[发明专利]一种可以感知振动的倒立摆机电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种倒立摆，一种运动控制机电系统。

背景技术

倒立摆是一种研究非稳定系统的实验装置，现有的倒立摆装置使用高分辨率旋转编码器、高精度电位器等传感器作为其摆杆的位置信号检测，能够较好的检测摆杆相对转角等信息，不能够对振动扰动进行检测，缺少对实际对象的的真实反映。如果倒立摆能够对振动进行感知，同时可以测量转角信息，倒立摆所具有的示范作用更能反映实际应用，使得这种实验装置的教学内涵更广泛，能够设计更多，更有实用价值的实验，丰富教学内容。

发明内容

本发明所要解决的问题

可移动非稳定运动体的控制，如双轮平衡车、火箭、飞机、潜水艇等，通常使用惯性传感器作为姿态的检测部件，借助控制器、执行机构完成姿态的自动控制。在实际应用中，这些运动体不可避免的产生振动，并传递给传感器。例如：地面的凹凸不平可以使得车体振动，火箭、飞机飞行中，遇到的不稳定气流产生振动；飞行器引擎产生的振动等，这些振动在传入传感器后会对控制环路信号产生不良影响，造成控制品质下降，甚至影响系统稳定性，实际应用中，必须对扰动信号进行严格的处理，才能保证控制的品质。在运动体姿态控制中噪声处理是必要的一环，也是相关技术教学的重要一环。在实践教学中，通常采用倒立摆作为模拟对象，研究对象的平衡控制方法。通常的倒立摆并非可大范围移动的运动体，更类似于一种局部可动的机床，其摆杆姿态检测采用旋转编码器、高精度电位器等角位移检测部件是机床常用的传感器，是一种有固定参考位置的传感器，依靠旋转轴与外壳的相对运动测量角度信息，不能对振动进行定量感知，通常的倒立摆需要放在稳定的平台上。这种检测方法与大范围移动体的姿态检测完全不一致：大范围的运动体，没有固定的参考位置可依靠，只依靠自身传感器件进行姿态测量，不可避免的将振动信息一并采集。所以传统倒立摆对真正的可移动非稳定对象的模拟效果过于理想化，对于振动扰动不能进行感知，去除了实际应用的重要环节，使得所研究的方法不能很好的对振动扰动信号进行抑制，鲁棒性差，过于理想化，研究成果实际的应用价值不高。

为使得倒立摆更接近于实际应用，提供一种新型的倒立摆系统，能够感知振动。

新型倒立摆的主要构成部件为：部件1-摆杆，为一杆状部件；部件2-角度振动传感器，与部件1固定在一起；部件3连接器，部件4集电环内环，部件3将部件1、部件2与部件4连接在一起，部件3可以固定连接器，也可以采用万向节连接器；部件5-集电环外环，采用滑动支撑集电环内环，并接引信号，部件1、2、3、4可以绕部件5连续旋转运动；部件6-驱动基座，由驱动电机牵引，连带倒立摆整体运动。该种倒立摆可放置于固定的水平平台上，也可以放置于振动平台上。

此种倒立摆系统构特征如下：

1.使单轴或多轴加速度计和陀螺仪，直接固定于摆杆上面，测量摆杆的角度、角速度，以及整体的振动。

2.摆杆与集电环内环连接，可为固定式或万向节式，摆杆可以以连接器为中心左右旋转或左右前后旋转。

3.摆杆与驱动基座采用集电环连接，使得信号、供电线路通过集电环与外部设备连通。

4.特征1、特征2、特征3结构可进行级联扩展和多维扩展。

通过特征1，倒立摆能够感知摆杆的角度、角加速度等信息，同时能够感知倒立摆整体振动信号。当需要研究控制方法的抗干扰性能时，可定量测量振动信号，为算法研究提供直接的扰动。

通过特征2，固定式连接使得摆杆在1个维度上旋转，为直线式倒立摆系统；万向式连接器使得摆杆的运动增加1个维度，成为平面式倒立摆。采用多轴加速度计和陀螺仪，可测量多轴转角、振动信号，在平面式倒立摆系统中，可直接节省高价格的高精度旋转编码器等部件，降低成本。

通过特征3，其一，传感器信号输出线，不会因摆杆的转动缠绕在连接轴上，绞断信号线；其二，当有二级以上倒立摆进行串接时，集电环可以避免传感器器信号线的硬度对摆杆自由转动的影响，而影响倒立摆的参数。

通过特征4，级联扩展指将这种结构首尾相连，构成多级倒立摆。例如二级倒立摆，将部件1到部件5的部分作为第一级，部件1到部件6作为第二级，将第一级的部件5与第二级的部件1的顶端固定，构成二级级联形式。以此类推到三级以上的形式；多维扩展指将直线运动形式拓展为平面形式，将部件3连接器换为万向连接器，摆杆就可以XY平面上半平面以连接器为中心做任意运动。