基于导电滑环走线的三级倒立摆系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于导电滑环走线的三级倒立摆系统，包括机械系统、控制系统；所述机械系统包括摆杆组件、导电滑环组件、角度传感器组件、同步带模组，所述摆杆组件设计在同步带模组上，角度传感器组件的导线穿过摆杆组件由导电滑环组件接入控制系统。还公开了一种基于导电滑环走线的三级倒立摆控制方法，为一种三级倒立摆混合控制方法。本发明专利技术提供了一种基于导电滑环的走线方式，可避免三级倒立摆在运行中导线交错缠绕的问题；整个三级倒立摆系统可实施性强、稳定性高、抗干扰性好，利用所提供的控制方法可取得良好的控制效果。的控制方法可取得良好的控制效果。的控制方法可取得良好的控制效果。

【技术实现步骤摘要】
基于导电滑环走线的三级倒立摆系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及自动控制领域，特别是涉及一种基于导电滑环走线的三级倒立摆系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]倒立摆是一个典型的被控对象，由于其是一个多变量、强耦合、快速、非线性、不稳定的系统，常被用于检验某一算法的正确性及其在实际应用中的可行性。另外，在火箭姿态的控制、机器人双足行走平衡的控制、各类伺服云台的稳定控制中都与倒立摆的控制有着很大的相似性。因此，对倒立摆系统的设计及其控制方法的研究具有极大的科学意义和实践意义。
[0003]在现有的倒立摆设计当中，特别是在三级倒立摆和多级倒立摆设计中，一方面，三级倒立摆在摆起时，具有较大的惯性，因此对传动机构的稳定性，抗冲击性要求极高，同时还要兼有良好的传动精度，因此，三级倒立摆需拥有一个性能优良的直线传动机构。另一方面，需考虑到安装在关节处的角度传感器走线问题，通常使用两种方法：第一，使用扎带将角度传感器的导线扎在摆杆上；第二，安装无线传输模块将角度信号传输出去，这两种方法有着很大的弊端，其一，倒立摆是一个不确定系统，摆杆与摆杆之间姿态无法预测、千变万化，将导线扎在摆杆上，不但不美观，而且在实验过程中易造成导线在摆杆关节处交错缠绕，导致实验失败；其二，倒立摆是一个实时系统，使用无线传输角度信号，易受到其他信号的干扰、传输速度也不及有线传输、还易造成信号的丢包，同样也会导致实验的失败。以上由于传动机构和走线问题等外在因素的弊端而不是控制方法的本身导致实验的失败，因此，需设计出可行性和可靠性高的三级倒立摆系统。此外，三级倒立摆是在一级倒立摆与二级倒立摆演化而来,系统变量、非线性程度及不稳定性成倍增加，经典的控制方法已不再适用且控制难度极大，必须提出行之有效的控制方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于导电滑环走线的倒立摆系统及其控制方法，能够解决现有三级倒立摆传动机构稳定性差、抗冲击差、传动精度低、走线方式易造成交错缠绕等问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种基于导电滑环走线的三级倒立摆系统，包括机械系统、控制系统；
[0006]所述机械系统包括摆杆组件、导电滑环组件、角度传感器组件、同步带模组，摆杆组件分为一级摆杆、二级摆杆、三级摆杆，导电滑环组件分为一级导电滑环、二级导电滑环，角度传感器组件分为一级角度传感器、二级角度传感器、三级角度传感器；一级摆杆的一端与同步带模组的滑块上的固定板转动连接形成第一关节，第一关节处安装一级角度传感器和一级导电滑环；一级摆杆的另一端与二级摆杆的一端转动连接形成第二关节，第二关节处安装二级角度传感器和二级导电滑环；二级摆杆的另一端与三级摆杆的一端转动连接形
成第三关节，第三关节处安装三级角度传感器；
[0007]所述角度传感器组件的导线穿过摆杆组件由导电滑环组件接入控制系统。
[0008]在本专利技术一个较佳实施例中，所述摆杆组件包括杆体，一级摆杆和二级摆杆还包括盖板，杆体的一表面开有条形槽，条形槽的两端分别连通有一扇形开口，杆体表面的条形槽上配装有盖板。
[0009]在本专利技术一个较佳实施例中，所述导电滑环组件包括绝缘垫片A环、PCB板B环、PCB板C环、绝缘垫片D环，PCB板B环与绝缘垫片A环固定连接，PCB板C环与绝缘垫片D环固定连接；
[0010]所述PCB板B环正面印刷有环形铜箔，反面有金属焊点与环形铜箔对应导通；PCB板C环正面印刷有环形铜箔，铜箔表面有呈圆周间隔排列焊接的金属弹片，PCB板C环反面有金属焊点与环形铜箔对应导通；
[0011]所述PCB板B环、PCB板C环间隙安装，通过PCB板B环正面的环形铜箔与PCB板C环正面的金属弹片接触，两板相对转动呈导通状态。
[0012]进一步的，所述缘垫片A环和绝缘垫片D环的结构相同，均设有一轴孔、与轴孔连通的扇形孔及若干安装孔。
[0013]在本专利技术一个较佳实施例中，所述同步带模组包括长条状壳体、同步带、滑台、伺服电机；长条状壳体上安装有光轴导轨，光轴导轨上滑动安装有滑台，滑块固定在滑台表面，长条状壳体的两端安装有同步带轮，同步带轮与同步带啮合连接，同步带的两个自由端与滑台两端固定连接，同步带轮通过联轴器与伺服电机的输出轴固定连接，伺服电机接入控制系统。
[0014]在本专利技术一个较佳实施例中，在第三关节处，所述三级摆杆与二级摆杆通过三级转轴转动连接，三级转轴上依次安装有三级摆杆的一端、卡簧垫片、平垫、二级摆杆的一端；
[0015]三级转轴内部安装三级角度传感器，三级角度传感器测量轴与安装在三级转轴另一面的转动块固定连接，三级角度传感器的导线从三级转轴的内部引出，经二级摆杆的条形槽、扇形开口，接到二级导电滑环的PCB板C环的金属焊点上。
[0016]在本专利技术一个较佳实施例中，在第二关节处，所述二级摆杆与一级摆杆通过二级转轴转动连接，二级转轴上依次安装有二级摆杆的另一端、二级导电滑环、一级摆杆的一端；
[0017]所述二级角度传感器安装在角度传感器安装板上，角度传感器安装板通过垫高块固定安装在一级摆杆的一端上，二级角度传感器测量轴固定安装在二级转轴内部；二级角度传感器的导线和二级导电滑环的PCB板B环上金属焊点的导线经一级摆杆的条形槽、扇形开口引出，接在一级导电滑环的PCB板C环的金属焊点上。
[0018]在本专利技术一个较佳实施例中，在第一关节处，所述一级摆杆与滑块的固定板通过一级转轴转动连接，一级转轴上依次安装有一级摆杆的另一端、一级导电滑环、滑块的固定板；
[0019]所述一级角度传感器安装在角度传感器安装板上，角度传感器安装板通过垫高块固定安装在滑块的固定板上，一级角度传感器测量轴固定安装在一级转轴内部，一级角度传感器的导线和一级导电滑环的PCB板B环上金属焊点的导线从固定板的“口”字型开口引出，接入到控制系统中。
[0020]在本专利技术一个较佳实施例中，所述控制系统包括计算机、控制器、伺服电机、A/D转换模块、伺服驱动器、一级角度传感器、二级角度传感器、三级角度传感器、开关电源，开关电源的输出端连接控制器，计算机、控制器、伺服驱动器、伺服电机依次相互连接，一级角度传感器、二级角度传感器、三级角度传感器经A/D转换模块与控制器相连。
[0021]为解决上述技术问题，本专利技术采用的另一个技术方案是：提供一种基于导电滑环走线的三级倒立摆控制方法，利用上述所述的基于导电滑环走线的三级倒立摆系统，包括以下步骤：
[0022]S1：系统初始化及系统模式的选择，系统模式包括手动起摆和自动起摆；
[0023]S2：若系统模式选择为自动起摆，则由所述控制系统直接控制三级倒立摆完成倒立；
[0024]S3：若系统模式选择为手动起摆，则由人为干预将三级倒立摆调整为倒立状态；
[0025]S4：判断是否满足切换到稳摆控制器的条件，自动起摆模式的判断依据为起摆控制的响应是否在终值的
±
5％内，若判断结果为“本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于导电滑环走线的三级倒立摆系统，其特征在于，包括机械系统、控制系统；所述机械系统包括摆杆组件、导电滑环组件、角度传感器组件、同步带模组，摆杆组件分为一级摆杆、二级摆杆、三级摆杆，导电滑环组件分为一级导电滑环、二级导电滑环，角度传感器组件分为一级角度传感器、二级角度传感器、三级角度传感器；一级摆杆的一端与同步带模组的滑块上的固定板转动连接形成第一关节，第一关节处安装一级角度传感器和一级导电滑环；一级摆杆的另一端与二级摆杆的一端转动连接形成第二关节，第二关节处安装二级角度传感器和二级导电滑环；二级摆杆的另一端与三级摆杆的一端转动连接形成第三关节，第三关节处安装三级角度传感器；所述角度传感器组件的导线穿过摆杆组件由导电滑环组件接入控制系统。2.根据权利要求1所述的基于导电滑环走线的三级倒立摆系统，其特征在于，所述摆杆组件包括杆体，一级摆杆和二级摆杆还包括盖板，杆体的一表面开有条形槽，条形槽的两端分别连通有一扇形开口，杆体表面的条形槽上配装有盖板。3.根据权利要求1所述的基于导电滑环走线的三级倒立摆系统，其特征在于，所述导电滑环组件包括绝缘垫片A环、PCB板B环、PCB板C环、绝缘垫片D环，PCB板B环与绝缘垫片A环固定连接，PCB板C环与绝缘垫片D环固定连接；所述PCB板B环正面印刷有环形铜箔，反面有金属焊点与环形铜箔对应导通；PCB板C环正面印刷有环形铜箔，铜箔表面有呈圆周间隔排列焊接的金属弹片，PCB板C环反面有金属焊点与环形铜箔对应导通；所述PCB板B环、PCB板C环间隙安装，通过PCB板B环正面的环形铜箔与PCB板C环正面的金属弹片接触，两板相对转动呈导通状态。4.根据权利要求3所述的基于导电滑环走线的三级倒立摆系统，其特征在于，所述缘垫片A环和绝缘垫片D环的结构相同，均设有一轴孔、与轴孔连通的扇形孔及若干安装孔。5.根据权利要求1所述的基于导电滑环走线的三级倒立摆系统，其特征在于，所述同步带模组包括长条状壳体、同步带、滑台、伺服电机；长条状壳体上安装有光轴导轨，光轴导轨上滑动安装有滑台，滑块固定在滑台表面，长条状壳体的两端安装有同步带轮，同步带轮与同步带啮合连接，同步带的两个自由端与滑台两端固定连接，同步带轮通过联轴器与伺服电机的输出轴固定连接，伺服电机接入控制系统。6.根据权利要求1所述的基于导电滑环走线的三级倒立摆系统，其特征在于，在第三关节处，所述三级摆杆与二级摆杆通过三级转轴转动连接，三级转轴上依次安装有三级摆杆的一端、卡簧垫片、平垫、二级摆杆的一端；三级转轴内部安装三级角度传感器，三级角度传感器测量轴与安装在三级转轴另一面的转动块固定连接，三级角度传感器的导线从三级转轴的内部引出，经二级摆杆的条形槽、扇形开口，接到二级导电滑环...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，纪鸿宇，张新，曾亿山，胡乐乐，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：