基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置制造方法
【专利摘要】基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置，它涉及一种倒立摆系统姿态稳定装置，以解决基于惯量轮的稳定装置维持倒立摆系统的姿态稳定性，存在惯性大、结构笨重、启动时间长、换向会造成系统震动致使系统稳定性降低，以及基于单陀螺仪的稳定机构维持倒立摆系统的姿态稳定性，存在产生平衡力矩的同时会产生干扰力使倒立摆系统发生偏航的问题，它包括支架、两套陀螺仪和两套陀螺仪偏航机构；支撑框架的中部安装有竖直设置的支柱，两套陀螺仪关于支柱对称设置且位于支撑框架内；两套陀螺仪偏航机构关于支柱对称设置且位于支撑框架的上端面上。本发明用于小型无人直升机起降过程中的姿态镇定和独轮机器人侧平衡控制。
【专利说明】基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种倒立摆系统姿态稳定装置，具体涉及一种基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置，属于倒立摆系统的动平衡与静平衡【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前倒立摆系统一个最困难的问题就是侧面姿态的稳定性，大多数都采用惯量轮与单陀螺仪的装置来维持倒立摆系统的侧平衡，基于惯量轮的稳定装置的特点是通过转子的转动来维持系统的动平衡，优点是产生的扭矩大，能快速使倒立摆系统恢复到稳定状态，缺点就是惯性大、结构笨重、启动时间长、换向会造成系统震动致使系统稳定性降低；单陀螺仪的稳定机构原理是通过陀螺仪的进动效应产生的扭矩来维持倒立摆系统的动平衡，优点是惯性小、调节方便，缺点是在产生平衡力矩的同时会产生干扰力使倒立摆系统系统发生偏航。
【发明内容】
[0003]本发明是为解决基于惯量轮的稳定装置维持倒立摆系统的姿态稳定性，存在惯性大、结构笨重、启动时间长、换向会造成系统震动致使系统稳定性降低，以及基于单陀螺仪的稳定机构维持倒立摆系统的姿态稳定性，存在产生平衡力矩的同时会产生干扰力使倒立摆系统发生偏航的问题，进而提供一种基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置。
[0004]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:本发明的基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置包括支架、两套陀螺仪和两套陀螺仪偏航机构；
[0005]所述支架包括支撑框架和支柱，支撑框架的中部安装有竖直设置的支柱，两套陀螺仪关于支柱对称设置且位于支撑框架内；
[0006]每套陀螺仪包括电机、旋转轴和两个转子，所述电机为双输出轴直流电机，旋转轴竖直设置在支撑框架上，旋转轴能沿自身的周向转动，电机水平安装在旋转轴的中部，电机的两个输出轴同轴且水平设置，电机的两个输出轴上分别安装有一个转子；
[0007]两套陀螺仪偏航机构关于支柱对称设置且位于支撑框架的上端面上，所述每套陀螺仪偏航机构包括连接杆、两个永磁体和两个线圈，连接杆设置在支撑框架的上表面且连接杆与旋转轴连接，连接杆的长度方向与旋转轴的轴向垂直，连接杆的两端分别安装有一个永磁体，支撑框架的上表面上安装有并列设置的两个线圈，且两个线圈与两个永磁体分别正对设置，线圈的轴向与电机的输出轴的轴向平行。
[0008]本发明的有益效果是:
[0009]1、本发明构造简单设计合理，维护方便，实用；
[0010]2、工作可靠，双陀螺仪结构消除了单陀螺仪产生的干扰力矩；
[0011]3、高安全性，双陀螺结构机械强度高、稳定性好，陀螺仪进动效应的合力矩换向方便，避免了换向会造成系统震动致使系统稳定性降低；
[0012]4、维持系统平衡能力强，只需控制线圈中的电流就可以调整进动力矩，具有反应速度快的特点，0.02秒内陀螺仪的偏航角速度从O到50转/秒，本发明稳定装置使倒立摆系统短时间(0.5秒)内回复平衡状态，启动时间短；
[0013]5、本发明中陀螺仪的偏航动力直接来源于电磁线圈与永磁体的电磁作用，可以提供较大的瞬时扭矩；
[0014]6、本发明可以使倒立摆系统维持静平衡与动平衡，可应用在飞行器的起降过程中的姿态镇定、独轮机器人侧平衡控制等领域。本发明具有节省任务执行成本、提高任务执行的效率、可靠性以及准确度等有点。本发明用于小型无人直升机起降过程中的姿态镇定、独轮机器人侧平衡控制等。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的立体结构示意图，图2是图1的D向视图，图3是图2的俯视图，图4是图2的左视图，图5是单个陀螺仪进动效应原理示意图，图6是本发明的稳定装置安装于独轮车上构成的倒立摆系统的示意图，图7是图6中安装于独轮车上的双陀螺仪的进动效应原理示意图。
【具体实施方式】
[0016]【具体实施方式】一:结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置包括支架A、两套陀螺仪B和两套陀螺仪偏航机构C ；
[0017]所述支架A包括支撑框架3和支柱4，支撑框架3的中部安装有竖直设置的支柱4，两套陀螺仪B关于支柱4对称设置且位于支撑框架3内；
[0018]每套陀螺仪B包括电机16、旋转轴13和两个转子10，所述电机16为双输出轴直流电机，旋转轴13竖直设置在支撑框架3上，旋转轴13能沿自身的周向转动，电机16水平安装在旋转轴13的中部，电机16的两个输出轴同轴且水平设置，电机16的两个输出轴上分别安装有一个转子10 ；
[0019]两套陀螺仪偏航机构C关于支柱4对称设置且位于支撑框架3的上端面上，所述每套陀螺仪偏航机构C包括连接杆18、两个永磁体20和两个线圈7，连接杆18设置在支撑框架3的上表面且连接杆18与旋转轴13连接，连接杆18的长度方向与旋转轴13的轴向垂直，连接杆18的两端分别安装有一个永磁体20，支撑框架3的上表面上安装有并列设置的两个线圈7，且两个线圈7与两个永磁体20分别正对设置，线圈7的轴向与电机16的输出轴的轴向平行。
[0020]【具体实施方式】二:结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述支撑框架3为正方形框架或矩形框架。如此设置，保证了两个陀螺仪对称布置，使本发明的稳定装置与倒立摆系统系统保持相同的偏航角、侧倾角与俯仰角。其它与【具体实施方式】一相同。
[0021]【具体实施方式】三:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的每个旋转轴13通过安装在支撑框架3上的两个轴承沿旋转轴13的周向转动。如此设置，保证了线圈通电后，永磁体在电磁场的作用下，使旋转轴旋转时带动陀螺仪整体发生偏航。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0022]【具体实施方式】四:结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述每套陀螺仪偏航机构还包括扭簧21，每个连接杆18与支撑框架3的上表面之前的旋转轴13上套设有扭簧21，扭簧21的一端与支撑框架3连接，扭簧21的另一端与连接杆18连接。如此设置，在没有电磁力的作用下，永磁体及连接杆在扭簧的作用下能快速恢复到初始位置，扭簧起到了很好的调节增益效果。其它与【具体实施方式】三相同。
[0023]【具体实施方式】五:结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述每套陀螺仪偏航机构C还包括两个连接框架19，每个连接框架19内安装有一个永磁体20。如此设置，便于安装使用，满足设计要求和实际需要。其它与【具体实施方式】一、二或四相同。
[0024]【具体实施方式】六:结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述支架A还包括空心六面体I和六个螺纹通孔2，空心六面体I竖直设置在支撑框架3的下表面上，空心六面体I的上端与支柱4的下端连接，空心六面体I的每个面上加工有一个螺纹通孔2。如此设置，便于与小型无人飞行器、独轮机器人、双轮汽车等连接，进而构成倒立摆系统。其它与【具体实施方式】五相同。
[0025]实施例
[0026]结合图1-图7说明，图5是单个陀螺仪的进动效应原理示意图，线圈与永磁体之间的电磁作用为陀螺仪提供偏航扭矩与偏航角速度，陀螺仪转子的自转角速度ωχ由位于陀螺仪中部的直流电机提供，由陀螺仪的进动效应可知陀螺仪产生一个垂直于陀螺仪偏航角速度与自转角速度的扭矩τ ζ，单个陀螺仪的进动力矩τ ζ，如图5所示(图中X表示转子的自转轴，Y表示陀螺仪偏航轴，ζ表示陀螺仪的进动力矩轴)，满足数学公式:
[0027]Tz=IxXcoxXcoy
[0028]其中Ix代表陀螺仪转子的转动惯量，ωχ代表陀螺仪转子角速度，coy代表陀螺仪偏航角速度。
[0029]图6是本发明的稳定装置安装于独立车25上构成倒立摆系统图，双陀螺仪稳定装置较单陀螺仪稳定装置的优势之一是能够消除陀螺仪进动力矩的分力矩，使系统可以实现静平衡，如图6所示；双陀螺仪在保持独立车倒立摆系统侧平衡姿态时产生的滚动力矩τ如图6所示，满足数学公式:
[0030]τ = τ rolll+ τ roll2
[0031]如图7所示(图中X1代表右侧陀螺仪的转子的自转轴，Y1代表右侧陀螺仪的转子的偏航轴，Z1代表右侧陀螺仪的进动力矩轴；x2代表左侧陀螺仪的转子的自转轴，Y2代表Z左侧陀螺仪的转子的偏航轴，Z2代表左侧侧陀螺仪的进动力矩轴)；其中τ rolll是右侧陀螺仪进动力矩τ I在绝对坐标系XYZ中Z坐标轴上的分力矩，τ roll2是左侧陀螺仪进动力矩τ 2在绝对坐标系XYZ中Z坐标轴上的分力矩。
[0032]工作过程
[0033]每套陀螺仪的电机带动两个转子自转，初始位置时永磁体与线圈正对设置，线圈通电后，线圈与永磁体发生电磁作用使旋转轴发生扭转，进而使陀螺仪有一定偏航角速度，使陀螺仪发生进动效应产生一个进动力矩，力矩的方向与转子自转角速度方向、偏航角速度方向垂直，左右两个陀螺仪偏航角速度与自转角速度大小相同，偏航方向相反，同时自转角速度方向也相反，这样两个陀螺仪进动力矩的合力矩与倒立摆系统的侧倾角方向一致，可以使倒立摆系统的侧倾角的绝对值变小，从而维持系统的平衡。通过改变线圈的电流，调整线圈与永磁体产生的扭矩，从而改变陀螺仪的偏航角速度，使陀螺仪进动效应产生的力矩发生改变，两个陀螺仪的偏航角速度大小相等、方向相反，两个陀螺仪进动效应的合力矩用来调整倒立摆系统的侧倾角。本发明具备了使倒立摆系统姿态维持平衡稳定的能力。
【权利要求】
1.基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置，其特征在于:所述稳定装置包括支架(A)、两套陀螺仪(B )和两套陀螺仪偏航机构(C); 所述支架(A)包括支撑框架(3)和支柱(4)，支撑框架(3)的中部安装有竖直设置的支柱(4)，两套陀螺仪(B)关于支柱(4)对称设置且位于支撑框架(3)内； 每套陀螺仪(B )包括电机(16 )、旋转轴(13 )和两个转子(10 )，所述电机(16 )为双输出轴直流电机，旋转轴(13)竖直设置在支撑框架(3)上，旋转轴(13)能沿自身的周向转动，电机(16 )水平安装在旋转轴(13 )的中部，电机(16 )的两个输出轴同轴且水平设置，电机(16 )的两个输出轴上分别安装有一个转子(10)； 两套陀螺仪偏航机构(C)关于支柱(4)对称设置且位于支撑框架(3)的上端面上，所述每套陀螺仪偏航机构(C)包括连接杆(18)、两个永磁体(20)和两个线圈(7)，连接杆(18)设置在支撑框架(3)的上表面且连接杆(18)与旋转轴(13)连接，连接杆(18)的长度方向与旋转轴(13)的轴向垂直，连接杆(18)的两端分别安装有一个永磁体(20)，支撑框架(3)的上表面上安装有并列设置的两个线圈(7)，且两个线圈(7)与两个永磁体(20)分别正对设置，线圈(7)的轴向与电机(16)的输出轴的轴向平行。
2.根据权利要求1所述的基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置，其特征在于:所述支撑框架(3)为正方形框架或矩形框架。
3.根据权利要求1或2所述的基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置，其特征在于:每个旋转轴(13)通过安装在支撑框架(3)上的两个轴承沿旋转轴(13)的周向转动。
4.根据权利要求3所述的基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置，其特征在于:所述每套陀螺仪偏航机构还包括扭簧(21)，每个连接杆(18)与支撑框架(3)的上表面之前的旋转轴(13 )上套设有扭簧(21)，扭簧(21)的一端与支撑框架(3 )连接，扭簧(21)的另一端与连接杆(18)连接。
5.根据权利要求1、2或4所述的基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置，其特征在于:所述每套陀螺仪偏航机构(C)还包括两个连接框架(19)，每个连接框架(19)内安装有一个永磁体(20 )。
6.根据权利要求5所述的基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置，其特征在于:所述支架(A)还包括空心六面体(I)和六个螺纹通孔(2)，空心六面体(I)竖直设置在支撑框架(3)的下表面上，空心六面体(I)的上端与支柱(4)的下端连接，空心六面体(I)的每个面上加工有一个螺纹通孔(2)。
【文档编号】G05D1/08GK103488178SQ201310455611
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】赵杰, 金弘哲, 李戈, 周龙加 申请人:哈尔滨工业大学