[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

一種四棱錐立體倒立擺裝置及控制方法，包括倒立的四棱錐框架、慣性傳感器以及解算器，其中，倒立的四棱錐框架的每個側面上設置有一個飛輪，并且飛輪與所在側面平行，并且飛輪的圓心位于等腰三角形的側面的中線上，每個飛輪連接有一個能夠正反調速的電機，在倒立的四棱錐框架的頂面上設置有慣性傳感器和解算器，慣性傳感器與解算器相連。采用四棱錐的結構以及四個飛輪協同控制姿態的控制方法，使得傳感器的設置可以只在倒四棱錐的頂面上設置一個慣性傳感器來獲取姿態信息，節約了成本。利用該倒立擺研究四旋翼無人機的控制方法，體現了較強的針對性。本發明結構簡單，易于實現。

技術領域

本發明涉及一種倒立擺，具體涉及一種四棱錐立體倒立擺裝置及控制方法。

背景技術

倒立擺裝置作為一種控制學的教具，已經被廣泛應用于各種控制算法仿真驗證實驗中，對控制算法的研究工作具有很大的幫助。

傳統的倒立擺通過控制算法的不斷研究和發展，出現了直線型、旋轉型等多種形式的倒立擺，并且在階數方面，已經研究到了五六級倒立擺倒立控制的程度。但傳統倒立擺都是在單一自由度上進行控制和研究的，無法通過其研究多自由度機電系統的耦合控制和多自由度協同控制等方法。

而前人所發明的cubli立方體三維倒立擺，打破了倒立擺單自由度控制的限制，可以由立方體三個兩兩相鄰的三個面上所安裝的轉矩控制飛輪(動量輪)驅動時產生的反轉矩，協同起來，控制三維倒立擺在三個旋轉自由度方向上的角度。具體控制為在驅動的三個面上各安裝一個角度傳感器，三個面獨立控制，使得三個面各自達到平衡位置時，立方體就可以以三個面的交點為支點，倒立在任意水平面上。但該技術通過自由度解耦，三個自由度由三個驅動器獨立控制，并不涉及多自由度的耦合控制，并且無法與實際生活生產中的機電系統的控制形成緊密的聯系。

可見，目前傳統倒立擺存在耦合控制欠缺、缺乏針對性等問題。

發明內容

本發明針對現有技術中的問題，目的在于提出了一種四棱錐立體倒立擺裝置及控制方法。

為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種四棱錐立體倒立擺裝置，包括倒立的四棱錐框架、慣性傳感器以及解算器，其中，倒立的四棱錐框架的每個側面上設置有一個飛輪，并且飛輪與所在側面平行，并且飛輪的圓心位于等腰三角形的側面的中線上，每個飛輪連接有一個能夠正反調速的電機，在倒立的四棱錐框架的頂面上設置有慣性傳感器和解算器，慣性傳感器與解算器相連。

本發明進一步的改進在于，電機連接有供電系統。

本發明進一步的改進在于，供電系統包括電池以及驅動電路，電池與驅動電路相連，驅動電路與電機相連。

本發明進一步的改進在于，慣性傳感器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。

一種四棱錐立體倒立擺裝置的控制方法，通過慣性傳感器采集位置、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。

本發明進一步的改進在于，姿態解算算法為互補濾波算法或卡爾曼濾波算法。

本發明進一步的改進在于，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。