[发明专利]一种基于电磁效应的倒立摆系统

说明书

技术领域

本发明涉及科学研究或教学的实验系统，尤其涉及一种基于电磁效应的倒立摆系统，该系统在控制领域用来检验某种理论或方法的正确性与可行性，更重要的是该系统可以为独轮机器人的侧向平衡提供解决方案。

背景技术

文献检索及专利检索显示，现有的倒立摆系统控制其平衡的力或力矩绝大多数是在倒立摆的下端，如很常见的小车倒立摆就是通过控制连接摆杆的小车运动达到控制倒立摆平衡的目的，但是随着独轮机器人研究的进行，独轮机器人侧向平衡问题一直困扰着研究人员，因为独轮机器人的一个轮子只有前后方向的自由度，没有侧向的自由度，因而在不改变轮子结构前提下，不能通过只控制一个独轮就保持独轮机器人的平衡，必须通过在独轮机器人上方施加力方可保持独轮机器人的侧向平衡，为此申请号为200810106348.3的发明专利首先给出了一种控制独轮机器人侧向平衡的方案，其通过改变侧向配重的重心位置来达到控制独轮机器人侧向平衡的目的；然后申请号为201010151221.0的发明专利给出了基于惯性飞轮旋转产生反扭矩控制倒立摆平衡，间接解决了机器人侧向平衡问题。但是以上两类解决方案都存在系统笨重问题，即需要质量较大的装置才能保持平衡，而且惯性飞轮的方法产生的力与加速度有关系，受电机性能限制很难控制。

发明内容

为了解决现有从倒立摆上部产生作用力的倒立摆平衡控制系统结构笨重，质量较大的问题，本发明提出了一种基于电磁效应产生力或力矩作用于倒立摆上部来得到控制倒立摆平衡，间接为控制独轮机器人侧向平衡提供解决方案。因为其控制巧妙亦可作为高等院校的实验教学仪器，为独轮机器人的侧向平衡研究及高等院校教学提供实验平台。更值得一提的是因为采用电磁效应产生作用力所以系统的体积小，质量轻，更加适合独轮机器人的机动性能要求。

本发明采用如下技术方案，参照图1，基于电磁效应的倒立摆系统，包括基座1、连接轴2、线圈3、线圈平台4、舵机5、舵机连接杆6、永磁体支架7、永磁体8、隔板9、陀螺仪10、加速度计11、控制模块12、电源模块13、线圈绕组14、线圈支架15，基座把手16，电磁屏蔽材料17。

基座1与连接杆2活动相连，线圈3下端与连接轴2固定连接，平台4与线圈3是一个整体，位于线圈3侧面的下端，舵机5固定在线圈3一侧的平台4上，舵机连接杆6下端与舵机5转动盘同心连接，永磁体支架7与舵机连接杆6的另一端固定连接，永磁体8固定在永磁体支架7上，三块隔板9镶嵌入线圈的内侧，陀螺仪10和加速度计11安放在第二块隔板9上，控制模块12安放在最下边的隔板9上，陀螺仪10和加速度计11由控制模块13供电，并且与控制模块12相连将测量的信息传输给控制模块12，电源模块13安放在线圈3下部的内侧面上，线圈绕组14绕于线圈3外侧面，电源模块13给控制模块12和线圈绕组14供电，控制模块12输出控制量控制舵机4和线圈绕组14中的电流。线圈支架15固定在基座1上对称置于转动连接轴2两侧，。

基座1通过两个轴承与连接杆2相连。

所述的控制模块13为单片机芯片，DSP芯片、ARM芯片或FPGA。

所述的舵机5亦可替代为步进电机或直流电机。

所述的基于电磁效应的倒立摆系统，线圈绕组14位于线圈3顶部杆处加有铁芯，以增强电磁效应所产生的力或力矩，但线圈绕组14位于线圈3底部外侧安放有电磁屏蔽材料，以避免电磁效应对底部的线圈绕组产生力的作用。

所述的基于电磁效应的倒立摆系统，所述的线圈3与舵机4连接有两种结构，一种是舵机4固定在线圈3一侧的平台上，这时永磁体在舵机4作用下将一直在线圈正上方产生磁场；另一种结构是在线圈4两侧对称伸出两个平台，也就是将第一种结构的平台4向上移动到侧面中心位置，并在对面对称这么设置，然后在平台4上固定连接两个舵机5，这时舵机5将带动永磁体8在线圈3周边旋转，这样同样可以起到在线圈3正上方有一磁场的效果。

所述的基于电磁效应的倒立摆系统，线圈支架15的角度可调，既可以起到保护倒立摆装置作用，又可起到调节倒立摆初始摆角作用，还可以在装置不使用时起到固定倒立摆装置的作用。

所述的基于电磁效应的倒立摆系统，基座把手16可以起到方便搬运整个装置的作用。

倒立摆平衡主要基于电磁效应来实现，即通电线圈在磁场中受力这样原理来实现倒立摆的平衡控制，通过控制线圈中电流的方向及大小就可以实现倒立摆装置的平衡控制。