一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统技术方案

本发明专利技术属于智能机器人范畴，尤其是一种能够自主进行平衡控制的静态不平衡机器人。本发明专利技术利用直流伺服电机控制飞轮沿着竖直方向旋转，实现左右方向的平衡。检测方面，为了实现摆杆在摆动过程中对自身姿态的检测，采用基于微机械电子技术的惯性导航系统和倾角仪获得摆杆的运动信息。安全性方面，在摆杆的两侧安装了可以方便调节摆杆最大倾角的摆杆侧支架，在实验中既可以保护系统的元器件又能满足不同的控制要求。为了减少控制难度，把一些电子器件如电源、运动控制器、伺服驱动器及电源转接板等放在底座上，减少了摆杆的控制难度，增加了系统的稳定性。可移动性方面，底座的四个拐角处安装了带有刹车功能的脚轮，便于系统在不同的地方进行调试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于智能机器人范畴，尤其是一种能够自主进行运动平衡控制的静态不平 衡机器人。
技术介绍
倒立摆系统的控制是控制理论应用的一个典型范例。其机构简单、成本较低，便于 用模拟或数字的方法进行控制。虽然其结构形式多种多样，但无论何种结构，就其本身而 言，都是一个非最小相位、多变量、绝对不稳定的非线性系统。由于倒立摆系统的绝对不稳 定，必须采取有效的措施控制它。其控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中 都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞 行中的姿态控制等涉及到的倒置问题。同时，由于摩擦力的存在，该系统具有一定的不确定 性。对于这样一个复杂系统的研究，从理论上将涉及系统控制中的许多关键问题如非线性 问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题及跟踪问题等可以以它为例进行研究。随着倒立摆系统的控制研究的不断深入，倒立摆系统的种类也由简单的单级倒立 摆发展为多种形式的倒立摆。常见的倒立摆系统一般由小车和摆杆两部分构成(另有旋转 式倒立摆等形式，但较少)，其中摆杆可能是一级、两级甚至多级，其长度也可能是变化的。 控制的目标基本上都是通过给小车施加一个水平方向的力，使小车在期望的位置上稳定， 而摆杆也达到竖直向上的动态平衡状态。相比于一般的倒立摆系统，基于飞轮的倒立摆平衡控制系统具有以下显著特点 1)平衡原理不同一般的倒立摆都是通过控制小车的速度来达到竖直摆杆的平衡，而基于 飞轮的倒立摆系统的底部却是固定的，它是通过顶部飞轮的旋转产生必要的扭矩来控制摆 杆的平衡；2)控制难度不同对于一般的倒立摆系统，四级倒立摆的控制目前也已经不是 问题了，而对于基于飞轮的倒立摆系统而言，二级倒立摆的控制至今还没有人去研究。3)应 用层次不同一般的倒立摆系统主要用来研究系统的稳定性、鲁棒性、镇定问题等等。随着 科技的发展，人们生活水平的提高，人们越来越追求自己生活的质量和舒适程度，于是，一 些智能机器人应用而生，由于他们的体积小、重量轻、功能多，逐渐被现代人追捧，其中，极 具有代表性的是独轮机器人，它只有一个轮子，占有更小的空间，能够以一种特有的动态平 衡的方式实现相应的任务，如在极窄的路径上骑行，骑过很窄的平衡木、原地转身，甚至可 以完成走钢丝的高难度动作。对于它上身的控制，目前许多研究者都是基于飞轮旋转的平 衡控制，但是目前在国内还没有一个能够独立行走的独轮车。现在的倒立摆多为简单的杆式倒立摆，为了增强其控制难度，只是摆杆的简单叠 加，现实意义不是很大。它的电气控制系统一般在摆杆的下端，小车的快速滑动是通过电机 带动的皮带来传动，从而使轻质摆杆起摆，最终使竖直摆杆稳定在垂直向上的位置。由于此 装置一般体积大、质量重，从而造价也比较高。国外也有许多研究者致力于基于飞轮的倒立摆平衡控制系统的研究，具有代表性 的是Model IP/NC Inverted Pendulum，此系统采用的是110或220伏的交流供电方式；传感器使用的是红外传感器，它是一种模拟传感器，测量精度不高，影响系统的控制；它的保 护支架是固定的，不能调节摆杆与竖直方向的最大偏角，缺少一定的灵活性；其电气系统并 没有放在底座上，底座上也没有可以移动的脚轮，可移动性较差。针对上述问题，本专利技术设计了一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统。倒立摆系统 利用模块化的平衡组件中的直流伺服电机控制飞轮沿着竖直方向旋转调节，实现左右方向 的平衡。检测方面，为了实现倒立摆对摆杆姿态的实时检测，本专利技术采用了基于微机械电子 技术的惯性导航系统和单轴的倾角仪获得摆杆系统在二维环境中的精确姿态。为了使倒立 摆具有移动的方便性，在本专利技术中倒立摆系统的底盘下安装了四个脚轮，当需要移动倒立 摆系统时，可以很方便、省力的由一个位置移动到另一个位置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统，从而在一定程度上 解决独轮机器人的侧向平衡控制问题。本专利技术的具体方案为一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统，包括摆杆和底座，其 特征在于在摆杆的顶端固定一个包含有减速器的直流无刷伺服电机，在电机旋转轴的前端 装有一个可随之一起旋转的飞轮，电机的另一端与增量式编码器连接；摆杆的两侧安装有 倾角传感器和倾角速度传感器；摆杆的底部通过摆杆旋转轴与底座上的摆杆支撑座连接； 底座上布置有电源、伺服驱动器、电源转接板、运动控制器，其中倾角传感器、倾角速度传感 器和增量式编码器的输出端分别于运动控制器连接，运动控制器的输出端与伺服驱动器连 接，伺服驱动器的输出端与增量式编码器连接，倾角速度传感器、伺服驱动器、电机分别由 电源直接供电，倾角速度传感器和运动控制器由电源转接板将电源的电压转换后供电。为了防止摆杆由于控制失败发生倾倒，碰坏底座上的其他器件，可以在摆杆的两 侧对称安装有两个侧支架，或者在底座的两侧放置竖直保护架。其中的飞轮可以被设计成重量主要集中于圆周的形状，以提高其转动惯量。作为对本专利技术的进一步改进，可以在底座四角的下部分别安装有具有各自的刹车 系统的脚轮，这样整个系统可以比较方便、省力的移动位置，也可以在需要的时候固定在某 个位置。作为对本专利技术的进一步改进，还可以在飞轮中心套管的外部安装一个轴承，以为 了减小飞轮重力对电机轴的压力。本专利技术具有以下优点第一，本专利技术的所有组件均采用模块化的设计思想，每个组件都可以拆卸更换，如 平衡组件中控制用的惯性飞轮，当一种惯性飞轮不满足控制要求或者需要更换其它飞轮进 行相关实验时，可将其拆卸，然后安装上需要的飞轮，在这个过程中不需要将平衡组件中的 其它器件拆下。这为系统的维护和升级提供了极大的方便。第二，本专利技术的可调式摆杆侧支架不仅可以根据倒立摆调试的需要改变摆杆侧支 架的支撑高度，而且作为摆杆组件的保护装置，避免倒立摆在调试过程中的意外倾倒，还可 以作为摆杆的配重，使得系统的重心尽量向下移动，有利于减少系统控制的难度。第三，本专利技术的底座上放有系统控制需要的所有电子元器件，且底座下部还有便 于移动的脚轮，脚轮上有防止滑动的刹车系统，这样的设计，极大的增加了系统的可移动性，同时也是模块化思想的一种体现。以下结合附图说明和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。 附图说明图1基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构等角轴侧图；图2基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构前视图；图3基于飞轮的倒立摆平衡控制系统飞轮部分局部视图；图4基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构侧视图；图5基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构上视图1 ；图6基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构后视图；图7基于飞轮的倒立摆平衡控制系统机械结构上视图2 ；图8基于飞轮的倒立摆平衡控制系统电气系统接线图；图中1-飞轮，2-轴承，3-电机支架，4-电机，5-摆杆，6-摆杆侧支架，7-脚轮， 8-底座，9-摆杆旋转轴，10-摆杆支撑座，11-轴承端盖，12-电机套管，13-增量式编码器， 14-倾角速度传感器，15-倾角传感器，16-伺服驱动器；17-运动控制器，18-电源转接板， 19-电源，20-竖直保护架，21-底座小孔，22-小孔矩阵。具体实施例方式实施例一1机械结构本实施例总重量7kg，高度700mm，长度400mm，宽度320mm，角轮(7)直径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统，包括摆杆和底座，其特征在于在摆杆（５）的顶端固定一个包含有减速器的直流无刷伺服电机（４），在电机旋转轴的前端装有一个可随之一起旋转的飞轮（１），电机的另一端与增量式编码器（１３）连接；摆杆（５）的两侧安装有倾角传感器（１５）和倾角速度传感器（１４）；摆杆的底部通过摆杆旋转轴（９）与底座（８）上的摆杆支撑座（１０）连接；底座（８）上布置有电源（１９）、伺服驱动器（１６）、电源转接板（１８）、运动控制器（１７），其中倾角传感器（１５）、倾角速度传感器（１４）的输出端分别于运动控制器（１７）连接，运动控制器（１７）的输出端与伺服驱动器（１６）连接，伺服驱动器（１６）的输出端与增量式编码器（１３）连接，倾角速度传感器（１４）、伺服驱动器（１６）、电机（４）分别由电源（１５）直接供电，倾角速度传感器（１４）和运动控制器（１７）由电源转接板（１８）将电源（１５）的电压转换后供电。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阮晓钢，王昱峰，王启源，于乃功，宋科科，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]