CN113791567A - 一种基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，包括固定架、调节机构和驱动单元，所述调节机构包括丝杆、连接架和配重块，所述丝杆可转动安装在固定架上，所述配重块固定在连接架的底部，所述连接架的顶部滑接在固定架上且与丝杆螺纹连接，所述驱动单元固定在固定架上，所述驱动单元动力输出至丝杆的一端，协同考虑硬件资源和软件资源的需求，解决了稳定调节精度差和现有控制方法性能差的问题，使飞行器在受到气流影响时能够快速、精准的自动调整重心的位置，使飞行器安全的恢复到稳定运行状态。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体指一种基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置及控制系统。
背景技术
由于飞行器应用在被气体充满的环境中，很难有直接的着力点，并且高空的环境多变，飞行器很容易受到气流的影响而失衡。飞行器的失衡往往会造成财产损伤，并且飞行器多用于高空拍摄。若飞行器失衡则会导致高空拍摄作业失败。
为了解决上述技术问题，确保飞行器能够在高空平稳的飞行，目前较为常见的是通过陀螺仪检测飞行器失衡倾斜方向和角度，进而通过调整飞行器机翼的角度或者调节旋翼的旋转速度，从而对飞行器起到稳定和调节的效果。但是这种调节方式，其调节作用和效果，又收到外界环境因素的影响，而高空气流环境随时变化。因此，调节反应时间长，调节速度慢，因此很难满足并且达到飞行器自稳定调节技术的要求。
发明内容
本发明根据现有技术的不足，提出一种基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置及控制系统，能够在受到气流影响时，通过自动调整重心的位置，使飞行器能够快速、精准、安全的恢复到稳定运行状态。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，包括固定架、调节机构和驱动单元，所述调节机构包括丝杆、连接架和配重块，所述丝杆可转动安装在固定架上，所述配重块固定在连接架的底部，所述连接架的顶部滑接在固定架上且与丝杆螺纹连接，所述驱动单元固定在固定架上，所述驱动单元动力输出至丝杆的一端。
作为优选，所述固定架包括第一固定板、第二固定板、第一光轴和第二光轴，所述第一固定板与第二固定板平行且呈对称结构设置，所述第一固定板与第二固定板的内侧分别固定连接至第一光轴和第二光轴的端部，所述丝杆两侧呈对称结构设置有两根第一光轴，所述丝杆位于第二光轴的正下方，所述连接架的顶部可滑动连接至第一光轴。
作为优选，所述连接架包括中间移动板和Y型移动板，所述中间移动板和Y型移动板的顶部两端分别滑动连接至两根第二光轴，所述配重块的两侧固定连接至中间移动板和Y型移动板的内侧壁，所述中间移动板设有丝杆螺母，所述丝杆螺母螺纹连接至丝杆。
作为优选，所述驱动单元包括水平步进电机，所述水平步进电机安装在第二固定板的外侧壁，所述水平步进电机的动力输出轴贯穿第二固定板后通过联轴器与丝杆的一端固定连接，所述丝杆的另一端通过旋转轴承连接至第一固定板的内侧壁。
作为优选，所述调节机构还包括第一半圆板、第二半圆板、涡轮和蜗杆，所述配重块呈半圆柱体结构，所述第一半圆板、第二半圆板分别呈对称结构固定在配重块的两侧，所述第一半圆板的轴心位置设有第一半圆板突出轴，所述第二半圆板的轴心位置设有第二半圆板突出轴，所述第一半圆板突出轴可转动连接至Y型连接的底端，所述第二半圆板突出轴可转动连接至中间移动板的中心处，所述第一半圆板突出轴贯穿中间移动板后与涡轮固定连接，所述蜗杆与涡轮啮合，所述驱动单元动力输出至蜗杆。
作为优选，所述驱动单元还包括旋转步进电机，所述中间移动板的外侧壁固定有步进电机支架，所述旋转步进电机安装在步进电机支架，所述旋转步进电机的动力输出端与蜗杆的一端固定连接。
作为优选，所述第二半圆板的外壁设置有限位轴，所述限位轴位于第二半圆板的圆心的正下方，所述中间移动板上对应限位轴设置有弧形限位槽。
一种用于控制所述基于陀螺仪技术的飞行器自稳定的控制系统，包括
陀螺仪模组，包括安装在飞行器各部位的若干陀螺仪，用于采集飞行器的实际飞行参数数据；
定时器模块，用于对陀螺仪模组采集的实际飞行参数数据进行高频采样；
陀螺仪数据处理模块，用于对采样的实际飞行参数数据进行处理；
数据存储模块，用于存储经陀螺仪数据处理模块处理后的实际飞行参数数据，另外还存储有飞行器的给定飞行参数数据，以及驱动单元运行的关系式数据；
陀螺仪数据转换模块，用于读取数据存储模块中经处理后的实际飞行参数数据以及给定飞行参数数据，并进行比对，进而得到实际飞行参数数据与给定飞行参数数据的偏差值，最后存储至数据存储至数据存储模块；
配重方案实时计算模块，用于实时读取数据库中实际飞行参数数据与给定飞行参数数据的偏差值以及驱动单元运行的关系式数据，得到驱动单元的运行参数；
PID控制模块，用于接收配重方案实时计算模块计算得到的驱动单元的运行参数，进而输出控制信号驱动单元；
驱动单元，接收到控制信号后驱动调节机构运行。
作为优选，所述实际飞行参数数据与给定飞行参数数据的偏差值包括偏移角速度和偏移角加速度。
一种飞行器，包括基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置。
本发明具有以下的特点和有益效果：
采用上述技术方案，通过对飞行器上多个点位陀螺仪反馈的数据进行高频率的读取，进一步可以计算出飞行器的角速度和角加速度等信息以获取当前飞行器飞行状态的数据，然后根据当前飞行器飞行状态的数据，计算出使飞行器恢复正常飞行状态的重心位置，然后通过PID算法实时对本发明中的配重块进行精准控制使飞行器速且精准恢复到正常飞行状态；对于配重块，只需要两个步进电机进行控制，整体结构简单、反应迅速并且精度较高。协同考虑硬件资源和软件资源的需求，解决了配重块精度差和现有控制方法性能差的问题，能够在受到气流影响时能自动调整重心的位置使飞行器能够快速、精准、安全的恢复到稳定运行状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中自稳定装置的结构示意图；
图2为图1的另一视角结构示意图。
图3为本发明实施例中控制系统的工作原理框图。
图4为图3的工作流程图。
图中，1、第一光轴，2、第二光轴，3、丝杠，4、丝杠螺母，5、联轴器，6、水平步进电机，7、第二半圆板，8、配重块，9、第一半圆板，10、第一半圆板突出轴，11、第一固定板，12、旋转轴承，13、直线轴承，14、Y型移动板，15、中间移动板，16、第二半圆板突出轴，17、弧形限位槽，18、第二固定板，19、光轴底托，20、涡轮，21、步进电机支架，22、蜗杆，23、限位轴，24、旋转步进电机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明提供了一种基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，如图1和图2所示，包括固定架、调节机构和驱动单元，所述调节机构包括丝杆3、连接架和配重块8，所述丝杆3可转动安装在固定架上，所述配重块8固定在连接架的底部，所述连接架的顶部滑接在固定架上且与丝杆3螺纹连接，所述驱动单元固定在固定架上，所述驱动单元动力输出至丝杆3的一端。
上述技术方案中，结构简单，技术合理，通过驱动单元驱动调节机构运行，对配重块8的位置进行调节，进而对飞行器的重心进行水平方向的调整，实现飞行器的水平方向的稳定调整。解决了配重块精度差和现有控制方法性能差的问题，能够在受到气流影响时能自动调整重心的位置使飞行器能够快速、精准、安全的恢复到稳定运行状态。
可以理解的，上述技术方案中与之相配合的还设有控制单元，包括用于实时采集飞行器飞行参数的陀螺仪，用于对陀螺仪数据进行高频采样并分析的主控制器，进而通过输出控制信号至驱动单元，并通过驱动单元带动丝杆3转动，完成配重块8的位置调节，即飞行器的重心调节，因此，能够快速、精准、安全的恢复到稳定运行状态。
本发明的进一步设置，所述固定架包括第一固定板11、第二固定板18、第一光轴1和第二光轴2，所述第一固定板11与第二固定板18平行且呈对称结构设置，所述第一固定板11与第二固定板18的内侧分别固定连接至第一光轴1和第二光轴2的端部，所述丝杆3两侧呈对称结构设置有两根第一光轴1，所述丝杆3位于第二光轴2的正下方，所述连接架的顶部可滑动连接至第一光轴1。
具体的，所述驱动单元包括水平步进电机6，所述水平步进电机6安装在第二固定板18的外侧壁，所述水平步进电机6的动力输出轴贯穿第二固定板18后通过联轴器5与丝杆3的一端固定连接，所述丝杆3的另一端通过旋转轴承12连接至第一固定板11的内侧壁。
上述技术方案中，结构简单，技术合理。固定架整体关于中心面呈对称结构，因此确保配重块的几何中心点在中心面上。因此，通过调节配重块8的位置实现飞行器重心的调节，精度很高，调节效果更好。
进一步的，第一光轴1的端部安装有光轴底托19，因此通过光轴底托19能够起到限位效果，进而避免配重块8移动过度撞击固定架。
本发明的进一步设置，所述连接架包括中间移动板15和Y型移动板14，所述中间移动板15和Y型移动板14的顶部两端分别滑动连接至两根第二光轴1，所述配重块8的两侧固定连接至中间移动板15和Y型移动板14之间，所述中间移动板15设有丝杆螺母4，所述丝杆螺母4螺纹连接至丝杆3。
可以理解的，中间移动板15呈圆形结构，其顶端设有供丝杠相对的移动的缺口。
可以理解的，中间移动板15和Y型移动板14的顶部通过直线轴承13可滑动安装在第一光轴1上。通过直线轴承13安装在第一光轴1上，摩擦力更小，负载减小，调节效率更高。
本发明的进一步设置，所述调节机构还包括第一半圆板9、第二半圆板7、涡轮20和蜗杆22，所述配重块8呈半圆柱体结构，所述第一半圆板9、第二半圆板7分别呈对称结构固定在配重块8的两侧，所述第一半圆板9的轴心位置设有第一半圆板突出轴10，所述第二半圆板7的轴心位置设有第二半圆板突出轴16，所述第一半圆板突出轴10可转动连接至Y型连接的底端，所述第二半圆板突出轴16可转动连接至中间移动板15的中心处，所述第一半圆板突出轴10贯穿中间移动板15后与涡轮20固定连接，所述蜗杆22与涡轮20啮合，所述驱动单元动力输出至蜗杆22。
其中，所述驱动单元还包括旋转步进电机24，所述中间移动板15的外侧壁固定有步进电机支架21，所述旋转步进电机24安装在步进电机支架21，所述旋转步进电机24的动力输出端与蜗杆22的一端固定连接。
上述技术方案中，通过旋转步进电机24驱动蜗杆22转动，进而带动涡轮20转动，从而带动配重块8的旋转。其中旋转步进电机24的正方转，实现配重块8的顺时针、逆时针的转动，进而完成不同方向的重心调节。该技术方案，结构简单，技术合理，调节反应快，更够根据气流的变化，够根据实时的飞行参数进行实时调整，从而实现自我调整。能够快速、精准、安全的恢复到稳定运行状态。
本发明的进一步设置，所述第二半圆板7的外壁设置有限位轴23，所述限位轴23位于第二半圆板7的圆心的正下方，所述中间移动板15上对应限位轴23设置有弧形限位槽17。
上述技术方案中，通过设置相配合的限位轴23和弧形限位槽17，避免旋转角度过大，导致配重块8复位的时候给予旋转步进电机24的负载过大，导致旋转步进电机24损坏。
可以想到的，当飞行器偏移角度过大时，需要配重块8旋转较大的角度才能完成快速的调整，但是为了对旋转步进电机的保护，通过设置限位轴23和弧形限位槽17，其中弧形限位槽17弧度为120°-150°，虽然对配重块的旋转角度有一定的限制，会稍微影响调整的速率，但是能够大大增持旋转步进电机的使用寿命。
可以理解的，可通过对配重块8的的调整实现快速、精准、安全的恢复到稳定运行状态，通过水平步进电机驱动丝杆转动实现配重块水平方向的移动，通过旋转步进电机带动涡轮的转动实现配重块左右方向的移动。从而完成飞行器的全方位调整。因此，可应用至各类型的飞行器，适用范围广，易于推广。另外，还可根据不同型号的飞行器调整配重块的重量，使用更加灵活。
本发明公开了一种用于控制所述基于陀螺仪技术的飞行器自稳定的控制系统，如图3所示，包括
陀螺仪模组，包括安装在飞行器各部位的若干陀螺仪，用于采集飞行器的实际飞行参数数据，其中，所述陀螺仪是一种能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号的传感器，已被广泛应用于各行各业中，在本发明中采用MEMS陀螺仪，若干陀螺仪安装在飞行器的头部、尾部、机身以及左右两翼位置，能够较为精准且广泛的感应偏移数据；
定时器模块，用于对陀螺仪模组采集的实际飞行参数数据进行高频采样，其中，所述定时器模块是单片机内部部一个独立的硬件部分，通过代码可以控制定时功能的开启与关闭，定时器的定时时间与单片机使用的晶振有关，最小可以达到纳秒级别，当定时器溢出时产生中断便会通知单片机处理中断程序，且在定时器计时时不影响其他程序和软件的运行。本发明中，采用STC89C51单片机，其内部有3个16位可编程的定时器，即定时器T0、T1和T2；
陀螺仪数据处理模块，用于对采样的实际飞行参数数据进行处理，
具体的，所述陀螺仪数据处理模块的数据处理方法包括：
1、将当前陀螺仪数据与上一时刻的陀螺仪数据的差值与陀螺仪数据阈值进行比较，若差值数据≤阈值数据，则判定采集到的陀螺仪数据为有效收据，若差值数据≥阈值数据，则判定采集到的陀螺仪数据为无效收据；
2、用下一时刻的有效数据覆盖当前时刻的无效数据；
3、将连续取得的n个数据作为一组求平均值作为当前时刻取得的陀螺仪数据，
4、对所有陀螺仪当前时刻的陀螺仪数据进一步求平均数以消除机身某些部分产生微小形变而造成陀螺仪数据的误差，
5、依次对陀螺仪数据进行加权滤波处理获得新的陀螺仪数据。
数据存储模块，用于存储经陀螺仪数据处理模块处理后的实际飞行参数数据，另外还存储有飞行器的给定飞行参数数据，以及驱动单元运行的关系式数据；
所述的数据存储模块使用的是AT24C02芯片，所述AT24C02芯片是一种以IIC接口的EEPROM器件，单片机可以通过IIC通信的方式将数据存储到AT24C02芯片中去，所述的EEPROM是一种只读存储器，掉电后可继续存储数据，在高于普通电压的作用下可以实现数据的擦除和重写；
陀螺仪数据转换模块，用于读取数据存储模块中经处理后的实际飞行参数数据以及给定飞行参数数据，并进行比对，进而得到实际飞行参数数据与给定飞行参数数据的偏差值，最后存储至数据存储至数据存储模块，其中，所述实际飞行参数数据与给定飞行参数数据的偏差值包括偏移角速度和偏移角加速度。
具体的，所述陀螺仪数据转换模块的数据处理方法包括：
1、陀螺仪数据转换模块从数据储存模块获取经处理后的实际飞行参数数据，即对陀螺仪数据进行加权滤波处理获得新的陀螺仪数据；
2、得到当前时刻飞行器相对于x轴、y轴、z轴的夹角，
3、对时间进行微分可以得到当前时刻飞行器相对于x轴、y轴、z轴的角速度以及角加速度；
4、将飞行器的实际飞行参数与飞行器的给定飞行参数进行对比，得出飞行器实际飞行参数与给定参数的偏差；
5、将所需数据储存到数据储存模块中。
配重方案实时计算模块，用于实时读取数据库中实际飞行参数数据与给定飞行参数数据的偏差值以及驱动单元运行的关系式数据，得到驱动单元的运行参数；
可以理解的，根据当前飞行器飞行参数计算出维持飞行器平衡状态所需要的重物重量及重心位置，并转化为给定水平步进电机和旋转步进电机的脉冲数。
可以想到的，所述步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在非超载的情况下，电机的转速、移动的距离、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。
所述脉冲数与步进电机旋转角度有如下关系式：
脉冲数＝步进电机旋转角度×细分数/步距角，其中步距角和细分数均为步进电机的已知数据。
所述丝杠传动有以下关系式：
行程＝丝杠旋转圈数x导程，导程＝头数x螺距。其中螺距、头数均为丝杠的已知数据，其中丝杠运动圈数(可以非整圈)与步进电机的旋转角度一致，其中行程即配重块的重心到x方向轴、y方向轴、z方向轴的距离。
则此时有如下关系式：
脉冲数＝(行程/丝杠旋转圈数/头数/螺距)×(细分数/步距角)
从而可以将配重块的重心位置数据转化为给定水平步进电机和旋转步进电机的脉冲数，进而控制水平步进电机和旋转步进电机达到指定位置。
具体的，飞行器实际飞行参数与给定参数的偏差值可以看做是飞行器分别绕x方向轴旋转、y方向轴旋转、z方向轴旋转后的合运动，然后再分别对绕x方向轴旋转、y方向轴旋转、z方向轴旋转的分运动进行分析。以绕x方向轴旋转的分运动为例，已知绕某一定轴做圆周运动的物体上的每一点的角速度ω相同，且该点线速度的大小与该点到轴线的距离成正比，若给定飞行器长L，设x方向轴左侧长度为d1，x方向轴右侧长度为d2，同时可获知在飞行器左右两侧端点处的线速度v1和v2，则根据下列公式可得出d1和d2的值，从而得出x方向轴所在位置。
给定飞行器左侧重量为m1，且重心与x方向轴的距离为l1，给定飞行器右侧重量为m2，且右侧重心与x方向轴的距离为l2，给定配重块的质量为mg，设配重块的重心与x方向轴的距离为lg，根据力矩平衡的原理可知，配重块的应当加在较轻的一侧(假定右侧轻)才能保持平衡，然后根据下列公式可得出lg的值。
m1l1＝m2l2+mglg
同理可得配重块的重心到x方向轴、y方向轴、z方向轴的距离，从而可以确定配重块的重心的具体位置。继而得到配重块水平方向调整的距离和左右两侧所要旋转的角度。进而通过驱动单元实现对配重块的调节。
上述L、m1、l1、m2、l2均为飞行器自身的已知数据，上述mg为配重块的已知数据。
PID控制模块，用于接收配重方案实时计算模块计算得到的驱动单元的运行参数，进而输出控制信号驱动单元，其中，PID控制模块实际上是一种算法或者控制策略，PID控制模块可以根据系统的误差，利用比例系数、积分时间常数和微分时间常数迅速、准确、平稳的计算出控制量从而消除偏差，达到良好的控制效果；
驱动单元，接收到控制信号后驱动调节机构运行。
可以理解的，所述陀螺仪数据处理模块、陀螺仪数据转换模块、配重方案实时计算模块本质是单片机的运算器，为了加快对数据的处理，没有采用串行工作的方式，而是采用并行工作的方式，也就是说通过不同的运算器同步去计算不同的数学公式以达到缩短计算时间的效果。
上述技术方案的工作原理，如图4所示，包括以下步骤：
S1将自稳定装置中所用步进电机的脉冲频率与步进电机转动的角度的关系式储存在数据储存模块内；将调节机构中丝杠旋转圈数与传动距离的关系式储存在数据储存模块内；将调节机构机构中涡轮蜗杆的传动比例储存在数据储存模块内。
S2给定飞行器飞行参数(包括方向、速度等)
S3在飞行器的多个部位安装有陀螺仪模块，主要安装在飞行器的机翼、机身、机头、机尾等具有代表性的位置，并进行初始化数据；
S4通过定时器模块实现对每个陀螺仪模组的数据进行高频采样；
S5通过陀螺仪数据处理模块对陀螺仪数据进行处理：
将当前陀螺仪数据与上一时刻的陀螺仪数据的差值与陀螺仪数据阈值进行比较，若差值数据≤阈值数据，则判定采集到的陀螺仪数据为有效收据，若差值数据≥阈值数据，则判定采集到的陀螺仪数据为无效收据；
用下一时刻的有效数据覆盖当前时刻的无效数据；
将连续取得的十个数据作为一组求平均值作为当前时刻取得的陀螺仪数据，
对所有陀螺仪当前时刻的陀螺仪数据进一步求平均数以消除机身某些部分产生微小形变而造成陀螺仪数据的误差，
依次对陀螺仪数据进行加权滤波处理获得新的陀螺仪数据。
S6将进行滤波处理过后的陀螺仪数据储存在数据储存模块当中
S7通过陀螺仪数据转换模块对陀螺仪数据进行处理：
陀螺仪数据转换模块从数据储存模块获取陀螺仪数据；
得到当前时刻飞行器相对于x轴、y轴、z轴的夹角，
对时间进行微分可以得到当前时刻飞行器相对于x轴、y轴、z轴的角速度以及角加速度，
将飞行器的实际飞行参数与飞行器的给定飞行参数进行对比，得出飞行器实际飞行参数与给定参数的偏差；
将所需数据储存到数据储存模块中
S8配重方案实时计算模块实时从数据模块中获取飞行器实际飞行参数与给定飞行参数的差值(偏移速度、偏移加速度等)；
S9配重方案实时计算模块根据当前飞行器飞行参数计算出维持飞行器平衡状态所需要的重物重量及重心位置，并转化为给定水平步进电机和旋转步进电机的脉冲数。
S10最后通过PID控制模块对调节机构进行实时实时控制(主要是对水平步进电机6和旋转步进电机24运动的控制)以改变改变飞行器重心的位置，使飞行器在受到气流影响产生颠簸时自动保持稳定。
S11调节机构的第一固定板11和第二固定板12应固定在飞行器的内部。当水平步进电机6开始转动时，可以通过联轴器5带动丝杠3转动，从而带动与丝杠螺母4相连的中间移动板15在直线轴承13和第一光轴的限制下实现水平运动，进一步带动通过第二半圆板7与中间移动板15装配在一起的重物8做水平运动，同时带动与重物9另一端的第一半圆板9相连的Y形移动板在在直线轴承13和第一光轴的限制下实现水平运动，通过改变水平步进电机6旋转的顺逆方向，从而可以改变重心在水平方向上的位置。
当旋转步进电机24开始转动时，与旋转步进电机24固连的蜗杆22随着旋转步进电机24的转动开始转动，在蜗杆22与涡轮20的啮合下涡轮20也开始转动，然后带动通过第二半圆板突出轴16与涡轮20固连的第二半圆板7在竖直平面内做旋转运动，从而带动重物8在竖直平面内做旋转运动，进而实现重心位置在竖直平面内的改变。
需要说明的是，本发明中的设计实施例除了可应用于飞行器之外，还可应用于细长型的空中飞行器或水下(上)航海器，比如飞机、滑翔机、轮船和潜艇。
本发明还公开了一种飞行器，包括基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置。
实施例2
在本实施例与实施例1的区别在于，在所述调节机构的水平平面内设有一个纵向移动的配重块，进而可用于扁平状的空中飞行器和水下航海器。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，其特征在于，包括固定架、调节机构和驱动单元，所述调节机构包括丝杆(3)、连接架和配重块(8)，所述丝杆(3)可转动安装在固定架上，所述配重块(8)固定在连接架的底部，所述连接架的顶部滑接在固定架上且与丝杆(3)螺纹连接，所述驱动单元固定在固定架上，所述驱动单元动力输出至丝杆(3)的一端。
2.根据权利要求1所述的基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，其特征在于，所述固定架包括第一固定板(11)、第二固定板(18)、第一光轴(1)和第二光轴(2)，所述第一固定板(11)与第二固定板(18)平行且呈对称结构设置，所述第一固定板(11)与第二固定板(18)的内侧分别固定连接至第一光轴(1)和第二光轴(2)的端部，所述丝杆(3)两侧呈对称结构设置有两根第一光轴(1)，所述丝杆(3)位于第二光轴(2)的正下方，所述连接架的顶部可滑动连接至第一光轴(1)。
3.根据权利要求2所述的基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，其特征在于，所述连接架包括中间移动板(15)和Y型移动板(14)，所述中间移动板(15)和Y型移动板(14)的顶部两端分别滑动连接至两根第二光轴(1)，所述配重块(8)的两侧固定连接至中间移动板(15)和Y型移动板(14)的内侧壁，所述中间移动板(15)设有丝杆螺母(4)，所述丝杆螺母(4)螺纹连接至丝杆(3)。
4.根据权利要求3所述的基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，其特征在于，所述驱动单元包括水平步进电机(6)，所述水平步进电机(6)安装在第二固定板(18)的外侧壁，所述水平步进电机(6)的动力输出轴贯穿第二固定板(18)后通过联轴器(5)与丝杆(3)的一端固定连接，所述丝杆(3)的另一端通过旋转轴承(12)连接至第一固定板(11)的内侧壁。
5.根据权利要求4所述的基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，其特征在于，所述调节机构还包括第一半圆板(9)、第二半圆板(7)、涡轮(20)和蜗杆(22)，所述配重块(8)呈半圆柱体结构，所述第一半圆板(9)、第二半圆板(7)分别呈对称结构固定在配重块(8)的两侧，所述第一半圆板(9)的轴心位置设有第一半圆板突出轴(10)，所述第二半圆板(7)的轴心位置设有第二半圆板突出轴(16)，所述第一半圆板突出轴(10)可转动连接至Y型连接的底端，所述第二半圆板突出轴(16)可转动连接至中间移动板(15)的中心处，所述第一半圆板突出轴(10)贯穿中间移动板(15)后与涡轮(20)固定连接，所述蜗杆(22)与涡轮(20)啮合，所述驱动单元动力输出至蜗杆(22)。
6.根据权利要求5所述的基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，其特征在于，所述驱动单元还包括旋转步进电机(24)，所述中间移动板(15)的外侧壁固定有步进电机支架(21)，所述旋转步进电机(24)安装在步进电机支架(21)，所述旋转步进电机(24)的动力输出端与蜗杆(22)的一端固定连接。
7.根据权利要求6所述的基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，其特征在于，所述第二半圆板(9)的外壁设置有限位轴(23)，所述限位轴(23)位于第二半圆板(9)的圆心的正下方，所述中间移动板(15)上对应限位轴(23)设置有弧形限位槽(17)。
8.一种用于控制权利要求1-7任意一项所述基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置的控制系统，其特征在于，包括
陀螺仪模组，包括安装在飞行器各部位的若干陀螺仪，用于采集飞行器的实际飞行参数数据；
定时器模块，用于对陀螺仪模组采集的实际飞行参数数据进行高频采样；
陀螺仪数据处理模块，用于对采样的实际飞行参数数据进行处理；
数据存储模块，用于存储经陀螺仪数据处理模块处理后的实际飞行参数数据，另外还存储有飞行器的给定飞行参数数据，以及驱动单元运行的关系式数据；
陀螺仪数据转换模块，用于读取数据存储模块中经处理后的实际飞行参数数据以及给定飞行参数数据，并进行比对，进而得到实际飞行参数数据与给定飞行参数数据的偏差值，最后存储至数据存储至数据存储模块；
配重方案实时计算模块，用于实时读取数据库中实际飞行参数数据与给定飞行参数数据的偏差值以及驱动单元运行的关系式数据，得到驱动单元的运行参数；
PID控制模块，用于接收配重方案实时计算模块计算得到的驱动单元的运行参数，进而输出控制信号驱动单元；
驱动单元，接收到控制信号后驱动调节机构运行。
9.根据权利要求8所述的基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置，其特征在于，所述实际飞行参数数据与给定飞行参数数据的偏差值包括偏移量、偏移速度和偏移加速度。
10.一种飞行器，包括权利要求1-7任意一项所述的基于陀螺仪技术的飞行器自稳定装置。
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