台和小球组成系统的运动。同时本专利技术采用了两种闭环设计：红外定位装置收集平台和小球组成系统的姿态数据，即检测平台在运动过程中的倾斜角度以及小球在平台上运动的实时位置，反馈给单片机进行姿态测算，再通过驱动电路反馈给直线电机，将测算结果反映在平台和小球组成系统，完成测算数据反映结果；直线电机通过角度检测模块将实时数据反馈给单片机，通过分析下一步电机需要运动角度，经过驱动电路对直线电机进行控制。两种闭环设计实时反应系统的运动状态和姿态，并及时的进行调整，同时小球的位置坐标通过OLED显示屏显示，易于操作，便于展示。上面结合附图对本专利技术进行了示例性描述，显然本专利技术具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本专利技术的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本专利技术的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本专利技术的保护范围之内。本专利技术的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于滚球控制系统的自动化教学用具，其特征在于，包括依次连接的单片机、驱动电路和直线电机，直线电机连接控制平台的上平板,上平板为一圆形平面，位于下平板上方,下平板为一大于上平板的圆形平面，通过6个直线电机将上平板和下平板进行连接，平台上设有连接单片机的红外定位装置用来定位球的位置，直线电机的输出端连接有角度检测模块到单片机构成第二反馈回路，角度检测模块检测平台和球的运动数据，即检测平台在运动过程中的倾斜角度以及小球在平台上运动的实时位置，通过将这二者的数据反馈至控制系统。

【技术特征摘要】
1.基于滚球控制系统的自动化教学用具，其特征在于，包括依次连接的单片机、驱动电路和直线电机，直线电机连接控制平台的上平板,上平板为一圆形平面，位于下平板上方,下平板为一大于上平板的圆形平面，通过6个直线电机将上平板和下平板进行连接，平台上设有连接单片机的红外定位装置用来定位球的位置，直线电机的输出端连接有角度检测模块到单片机构成第二反馈回路，角度检测模块检测平台和球的运动数据，即检测平台在运动过程中的倾斜角度以及小球在平台上运动的实时位置，通过将这二者的数据反馈至控制系统。2.根据权利要求1所述的基于滚球控制系统的自动化教学用具，其特征在于，所述驱动电路包括六个驱动模块，每个驱动模块分别控制一个直线电机，共驱动六个直线电机。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王冠凌，李明，储洪宾，王正刚，何正龙，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34