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申请/专利权人：航天晨光股份有限公司

摘要：本发明具体涉及一种三自由度板球系统的自动平衡方法，属于自动化控制技术领域。包括以下步骤，先建立自平衡立体坐标系，初始化圆板的高度和姿态，然后人工向圆板抛出小球开始三自由度板球系统的自动平衡，先对小球进行第一速度调节和第二速度调节，使得小球先停止在圆板上，然后对小球进行位置调节将小球平衡在期望位置。本发明在圆板的倾角调节中着重考虑了从小球到板的边缘的距离，如果距离很近，那么需要大倾角使其减速，如果小球距离边缘很远，我们利用较小的倾角来使小球减速，从而更好地控制整个板球系统的运动状态，避免了现有技术控制高球速小球在尺寸有限的平板上进行自平衡时小球容易飞出平板的问题。

主权项：1.一种三自由度板球系统的自动平衡方法，涉及三自由度板球系统中的三自由度控制机构、圆板、小球和小球位置采集装置，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：在所述圆板平行于地面时以所述圆板的圆心为原点，以过原点且相互垂直的两条直线分别为X轴和Y轴，以过原点且垂直于所述圆板的直线作为Z轴，建立三自由度板球系统的自平衡立体坐标系；所述三自由度控制机构可以控制所述圆板沿所述自平衡立体坐标系的X轴和Y轴转动，还可以控制所述圆板沿所述自平衡立体坐标系的Z轴上下移动；所述小球位置采集装置按照采集周期不间断地采集所述小球在所述圆板上移动的二维像素坐标；步骤2：初始化所述圆板的高度和姿态，使得此时圆板的倾斜角度为0，使得圆板的中心高度为Z0；在所述圆板上设定所述小球的期望平衡位置坐标xtar,ytar并人工向所述圆板抛出小球，当所述小球第一次落到所述圆板上的第一时刻，获得所述小球位置采集装置中最接近第一时刻和所述第一时刻的上一时刻采集的所述小球的二维像素坐标，将所述小球在最接近第一时刻和所述第一时刻的上一时刻的二维像素坐标代入下式1中计算得到所述小球第一次落到所述圆板上第一时刻的合速度 式1中，是所述小球在第一次落到圆板上时X轴方向上的速度；是所述小球在第一次落到圆板上时Y轴方向上的速度；和分别是所述小球在第一次落到圆板上的第一时刻和上一时刻的X轴方向上的实际坐标；和分别是所述小球在第一次落到圆板上的第一时刻和上一时刻的Y轴方向上的实际坐标；ax和ay是在所述自平衡立体坐标系内所述小球位置采集装置采集的所述小球的二维像素坐标转换到所述小球在圆板上的实际位置坐标的X轴方向和Y轴方向的转换系数；和分别是所述小球位置采集装置采集的最接近所述小球在第一次落到圆板上的第一时刻的所述小球在X轴方向和Y轴方向上的像素坐标；步骤3：当所述小球第一次落到圆板上后开始小球的第一速度调节，具体步骤如下：通过下式2计算出所述圆板的第一倾斜角度θxv1,θyv1，然后控制所述圆板沿所述小球在所述第一时刻的合速度的反方向倾斜所述第一倾斜角度θxv1,θyv1， 式2中，θxv1和θyv1分别是小球速度调节过程中所述圆板第一次所需调整的X轴方向和Y轴方向倾斜角度大小，dv1是所述小球第一次落到圆板上的落点向着小球速度方向到所述圆板的边缘的距离；kv1是第一常系数，是经验值；通过下式3计算出所述圆板的中心高度沿Z轴的第一变化量ΔZv，然后控制所述圆板在倾斜角度的同时沿Z轴调整所述圆板的中心高度按照第一变化量ΔZv进行变化 式3中，dv2是所述小球第一次落到圆板上的落点到所述圆板的圆心之间的距离；R0是所述圆板的半径；步骤4：当对所述圆板进行第一倾斜角度θxv1,θyv1调整后，小球沿着斜面滚动并减速，将所述第一速度调节中小球实时计算的合速度vt小于速度调整过程中小球的合速度临界值vv1时，所述合速度临界值vv1是经验值；开始小球的第二速度调节，具体如下，将所述第一速度调节中小球实时计算的合速度vt小于速度调整过程中小球的合速度临界值vv1时的时刻定义为第二时刻；控制所述圆板沿所述小球在所述第二时刻的合速度方向按照第二倾斜角度θxvt,θyvt持续进行倾斜直至所述圆板的倾斜角度为0；所述第二倾斜角度θxvt,θyvt的值随着所述小球的当前时刻速度vxt,vyt的大小减小而减小；所述第二倾斜角度θxvt,θyvt的计算公式如下式4所示， 式4中，vxt和vyt分别是所述小球在所述第二时刻时X轴方向和Y轴方向的速度；kv2为第二常系数；当对所述圆板进行第二倾斜角度θxvt,θyvt调整的同时，通过下式5计算出所述圆板的中心高度沿Z轴的持续变化量ΔTZv，然后控制所述圆板在倾斜第二倾斜角度θxvt,θyvt的同时沿Z轴调整所述圆板的中心高度按照持续变化量ΔTZv进行变化 当所述圆板的倾斜角度重新变为零、所述圆板的中心高度重新变为Z0且所述小球的合速度变为0时，所述小球的第二速度调节完成，定义所述小球的第二速度调节完成时的时刻是第三时刻；所述第三时刻时所述小球在所述圆板上的坐标是Xt,Yt，若所述Xt,Yt与步骤1中设置的所述小球的期望平衡位置坐标xtar,ytar相同，则说明所述小球在所述圆板上完成了自平衡；若所述Xt,Yt与步骤1中设置的所述小球的期望平衡位置坐标xtar,ytar不相同，则继续执行以下步骤；步骤5：当所述小球的第二速度调节完成后开始小球的位置调节，通过下式6计算出所述圆板的位置调节倾斜角度θxpos,θypos 式6中，θpos是引起所述小球在所述圆板上移动的最小倾斜角度，是经验值；控制所述圆板按照所述小球在所述圆板上的坐标Xt,Yt朝向所述小球在所述圆板上的期望平衡位置坐标xtar,ytar的方向倾斜所述位置调节倾斜角度θxpos,θypos；如果所述小球在位置调整过程中实时计算的小球合速度vt超过位置调节过程中的第一合速度阈值vpos1时，所述圆板调整为水平姿态使小球速度降低，所述第一合速度阈值vpos1是经验值；如果小球实时计算的合速度vt低于位置调节过程中的第二合速度阈值vpos2时，继续调整所述圆板的倾斜角度为所述位置调节倾斜角度θxpos,θypos，使小球滚向所述小球在所述圆板上的期望平衡位置坐标xtar,ytar；通过下式7计算出所述小球到所述小球在所述圆板上的期望平衡位置之间的距离dpos 式7中，xt和yt分别是所述小球在计算距离时刻在所述自平衡立体坐标系中X轴和Y轴的坐标值；当所述小球到所述小球在所述圆板上的期望平衡位置之间的距离dpos小于期望位置距离阈值εpos且所述小球的实时计算的合速度vt小于期望位置合速度阈值εv时，将所述圆板的倾斜角度调整为0，此时所述圆板平行于地面，所述小球停止在所述圆板上的期望平衡位置，所述三自由度板球系统自平衡完成。

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