控制力矩陀螺动力特性测试的装置及方法与流程

本发明涉及控制力矩陀螺特性测试技术，具体为一种控制力矩陀螺动力特性测试的装置及方法。

背景技术：

力矩陀螺动力特性在平衡车上的实际应用最有效的一个例子是美国的一家公司推出的litmotor电动车，在其底盘处安装有两个力矩陀螺用于产生陀螺力矩来平衡车体的倾倒力矩，因而其最大的特点便是它绝对不会被撞翻。

控制力矩陀螺应用在两轮全电动汽车等领域，通过以角速度ω绕其自传轴高速自传，同时以角速度ω进动，依据赖柴耳定理可知，此时作用于陀螺的外力矩为m0＝ω×jzω(其中jz是陀螺对自传轴的转动惯量)，而陀螺力矩mg＝jzω×ω在mg作用下实现姿态控制调整，从而控制车体的平衡。

控制力矩陀螺在两轮平衡车实际应用当中，想要获得良好的控制效果，首先就要对所采用的控制力矩陀螺在调整航向、横滚两个姿态方位进行实验和测试。对于控制力矩陀螺的测试结果，有些是通过模拟仿真来获得，还有些是通过大型复杂专业测试平台来获得：

模拟仿真需要的硬件资源少、成本低、方便实施，但是其测试结果与实际结果还是存在一定的误差。

采用大型复杂专业测试平台，虽然能得到比较准确，高精度的测量结果，但是需要很多的硬件资源，消耗成本很大。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种硬件配套资源相对较少，且能比较准确、高效地测试控制力矩陀螺在调整航向、横滚两个姿态方位动力特性测试的装置及方法。

能够解决上述技术问题的控制力矩陀螺动力特性测试的装置，其技术方案包括左力矩陀螺和右力矩陀螺，左、右力矩陀螺分别安装于左陀螺电机和右陀螺电机向上的输出轴上，左、右陀螺电机分别安装于左进动电机和右进动电机的纵向输出轴上，左、右进动电机安装于陀螺支撑架上，所述陀螺支撑架的左横向转轴和右横向转轴分别通过左轴承组件和右轴承组件安装于陀螺测试台上，所述陀螺支撑架左、右两侧的陀螺测试台上均设有输入力矩传递机构和制动力矩传递机构，其中：

1、各制动力矩传递机构包括制动力矩传感器和力矩制动器，所述力矩制动器的转动轴连接制动力矩传感器的输入轴，所述制动力矩传感器的输出轴连接陀螺支撑架对应的横向转轴。

所述力矩制动器可以有效模拟传递给力矩陀螺的阻抗力矩。

2、各输入力矩传递机构包括电磁离合器、力矩输入电机和输入力矩传感器，所述力矩输入电机的输出轴通过降速齿轮传动副连接输入力矩传感器的输入轴，输入力矩传感器的输出轴连接电磁离合器的输入轴，电磁离合器的输出轴通过等速齿轮传动副连接力矩制动器的转动轴。

所述力矩输入电机可以有效模拟通过齿轮传动副传递给力矩陀螺的驱动力矩。

3、各进动电机的输出轴上设有测量进动角速度的增量编码器和测量进动角度的绝对编码器。

优选的，所述力矩制动器采用磁粉制动器。

优选的，所述力矩输入电机采用长条电机。

优选的，各陀螺电机均采用航模无刷电机。

优选的，各进动电机均采用薄饼电机。

本发明控制力矩陀螺动力特性测试的方法，其方案步骤为：

1、左力矩输入电机和右力矩输入电机提供主动力矩t1，左、右主动力矩t1分别通过对应的传动路径传递给左力矩陀螺和右力矩陀螺。

2、左力矩陀螺和右力矩陀螺分别在左陀螺电机和右陀螺电机的带动下高速自转，并分别在左进动电机和右进动电机带动下发生进动，在自转和进动作用下，左力矩陀螺和右力矩陀螺分别产生陀螺力矩。

3、左力矩陀螺和右力矩陀螺产生的陀螺合力矩t2在航向方向相互抵消，在横滚方向用来平衡力矩输入电机传递给力矩陀螺的主动力矩t1。

4、制动力矩传感器测出陀螺合力矩t2，输入力矩传感器测出主动力矩t1。

5、进动电机转轴上的增量编码器测量出进动角速度ωr、绝对编码器测量出进动角度θ。

6、分别记录力矩输入电机在提供不同主动力矩t1情况下的不同陀螺合力矩t2、力矩陀螺的进动角速度ωr和力矩陀螺的进动角度θ，根据记录的数据在上位机pc上绘制出t1-ωr和t1-θ的图形曲线，通过曲线拟合得出两两之间的函数关系，最终分析获得因变量为陀螺合力矩t2，自变量为进动角速度ωr和进动角度θ三者的变量函数蕴含关系。

本发明的有益效果：

1、本发明针对力矩陀螺在调整两轮平衡车横滚和航向姿态上设计了一套简易且高效的模拟测试平台，可以在较小的占地空间进行实际测试实验，实验结果的获得较为方便。

2、本发明通过在pc机上进行实物仿真，可高效进行物理实验，大大减少了物理实验前期准备工作的复杂度和实验物理开始阶段参数大范围调节所消耗的人力、物力。

3、本发明测量得到的控制力矩陀螺的陀螺力矩t(ωr，θ)的函数关系对于一般陀螺力矩物理样机的平衡控制具有重要的参考和指导意义。

4、本发明不仅能验证陀螺力矩效应的作用，还能够通过传感器时时获得并上传数据，通过处理和反馈达到对陀螺力矩进行实时控制的效果。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的俯视图。

图号标识：1、左力矩陀螺；2、右力矩陀螺；3、左陀螺电机；4、右陀螺电机；5、左进动电机；6、右进动电机；7、陀螺支撑架；8、左横向转轴；9、右横向转轴；10、左轴承组件；11、右轴承组件；12、陀螺测试台；13、左磁粉制动器；14、右磁粉制动器；15、左长条电机；16、右长条电机；17、左输入力矩传感器；18、右输入力矩传感器；19、左降速齿轮传动副；20、右降速齿轮传动副；21、左等速齿轮传动副；22、右等速齿轮传动副；23、左电磁离合器；24、右电磁离合器；25、左制动力矩传感器；26、右制动力矩传感器；27、左联轴器ⅰ；28、右联轴器ⅰ；29、左联轴器ⅱ；30、右联轴器ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明控制力矩陀螺动力特性测试的装置，包括承载左力矩陀螺1和右力矩陀螺2的陀螺支撑架7。所述陀螺支撑架7左、右两端同轴的左横向转轴8和右横向转轴9分别通过左轴承组件10和右轴承组件11安装于陀螺测试台12上，左力矩陀螺1安装于左陀螺电机3(航模无刷电机)向上的输出轴上，左陀螺电机3安装于左进动电机5(薄饼电机)纵向(水平前伸)的输出轴上，左进动电机5安装于陀螺支撑架7的后端上，右力矩陀螺2安装于右陀螺电机4(航模无刷电机)向上的输出轴上，右陀螺电机4安装于右进动电机6(薄饼电机)纵向(水平后伸)的输出轴上，右进动电机6安装于陀螺支撑架7的前端上，左进动电机5的输出轴上设有测量进动角速度的增量编码器和测量进动角度的绝对编码器，右进动电机6的输出轴上也设有测量进动角速度的增量编码器和测量进动角度的绝对编码器，如图1所示。

所述陀螺支撑架7左侧的陀螺测试台12上设有与左横向转轴8同轴的左制动力矩传递机构以及设于左制动力矩传递机构侧旁的左输入力矩传递机构，具体的：

左制动力矩传递机构包括自左向右设置的左磁粉制动器13和左制动力矩传感器25，左磁粉制动器13通过对应支座安装于陀螺测试台12上，左磁粉制动器13的转动轴通过左联轴器ⅱ29连接左制动力矩传感器25的输入轴，左制动力矩传感器25的输出轴通过左联轴器ⅰ27连接左横向转轴8；左输入力矩传递机构设于左制动力矩传递机构后侧，包括自右向左设置的左长条电机15、左输入力矩传感器17和左电磁离合器23，左长条电机15的输出轴通过左降速齿轮传动副19连接左输入力矩传感器17的输入轴，左输入力矩传感器17的输出轴连接左电磁离合器23的输入轴，左电磁离合器23的输出轴通过左等速齿轮传动副21连接左磁粉制动器13的转动轴，如图1所示。

所述陀螺支撑架7右侧的陀螺测试台12上设有与右横向转轴9同轴的右制动力矩传递机构以及设于右制动力矩传递机构侧旁的右输入力矩传递机构，具体的：

右制动力矩传递机构包括自右向左设置的右磁粉制动器14和右制动力矩传感器26，右磁粉制动器14通过对应支座安装于陀螺测试台12上，右磁粉制动器14的转动轴通过右联轴器ⅱ30连接右制动力矩传感器26的输入轴，右制动力矩传感器26的输出轴通过右联轴器ⅰ28连接右横向转轴9；右输入力矩传递机构设于右制动力矩传递机构前侧，包括自左向右设置的右长条电机16、右输入力矩传感器18和右电磁离合器24，右长条电机16的输出轴通过右降速齿轮传动副20连接右输入力矩传感器18的输入轴，右输入力矩传感器18的输出轴连接右电磁离合器24的输入轴，右电磁离合器24的输出轴通过右等速齿轮传动副22连接右磁粉制动器14的转动轴，如图1所示。

本发明控制力矩陀螺动力特性测试的方法，其方案步骤为：

1、左长条电机15和右长条电机16同步提供主动力矩t1(电磁离合器控制主动力矩t1的输入)，左、右主动力矩t1分别通过对应的传动路径传递给左力矩陀螺1和右力矩陀螺2。

2、左力矩陀螺1和右力矩陀螺2分别在左陀螺电机3和右陀螺电机4的带动下高速自转，并分别在左进动电机5和右进动电机6带动下发生进动，在自转和进动作用下，左力矩陀螺1和右力矩陀螺2分别产生陀螺力矩。

3、左力矩陀螺1和右力矩陀螺2产生的陀螺合力矩t2在航向方向相互抵消，在横滚方向用来平衡长条电机传递给力矩陀螺的主动力矩t1。

4、制动力矩传感器测出陀螺合力矩t2，输入力矩传感器测出主动力矩t1，陀螺测试台12底部中央设置的力矩传感器测量陀螺测试台12在航向方向是否有力矩作用。

5、进动电机转轴上的增量编码器测量出进动角速度ωr、绝对编码器测量出进动角度θ。

6、分别记录长条电机在提供不同主动力矩t1情况下的不同陀螺合力矩t2，力矩陀螺的进动角速度ωr和力矩陀螺的进动角度θ，根据记录的数据在上位机pc上绘制出t1-ωr和t1-θ的图形曲线，通过曲线拟合得出两两之间的函数关系，最终分析获得因变量为陀螺合力矩t2，自变量为力矩陀螺的进动角速度ωr和力矩陀螺的进动角度θ三者的变量函数蕴含关系。