[发明专利]一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统

说明书

本发明公开了一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统，包括MATLAB实验界面端、实验电路板、云服务端和虚拟倒立摆；MATLAB实验界面是基于MATLAB开发的一个显示界面，用于与实验者进行交互。实验电路板是一个带有网口和串口的电路板，它通过串口接受MATLAB实验界面端发来的数据并将数据通过网口发送至云服务端；云服务端用于存储实验过程数据；虚拟倒立摆是基于HTML5+Javascript+X3技术开发的可以在浏览器中显示的三维模型及其脚本，其脚本用于监测云服务端存储的实验数据，并将数据解析，进而驱动三维模型进行运动，实现倒立摆实验。

技术领域

本发明涉及自动控制领域内的实验设备，更具体的说，是涉及一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统。

背景技术

倒立摆是一种机、电、控制耦合的不稳定、非线性系统实验设备，可以用于LQR控制，根轨迹方法控制，频域响应控制等实验。诸多高等院校的机电、电器、自动化等与控制相关的专业都存在采用倒立摆或者虚拟的倒立摆进行的教学环节或科研项目。常见的倒立摆有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆，其级数可以为一级、二级、三级、四级乃至多级。

但这些类型的倒立摆的机械部分大部分都包含摆杆，滑轨，电机，底座，皮带等，而且受到控制精度的要求，这些零部件的质量和精度都需要有保证。因此，倒立摆的价格一般都比较昂贵：市面上廉价的倒立摆需要2-3万/台，性能较好的设备则需要约20万元/台，并且后期的维修费用也是一笔不小的开销。由于受到经费的制约，大多数学校的自动化实验室缺乏设备或者利用虚拟倒立摆进行替换。开展倒立摆实验时，也是以小组为单位甚至是学生观看老师演示实验，或者只对倒立摆实验进行仿真，实验结果过于抽象，并且导致许多学生不能亲自动手操作，阻碍了动手实践能力的培养，无法激发同学们的学习兴趣，影响了教学效果。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统，以此来增加学生学习的兴趣和节省了教学成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用单片机和网络3D技术的半虚拟倒立摆系统，包括MATLAB实验界面端、实验电路板、云服务端和虚拟倒立摆，所述MATLAB实验界面端的实验界面上包括控制参数调整栏、控制区域以、电机位置图和摆杆角度图；所述实验电路板通过串口协议接受MATLAB实验界面端发送的数据；通过TCP协议将数据发送至云服务端；所述云服务端接受实验电路板发送的数据并存入数据库；所述虚拟倒立摆由三维绘图软件制成，通过生成HTML文件则可在网页中打开三维模型，所述虚拟倒立摆通过HTTP协议时刻监控云服务端数据库中的数据，当有数据被存入数据库，虚拟倒立摆接受数据并解析，将相应数据转化为电机实时的位置和摆杆的实时角度，并将数据赋值给电机与摆杆脚本函数中，最终实现虚拟倒立摆电机和摆杆的移动。

进一步的，所述控制参数调整栏由KP，KI，KD三个下拉菜单按钮组成，分别用于选择实验时的PID参数；所述控制区域中包括了开始实验、保存数据、保存参数、继续刷新四个按钮，分别用于下载此次实验输入的PID数据、保存虚拟倒立摆中电机移动位置和倒立摆摆杆的偏移角度、保存此次实验输入的PID数据、读取记录最近一次电机位置和虚拟倒立摆摆杆角度的数据；所述电机位置图用于显示虚拟倒立摆中的电机位置随实验时间实时变化的曲线；所述摆杆角度图显示了虚拟倒立摆中摆杆的角度随实验时间的实时变化曲线。

进一步的，所述虚拟倒立摆模型为HTML语言编写并在网页显示的虚拟3D模型。

进一步的，通过改变网页脚本参数驱动虚拟倒立摆的3D模型。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.该系统价格低廉，种类多样，可以满足全方面的满足实验教学对设备的要求。

2.该系统体积较小，可以轻松将它搬入课堂进行课堂演示。