本发明专利技术两轮遥控小车倒立摆及其平衡控制方法，特征是将两直流电机（３）对称固定在车体（１）上，电机轴的一端与轮子（２）固接，轴的另一端与码盘（４）轴相连；在两轮轴线中部位置安装陀螺仪（７）并固接摆杆（５）；控制器（１１）、遥控接收器（１３）、电源转换模块（１５）、电机驱动器（１２）焊接在电路板（１０）上；电路板（１０）和直流电源（６）固定在车身（１）上；其平衡控制方法包括自动判断零位电压，校正其漂移，对测量噪声进行滤波。本发明专利技术避免了现有倒立摆因机械传动故障、或传动间隙可能引起的误差所造成的控制失败；可在地面及斜坡上前后左右行走和遥控，可用于教学和科研，更有效地检验各种控制算法的优劣。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于自动控制
，特别涉及用于科研或教学的实验装置--。
技术介绍
倒立摆是一种复杂的、非线性的、不稳定的系统，它是现代控制理论及应用的典型科研或教学装置。现有最常使用的倒立摆有如《西南工学院学报》(2001，Vol.16，No.3，P.12-16)所介绍的在有限长度轨道上作直线运动的倒立摆(以下简称直线倒立摆)和如专利申请号02138164.x所介绍的以定轴作弧线运动的旋转倒立摆。它们的电机机身都是固定不动的。如直线倒立摆的电机固定在导轨的一端，电机轴通过包括皮带轮及皮带或齿轮及齿条的传动带驱动小车运动，使得小车上的摆杆稳定不倒，即通过传动装置变电机的旋转运动为小车在轨道上的直线运动；旋转倒立摆的电机固定在支架上，电机通过与其轴固接的旋臂带动摆杆运动，从而保持摆杆稳定不倒；即旋臂代替了传动带和小车，支撑摆杆的旋臂一端作的是弧线运动，旋臂另一端与电机轴固定连接，这样旋臂与电机轴联动，本质上说旋臂把电机轴的旋转运动放大了，它仍然是旋转运动，故称为旋转倒立摆。由于直线倒立摆中的控制器部分、功率驱动部分与小车摆杆等机械部分相分离，而旋转倒立摆虽然把控制器与功率驱动部分放到了一个箱体里，但它们仍然与摆杆部分相分离，因此这些倒立摆存在着共同问题1)直线倒立摆最多在轨道范围内运动，旋转倒立摆在以电机轴为圆心的定点，最多做一百八十度范围内的弧线运动，这些倒立摆装置上不得不加装行程限位装置及保护电路，只能局限在水平导轨、或者水平平台上运动，或者固定点范围内运动，与实际生活和工程联系并不十分紧密；2)如果限位装置故障或保护电路装置失灵会导致设备损坏；3)由于上述的共同原因，现有倒立摆的运动范围都受到很大限制，控制量不能加得太大，否则就会超出其限制，使得一些算法在这些倒立摆系统上无法实现；4)现有倒立摆机械传动部分的故障、或传动间隙引起的误差会造成控制失败。
技术实现思路
本专利技术提供一种能保持稳定、自由行走且可遥控的，以克服现有倒立摆的存在的上述问题。本专利技术的两轮遥控小车倒立摆，包括控制器、直流电机及电机驱动器、电源、小车及摆杆；其特征在于两个直流电机(3)对称固定在车体(1)底盘左右两侧，每个直流电机(3)的轴分别与一个轮子(2)的轴相互固接，轴的另一端直接与一个码盘(4)同轴相连或通过传动部件(8)与一个码盘(4)的轴相连；该左右两个轮子(2)的轴线中部位置的车体底盘上固接一个支架(9)，支架(9)上端与摆杆(5)固接，使车体(1)及摆杆(5)可在与轴垂直的面内绕轴摆动；支架(9)内侧固定陀螺仪传感器(7)，使其测量轴与两个轮子轴处在一条直线上；直流电源(6)固定在车身(1)上；控制器(11)、遥控接收器(13)、电源转换模块(15)、电机驱动器(12)按如下电气信号连接关系焊接在印制电路板(10)上直流电源(6)经电源转换模块(15)接控制器、电机驱动器、遥控接收器、陀螺仪传感器和光电码盘的供电端，控制器(11)的输入端与码盘(4)、陀螺仪传感器(7)和遥控接收器(13)的输出端相连接，控制器的输出端与两个电机驱动器(12)的输入端相连接，电机驱动器(12)的输出端接两个电机输入端；该印制电路板(10)固定在车身(1)上。所述控制器(11)可选用数字信号处理器DSP(Digital Signal Processors)、嵌入式计算机系统或单片机。所述直流电机(3)可选用直流力矩电机、带码盘的直流电机或无刷直流电机。所述直流电源(6)可与摆杆滑动连接，或与摆杆固定连接，或直接安装在车体上。本专利技术的两轮遥控小车倒立摆的平衡控制方法，包括由两个码盘(4)检测小车两个轮子的位移和速度信号后反馈给控制器(11)；由陀螺仪传感器(7)测量摆杆(5)的角速度信号后反馈给控制器(11)；控制器(11)将获得的上述反馈信号与由程序设定的参考信号比较得出误差信号；根据预先给定的控制算法，用该误差信号计算出控制量，经电机驱动器(12)输出给直流电机(3)，直流电机(3)带动小车运动使摆杆(5)保持平衡不倒；其特征在于a)控制器(11)将获得的上述反馈信号与遥控接收器(13)的指令相比较，产生输出信号控制小车作前后左右运动；b)控制器(11)按如下方法自动判断零位电压中断程序在每个5到-20毫秒的采样周期调用一次自动判断零位电压程序模块(P8)；让摆杆在初始位置保持五到十五秒，采样模块(P6)和取平均值模块(P7)采样陀螺仪传感器的信号并取均值；接着，程序模块(P8)判断“零位电压标志”是否为结束若是，则返回调用程序；若未结束，则进入判断零位电压程序程序模块(P8)用一个存储单元来计数；每前后两个周期的采样均值是否在陀螺仪传感器的误差范围内？若不在误差范围内则为无效数据，存储单元计数值清零，返回调用程序；若在误差范围内则为有效数据，存储单元计数值加一；然后，判断计数值是否连续累积计数至五到十五秒，若否则返回调用程序；若是则置“零位电压标志”为结束，且取有效数据的平均值作为起始角度信号；起始位置是铅垂位置时，则有效数据的平均值即为零位电压，起始位置是摆杆倒在水平面上时，则程序里需加90度转换为铅垂位置；返回调用程序；c)校正零位电压的漂移，按如下两种方法之一进行零漂的校正1).在用控制算法成功控制小车时，摆杆在平衡位置左右晃动一段时间后会在平衡位置短暂停顿，设此时摆杆的角度为零，称这种状态为停顿状态，设停顿时间间隔为，(t1＜t2)，且在时刻t1和t2的测量角度值分别为θ(t1)和θ(t2)，它们的差值θ(t1)-θ(t2)即是测量角度值在时间间隔t2-t1内的漂移量，其对应的采样值是零位电压漂移；然后对其进行校正，经过多次校正后，零位电压的漂移逐渐逼近真实值；2).对于陀螺仪传感器零位电压的漂移，利用降维状态观测器对摆杆角度进行观测，再用观测值对陀螺仪传感器零位电压进行实时校正；d)按如下方法对测量噪声进行滤波处理采样模块(P6)在每个周期中对陀螺仪传感器(7)的输出端口进行多次采样，并将采样值转换成数字信号；取平均值模块(P7)先对这些信号进行初步筛选剔除其中的最大和最小值；剩下的数据取均值；然后，数字滤波程序模块(P12)采用递归型三阶的巴特沃斯(butterworth)数字滤波器对均值信号滤波。所述预先给定的控制算法，可选用线性状态反馈控制算法、自适应控制、非线性控制和智能控制算法。线性状态反馈控制算法包括闭环极点配置算法、线性二次型最优控制LQR(Linear Quadratic Regulator)算法和鲁棒方差控制算法；智能控制算法包括模糊控制算法、专家控制算法、模糊神经网路控制算法、拟人控制算法和遗传控制算法。判断零位电压方法中所述初始位置可选择让摆杆在铅垂位置或倒在水平地面上的位置。以本专利技术的上述两轮遥控小车倒立摆为基础，在控制电路板上还可焊接超声测距模块，由控制器(11)内部产生发射信号，并由控制器(11)的输入/输出口I/O经超声测距模块的发射器(17)发送超声波，在遇到物体后反射回来，通过接收器(18)将接收到的信号送入控制器的外部中断端口；控制器(11)将获得的小车的位移和速度信号与从超声测距模块获得的信息相比较，产生输出信号驱动电机，指挥小车避让前方障碍物。以本专利技术的上述两轮遥控小车倒立摆为本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种两轮遥控小车倒立摆，包括：控制器、直流电机及电机驱动器、电源、小车及摆杆；其特征在于：两个直流电机（３）对称固定在车体（１）底盘左右两侧，每个直流电机（３）的轴分别与一个轮子（２）的轴相互固接，轴的另一端直接与一个码盘（４）同轴相连或通过传动部件（８）与一个码盘（４）的轴相连；该左右两个轮子（２）的轴线中部位置的车体底盘上固接一个支架（９），支架（９）上端与摆杆（５）固接，使车体（１）及摆杆（５）可在与轴垂直的面内绕轴摆动；支架（９）内侧固定陀螺仪传感器（７），使其测量轴与两个轮子轴处在一条直线上；直流电源（６）固定在车身（１）上；控制器（１１）、遥控接收器（１３）、电源转换模块（１５）、电机驱动器（１２）按如下电气信号连接关系焊接在印制电路板（１０）上；直流电源（６）经电源转换模块（１５）接控制器 、电机驱动器、遥控接收器、陀螺仪传感器和光电码盘的供电端，控制器（１１）的输入端与码盘（４）、陀螺仪传感器（７）和遥控接收器（１３）的输出端相连接，控制器的输出端与两个电机驱动器（１２）的输入端相连接，电机驱动器（１２）的输出端接两个电机输入端；该印制电路板（１０）固定在车身（１）上。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：魏衡华，张玉斌，陈星，段旭东，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]
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