一种基于PD控制的自动跟随装置及其方法发明专利

专利名称：一种基于PD控制的自动跟随装置及其方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110847445.3

专利申请（专利权）人：重庆睿速体育用品有限责任公司
权利人地址：重庆市丰都县名山街道连新路61号1-3(自主承诺)

专利发明（设计）人：滚志安

专利摘要：本发明属于户外防护设备技术领域，尤其为一种基于PD控制的自动跟随装置，包括导轨，导轨上设置有跟随组件，跟随组件的底端连接有固定板，固定板的顶端中间位置贯穿设置有牵引杆，且牵引杆与跟随组件通过连接板相转动连接，牵引杆的底端设置有绳索，绳索远离牵引杆的一端连接有安全带，牵引杆的底端外圆设置有位移传感器；可以使行走车始终保持跟随体验人员的行走速度，起到主动跟随的效果，进而减轻了体验人员的负担，使体验人员获得更佳体验，同时触发机构触动报警模块，报警模块控制声光报警器发光闪烁并蜂鸣报警，提高了该装置的安全性，调节机构可以触发机构的受力值实现针对不同体重或年龄的体验人员操作。

主权利要求：
1.一种基于PD控制的自动跟随装置，其特征在于：包括导轨(1)，所述导轨(1)上设置有跟随组件(2)，所述跟随组件(2)的底端连接有固定板(3)，所述固定板(3)的顶端中间位置贯穿设置有牵引杆(4)，且所述牵引杆(4)与所述跟随组件(2)通过连接板(5)相转动连接，所述牵引杆(4)的底端设置有绳索(6)，所述绳索(6)远离所述牵引杆(4)的一端连接有安全带(7)；
所述跟随组件(2)包括设置在所述导轨(1)上的行走车(9)，所述行走车(9)的底端设置有连接座(10)，所述连接座(10)的内部设置有角度监测机构(11)，且所述角度监测机构(11)通过所述连接板(5)与所述牵引杆(4)的顶端转动连接；
所述牵引杆(4)包括与所述固定板(3)活动连接的球轴一(12)，所述球轴一(12)的顶端设置有球轴二(13)，所述球轴一(12)的底端设置有套杆(14)，所述套杆(14)的圆周外侧设置有声光报警器(15)，所述声光报警器(15)的底部设置有触发机构(16)，所述套杆(14)的内部滑动连接有滑竿(17)，所述套杆(14)的底部且位于所述滑竿(17)的外圆设置有调节机构(18)。
2.根据权利要求1所述的基于PD控制的自动跟随装置，其特征在于：所述固定板(3)顶端中间位置开设有阶梯通孔(301)，所述阶梯通孔(301)内部对称设置有凹球面块(302)，且两所述凹球面块(302)与所述球轴一(12)相配合。
3.根据权利要求1所述的基于PD控制的自动跟随装置，其特征在于：所述角度监测机构(11)包括设置在固定板(3)顶端的角度传感器一(19)和角度传感器二(20)，所述角度传感器一(19)与所述角度传感器二(20)的顶端均转动连接有摆臂(21)，所述摆臂(21)的另一端通过转轴连接有所述连接板(5)。
4.根据权利要求3所述的基于PD控制的自动跟随装置，其特征在于：所述角度传感器一(19)中心与所述牵引杆(4)中心的连线和所述角度传感器二(20)的中心与所述牵引杆(4)中心的连线之间为直角，所述摆臂(21)与所述连接板(5)之间初始状态的夹角亦为直角。
5.根据权利要求1所述的基于PD控制的自动跟随装置，其特征在于：所述触发机构(16)包括设置在所述声光报警器(15)底端的套筒(22)，所述套筒(22)内侧壁顶部设置有感应线圈一(23)，所述套筒(22)的内侧壁底部设置有感应线圈二(24)，所述感应线圈一(23)与所述感应线圈二(24)及所述声光报警器(15)电连接。
6.根据权利要求5所述的基于PD控制的自动跟随装置，其特征在于：所述触发机构(16)还包括设置在所述滑竿(17)的顶端的滑块一(25)，所述滑块一(25)的顶端中间位置设置有铁芯(26)，所述铁芯(26)的顶部外圆设置有感应线圈三(27)，所述感应线圈三(27)的下方且位于所述铁芯(26)的外圆设置有感应线圈四(28)。
7.根据权利要求1所述的基于PD控制的自动跟随装置，其特征在于：所述调节机构(18)包括与所述套杆(14)的底部螺纹连接的端盖(29)，所述端盖(29)的内侧设置有轴承(30)，所述轴承(30)的内侧设置有旋钮(31)，所述旋钮(31)的外圆且位于所述套杆(14)的内部螺纹连接有螺母套(32)，所述螺母套(32)的顶端设置有滑块二(33)，所述滑块二(33)的顶端设置有弹簧(34)，所述弹簧(34)的顶端与所述滑块一(25)的底端连接，所述旋钮(31)与所述滑块二(33)均位于所述滑竿(17)的圆周外侧。
8.根据权利要求7所述的基于PD控制的自动跟随装置，其特征在于：所述螺母套(32)的圆周外侧对称设置有限位块(35)，所述套杆(14)的底部内侧壁对称开设有限位槽(36)，且所述限位槽(36)与所述限位块(35)滑动连接。
9.根据权利要求1所述的基于PD控制的自动跟随装置，其特征在于：所述跟随组件(2)还包括控制单元(201)，所述控制单元(201)包括电源模块(202)、驱动模块(203)、报警模块(205)、角度计算模块(206)、CPU模块(207)、无线信号发射模块(208)及电机(209)；
其中，所述电源模块(202)与所述CPU模块(207)相连接，所述CPU模块(207)通过报警模块(205)与所述无线信号发射模块(208)连接，所述CPU模块(207)通过驱动模块(203)与所述电机(209)相连接，所述角度计算模块(206)与所述CPU模块(207)相连接。
10.一种基于PD控制的自动跟随装置的控制方法，其特征在于，用于权利要求1‑9中任意一项所述的基于PD控制的自动跟随装置，该方法包括以下步骤：S1：首先通过角度传感器一(19)与角度传感器二(20)检测牵引杆(4)在平面内的摆动角度，并将数据传送给CPU模块(207)；
S2：然后通过(204)检测角度变化的加速度；
S3：通过角度计算模块(206)和CPU模块(207)根据PD算法公式来得出行走车(9)的移动速度；
S4：通过驱动模块(203)驱动电机(209)使行走车(9)始终保持跟随体验人员的行走速度；
S5：当触发机构(16)触动报警模块(205)，报警模块(205)控制声光报警器(15)发光闪烁并蜂鸣报警；
S6：同时CPU模块(207)控制无线信号发射模块(208)发出无线信号求助。 说明书 : 一种基于PD控制的自动跟随装置及其方法技术领域[0001] 本发明属于户外防护设备技术领域，具体涉及一种基于PD控制的自动跟随装置及其方法。背景技术[0002] 户外运动从广义上可以单纯理解成：一切在“室外”开展的人类活动。国家体育管理中心对户外运动的定义是：户外运动是一组以自然环境为场地(非专用场地)的带有探险或体验探险性质的体育运动项目群。随着旅游业的发展，具备探险性质的旅游项目越来越受青年的喜爱，其中缅甸桥是由一根走绳和两根扶绳组成的钢丝桥。一次最多可让3到5位队员同时行走，要胆大心细。是一个风靡世界的活动项目，正如它的名字一样起源于缅甸,这是一个可以充分施展自己手脚的机会，这就需要在进行该项运动时需要进行必要的防护操作，一般采用保险钢索、上滑轮及安全带相配合以确保体验者的安全，但是此种方法在实际使用过程中，滑轮与钢索之间存在一定的摩擦力，使滑轮无法自主的随人员的移动而主动跟随，因此会给体验该项目的人员带来额外的负担。[0003] 为解决上述问题，本申请中提出一种基于PD控制的自动跟随装置及其方法。发明内容[0004] 为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种基于PD控制的自动跟随装置及其方法，具有安全性高的特点。[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于PD控制的自动跟随装置，包括导轨，所述导轨上设置有跟随组件，所述跟随组件的底端连接有固定板，所述固定板的顶端中间位置贯穿设置有牵引杆，且所述牵引杆与所述跟随组件通过连接板相转动连接，所述牵引杆的底端设置有绳索，所述绳索远离所述牵引杆的一端连接有安全带；所述跟随组件包括设置在所述导轨上的行走车，所述行走车的底端设置有连接座，所述连接座的内部设置有角度监测机构，且所述角度监测机构通过所述连接板与所述牵引杆的顶端转动连接；所述牵引杆包括与所述固定板活动连接的球轴一，所述球轴一的顶端设置有球轴二，所述球轴一的底端设置有套杆，所述套杆的圆周外侧设置有声光报警器，所述声光报警器的底部设置有触发机构，所述套杆的内部滑动连接有滑竿，所述套杆的底部且位于所述滑竿的外圆设置有调节机构。[0006] 作为本发明一种基于PD控制的自动跟随装置优选的，所述固定板顶端中间位置开设有阶梯通孔，所述阶梯通孔内部对称设置有凹球面块，且两所述凹球面块与所述球轴一相配合。[0007] 作为本发明一种基于PD控制的自动跟随装置优选的，所述角度监测机构包括设置在固定板顶端的角度传感器一和角度传感器二，所述角度传感器一与所述角度传感器二的顶端均转动连接有摆臂，所述摆臂的另一端通过转轴连接有所述连接板。[0008] 作为本发明一种基于PD控制的自动跟随装置优选的，所述角度传感器一中心与所述牵引杆中心的连线和所述角度传感器二的中心与所述牵引杆中心的连线之间为直角，所述摆臂与所述连接板之间初始状态的夹角亦为直角。[0009] 作为本发明一种基于PD控制的自动跟随装置优选的，所述触发机构包括设置在所述声光报警器底端的套筒，所述套筒内侧壁顶部设置有感应线圈一，所述套筒的内侧壁底部设置有感应线圈二，所述感应线圈一与所述感应线圈二及所述声光报警器电连接。[0010] 作为本发明一种基于PD控制的自动跟随装置优选的，所述触发机构还包括设置在所述滑竿的顶端的滑块一，所述滑块一的顶端中间位置设置有铁芯，所述铁芯的顶部外圆设置有感应线圈三，所述感应线圈三的下方且位于所述铁芯的外圆设置有感应线圈四。[0011] 作为本发明一种基于PD控制的自动跟随装置优选的，所述调节机构包括与所述套杆的底部螺纹连接的端盖，所述端盖的内侧设置有轴承，所述轴承的内侧设置有旋钮，所述旋钮的外圆且位于所述套杆的内部螺纹连接有螺母套，所述螺母套的顶端设置有滑块二，所述滑块二的顶端设置有弹簧，所述弹簧的顶端与所述滑块一的底端连接，所述旋钮与所述滑块二均位于所述滑竿的圆周外侧。[0012] 作为本发明一种基于PD控制的自动跟随装置优选的，所述螺母套的圆周外侧对称设置有限位块，所述套杆的底部内侧壁对称开设有限位槽，且所述限位槽与所述限位块滑动连接。[0013] 作为本发明一种基于PD控制的自动跟随装置优选的，所述跟随组件还包括控制单元，所述控制单元包括电源模块、驱动模块、报警模块、角度计算模块、CPU模块、无线信号发射模块及电机；其中，所述电源模块与所述CPU模块相连接，所述CPU模块通过报警模块与所述无线信号发射模块连接，所述CPU模块通过驱动模块与所述电机相连接，所述角度计算模块与所述CPU模块相连接。[0014] 根据本发明的另一方面，提供了一种基于PD控制的自动跟随装置的控制方法，采用基于PD控制的自动跟随装置实现行走车实时跟随人员，该方法包括以下步骤：[0015] S1：首先通过角度传感器一与角度传感器二检测牵引杆在平面内的摆动角度，并将数据传送给CPU模块；[0016] S2：然后通过检测角度变化的加速度；[0017] S3：通过角度计算模块和CPU模块根据PD算法公式来得出行走车的移动速度；[0018] S4：通过驱动模块驱动电机使行走车始终保持跟随体验人员的行走速度；[0019] S5：当触发机构触动报警模块，报警模块控制声光报警器发光闪烁并蜂鸣报警；[0020] S6：同时CPU模块控制无线信号发射模块发出无线信号求助。[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过跟随组件与行走车与牵引杆及安全带相配合，一方面可以使行走车始终保持跟随体验人员的行走速度，起到主动跟随的效果，进而减轻了体验人员的负担，使体验人员获得更佳体验，同时触发机构触动报警模块，报警模块控制声光报警器发光闪烁并蜂鸣报警，提高了该装置的安全性，通过调节机构可以触发机构的受力值实现针对不同体重或年龄的体验人员操作，进一步的增加了该装置的安全性。附图说明[0022] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：[0023] 图1为本发明的结构示意图；[0024] 图2为图1中A处的局部放大图；[0025] 图3为图1中B处的局部放大图；[0026] 图4为图1中C处的局部放大图；[0027] 图5为本发明中的角度监测机构的结构示意图；[0028] 图6为本发明中的控制单元的结构示意图；[0029] 图中：1、导轨；2、跟随组件；201、控制单元；202、电源模块；203、驱动模块；205、报警模块；206、角度计算模块；207、CPU模块；208、无线信号发射模块；209、电机；3、固定板；301、阶梯通孔；302、凹球面块；4、牵引杆；5、连接板；6、绳索；7、安全带；9、行走车；10、连接座；11、角度监测机构；12、球轴一；13、球轴二；14、套杆；15、声光报警器；16、触发机构；17、滑竿；18、调节机构；19、角度传感器一；20、角度传感器二；21、摆臂；22、套筒；23、感应线圈一；24、感应线圈二；25、滑块一；26、铁芯；27、感应线圈三；28、感应线圈四；29、端盖；30、轴承；31、旋钮；32、螺母套；33、滑块二；34、弹簧；35、限位块；36、限位槽。具体实施方式[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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做出创造性劳动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。[0031] 实施例1[0032] 如图1‑6所示,一种基于PD控制的自动跟随装置，包括导轨1，所述导轨1上设置有跟随组件2，所述跟随组件2的底端连接有固定板3，所述固定板3的顶端中间位置贯穿设置有牵引杆4，且所述牵引杆4与所述跟随组件2通过连接板5相转动连接，所述牵引杆4的底端设置有绳索6，所述绳索6远离所述牵引杆4的一端连接有安全带7，所述跟随组件2包括设置在所述导轨1上的行走车9，所述行走车9的底端设置有连接座10，所述连接座10的内部设置有角度监测机构11，且所述角度监测机构11通过所述连接板5与所述牵引杆4的顶端转动连接；所述牵引杆4包括与所述固定板3活动连接的球轴一12，所述球轴一12的顶端设置有球轴二13，所述球轴一12的底端设置有套杆14，所述套杆14的圆周外侧设置有声光报警器15，所述声光报警器15的底部设置有触发机构16，所述套杆14的内部滑动连接有滑竿17，所述套杆14的底部且位于所述滑竿17的外圆设置有调节机构18。[0033] 本实施例中：通过跟随组件2与行走车9与牵引杆4及安全带相配合，一方面可以使行走车9始终保持跟随体验人员的行走速度，起到主动跟随的效果，进而减轻了体验人员的负担，使体验人员获得更佳体验，同时触发机构16触动报警模块205，报警模块205控制声光报警器15发光闪烁并蜂鸣报警，提高了该装置的安全性，通过调节机构18可以触发机构16的受力值实现针对不同体重或年龄的体验人员操作，进一步的增加了该装置的安全性。[0034] 在一个可选的实施例中，所述固定板3顶端中间位置开设有阶梯通孔301，所述阶梯通孔301内部对称设置有凹球面块302，且两所述凹球面块302与所述球轴一12相配合。[0035] 本实施例中：通过球轴一12与两凹球面块302相配合，从而使牵引杆4可以在固定板3上相任意方向倾斜，保证了牵引杆4可以实时跟随体验人员的移动转动而适应性的变化。[0036] 在一个可选的实施例中，所述角度监测机构11包括设置在固定板3顶端的角度传感器一19和角度传感器二20，所述角度传感器一19与所述角度传感器二20的顶端均转动连接有摆臂21，所述摆臂21的另一端通过转轴连接有所述连接板5，所述角度传感器一19中心与所述牵引杆4中心的连线和所述角度传感器二20的中心与所述牵引杆4中心的连线之间为直角，所述摆臂21与所述连接板5之间初始状态的夹角亦为直角。[0037] 本实施例中：通过角度传感器一19与角度传感器二20来检测牵引杆4在平面内的摆动角度，并将数据传送给CPU模块207，同时检测角度变化的加速度，继而角度计算模块206和CPU模块207根据PD算法公式来得出行走车9的移动速度，CPU模块207控制驱动模块203驱动电机209使行走车9始终保持跟随体验人员的行走速度，同时连接板5的一端开设有与球轴二13相配合的凹球面槽，进而使球轴二13可以驱使连接板5移动，并经过摆臂21传动，使角度传感器一19与角度传感器二20可以检测到牵引杆4的倾斜角度。[0038] 在一个可选的实施例中，所述触发机构16包括设置在所述声光报警器15底端的套筒22，所述套筒22内侧壁顶部设置有感应线圈一23，所述套筒22的内侧壁底部设置有感应线圈二24，所述感应线圈一23与所述感应线圈二24及所述声光报警器15电连接，所述触发机构16还包括设置在所述滑竿17的顶端的滑块一25，所述滑块一25的顶端中间位置设置有铁芯26，所述铁芯26的顶部外圆设置有感应线圈三27，所述感应线圈三27的下方且位于所述铁芯26的外圆设置有感应线圈四28。[0039] 本实施例中：通过感应线圈一23与感应线圈三27或感应线圈二24与感应线圈四28处于同一高度时，因此感应线圈三27或感应线圈四28产生感应电流，类似于变压器改变电压的原理，进而使报警模块205控制声光报警器15发光闪烁示警，当感应线圈一23与感应线圈三27和感应线圈二24与感应线圈四28同时长时间处于同一高度时，CPU模块207控制无线信号发射模块208发出无线信号求助，通过接收端被工作人员接收，以帮助体验人员。[0040] 在一个可选的实施例中，所述调节机构18包括与所述套杆14的底部螺纹连接的端盖29，所述端盖29的内侧设置有轴承30，所述轴承30的内侧设置有旋钮31，所述旋钮31的外圆且位于所述套杆14的内部螺纹连接有螺母套32，所述螺母套32的顶端设置有滑块二33，所述滑块二33的顶端设置有弹簧34，所述弹簧34的顶端与所述滑块一25的底端连接，所述旋钮31与所述滑块二33均位于所述滑竿17的圆周外侧，所述螺母套32的圆周外侧对称设置有限位块35，所述套杆14的底部内侧壁对称开设有限位槽36，且所述限位槽36与所述限位块35滑动连接。[0041] 本实施例中：通过调节机构18可以触发机构16的受力值，通过转动旋钮31驱使螺母套32在限位块35和限位槽36的导向作用下向上或向下移动，以驱使滑块二33来调节弹簧34的压缩程度，利用弹簧在一定范围内被压缩至一定程度后，欲进一步使弹簧压缩需要更大的力这一原理，实现针对不同体重或年龄的体验人员操作。[0042] 在一个可选的实施例中，所述跟随组件2还包括控制单元201，所述控制单元201包括电源模块202、驱动模块203、报警模块205、角度计算模块206、CPU模块207、无线信号发射模块208及电机209；其中，所述电源模块202与所述CPU模块207相连接，所述CPU模块207通过报警模块205与所述无线信号发射模块208连接，所述CPU模块207通过驱动模块203与所述电机209相连接，所述角度计算模块206与所述CPU模块207相连接。[0043] 本实施例中：通过CPU模块207控制驱动模块203驱动电机209使行走车9始终保持跟随体验人员的行走速度，当触发机构16触动报警模块205，报警模块205控制声光报警器15发光闪烁并蜂鸣报警，同时CPU模块207控制无线信号发射模块208发出无线信号求助。[0044] 根据本发明的实施例，提供了一种基于PD控制的自动跟随装置的控制方法，采用基于PD控制的自动跟随装置实现行走车实时跟随人员，该方法包括以下步骤：[0045] 步骤S1：首先通过角度传感器一19与角度传感器二20检测牵引杆4在平面内的摆动角度，并将数据传送给CPU模块207；[0046] 步骤S2：然后通过检测角度变化的加速度；[0047] 步骤S3：通过角度计算模块206和CPU模块207根据PD算法公式来得出行走车9的移动速度；[0048] 步骤S4：通过驱动模块203驱动电机209使行走车9始终保持跟随体验人员的行走速度；[0049] 步骤S5：当触发机构16触动报警模块205，报警模块205控制声光报警器15发光闪烁并蜂鸣报警；[0050] 步骤S6：同时CPU模块207控制无线信号发射模块208发出无线信号求助。[0051] 其中，PD算法公式为公知技术，此处不作赘述，另外电机209移动快慢与引导杆4的偏斜角度和偏斜角度的加速度两个变量成正比。[0052] 本发明的工作原理及使用流程：首先将安全带7穿在体验人员的腰部，然后通过角度传感器一19与角度传感器二20来检测牵引杆4在平面内的摆动角度，并将数据传送给CPU模块207，同时检测角度变化的加速度，继而角度计算模块206和CPU模块207根据PD算法公式来得出行走车9的移动速度，CPU模块207控制驱动模块203驱动电机209使行走车9始终保持跟随体验人员的行走速度，当触发机构16触动报警模块205，报警模块205控制声光报警器15发光闪烁并蜂鸣报警，同时CPU模块207控制无线信号发射模块208发出无线信号求助，届时当体验人员在行走过程中，脱力滑倒或者需要求助时，体验人员的体重或拉扯滑竿17进而带动滑块一25向下移动，同时挤压弹簧34，随着滑块一25下移，带动铁芯26在套杆14内部下移，使感应线圈一23与感应线圈三27或感应线圈二24与感应线圈四28处于同一高度时，因此感应线圈三27或感应线圈四28产生感应电流，类似于变压器改变电压的原理，进而使报警模块205控制声光报警器15发光闪烁示警，当感应线圈一23与感应线圈三27和感应线圈二24与感应线圈四28同时长时间处于同一高度时，CPU模块207控制无线信号发射模块208发出无线信号求助，通过接收端被工作人员接收，以帮助体验人员，此外，通过调节机构18可以触发机构16的受力值，通过转动旋钮31驱使螺母套32在限位块35和限位槽36的导向作用下向上或向下移动，以驱使滑块二33来调节弹簧34的压缩程度，利用弹簧在一定范围内被压缩至一定程度后，欲进一步使弹簧压缩需要更大的力这一原理，实现针对不同体重或年龄的体验人员操作，进一步的增加了该装置的安全性。[0053] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：重庆

专利申请日期：2021-07-27

专利公开日期：2024-05-28

专利公告号：CN113671864B