[实用新型]平面二维自由度旋转倒立摆装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及检验控制算法、研究控制理论很有效的实验设备，尤其是平面二维自由度旋转倒立摆装置。

背景技术

倒立摆系统是检验控制算法、研究控制理论很有效的实验设备，倒立摆系统按照结构形式不同可以分为：1）直线倒立摆系统，即小车倒立摆系统；2）旋转式倒立摆系统，即环形倒立摆系统；3）平面倒立摆系统；4）柔性倒立摆系统；5）直线柔性连接倒立摆系统。倒立摆是典型的非线性、多变量、耦合与欠驱动的系统，旋转式倒立摆与小车式倒立摆不同，由于将小车的平动控制改为悬臂控制，在硬件结构上减少了中间传动机构，相对于小车式倒立摆具有更大的非线性、不稳定性和复杂性，对控制算法提出了更高的要求。目前，一维自由度的旋转倒立摆已经应用于教学实验中，然而从结构、对象模型复杂度及控制难度上看都比较简单容易，不利于先进控制策略及算法的验证。平面倒立摆是最为复杂的一类，具有两个自由度，在XY平面内自由运动，在两个正交控制方向上存在耦合作用，平面倒立摆更加突出模型的非线性、耦合性及多变量等特点，使得控制的实现更具有挑战性。平面倒立摆是通过X、Y两个正交直线方向的加减速运动来实现倒立摆控制的，由于其结构本身的空间限制，因此，在X与Y方向的运动必然受限，大大限制该验证平台的应用范围。

为了进一步增强对象模型的非线性、xy方向的耦合性、不稳定性及复杂性，打破传统平面倒立摆Y方向的运动受限问题，将平面倒立摆与旋转摆结合，构建平面二维自由度的旋转倒立摆装置，即适合于一维自由度又适合于二维自由度倒立摆控制，到目前为止还未见有相关的报道。

发明内容

本实用新型针对现有的旋转倒立摆装置只适用于一维自由度倒立摆的控制算法检验问题、传统平面倒立摆在XY方向运动受限的问题，提供一种既适用于一维自由度又适用于二维自由度的平面二维自由度旋转倒立摆装置。

本实用新型的技术解决方案是：

一种平面二维自由度旋转倒立摆装置，有一个第一支架，第一支架上设置有旋转伺服电机，其特殊之处是：旋转伺服电机的第一转轴上安装直线饲服电机，直线饲服电机的动子上设置悬臂，悬臂一端设置第一编码器，悬臂另一侧设置第二支架，第二支架一侧设置第二编码器，再通过第二转轴连接托盘，托盘的一侧设置第三编码器，托盘另一侧设置配重块，使得配重块与另一侧的第三编码器平衡，第三编码器上设置第三转轴，第三转轴在水平方向与第二转轴垂直，第三转轴端部设置可拆卸第一摆杆，第一摆杆的垂直投影正好位于托盘的中心位置，第一编码器上设置第四转轴，第四转轴与托臂方向平行，第四转轴端部设置可拆卸第二摆杆，第一编码器用于检测沿托臂的切线方向摆动的第二摆杆的偏转角度，第二编码器与第三编码器分别检测第一摆杆沿着切线方向和轴向的偏离角度。

第一摆杆即可以沿托臂的切线方向摆动，也可以沿托臂的轴向方向摆动，第二编码器与第三编码器可分别检测第一摆杆沿着两个方向的偏离角度；第二摆杆只能沿着托臂的切线方向摆动，并由第一编码器检测其偏转角度。第一摆杆与第二摆动均可拆卸，当进行一维自由度旋转倒立摆实验时，将第一摆杆拆卸掉；当进行二维自由度旋转倒立摆实验时，将第二摆杆拆卸掉。

检测与控制装置由第一编码器、第二编码器、第三编码器、旋转伺服电机角度传感器、直线伺服电机位置传感器、微型计算机系统、旋转伺服电机驱动模块、直线伺服电机驱动模块及通信模块构成。当系统进行一维自由度的旋转倒立摆实验时，微型计算机系统通过第一编码器与旋转伺服电机角度传感器检测系统状态，通过相应的控制算法计算控制律，并通过旋转伺服电机驱动模块控制旋转伺服电动机的加（减）角速度来实现摆杆的控制任务； 系统进行二维自由度旋转平面倒立摆实验时，微型计算机系统通过第二编码器、第三编码器、旋转伺服电机角度传感器与直线伺服电机位置传感器检测系统状态，通过相应的控制算法计算控制律，并通过旋转伺服电机驱动模块与直线伺服电机驱动模块分别控制旋转伺服电动机的加（减）角速度、直线伺服电动机的轴线直线加（减）速度来实现摆杆的控制任务。