[實(shí)用新型]一種雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201720069604.0
• 申請(qǐng)日: 2017-01-17
• 公開（公告）號(hào): CN206400352U
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 阮曉鋼;陳志剛;李元
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11203
• 代理人: 張慧

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于倒立擺系統(tǒng)，尤其涉及一種雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)。

背景技術(shù)

倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、不穩(wěn)定、非線性的系統(tǒng)，是控制領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)典研究對(duì)象，是進(jìn)行控制理論教學(xué)及開展各種控制實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過對(duì)倒立擺的平衡控制，可用來檢驗(yàn)控制方法處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力，其控制方法在航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域有廣泛的用途，如機(jī)器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。

專利號(hào)為CN201320135027.2、CN201110123423.9、CN201010151221.0的專利分別提出了飛輪倒立擺系統(tǒng)，但實(shí)用新型的倒立擺系統(tǒng)中擺桿只能在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿只有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，均為平面倒立擺系統(tǒng)，對(duì)模擬多自由不穩(wěn)定系統(tǒng)的控制如火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等有較大的局限性。

實(shí)用新型內(nèi)容

為克服現(xiàn)有飛輪倒立擺系統(tǒng)的局限性，本實(shí)用新型提供一種雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)，擺桿具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，可作為研究多自由不穩(wěn)定系統(tǒng)控制策的模擬驗(yàn)證裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案：

一種雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng),包括：支座、擺桿、固定架、兩組慣性輪組件、兩組配重組件、控制盒，其中，擺桿一端通過球銷副與支座聯(lián)接，擺桿另一端安裝有固定架；所述慣性輪組件包含電機(jī)、聯(lián)軸器、慣性輪，電機(jī)安裝在固定架上，慣性輪通過聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸相固定；所述配重組件包含配重塊、鎖緊螺母，配重塊中心設(shè)有螺孔，固定架上設(shè)有螺桿，配重塊通過螺桿、螺孔安裝在固定架上，可沿螺桿軸線移動(dòng)，通過鎖緊螺母固定；所述兩組慣性輪組件和擺桿在空間上相互正交，所述兩組配重組件分別與慣性輪組件在固定架上的安裝位置相對(duì)于擺桿中心軸互成180°，其中，所述控制盒包括微型處理器、2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、姿態(tài)傳感器和無線通訊單元，微型處理器分別連接2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、姿態(tài)傳感器和無線通訊單元，每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器分別連接相對(duì)應(yīng)慣性輪組件的電機(jī)。

本實(shí)用新型的雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)，支座固定設(shè)置，且擺桿與支座間采用球銷副聯(lián)接，擺桿有繞橫向和縱向回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；系統(tǒng)重心位于擺桿的上端，屬于本征不穩(wěn)定的倒立擺系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)配重塊的安裝位置可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重心分布，通過調(diào)節(jié)配重塊的位置使系統(tǒng)重心與擺桿軸線重合；慣性輪本身具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，慣性輪回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生與回轉(zhuǎn)角加速度成正比的慣性反作用力矩；兩組慣性輪組件正交布置，可分別產(chǎn)生繞橫向和縱向的控制力矩；控制盒中的微型處理器通過無線通訊單元與上位機(jī)通訊，微型處理器接收姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算后，控制兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)慣性輪回轉(zhuǎn)，產(chǎn)生橫向和縱向的控制力矩，控制倒立擺繞橫向和縱向的擺角，以控制倒立擺的空間姿態(tài)平衡。

本實(shí)用新型的有益效果如下：

1.雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)中擺桿具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，可以指向三維空間內(nèi)的任意方向，較普通飛輪倒立擺自由度增加一倍，動(dòng)力學(xué)模型更復(fù)雜，控制難度更大，豐富了倒立擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型。

2.雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性與火箭、垂直起降飛行器等運(yùn)動(dòng)特性有相似性，尤其可作為模擬多自由度、不穩(wěn)定系統(tǒng)的姿態(tài)平衡控制的裝置，如火箭發(fā)射中的垂直度控制和垂直起降飛行器的姿態(tài)控制的模擬等。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)爆炸視圖；

圖3為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖中：1、支座，2、擺桿，3、固定架，31、螺桿，4、配重塊，41、螺孔，5、鎖緊螺母，6、電機(jī)，7、聯(lián)軸器，8、飛輪，9、控制盒。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。