[發明專利]一種四棱錐立體倒立擺裝置及控制方法

有效

• 申請號: 201910577581.8
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110379285B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 王小鵬;張富強;張東升;楊靜;金雨斌;李鵬
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G09B25/02
• 分類號: G09B25/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

1.一種四棱錐立體倒立擺裝置的控制方法，其特征在于，該四棱錐立體倒立擺裝置，包括倒立的四棱錐框架（1）、慣性傳感器（4）以及解算器，其中，倒立的四棱錐框架（1）的每個側面上設置有一個飛輪（2），并且飛輪（2）與所在側面平行，并且飛輪（2）的圓心位于等腰三角形的側面的中線上，每個飛輪（2）連接有一個能夠正反調速的電機（3），在倒立的四棱錐框架（1）的頂面上設置有慣性傳感器（4）和解算器，慣性傳感器（4）與解算器相連；

慣性傳感器（4）和解算器位于頂面的中心；解算器連接有控制器，控制器連接有混控器，混控器與飛輪相連；

通過慣性傳感器（4）采集位置、角度方向上的狀態信息，并反饋給解算器，解算器通過姿態解算算法，獲得倒立擺在空間三個旋轉自由度上的角度信息，并將角度信息傳輸給控制器，控制器通過混控器調節四個飛輪。

2.根據權利要求1所述的四棱錐立體倒立擺裝置的控制方法，其特征在于，姿態解算算法為互補濾波算法或卡爾曼濾波算法。

3.根據權利要求1所述的四棱錐立體倒立擺裝置的控制方法，其特征在于，通過慣性傳感器獲取倒立擺整體的三維狀態信息，并反饋給解算器，解算器采用姿態解算算法建立起機體坐標系以及世界坐標系，得到倒立擺當前的姿態角度以及角速度，并將得到的倒立擺當前的姿態角度以及角速度反饋給控制器，控制器根據倒立擺當前的姿態角度以及角速度計算，得到俯仰控制量、橫滾控制量與偏航控制量，并將俯仰控制量、橫滾控制量與偏航控制量傳輸給混控器，混控器通過轉換矩陣，將俯仰控制量、橫滾控制量與偏航控制量分配給四個電機。

4.根據權利要求3所述的四棱錐立體倒立擺裝置的控制方法，其特征在于，當倒立擺整體位于初始位置時，啟動起跳階段，或者將倒立擺的姿態調整為接近平衡位置，接近平衡位置與平衡狀態有小角度誤差，其中，小角度的正弦值等于其弧度值。

5.根據權利要求4所述的四棱錐立體倒立擺裝置的控制方法，其特征在于，當倒立擺一個側面著地時，通過控制與著地面相鄰的兩側面上的飛輪實現倒立擺的起跳，使得倒立擺旋轉至平衡位置。

6.根據權利要求5所述的四棱錐立體倒立擺裝置的控制方法，其特征在于，通過控制與著地面相鄰的兩側面上的飛輪實現倒立擺的起跳，使得倒立擺旋轉至平衡位置的具體過程為：將與著地面相鄰兩側面上的飛輪（2）加速到高速旋轉狀態，然后將電機（3）停轉，將動能轉化為重力勢能，使倒立擺跳起，接近平衡位置；其中，高速旋轉狀態時的速度為：平衡時倒立擺的重力勢能等于飛輪（2）旋轉時的動能時的速度。

7.根據權利要求1所述的一種四棱錐立體倒立擺裝置的控制方法，其特征在于，電機（3）連接有供電系統。

8.根據權利要求7所述的一種四棱錐立體倒立擺裝置的控制方法，其特征在于，供電系統包括電池以及驅動電路，電池與驅動電路相連，驅動電路與電機（3）相連。