申请/专利权人：合肥中科深谷科技发展有限公司

申请日：2018-03-22

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN108279696B

主分类号：G05D1/49

分类号：G05D1/49

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2024.04.02#专利申请权的转移;2018.08.07#实质审查的生效;2018.07.13#公开

摘要：本发明涉及一种平面运动倒立摆，由方型支架、平面运动单元和摆杆部分组成。所述平面运动单元包括第一直线电机、底座、第二直线电机以及一个法兰；所述第一直线电机、第二直线电机空间上十字交叉叠放，第一直线电机提供X轴方向运动，第二直线电机提供Y轴方向运动，合成运动可以沿着平面任意方向运动。所述摆杆部分上端安有高精度姿态传感器，可实时读取摆杆与竖直方向角度和摆杆倾倒数据并传递给DSP控制器，所述DSP控制器进一步根据所述摆杆状态数据进行处理，获得控制量输出数据给电机驱动器。所述平面运动倒立摆系统采用直线电机直接驱动摆杆部分，省去中间传动机构干扰，使得控制更加精确，在军工、航天以及科研教学有着广泛地用途。

主权项：1.一种平面运动倒立摆，包括方型支架（1）、平面运动单元（2）、摆杆部分（3）；所述平面运动单元（2）放置在方型支架（1）的上方，摆杆部分（3）通过连接件和平面运动单元（2）固定；其特征在于：所述平面运动单元（2）包括第一直线电机（20）、底座（21）、第二直线电机（20’）以及一个法兰（5）；所述第一直线电机（20）包括相互配合的第一小车（202）和第一导轨（203），所述第一导轨（203）固定安装在所述第一底座（21）上；所述第二直线电机（20’）包括相互配合的第二小车（202’）和第二导轨（203’），所述第二导轨（203’）固定安装在所述方型支架（1）上；所述第一直线电机（20）和所述第二直线电机（20’）空间上十字交叉叠放，所述第一底座（21）固定安装在所述第二小车（202’）的顶部；所述法兰（5）固定安装在第一小车（202）的顶部，所述摆杆部分（3）与所述法兰（5）连接；所述第一直线电机（20）提供X轴方向运动，所述第二直线电机（20’）提供Y轴方向运动，所述第一直线电机（20）和所述第二直线电机（20’）的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动；所述第一小车（202）上设有第一线性编码器（205），所述第一导轨（203）上设有与所述第一线性编码器（205）相对应的第一磁栅（206）；所述第二小车（202’）上设有第二线性编码器（205’），所述第二导轨（203’）上设有与所述第二线性编码器（205’）相对应的第二磁栅（206’）；所述摆杆部分（3）内设有姿态传感器；所述第一直线电机（20）和所述第二直线电机（20’）结构相同；所述第一导轨（203）的截面呈U形槽状，且所述第一导轨（203）的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第一小车（202）呈倒U形块状，所述第一小车（202）跨设在所述第一导轨（203）上；所述第一直线电机（20）进一步包括第一直线电机定子（200）以及第一直线电机动子（201）；所述第一直线电机定子（200）均匀分布在第一导轨（203）的槽口内上下两侧的水平内壁上；第一直线电机动子（201）一端固定于所述第一小车（202）的一侧直立内壁上；第一直线电机动子（201）的另一端配合位于第一导轨（203）的槽口内，且与第一直线电机定子（200）相对应；所述第一线性编码器（205）设置在所述第一小车（202）远离所述第一导轨（203）槽口的一侧直立内壁上，所述第一磁栅（206）设置在所述第一导轨（203）远离槽口的直立外壁上；所述第二导轨（203’）的截面呈U形槽状，且所述第二导轨（203’）的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第二小车（202’）呈倒U形块状，所述第二小车（202’）跨设在所述第二导轨（203’）上；所述第二直线电机（20’）进一步包括第二直线电机定子（200’）以及第二直线电机动子（201’）；所述第二直线电机定子（200’）均匀分布在第二导轨（203’）的槽口内上下两侧的水平内壁上；第二直线电机动子（201’）一端固定于所述第二小车（202’）的一侧直立内壁上；第二直线电机动子（201’）的另一端配合位于第二导轨（203’）的槽口内，且与第二直线电机定子（200’）相对应；所述第二线性编码器（205’）设置在所述第二小车（202’）远离所述第二导轨（203’）槽口的一侧直立内壁上，所述第二磁栅（206’）设置在所述第二导轨（203’）远离槽口的直立外壁上；所述第一导轨（203）的顶部设置有小导轨（204），小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020，所述固定板2020的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；所述第二导轨（203’）的顶部设置有第二导轨（204’），小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020’，所述固定板2020’的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；所述方型支架（1）由一对工型导轨（11）、一对L型支撑座（10）以及一对U型底座（12）组成，所述工型导轨（11）、L型支撑座（10）以及U型底座（12）都是呈平行放置，所述工型导轨（11）与L型支撑座（10）垂直放置，U型底座（12）和工型导轨（11）相配合；所述摆杆部分（3）包括摆杆（31）、球铰链座（30）、姿态传感器支架（32），所述摆杆（31）底端设置有球体，可嵌入球铰链座（30）并且旋转运动；所述姿态传感器支架（32）用于安装姿态传感器，球铰链支架（30）通过法兰（5）与上方直线电机（20）底座相连接；适用于所述一种平面运动倒立摆的控制系统包括：依次通信连接的监测计算机、DSP控制器、电机驱动器；所述DSP控制器分别与所述第一线性编码器（205）、所述第二线性编码器（205’）和所述姿态传感器通信连接，所述电机驱动器分别与所述第一直线电机（20）、第二直线电机（20’）连接；其中：所述第一线性编码器（205）用于：实时采集所述第一直线电机（20）中第一小车（202）的位移信号，即第一位移信号；所述第二线性编码器（205’）用于：实时采集所述第二直线电机（20’）中第二小车（202’）的位移信号，即第二位移信号；所述姿态传感器用于：实时采集所述摆杆部分（3）的摆杆姿态信号；所述摆杆姿态信号具体包括：摆杆角度信号、倾倒方向信号；所述DSP控制器用于：实时接收所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态信号，并进行计算和处理，获得控制量输出数据，并输出相应的PWM信号给电机驱动器；所述电机驱动器用于：实时接收相应的两路PWM信号分别驱动控制第一直线电机（20）、第二直线电机（20’）运动，进而控制摆杆（31）的运动状态；所述监测计算机用于接收来自DSP控制器的数据，包括摆杆的倾角、倾倒方位、第一直线电机速度、第二直线电机速度；所述控制系统实现倒立摆运动控制的操作步骤如下：步骤S1，利用所述第一线性编码器（205）实时采集所述第一直线电机（20）中第一小车（202）的位移信号，即第一位移信号；利用所述第二线性编码器（205’）实时采集所述第二直线电机（20’）中第二小车（202’）的位移信号，即第二位移信号；步骤S2，利用所述姿态传感器实时采集所述摆杆部分（3）的摆杆姿态信号；所述摆杆姿态信号具体包括：摆杆角度信号、倾倒方向信号；步骤S3，利用所述DSP控制器实时接收所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态信号，并进行计算和处理，获得控制量输出数据，并输出相应的PWM信号给电机驱动器；步骤S4，利用所述电机驱动器实时接收相应的两路PWM信号分别驱动控制X轴方向第一直线电机（20）、Y轴方向第二直线电机（20’）运动，进而控制摆杆（31）的运动状态。

全文数据：一种平面运动倒立摆及其控制系统和控制方法技术领域[0001]本发明属于自动控制技术的科研与教学实验装置领域，具体来说涉及一种平面运动倒立摆及其控制系统和控制方法。背景技术[0002]由于倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统，而且在它的控制过程中，能有效反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多关键问题，因此是进行控制理论教学及开展各种控制策略的理想实验平台，人们常常利用倒立摆检验各种控制算法的不稳定性、非线性和快速系统的控制能力以及各种控制算法的有效性。对倒立摆系统进行研宄，不仅具有理论意义，其类似的控制方法在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行器中的姿态控制和一般工业应用等方面都具有广阔的利用开发前景。传统的倒立摆通常为直线倒立摆系统、环形倒立摆系统，它们都是通过在线性轨迹上运动而达到平衡，不能在平面内完成任意方向的运动。发明内容[0003]本发明针对传统倒立摆的不足，提出了一种平面运动倒立摆，由方型支架、平面运动单元和摆杆部分组成，可以实时读取摆杆与竖直方向角度和角加速度数据并传送给控制板，而且采用直线电机直接驱动小车，省去了中间的传动机构及干扰，使得控制更加精确可靠。[0004]本发明是通过以下技术方案实现的：[0005]—种平面运动倒立摆，包括方型支架1、平面运动单元2、摆杆部分3;所述平面运动单元2放置在方型支架1的上方，摆杆部分3通过连接件和平面运动单元2固定；[0006]所述平面运动单元2包括第一直线电机2〇、底座21、第二直线电机20’以及一个法兰5;所述第一直线电机20包括相互配合的第一小车2〇2和第一导轨203,所述第一导轨203固定安装在所述底座21上;所述第二直线电机2〇’包括相互配合的第二小车202’和第二导轨203’，所述第二导轨203’固定安装在所述方型支架1上；[0007]所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’空间上十字交叉叠放，所述底座21固定安装在所述第二小车202’的顶部;所述法兰5固定安装在第一小车202的顶部，所述摆杆部分3与所述法兰5连接；[0008]所述第一直线电机2〇提供X轴方向运动，所述第二直线电机20’提供Y轴方向运动，所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动；[0009]所述第一小车2〇2上设有第一线性编码器2〇5,所述第一导轨203上设有与所述第一线性编码器2〇5相对应的第一磁栅2〇6;所述第二小车2〇2’上设有第二线性编码器205’，所述第二导轨2〇3’上设有与所述第二线性编码器2〇f5’相对应的第二磁栅206’；[0010]所述摆杆部分3内设有姿态传感器；[0011]所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’结构相同；[0012]所述第一导轨203的截面呈U形槽状，且所述第一导轨203的槽口位于竖直方向上的一侧面;所述第一小车202呈倒U形块状，所述第一小车2〇2跨设在所述第一导轨203上;所述第一直线电机20进一步包括第一直线电机定子200以及第一直线电机动子201;所述第一直线电机定子200均匀分布在第一导轨203的槽口内上下两侧的水平内壁上;第一直线电机动子201—端固定于所述第一小车202的一侧直立内壁上;第一直线电机动子201的另一端配合位于第一导轨2〇3的槽口内，且与第一直线电机定子2〇0相对应;所述第一线性编码器205设置在所述第一小车202远离所述第一导轨2〇3槽口的一侧直立内壁上，所述第一磁栅206设置在所述第一导轨203远离槽口的直立外壁上；[0013]所述第二导轨203’的截面呈U形槽状，且所述第二导轨203’的槽口位于竖直方向上的一侧面;所述第二小车202’呈倒U形块状，所述第二小车202’跨设在所述第二导轨203’上；所述第二直线电机20’进一步包括第二直线电机定子200’以及第二直线电机动子201’；所述第二直线电机定子200’均匀分布在第二导轨2〇3’的槽口内上下两侧的水平内壁上;第二直线电机动子201’一端固定于所述第二小车2〇2’的一侧直立内壁上;第二直线电机动子2〇1’的另一端配合位于第二导轨2〇3’的槽口内，且与第二直线电机定子200’相对应；[0014]所述第二线性编码器2〇5’设置在所述第二小车202’远离所述第二导轨203’槽口的一侧直立内壁上，所述第二磁栅2〇6’设置在所述第二导轨203’远离槽口的直立外壁上；所述第一导轨203的顶部设置有小导轨204,小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020，所述固定板2020的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；[0015]所述第二导轨203’的顶部设置有第二导轨204’，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2〇2〇’，所述固定板2020’的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动。[0016]所述方型支架1由一对工型导轨11、一对L型支撑座10以及一对U型底座12组成，所述工型导轨11、L型支撑座10以及U型底座I2都是呈平行放置，所述工型导轨11与L型支撑座10垂直放置，U型底座12和工型导轨11相配合。[0017]所述摆杆部分3包括摆杆31、球铰链座30、姿态传感器支架32,所述摆杆31底端设置有球体，可嵌入球铰链座30并且旋转运动;所述姿态传感器支架：32用于安装姿态传感器，球铰链支架3〇通过法兰5与上方直线电机2〇底座相连接。[0018]所述第一直线电机20和第二直线电机2〇’均为无铁心永磁同步直线电机。[0019]所述L型支撑座10和底座21上均设置有防撞块4,防撞块4的材料为橡胶。[0020]所述倒立摆装置的控制系统，包括:依次通信连接的监测计算机、DSP控制器、电机驱动器;所述DSP控制器分别与所述第一线性编码器205、所述第二线性编码器205’和所述姿态传感器通信连接，所述电机驱动器分别与所述第一直线电机20、第二直线电机20’连接;其中：[0021]所述第一线性编码器2〇5用于:实时采集所述第一直线电机20中第一小车202的位移信号，即第一位移信号；[0022]所述第二线性编码器205’用于:实时采集所述第二直线电机2〇,中第二小车2〇2，的位移信号，即第二位移信号；[0023]所述姿态传感器用于:实时采集所述摆杆部分3的摆杆姿态信号;所述摆杆姿太户号具体包括:摆杆角度信号、倾倒方向信号；^H[0024]所述DSP控制器用于:实时接收所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态信号，并进行计算和处理，获得控制量输出数据，并输出相应的信号给伺服驱动器；^^’[0025]所述伺服驱动器用于:实时接收相应的两路信号分别驱动控制第一直线电机2〇、第二直线电机20’运动，进而控制摆杆31的运动状态；、[0026]所述监测计算机用于接收来自DSP控制器的数据，包括摆杆的倾角、倾倒方位、第一直线电机速度、第二直线电机速度。'[0027]所述DSP控制器的主控芯片型号为TMS320F28335;所述姿态传感器包括三轴陀螺仪和三轴磁力计，其中，所述陀螺仪用于测量摆杆与竖直方向的夹角，所述磁力计用于测量摆杆倾倒的方向。[0028]所述控制系统实现倒立摆装置运动控制的方法，包括如下步骤：[0029]步骤1，利用所述第一线性编码器2〇5实时采集所述第一直线电机20中第一小车2〇2的位移信号，即第一位移信号;利用所述第二线性编码器2〇5’实时采集所述第二直线电机2〇’中第二小车2〇2’的位移信号，即第二位移信号；[0030]步骤2，利用所述姿态传感器实时采集所述摆杆部分3的摆杆姿态信号;所述摆杆姿态信号具体包括:摆杆角度信号、倾倒方向信号；[0031]步骤3，利用所述DSP控制器实时接收所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态{目号，并进行计算和处理，获得控制量输出数据，并输出相应的信号给电机驱动器；[0032]步骤4,利用所述电机驱动器实时接收相应的两路信号分别驱动控制X轴方向第一直线电机20、Y轴方向第二直线电机20’运动，进而控制摆杆31的运动状态。[0033]在步骤S3中，所述DSP控制器的计算和处理过程具体包括:所述DSP控制器根据所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态信号计算获得摆杆状态数据，所述摆杆状态数据包括:摆杆与竖直方向的角度、倾倒的角速度、X轴方向位移和速度、Y轴方向位移和速度、倾倒的方向与X轴方向夹角;所述DSP控制器进一步根据所述摆杆状态数据进行处理，获得控制量输出数据给电机驱动器。[0034]相对于现有技术，本发明的有益效果在于：[0035]现有的实验平台验证的控制算法并不能直接应用于摆杆轨迹是平面的情况下，为解决这个问题，本专利提出了一种平面运动倒立摆。本专利的特点是利用两个直线电机同时作用给摆杆X轴方向运动和Y轴方向运动，再根据平行四边形法则合成运动可以使倒立摆沿着平面做任意方向的运动。而且直线电机具有高速度、高精度、高加速度的优点，结构简单合理，控制效果好。附图说明[0036]图1为本发明结构示意图。[0037]图2为本发明直线电机示意图。[0038]图3为本发明直线电机剖视图。L00J9」图4为本发明控制系统硬件框图。[0040]图中序号：[0041]方型支架1、L型支撑座10、工型导轨U、u型底座丨2、平面运动单元2、第一直线电机20、底座21、第一直线电机定子2〇〇、第一直线电机动子2〇1、第一小车2〇2、第一导轨2〇3、第一小^轨204、第一线性编码器2〇5、第一磁栅2〇6、固定板2〇2〇、第二直线电机20,、第二底座21、第一直线电机定子200’、第二直线电机动子2〇1’、第二小车2〇2’、第二导轨203,、第二小导轨204’、第二线性编码器2〇5’、第二磁栅2〇6,、支板2021、卡座2〇22、摆杆部分3、球铰链座30、摆杆31、传感器支架32、防撞块4、法兰5。[0042]具体实施方法[0043]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0044]实施例1:[0045]参见图1、图2和图3,一种平面运动倒立摆，包括平面运动单元2、方型支架丨、摆杆部分3。所述平面运动单元2放置在方型支架1的上方，摆杆部分3通过连接件和平面运动单元2固定。平面运动单元2包括第一直线电机20、底座21、第二直线电机20’以及一个法兰5，所述第一直线电机20包括相互配合的第一小车2〇2和第一导轨2〇3,所述第一导轨203固定安装在所述底座21上；所述第二直线电机20’包括相互配合的第二小车202’和第二导轨203’，所述第二导轨203’固定安装在所述方型支架1上；[0046]所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’空间上十字交叉叠放，所述底座21固定安装在所述第二小车202’的顶部；所述法兰5固定安装在第一小车202的顶部，所述摆杆部分3与所述法兰5连接；[0047]所述第一导轨203的顶部设置有小导轨204,小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020,所述固定板2020的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；[0048]所述第二导轨203’的顶部设置有第二导轨204’，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020’，所述固定板2020’的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；[0049]所述摆杆部分3包括摆杆31、球铰链座30、姿态传感器支架32,所述摆杆31底端设置有球体，可嵌入球铰链座30并且旋转运动；[0050]所述第一直线电机20提供X轴方向运动，所述第二直线电机20’提供Y轴方向运动，所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动，[0051]故而倒立摆可以实现平面内任何角度地倾倒。[0052]实施例2:[0053]参见图4,本实施例提供一种适用于实施例1提供的平面运动倒立摆的控制系统，包括:依次通信连接的监测计算机、DSP控制器、电机驱动器;所述DSP控制器分别与所述第一线性编码器205、所述第二线性编码器2〇5’和所述姿态传感器通信连接，所述电机驱动器分别与所述第一线性编码器2〇5、所述第二线性编码器205’通信连接；[0054]所述姿态传感器包括三轴陀螺仪和三轴磁力计，其中，所述陀螺仪用于测量摆杆与竖直方向的夹角，所述磁力计用于测量摆杆倾倒的方向。监测计算机实现对倒立摆摆动过程中各项数据的实时监控，DSP控制器为数据处理机构，将摆杆角度和方位信号和直线电机位移信号进行处理，电机驱动器用于直线电机驱动。[0055]姿态传感器由三轴陀螺仪、三轴加速度计以及三轴磁力计组成，陀螺仪用于测量摆杆与竖直方向的夹角，加速度计数据本专利不使用，磁力计用于测量摆杆倾倒的方向。线性编码器检测到位移信号，并通过磁栅输出位移信号，DSP控制器接收来自姿态传感器的摆杆角度信号、倾倒方向信号和光栅输出的小车位移信号，通过相应的控制算法计算输出精确的控制量，经过DA转换后输出模拟控制信号，再经电机驱动器放大后输出能驱动直线电机的电流来使其输出相应的控制力来实现平面运动倒立摆倒立摆的平衡。[0056]具体工作原理如下：[0057]步骤1:启动电源同时给控制器和直线电机供电，人为将摆杆竖直摆放，由于重力的作用摆杆会沿着球铰链座沿着任意方向倾倒。[0058]步骤2:姿态传感器开始工作，在每个工作周期内，陀螺仪不断将摆杆与竖直方向的角度信号传递给DSP控制器，磁力计不断将摆杆倾倒的方向信号传递给DSP控制器，线性编码器不断将位移信号传递给DSP控制器，DSP控制器对数据进行二次处理得到所需要的精确数据，即得到摆杆与竖直方向的角度、倾倒的角速度、X轴方向位移和速度、Y轴方向位移和速度、倾倒的方向与X轴方向夹角。[0059]步骤3:将步骤2的得到的数据代入控制算法得到控制量输出值，DSP控制器产生信号给电机驱动器，X轴方向直线电机提供摆杆X轴方向运动的速度大小和方向，Y轴方向直线电机提供摆杆Y轴方向运动的速度大小和方向，再根据平行四边形法则合成运动驱动摆杆底座沿着摆杆倾倒反方向运动。[0060]步骤4:由于工作周期很短和惯性的作用，摆杆会有保持竖直的趋势，只要优化DSP控制器算法即可达到更加精确的倒立状态。[0061]实施例3:[0062]参见图4,基于实施例2提供的控制系统实现倒立摆运动控制的方法，包括如下步骤:步骤1，利用所述第一线性编码器205实时采集所述第一直线电机20中第一小车202的位移信号，即第一位移信号;利用所述第二线性编码器205’实时采集所述第二直线电机20’中第二小车202’的位移信号，即第二位移信号；[0063]步骤2,利用所述姿态传感器实时采集所述摆杆部分3的摆杆姿态信号;所述摆杆姿态信号具体包括:摆杆角度信号、倾倒方向信号；[0064]步骤3,利用所述DSP控制器实时接收所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态信号，并进行计算和处理，获得控制量输出数据，并输出相应的信号给电机驱动器；[0065]步骤4,利用所述电机驱动器实时接收所述第一位移信号、第二位移信号，并据此控制所述摆杆部分3的工作；[0066]在步骤3中，所述DSP控制器的计算和处理过程具体包括:所述DSP控制器根据所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态信号计算获得摆杆状态数据，所述摆杆状态数据包括:摆杆与竖直方向的角度、倾倒的角速度、X轴方向位移和速度、Y轴方向位移和速度、倾倒的方向与X轴方向夹角;所述DSP控制器进一步根据所述摆杆状态数据进行处理，获得控制量输出数据。重复上述步骤最终使得摆杆达到竖直状态。

权利要求：1.一种平面运动倒立摆，包括方型支架（1、平面运动单元2、摆杆部分3;所述平面运动单元2放置在方型支架（1的上方，摆杆部分3通过连接件和平面运动单元2固定;其特征在于：所述平面运动单元2包括第一直线电机20、底座（21、第二直线电机20’）以及一个法兰⑸；所述第一直线电机20包括相互配合的第一小车202和第一导轨203，所述第一导轨203固定安装在所述第一底座21上;所述第二直线电机20’）包括相互配合的第二小车202’）和第二导轨203’），所述第二导轨203’）固定安装在所述方型支架（1上；所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’）空间上十字交叉叠放，所述第一底座21固定安装在所述第二小车202’）的顶部;所述法兰5固定安装在第一小车202的顶部，所述摆杆部分3与所述法兰5连接；所述第一直线电机20提供X轴方向运动，所述第二直线电机20’）提供Y轴方向运动，所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’）的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动；所述第一小车（202上设有第一线性编码器（205，所述第一导轨（203上设有与所述第一线性编码器205相对应的第一磁栅206;所述第二小车202’）上设有第二线性编码器205’），所述第二导轨（203’）上设有与所述第二线性编码器205’）相对应的第二磁栅206,）；所述摆杆部分⑶内设有姿态传感器。2.根据权利要求1所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于：所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’）结构相同；所述第一导轨（203的截面呈U形槽状，且所述第一导轨203的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第一小车（202呈倒U形块状，所述第一小车（202跨设在所述第一导轨203上;所述第一直线电机20进一步包括第一直线电机定子2〇〇以及第一直线电机动子201;所述第一直线电机定子200均匀分布在第一导轨203的槽口内上下两侧的水平内壁上；第一直线电机动子201—端固定于所述第一小车（202的一侧直立内壁上;第一直线电机动子201的另一端配合位于第一导轨2〇3的槽口内，且与第一直线电机定子200相对应；所述第一线性编码器205设置在所述第一小车G〇2远离所述第一导轨（203槽口的一侧直立内壁上，所述第一磁栅206设置在所述第一导轨2〇3远离槽口的直立外壁上；所述第二导轨（203,）的截面呈U形槽状，且所述第二导轨（2〇3’）的槽口位于竖直方向上的一侧面;所述第二小车202’）呈倒U形块状，所述第二小车2〇2’）跨设在所述第二导轨203’）上;所述第二直线电机20,）进一步包括第二直线电机定子2〇〇’）以及第二直线电机动子201，）；所述第二直线电机定子200,）均匀分布在第二导轨2〇3’）的槽口内上下两侧的水平内壁上;第二直线电机动子201，）一端固定于所述第二小车2〇2’）的一侧直立内壁上;第二直线电机动子201，）的另一端配合位于第二导轨2〇3’）的槽口内，且与第二直线电机定子200’）相对应；所述第二线性编码器205,）设置在所述第二小车（2〇2’）远离所述第f导轨203’）槽口的一侧直立内壁上，所述第二磁栅206,）设置在所述第二导轨2〇3’）远离槽口的直立外壁上；、、所述第一导轨203的顶部设置有小导轨204，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2〇2〇，所述固定板2020的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；所述第二导轨203,）的顶部设置有第二导轨204,），小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2〇2〇’），所述固定板2020’）的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动。3.根据权利要求1或2所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于:所述方型支架1由一对工型导轨（11、一对L型支撑座（10以及一对U型底座（12组成，所述工型导轨（11、L型支撑座（10以及U型底座（12都是呈平行放置，所述工型导轨（11与L型支撑座1〇垂直放置，U型底座12和工型导轨11相配合。4.根据权利要求1或2所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于:所述摆杆部分3包括摆杆31、球铰链座30、姿态传感器支架32，所述摆杆31底端设置有球体，可嵌入球铰链座（30并且旋转运动；所述姿态传感器支架（32用于安装姿态传感器，球铰链支架30通过法兰5与上方直线电机20底座相连接。5.根据权利要求1或2所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于：所述第一直线电机20和第二直线电机20’）均为无铁心永磁同步直线电机。6.根据权利要求1或2所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于:所述L型支撑座（10和底座21上均设置有防撞块4，防撞块⑷的材料为橡胶。7.—种适用于如权利要求1所述的一种平面运动倒立摆的控制系统，其特征在于，包括:依次通信连接的监测计算机、DSP控制器、电机驱动器;所述DSP控制器分别与所述第一线性编码器205、所述第二线性编码器2〇5’）和所述姿态传感器通信连接，所述电机驱动器分别与所述第一直线电机20、第二直线电机20’）连接;其中：所述第一线性编码器2〇5用于:实时采集所述第一直线电机20中第一小车202的位移信号，即第一位移信号；所述第二线性编码器（2〇5’）用于：实时采集所述第二直线电机（20’）中第二小车202’）的位移信号，即第二位移信号；所述姿态传感器用于:实时采集所述摆杆部分3的摆杆姿态信号;所述摆杆姿态信号具体包括:摆杆角度信号、倾倒方向信号；所述DSP控制器用于:实时接收所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态信号，并进行计算和处理，获得控制量输出数据，并输出相应的PWM信号给电机驱动器；所述电机驱动器用于:实时接收相应的两路PWM信号分别驱动控制第一直线电机2〇、第二直线电机20’）运动，进而控制摆杆31的运动状态；'所述监测计算机用于接收来自DSP控制器的数据，包括摆杆的倾角、倾倒方位、第一直线电机速度、第二直线电机速度。8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于：所述DSP控制器的主控芯片型号为TMS320F28335;所述姿态传感器包括三轴陀螺仪和三轴磁力计，其中，所述陀螺伩用于测量摆杆与竖直方向的夹角，所述磁力计用于测量摆杆倾倒的方向。9.利用如权利要求7所述的控制系统实现倒立摆运动控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，利用所述第一线性编码器205实时采集所述第一直线电机20中第一小车2〇2的位移信号，即第一位移信号；利用所述第二线性编码器205,）实时采集所述第二直线电机20’）中第二小车202’）的位移信号，即第二位移信号；步骤S2,利用所述姿态传感器实时采集所述摆杆部分⑶的摆杆姿态信号;所述摆杆姿态信号具体包括:摆杆角度信号、倾倒方向信号；步骤S3,利用所述DSP控制器实时接收所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态信号，并进行计算和处理，获得控制量输出数据，并输出相应的PWM信号给电机驱动器；步骤S4,利用所述电机驱动器实时接收相应的两路PWM信号分别驱动控制x轴方向第一直线电机20、Y轴方向第二直线电机20’）运动，进而控制摆杆31的运动状态。10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，所述DSP控制器的计算和处理过程具体包括:所述DSP控制器根据所述第一位移信号、第二位移信号、摆杆姿态信号计算获得摆杆状态数据，所述摆杆状态数据包括:摆杆与竖直方向的角度、倾倒的角速度、X轴方向位移和速度、Y轴方向位移和速度、倾倒的方向与X轴方向夹角;所述DSP控制器进一步根据所述摆杆状态数据进行处理，获得控制量输出数据给电机驱动器。

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