一种基于5G通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台的制作方法

本发明涉及5g无线通信与自动控制领域，尤其涉及一种基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台。

背景技术：

倒立摆的最初研究始于20世纪50年代，mit(美国麻省理工大学)学者根据火箭发射助推器设计出了一级直线倒立摆。经过长时间的的发展，倒立摆的形式已经多种多样，有悬挂式倒立摆、平行倒立摆、环形倒立摆、平面倒立摆；倒立摆的级数可以是一级、二级、三级、四级乃至多级；倒立摆的运动轨道可以是水平的，还可以是倾斜的(这对实际机器人的步行稳定控制研究更有意义)；控制电机可以是单电机，也可以是多级电机。

而本专利涉及的惯性轮倒立摆是一种特殊形式的倒立摆，它同许多倒立摆一样具有不稳定、强耦合、非线性性。它具有自己独特的特性，是通过给惯性轮作用力矩与惯性轮给反作用力矩的方式实现的自己平稳立起的。

无论是何种形式的倒立摆，目前大多都是以物理接线的方式来实现传感器数据采集，以及电气系统的供配电。这样的的方式有利有弊：接线的方式能保证数据实时与高效的传输，从而减小系统时延，保证数据双向传输的真实性与可靠性。但是，接线的方式会破坏倒立摆动力学模型的精确性，会造成数学建模不准。同时，导线对杆体的拉扯也有负载效应，影响控制算法的发挥。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台，从而克服了现有倒立摆采用物理接线的当时来实现传感感器数据采集及以电器系统的供配电会破坏倒立摆动力学模型的精确性的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台，包括：

摆杆安装座，其内设有轴承；

摆杆，其底端与所述轴承轴连接；

伺服电机，其固定在所述摆杆的顶端，且其电机轴穿过所述摆杆；

惯性轮，其设置在所述电机轴的端部；

驱动器，其与所述伺服电机电连接；

第一5g通信控制模块，其与所述驱动器连接，用于将所述伺服电机的实时状态进行传送；

电源，其分别与所述伺服电机、驱动器和第一5g通信控制模块连接；

编码器安装座，其设有轴孔；

编码器，其编码器轴穿过所述编码器安装座的轴孔，且与所述摆杆安装座的轴承连接，使所述编码器轴与摆杆一起转动；

控制器，其接收所述基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台的数据和发出控制所述编码器、第一5g通信控制模块及第二5g通信模的信号；及

第二5g通信控制模块，其分别与所述编码器、控制器及第一5g通信控制模块连接，所述第二5g通信控制模块用于接收编码器的信号和伺服电机的实时状态传送控制器，同时，所述第二5g通信控制模块将所述控制器发出指令传输至第一5g通信控制模块，所述第一5g通信控制模块将所述指令传输至驱动器，驱动器根据所述指令控制伺服电机工作。

进一步的，所述第一5g通信控制模块和第二5g通信控制模块均包括相连接的微处理器和5g模块。

进一步的，所述驱动器、第一5g通信控制模块及电源均设置在所述摆杆上。

进一步的，还包括显示装置，所述显示装置与所述控制器连接。

进一步的，所述控制器为pc机。

进一步的，还包括轴，所述轴安装在所述轴承内，其一端通过轴固定件与摆杆连接，使摆杆随所述轴一起转动；其另一端通过同轴器与所述编码器轴连接，使编码器轴随同轴器转动，从而使所述编码器轴随所述摆杆一起转动。

进一步的，所述电源采用锂电池。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所提供的一种基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台，包括：摆杆安装座、摆杆、伺服电机、惯性轮、驱动器、第一5g通信控制模块、电源、编码器安装座、编码器、控制器及第二5g通信控制模块，驱动器和伺服电机和控制器之间的数据信号通过第一5g通信控制模块传输和第二5g通信模块传输，实现了数据信号线的隔离，提高了数据的精确性。

驱动器、第一5g通信控制模块及电源均设置在摆杆上，伺服电机、驱动器、第一5g通信控制模块通过摆杆上的锂电池获取电能，避免了外部电源接线，也减少了外部电源接线对数据准确性的影响。

控制器采用pc机，相对于仅用微处理进行数据处理，提高了数据仿真、控制的准确性，因此，本发明的基于5g同学隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台的数据即控制具有较好的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台的结构示意图；

图2是本发明的惯性轮倒立摆的姿态结构示意图；

其中：1、摆杆安装座；2、摆杆；3、伺服电机；4、惯性轮；5、驱动器；6、第一5g通信控制模块；7、电源；8、编码器安装座；9、编码器；10、控制器；11、第二5g通信控制模块；12、同轴器；13、轴固定件；14、显示装置；15、轴；16、连接头。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有接线式惯性轮倒立摆系统涉及四大部分：

一、动力结构，包括：伺服电机、驱动器与电源。传统的接线方式为伺服电机的正负电源以及编码器供电线和信号线。

二、控制器结构，包括：控制器、控制器的供电及信号的接线，控制器提取传感器信号的接线。

三、机械结构，包括惯性轮、摆杆及底座。

四、惯性轮倒立摆摆干姿态的提取，一般在最底部串上编码器。

在一、二部分都涉及电气连线，会改变倒立摆动力模型的特性，使模型不能精确。为避免接线干扰数学模型，非5g无线通信的方式的倒立摆被提出。目前，基于非5g无线通信的方式虽然可以避免接线的问题，但是很难保证理想的双向数据传输，特别是对于多级倒立摆的状态参数提取的情况。还有，在采样频率很高的情况下也难以保证数据的实时传输。这种方式虽然保证了数学模型的相对精确，但是会在一定程度上破坏状态参数的提取和以及高频信号的双向传输。相比于传统无线通信方式，5g通信在实时性与数据传输速度方面都具有无法取代的优势。

为配合5g无线通信，本专利配套了相关的惯性轮倒立摆系统改进方案。在供电与传感器姿态检测方面都有大的改进，如图2，要想实现惯性轮倒立摆的稳定控制需要动态的测量基于其本身数学模型的参数θ1、θ2、与其中θ1为摆杆的倾角，θ2为惯性轮转过的角度；为摆杆的角速度，为惯性轮的角速度；τ为伺服电机输出给惯性轮的力矩，用于控制调节真够惯性轮倒立摆平台的平衡。

如图1所示，本发明所提供的基于5g通信隔离物理接线的惯性轮4倒立摆平台包括：摆杆安装座1、摆杆2、伺服电机3、惯性轮4、驱动器5、第一5g通信控制模块6、电源7、编码器安装座8、编码器9、控制器10及第二5g通信控制模块11。

摆杆安装座1内设有轴承，轴承与轴15轴连接；

摆杆2下方的背面连接有轴固定件13，轴固定件13与轴15的前端连接，使摆杆2随轴15一起转动；摆杆2上方设有轴孔，伺服电机3的电机轴从摆杆2的背面穿过轴孔，并将伺服电机3固定在摆杆2上；惯性轮4与电机轴固定连接；

驱动器5与伺服电机3电连接；第一5g通信控制模块6与驱动器5连接，用于将伺服电机3的实时状态进行传送；电源7分别与伺服电机3、驱动器5和第一5g通信控制模块6连接，为伺服电机3、驱动器5及第一5g通信控制模块6供电。且驱动器5、第一5g通信控制模块6、及电源7均设置在摆杆2上。伺服电机3、驱动器5、第一5g通信控制模块6均通过摆杆2上的电源7获取电能，从而避免的外部电源7接线，隔离了直接物理接线供电伺服电机3，减小了供电线对数据的影响。

本实施例中，驱动器5、第一5g模块及电源7从上到下依次设置在伺服电机3下方的摆杆2上，驱动器5设置在摆杆2的正面，第一5g模块及电源7设置在摆杆2的背面。电源7采用锂电池，通过在摆杆2上固定锂电池的方式进行供电，隔离了直接物理接线供电伺服电机3。

继续参考图1，编码器安装座8的中部设有轴孔，编码器9上设有用于固定编码器9的安装孔；

编码器9的编码器轴穿过轴孔，且与同轴器12的一端连接，同轴器12的另一端与轴15的后端，使编码器轴15与摆杆2一起转动；

第二5g通信控制模块11分别与编码器9、控制器10及第一5g通信控制模块6连接。

第一5g通信控制模块6和第二5g通信控制模块11均包括相连接的微处理和5g模块。第一5g通信控制模块6中的微处理器用于驱动器5及伺服电机3的控制和与第一5g通信控制模块6中的5g模块进行数据传输。即第一5g通信控制模块6中的微处理器将伺服电机3的实时状态传输给第一5g通信控制模块6中的5g模块，同时将第一5g通信控制模块6中的5g模块接受的指令送给伺服电机3控制伺服电机力矩输出。第二5g通信控制模块11中的微处理器用于处理编码器9的信号与第二5g通信控制模块11中的5g模块的通信数据传输，同时第二5g通信控制模块11中的5g模块负责将数据传送给控制器10，并接收控制器10处理指令传输至第一5g通信控制模块6。通过第一5g通信控制模块6和第二5g通信控制模块11进行数据传输，实现了控制器10与控制伺服电机3之间的信号线隔离。

基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台还包括显示装置14，显示装置14与控制器10连接，通过显示装置14将基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台的相关数据进行显示。

对本发明基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台的工作原理进行详细说明，以使本领域技术人员更了解本发明：

本实施例中控制器10采用pc机，微处理器在接口与通信的实时性上比带有操作系统的pc机有优势，而pc机在此将被用于用物理模型仿真与控制方法的数学实现。某些非线性或者基于ai的控制方法要求处理器必须具备良好的运算能力，若使用微处理器来实现会有负担，并且会带来不确定的时延，因此，通过微处理器及pc机的结合能够数据处理能够减少数据的延时。

进一步参考图1和图2，摆杆2的倾角θ1的提取利用的是编码器9，同时通过第二5g通信控制模块11中的微处理器的数字差分运算提取出相应的角速度θ2与通过驱动器5的获得，即通过第一5g通信控制模块6中的微处理器从驱动器5中直接实时读取。

在pc机上电后，pc机发送pc机控制指令，pc机控制指令经过第二5g通信控制模块11中的微处理器处理后通过第二5g通信控制模块11中的5g模块传输至第一5g通信控制模块6中的5g模块，第一5g通信控制模块6中的5g模块将接收到的处理后的pc机信号传送至第一5g通信控制模块6中的微处理器并处理成相应的控制驱动器5信号，驱动器5根据驱动器5信号控制伺服电机3工作，使惯性轮4进行转动；同时，经过第二5g通信控制模块11中的微处理器处理后pc机控制指令通过第二5g通信控制模块11中的5g模块传输至编码器9，控制编码器9进行工作，使编码器轴15与惯性轮4同时或延时等进行工作，即使摆杆2和惯性轮4同时进行转动或摆动。

第一5g通信控制模块6中的微处理器将伺服电机3的实时状态通过第一5g通信控制模块6中的5g模块传送至第二5g通信控制模块11中的5g模块，再通过第二5g通信控制模块11中的5g模传送至pc机；编码器9的信号也通过第二5g通信控制模块11中的5g模块、微处理器传输至pc机，为惯性轮倒立摆的数据运算、控制提供数据支撑。

综上，本发明一种基于5g通信隔离物理接线的惯性轮倒立摆平台，在杆体上固定锂电池的方式的供电，隔离了直接物理接线供电伺服电机；通过第一5g通信控制模块和第二5g通信控制模块相互收发数据信息，实现了基于5g通信隔离了信号物理连线，从而提高了惯性轮4倒立摆平台数据的准确性。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除