CN106855717A - 一种双惯性轮空间倒立摆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双惯性轮空间倒立摆系统，包括支架、摆杆、固定架、两组惯性轮组件、两组配重组件、控制盒；其中，摆杆一端通过球销副与支座联接，另一端安装有固定架；电机安装在固定架上，惯性轮通过联轴器与电机输出轴相固定；所述两组惯性轮组件和摆杆在空间上相互正交，所述两组配重组件分别与惯性轮组件在固定架上的安装位置相对于摆杆中心轴互成180°。采用本发明的技术方案，本发明的双惯性轮空间倒立摆系统较普通飞轮倒立摆自由度增加一倍，动力学模型更复杂，控制难度更大，丰富了倒立摆系统的结构类型，尤其可作为模拟多自由度、不稳定系统的姿态平衡控制的装置，如火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制模拟等。
Description
技术领域
本发明属于倒立摆系统，尤其涉及一种双惯性轮空间倒立摆系统。
背景技术
倒立摆控制系统是一个复杂、不稳定、非线性的系统，是控制领域内的经典研究对象，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。通过对倒立摆的平衡控制，可用来检验控制方法处理非线性和不稳定性问题的能力，其控制方法在航空航天、机器人等领域有广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。
专利号为CN201320135027.2、CN201110123423.9、CN201010151221.0的专利分别提出了飞轮倒立摆系统，但发明的倒立摆系统中摆杆只能在平面内转动，摆杆只有一个回转自由度，均为平面倒立摆系统，对模拟多自由不稳定系统的控制如火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等有较大的局限性。
发明内容
为克服现有飞轮倒立摆系统的局限性，本发明提供一种双惯性轮空间倒立摆系统，摆杆具有两个回转自由度，可作为研究多自由不稳定系统控制策的模拟验证装置。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种双惯性轮空间倒立摆系统,包括：支座、摆杆、固定架、两组惯性轮组件、两组配重组件、控制盒，其中，摆杆一端通过球销副与支座联接，摆杆另一端安装有固定架；所述惯性轮组件包含电机、联轴器、惯性轮，电机安装在固定架上，惯性轮通过联轴器与电机输出轴相固定；所述配重组件包含配重块、锁紧螺母，配重块中心设有螺孔，固定架上设有螺杆，配重块通过螺杆、螺孔安装在固定架上，可沿螺杆轴线移动，通过锁紧螺母固定；所述两组惯性轮组件和摆杆在空间上相互正交，所述两组配重组件分别与惯性轮组件在固定架上的安装位置相对于摆杆中心轴互成180°，其中，所述控制盒包括微型处理器、2个伺服驱动器、姿态传感器和无线通讯单元，微型处理器分别连接2个伺服驱动器、姿态传感器和无线通讯单元，每个伺服驱动器分别连接相对应惯性轮组件的电机。
本发明的双惯性轮空间倒立摆系统，支座固定设置，且摆杆与支座间采用球销副联接，摆杆有绕横向和纵向回转的转动自由度；系统重心位于摆杆的上端，属于本征不稳定的倒立摆系统。通过调节配重块的安装位置可调节系统的重心分布，通过调节配重块的位置使系统重心与摆杆轴线重合；惯性轮本身具有一定的转动惯量，惯性轮回转时产生与回转角加速度成正比的惯性反作用力矩；两组惯性轮组件正交布置，可分别产生绕横向和纵向的控制力矩；控制盒中的微型处理器通过无线通讯单元与上位机通讯，微型处理器接收姿态传感器的数据，经运算后，控制两个伺服驱动器，分别驱动两个电机，进而带动惯性轮回转，产生横向和纵向的控制力矩，控制倒立摆绕横向和纵向的摆角，以控制倒立摆的空间姿态平衡。
本发明的有益效果如下：
1.双惯性轮空间倒立摆系统中摆杆具有两个回转自由度，可以指向三维空间内的任意方向，较普通飞轮倒立摆自由度增加一倍，动力学模型更复杂，控制难度更大，丰富了倒立摆系统的结构类型。
2.双惯性轮空间倒立摆系统的运动特性与火箭、垂直起降飞行器等运动特性有相似性，尤其可作为模拟多自由度、不稳定系统的姿态平衡控制的装置，如火箭发射中的垂直度控制和垂直起降飞行器的姿态控制的模拟等。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构爆炸视图；
图3为本发明结构俯视图。
图中：1、支座，2、摆杆，3、固定架，31、螺杆，4、配重块，41、螺孔，5、锁紧螺母，6、电机，7、联轴器，8、飞轮，9、控制盒。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2、3所示，本发明实施例提供一种双惯性轮空间倒立摆系统包括支座1、摆杆2、固定架3、两组惯性轮组件、两组配重组件、控制盒9，其中，摆杆2一端通过球销副与支座1联接，摆杆2的另一端安装有固定架3；所述惯性轮组件包含电机6、联轴器7、惯性轮8，电机6安装在固定架3上，惯性轮8通过联轴器7与电机6输出轴相固定；所述配重组件包含配重块4、锁紧螺母5，配重块中心设有螺孔41，固定架上设有螺杆31，配重块4通过螺杆31、螺孔41安装在固定架3上，可沿螺杆31轴线移动，通过锁紧螺母5固定；所述控制盒9包括微型处理器、2个伺服驱动器、姿态传感器和无线通讯单元，微型处理器分别连接2个伺服驱动器、姿态传感器和无线通讯单元，每个伺服驱动器分别连接相对应惯性轮组件的电机。所述两组惯性轮组件和摆杆2在空间上相互正交，所述两组配重组件分别与惯性轮组件在固定架3上的安装位置相对于摆杆中心轴互成180°。
本发明的双惯性轮空间倒立摆系统中的支座1固定设置，摆杆2与支座1间有绕横向和纵向回转的转动自由度；系统重心位于摆杆1的上端，通过调节配重块4的位置使系统重心与摆杆2轴线重合；控制盒中的微型处理器通过无线通讯单元与上位机通讯，微型处理器接收姿态传感器的数据，经运算后，控制两个伺服驱动器，分别驱动两个电机6，进而带动惯性轮8回转，产生横向和纵向的控制力矩，控制倒立摆摆杆2绕横向和纵向的摆角，以控制倒立摆的空间姿态平衡。
Claims (1)
1.一种双惯性轮空间倒立摆系统,其特征在于，包括：支座、摆杆、固定架、两组惯性轮组件、两组配重组件、控制盒，其中，摆杆一端通过球销副与支座联接，摆杆另一端安装有固定架；所述惯性轮组件包含电机、联轴器、惯性轮，电机安装在固定架上，惯性轮通过联轴器与电机输出轴相固定；所述配重组件包含配重块、锁紧螺母，配重块中心设有螺孔，固定架上设有螺杆，配重块通过螺杆、螺孔安装在固定架上，可沿螺杆轴线移动，通过锁紧螺母固定；所述两组惯性轮组件和摆杆在空间上相互正交，所述两组配重组件分别与惯性轮组件在固定架上的安装位置相对于摆杆中心轴互成180°，其中，所述控制盒包括微型处理器、2个伺服驱动器、姿态传感器和无线通讯单元，微型处理器分别连接2个伺服驱动器、姿态传感器和无线通讯单元，每个伺服驱动器分别连接相对应惯性轮组件的电机。
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