[实用新型]一种移动倒立摆小车装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及科研教学研究用的实验仪器技术领域，更具体地，涉及一种移动倒立摆小车装置。

背景技术

倒立摆为欠驱动的自然不稳定系统，常用来检测控制理论的有效性，如经典控制理论、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等。倒立摆装置是控制理论领域中研究、测试各类新的控制策略常用的实验验证设备，它还是《自动控制原理》和《线性系统理论》教学中常用的教学实验装置。现有的倒立摆多为直线运动倒立摆系统，其中摆杆装在滑动小车上，滑动小车由电机驱动沿直线导轨滑动，以实现摆杆的稳定。由于导轨的设置，使得现有的直线运动倒立摆系统具有体积大、质量重、和成本高的限制。

发明内容

本实用新型解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本低、体积小和重量轻的移动倒立摆小车装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：

一种移动倒立摆小车装置，包括控制系统和小车，所述小车包括车体和设置于车体上的摆杆，所述车体包括基板和设于基板上的车轮以及电源，所述车轮包括设于基板前端靠电机驱动的两个主动轮和设于基板后端中心位置的导向轮，所述两个主动轮分别设置在基板左右两侧；所述基板前端还连接有一个从动轮，所述从动轮上连接有测量小车的位移和方向的第一编码器；所述摆杆上连接有用于测量摆杆的角速度的第二编码器，所述摆杆的摆动方向与两个主动轮连线相垂直；所述控制系统设于车体的基板上，包括控制器和分别与之相连的电机驱动模块、两个鉴相器和电源模块，电机驱动模块与电机连接，两个鉴相器分别和第一编码器和第二编码器连接，所述电源与电源模块连接。本实用新型的移动倒立摆小车装置，通过简单的小车驱动结构，代替现有的复杂的直线运动驱动结构，实现对小车的驱动，减小了整个装置的体积和重量，同时了降低了成本。另外，通过特别设计的车轮结构，即三轮式的结构，可以实现小车的稳定以及灵活移动。再者，通过将编码器安装于外置的从动轮上，来进行小车位移和方向的测量，避免直接将编码器安装于主动轮时复杂的结构，以及由于主动轮打滑引起的测量数据不准确。因为如果将编码器安装于主动轮上，就需要外加传动部件（例如齿轮、齿轮带）才能实现，结构比较复杂，而且显然这样增大了装置的体积。

进一步的，所述从动轮与第一编码器同轴连接，并通过一连杆固定于车体的基板上。这样既便于编码器的安装，还可以能消除因主动轮打滑而导致的测量误差。

进一步的，所述摆杆连接在第二编码器的轴上，且第二编码器通过一固定座固定于车体的基板上；第二编码器的轴与两个主动轮的连线相平行。这样易于拆卸和安装，可根据实验要求灵活选用不同长度和重量的摆杆，调整倒立摆小车系统可稳定的控制周期的最大值。

进一步的，为保护测量摆杆摆角的第二编码器，所述固定座上连接有摆杆弹性保护片，所述摆杆弹性保护片设于摆杆摆动方向上，在摆杆两侧各设一个摆杆弹性保护片，以限制摆杆的角位移，防止由于摆杆摆角过大对第二编码器造成的损坏。

进一步的，所述控制系统还包括无线模块，所述无线模块与控制器连接。无线模块的设置，可以实现与上位机的无线通信，这样就可以从上位机上实时读取和绘制小车和摆杆的位移信号、相应的速度信息及控制力矩等，使得实验过程更加直观。同时，可以实现无线遥控稳定，编码器信息可以无线传输到远程控制器，远程控制器计算控制量后，再无线传输给小车，使倒立摆小车稳定。进一步的，所述无线模块与控制器通过串行接口连接。

进一步的，所述第一编码器和第二编码器为三相增量式编码器。

进一步的，所述控制系统焊接在一电路板上，所述电路板固定于车体的基板上。这样可以提高整个装置的集成度，进一步缩小了装置的体积和重量。

进一步的，所述每个主动轮各通过一个电机驱动。主动轮分别由一个电机驱动，这样提高电机对小车的驱动力。

进一步的，所述电机为直流减速电机。因为直流减速电机具有力矩大、噪音低、转速可调、控制方便的特点。