一種以俯仰角為控制對象驗證自動控制方法的實驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于自動控制理論方法驗證的實驗裝置，特別是關(guān)于一種以俯仰角為控制對象驗證自動控制方法的實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]自動控制理論實驗裝置是一種在高校實驗室中用于用戶實際驗證自動控制方法的教學(xué)實驗裝置，廣泛應(yīng)用于高校測量和控制類專業(yè)的實驗教學(xué)領(lǐng)域。經(jīng)典的自動控制方法實驗裝置有如溫度自動控制實驗裝置，由于以電熱絲為執(zhí)行機構(gòu)，以溫度為控制對象，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制過程較為漫長、響應(yīng)速度慢、能耗大、不便于需要多次調(diào)整控制參數(shù)和需要重復(fù)實驗的控制方法的驗證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、控制過程較短、成本低、響應(yīng)速度快、能耗小和可以在短時間內(nèi)多次重復(fù)進行實驗的以俯仰角為控制對象驗證自動控制方法的實驗裝置。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種以俯仰角為控制對象驗證自動控制方法的實驗裝置，其特征在于:它包括參數(shù)設(shè)定及觀測單元、微處理器控制單元、執(zhí)行單元和運動姿態(tài)采集單元，且執(zhí)行單元中包括飛行器模型；用戶根據(jù)欲驗證的自動控制算法在所述參數(shù)設(shè)定及觀測單元中設(shè)定該自動控制算法的參數(shù)、所述執(zhí)行單元的工作參數(shù)和所述執(zhí)行單元中所述飛行器模型的期望俯仰角，并傳送給所述微處理控制單元；所述微處理器控制單元將所述執(zhí)行單元的工作參數(shù)傳送給所述執(zhí)行單元，所述執(zhí)行單元按照設(shè)定的工作參數(shù)運行；同時，所述微處理器控制單元發(fā)送控制所述運動姿態(tài)采集單元開始工作的信號，所述運動姿態(tài)采集單元采集所述執(zhí)行單元中所述飛行器模型在X、Y、Z三個方向的加速度和俯仰角速度，并將獲得的信號傳送給所述微處理器控制單元；所述微處理器控制單元根據(jù)獲得所述飛行器模型在X、Y、Z三個方向的加速度和俯仰角速度，計算所述飛行器模型的俯仰角，并傳送給所述參數(shù)設(shè)定及觀測單元顯示；用戶通過觀察所述參數(shù)設(shè)定及觀測單元上顯示的所述飛行器模型的期望俯仰角與俯仰角變化曲線，調(diào)整該自動控制算法的參數(shù)和所述執(zhí)行單元的工作參數(shù)，直到得到所述飛行器模型的俯仰角達到期望俯仰角。
[0005]所述參數(shù)設(shè)定及觀測單元包括人機交互界面和自動控制模塊；所述人機交互界面用于選擇針對所述執(zhí)行單元中所述飛行器模型的自動控制算法、選擇該自動控制算法相應(yīng)的參數(shù)、顯示所述執(zhí)行單元中所述飛行器模型的期望俯仰角和顯示自動控制算法的控制過程曲線；所述自動控制模塊內(nèi)置針對所述執(zhí)行單元中所述飛行器模型的期望俯仰角進行控制的自動控制理論方法；用戶通過所述人機交互界面選擇欲驗證的自動控制算法，所述人機交互界面向所述自動控制模塊中調(diào)取相應(yīng)的自動控制算法，并在所述人機交互界面上顯示；用戶輸入所述執(zhí)行單元中所述飛行器模型的期望俯仰角、所述執(zhí)行單元的工作參數(shù)以及該自動控制算法所對應(yīng)的參數(shù)，并傳送給所述微處理器控制單元。
[0006]所述微處理器控制單元包括通信模塊和信號處理模塊；所述通信模塊用于實現(xiàn)所述微處理器控制單元和所述參數(shù)設(shè)定及觀測單元之間的通信；所述信號處理模塊用于將所述參數(shù)設(shè)定及觀測單元中設(shè)定的工作參數(shù)傳送給所述執(zhí)行單元，使其按照預(yù)定的工作參數(shù)工作；并針對所述運動姿態(tài)采集單元采集的所述執(zhí)行單元中所述飛行器模型在x、Y、z三個方向的加速度和俯仰角速度進行計算，得到所述執(zhí)行單元中所述飛行器模型的俯仰角，并將其通過所述通信模塊傳送給所述參數(shù)設(shè)定及觀測單元。
[0007]所述執(zhí)行單元包括一穩(wěn)定底座、兩支撐臂、一所述飛行器模型、兩無刷電機、兩旋翼和兩電子調(diào)速器；所述穩(wěn)定底座上水平間隔固定連接兩所述支撐臂的一端，兩所述支撐臂的另一端各自轉(zhuǎn)動連接所述飛行器模型的兩端；所述飛行器模型的另外兩端分別固定連接一所述無刷電機，且所述無刷電機位于所述飛行器模型的同一側(cè)面；每一所述無刷電機的轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)動連接一所述旋翼，且每一所述無刷電機電連接一所述電子調(diào)速器；所述電子調(diào)速器電連接所述微處理器控制單元；所述微處理器控制單元將接收的來自所述參數(shù)設(shè)定及觀測單元傳送的工作參數(shù)，設(shè)定所述電子調(diào)速器；通過所述電子調(diào)速器使其帶動與之電連接的所述無刷電機轉(zhuǎn)動，所述無刷電機的轉(zhuǎn)動帶動各自其上設(shè)置的所述旋翼轉(zhuǎn)動，使得所述飛行器模型形成俯仰角。
[0008]所述飛行器模型包括一體交叉設(shè)置的旋轉(zhuǎn)桿和轉(zhuǎn)動桿；所述旋轉(zhuǎn)桿的兩端轉(zhuǎn)動連接在所述支撐臂上；所述轉(zhuǎn)動桿的兩端固定連接所述無刷電機。
[0009]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明包括參數(shù)設(shè)定及觀測單元、微處理器控制單元、執(zhí)行單元和運動姿態(tài)采集單元，且執(zhí)行單元中包括飛行器模型；用戶根據(jù)欲驗證的自動控制算法在參數(shù)設(shè)定及觀測單元中設(shè)定該自動控制算法的參數(shù)、執(zhí)行單元的工作參數(shù)和執(zhí)行單元中飛行器模型的期望俯仰角，并傳送給微處理控制單元；微處理器控制單元將執(zhí)行單元的工作參數(shù)傳送給執(zhí)行單元，執(zhí)行單元按照設(shè)定的工作參數(shù)運行；同時，微處理器控制單元發(fā)送控制運動姿態(tài)采集單元開始工作的信號，運動姿態(tài)采集單元采集執(zhí)行單元中飛行器模型在X、Y、Z三個方向的加速度和俯仰角速度，并將獲得的信號傳送給微處理器控制單元；微處理器控制單元根據(jù)獲得飛行器模型在x、Y、z三個方向的加速度和俯仰角速度，計算飛行器模型的俯仰角，并傳送給參數(shù)設(shè)定及觀測單元顯示；用戶通過觀察參數(shù)設(shè)定及觀測單元上顯示的飛行器模型的期望俯仰角與俯仰角變化曲線，調(diào)整該自動控制算法的參數(shù)和執(zhí)行單元的工作參數(shù)，直到得到飛行器模型的俯仰角達到期望俯仰角。本發(fā)明以俯仰角作為控制對象，并采用以上設(shè)置，因此響應(yīng)速度快，簡單易用，能耗低，并可在短時間內(nèi)多次重復(fù)進行實驗。2、本發(fā)明的執(zhí)行單元包括一穩(wěn)定底座、兩支撐臂、一飛行器模型、兩無刷電機、兩旋翼和兩電子調(diào)速器，結(jié)構(gòu)簡單且成本低。因此，本發(fā)明可以廣泛用于高?？刂祁惤虒W(xué)實驗。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖
[0011]圖2是本發(fā)明的執(zhí)行單元和運動姿態(tài)采集單元示意圖
[0012]圖3是本發(fā)明的執(zhí)行單元和運動姿態(tài)采集單元的工作狀態(tài)示意圖
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明包括參數(shù)設(shè)定及觀測單元1、微處理器控制單元2、執(zhí)行單元3和運動姿態(tài)米集單兀4。
[0015]參數(shù)設(shè)定及觀測單元I包括人機交互界面11和自動控制模塊12。
[0016]人機交互界面11用于選擇針對執(zhí)行單元3中飛行器模型33的自動控制算法、選擇該自動控制算法相應(yīng)的參數(shù)、顯示執(zhí)行單元3中飛行器模型33的期望俯仰角和顯示自動控制算法的控制過程曲線。自動控制模塊12內(nèi)置針對執(zhí)行單元3中飛行器模型33的期望俯仰角進行控制的自動控制理論方法中的常用自動控制方法，譬如PID控制、模糊控制等。
[0017]用戶通過人機交互界面11選擇欲驗證的自動控制算法，人機交互界面11向自動控制模塊12中調(diào)取相應(yīng)的自動控制算法，并在人機交互界面11上顯示。用戶輸入執(zhí)行單元3中飛行器模型33的期望俯仰角、執(zhí)行單元3的工作參數(shù)以及該自動控制算法所對應(yīng)的參數(shù)，并傳送給微處理器控制單元2。
[0018]上述實施例中，參數(shù)設(shè)定及觀測單元I可以采用微型計算機。
[0019]微處理器控制單元2包括通信模塊21和信號處理模塊22。
[0020]通信模塊21用于實現(xiàn)微處理器控制單元2和參數(shù)設(shè)定及觀測單元I之間的通信。
[0021]信號處理模塊22用于將參數(shù)設(shè)定及觀測單元I中設(shè)定的工作參數(shù)傳送給執(zhí)行單元3，使其按照預(yù)設(shè)定的工作參數(shù)工作；并針對運動姿態(tài)采集單元4采集的執(zhí)行單元3中飛行器模型33在X、Y、Z三個方向的加速度和俯仰角速度進行計算，得到執(zhí)行單元3中飛行器模型33的俯仰角，并將其通過通信模塊21傳送給參數(shù)設(shè)定及觀測單元I。
[0022]上述實施例中，信號處理模塊22還可以計算出執(zhí)行單元3中飛行器模型33的角速度和角加速度。
[0023]上述實施例中，微處理器控制單元2可以采用具有Cotex M3內(nèi)核的處理器STM32 ；通信模塊21可以采用電平轉(zhuǎn)換器，用于實現(xiàn)微處理器控制單元2和參數(shù)設(shè)定及觀測單元I之間TTL電平與USB之間的轉(zhuǎn)換。
[0024]如圖2、圖3所示，執(zhí)行單元3用于根據(jù)微處理器控制單元2傳送的工作參數(shù)進行工作，其包括一穩(wěn)定底座31、兩支撐臂32、一飛行器模型33、兩無刷電機34、兩旋翼35和兩電子調(diào)速器36。
[0025]穩(wěn)定底座31上水平間隔固定連接兩支撐臂32的一端，兩支撐臂32的另一端各自通過軸承轉(zhuǎn)動連接一飛行器模型33的兩端，飛行器模型33的另外兩端分別固定連接一無刷電機34，且無刷電機34位于飛行器模型33的同一側(cè)面。每一無刷電機34的轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)動連接一旋翼35，且每一無刷電機