[发明专利]二维球-面系统控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种系统控制装置，特别涉及一种二维球面系统控制装置及方法。

背景技术

欠驱动系统是指控制输入的数目少于系统自由度的一类系统，通过较少的控制输入控制较多自由度的运动，欠驱动系统的应用非常广泛，实际应用中许多系统都被设计成为了欠驱动系统（航天器、直升飞机、水下航行器、卫星、柔性机器人等）。

球棒系统是一类欠驱动系统，由一根连杆和一个可在连杆上自由运动的小球组成，连杆可绕一个转轴在一个垂直平面内转动。在整个系统中，连杆的转角是驱动的，小球的位置是未驱动的。通过在连杆转轴上施加驱动力，调整连杆的转角，从而可以控制连杆和小球同时达到期望的平衡位置。该系统是一个典型的多变量的非线性系统，是非线性控制理论的一个典型实验室课题。该系统通过操作驱动力矩的控制使刚性球稳定在连杆的中心位置。

二维球面系统，包括一个可两自由度旋转的平面和平面上滚动的小球。通过控制平面的旋转角度可以控制平面上小球的位置。整个系统中面的倾角是驱动的，小球的位置是未驱动的。相对于球棒系统，二维球面系统的动力学方程更加复杂，其控制难度更大。现以二维球面系统为研究对象，制造一个实验装置，可以验证非线性控制方法的有效性。通过设计该系统的控制器，无论小球在平面的什么位置，平面的角度如何，该控制装置都能使小球稳定在平面的中心位置。

发明内容

发明目的是提供一种试验装置，将球棒系统的运动由一维扩展到二维，球-面系统是一类欠驱动系统，通过研究球-面系统的控制算法，可以验证欠驱动系统控制算法的好坏。

本发明的技术方案如下：一种球-面系统控制装置，包括工业计算机和控制柜，还包括球面装置本体；所述球面装置本体包括球、支脚、码盘、电机、同步带、摄像头、连杆、平面、万向节、同步带轮、支撑平台和倾角传感器。

所述的小球放置于平面上，平面由支脚固定在支撑平台上，平面与支脚由二自由度的万向节连接，平面的四个顶点由两根同步带对角相连。

每根同步带经过两个同步带轮，四个同步带轮分别固定于平面平行于支撑平台的时候平面四个顶点在支撑平台的投影位置，四个同步带轮中，选择两个相邻同步带轮由电机驱动。

所述的摄像头由四根连杆固定于平面正上方，四根连杆分别连接平面的一个顶点，随时采集小球在平面上的位置，摄像头的输出端与工业计算机的输入端连接。

所述的倾角传感器放置于平面的底面，倾角传感器的输出端与工业计算机的输入端连接。

所述码盘安装在电机的后方，以测量电机的转角。

    控制柜分别通过导线与摄像头、倾角传感器、电机、工业计算机连接，由控制柜给这些设备提供电力。

    工业计算机通过控制柜的电机驱动电路控制电机的运转。

    一种球-面系统控制装置的控制方法，包括以下步骤：

（1）小球的位置信息通过摄像机采集得到，摄像头将采集的信息发送到工业计算机；

（2）码盘采集电机的转角信息，并发送到工业计算机；

（3）倾角传感器采集的平面两自由度倾角，并发送到工业计算机；

（4）工业计算机计算分析倾角传感器、码盘与摄像头采集到的信息，控制算法根据反馈信息和控制目标给出控制信号，控制信号由工业计算机发送到控制柜，由控制柜中的电机驱动两台电机的运转，以控制同步带轮转速记转角，从而保证小球在平面上的平衡并到达所期许的位置。

本发明提出一种球-面系统控制装置。一种球-面系统控制装置，包括球、支脚、电机、同步带、摄像头、连杆、平面、万向节、同步带轮、支撑平台、控制柜、工业计算机、倾角传感器；其中，所述的小球放置于平面上，平面上有刻度值；所述的平面由支脚固定在支撑平台上，平面与支脚由二自由度的万向节连接，平面的四个顶点由两根弹性系数很小的同步带对角相连，每根同步带经过两个同步带轮，四个同步带轮分别固定于平面平行于支撑平台的时候平面四个顶点在支撑平台的投影位置，四个同步带轮中，选择两个相邻同步带轮由电机驱动；所述的摄像头由四根连杆固定于平面正上方，四根连杆分别连接平面一个顶点，随时采集小球在平面上的位置。

平面上部的摄像头即时采集球在平面的具体位置，采集到的位置信息及时发送到工业计算机，同时，倾角传感器采集平面的倾斜角度信息发送到工业计算机，工业计算机经过分析计算控制同步带轮转速及转向，发送控制信号到驱动机，驱动机控制同步带轮来调节同步带从而控制平面纵向以及横向两个自由度运动以达到球能保持平衡。本发明的球-面系统控制装置与方法能有效的控制小球在平面的平衡。