CN114136337B - 一种双框架控制力矩陀螺平台系统及力矩测试方法 - Google Patents

Abstract

一种双框架控制力矩陀螺平台系统及力矩测试方法，属于控制力矩陀螺技术领域，包括支撑架组件、框架角度测量系统、金字塔式基座、控制力矩陀螺群以及控制系统，支撑架组件包括门型框架、立柱底座、横轴固定座以及桌面，所述桌面为平面结构；框架角度测量系统包括Y轴框架、Y轴固定轴以及弹簧测力器，金字塔式基座包括斜角连接板和塔座底板，控制力矩陀螺群包括两个单框架控制力矩陀螺，每个单框架控制力矩陀螺通过斜角连接板固定设置在塔座底板上。本发明可以有效模拟微型控制力矩陀螺组合体在轨工作的实际力学工况,对产品的性能,极限能力进行直接测试。

Description

一种双框架控制力矩陀螺平台系统及力矩测试方法

技术领域

本发明属于控制力矩陀螺技术领域，特别是涉及到一种双框架控制力矩陀螺平台系统。

背景技术

控制力矩陀螺是一类航天器姿态控制执行机构，具有输出力矩大、控制精度高、不消耗工质等优点，被应用于空间站等大型航天器。近年来其应用领域逐步扩展到灵敏小卫星与空间机动飞行器等。

厦门理工大学发明的一种基于双陀螺稳定器的汽车防侧翻装置(申请号：201810683993.5)就是应用的力矩陀螺系统的原理，当车辆存在侧翻危险时，通过控制陀螺稳定器模块工作。力矩陀螺装置使得防侧翻装置结构简单、响应速度快、有效提供足够回正力矩的缺陷，提高了车辆主动防侧翻能力。

清华大学施路平教授带领的团队进行的无人驾驶自行车的试验，运用了力矩陀螺角动量守恒的原理，通过控制动量轮运动转向以及装备了IMU传感器、摄像头、转向电机、驱动电机、调速电机和电池等其他部件，使其能执行实时目标探测、跟踪、语音命令识别、过障、自动避障、自平衡和自主决策等行为。骑自行车的时候，前后方向上的平衡靠的是有两轮子的支撑，以及地面的摩擦力。在左右方向上通过调节龙头来获得转向的加速度以此抵消重力的影响。相对静止状态下要靠角动量守恒，当系统中的物体角动量发生变化的时候，就会将力矩传递给其他物体。

对于陀螺的运动平衡来说，动量轮在转动的同时，自转轴是否变动将陀螺的运动将产生不同效应。在一定的初始条件和一定的外力矩在作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(Precession)，又称为回转效应(Gyroscopic effect)。

基于该效应，诸多发明围绕着如何利用单框架或多框架控制力矩陀螺产生姿态变换的控制力矩或者维持姿态稳定的平衡力矩，但是缺少一种能够实时控制并检测控制力矩性能的方法和平台系统。

因此，现有技术亟需一种新的方案来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种双框架控制力矩陀螺平台系统及力矩测试方法，可以有效模拟微型控制力矩陀螺组合体在轨工作的实际力学工况,对产品的性能,极限能力进行直接测试。

一种双框架控制力矩陀螺平台系统，其特征是：包括支撑架组件、框架角度测量系统、金字塔式基座、控制力矩陀螺群以及控制系统，

所述支撑架组件包括门型框架、立柱底座、横轴固定座以及桌面，所述桌面为平面结构；所述立柱底座为两个，设置在桌面上；所述门型框架采用4040型材通过角码连接形成门型框架结构，且框架底部分别与立柱底座固定连接；所述横轴固定座为两个，分别设置在门型框架两立板内侧；

所述框架角度测量系统包括Y轴框架、Y轴固定轴以及弹簧测力器，所述Y轴固定轴为两个，分别与横轴固定座固定连接；所述Y轴框架为合金矩形框架，水平设置在两个Y轴固定轴之间，且与Y轴固定轴转动连接；所述弹簧测力器设置在门型框架的顶部；

所述金字塔式基座包括斜角连接板和塔座底板，所述塔座底板通过螺钉固定设置在Y轴框架上；所述斜角连接板通过螺钉固定设置在塔座底板的四边处；

所述控制力矩陀螺群包括两个单框架控制力矩陀螺，所述每个单框架控制力矩陀螺通过斜角连接板固定设置在塔座底板上；所述单框架控制力矩陀螺包括RS-2838电机、motor STH电机、动量轮、深沟球轴承Ⅱ、单片机等电子元件、转子框架骨架、过孔滑环、固定法兰、固定板、下壳体以及中壳体，所述RS-2838电机、动量轮以及深沟球轴承Ⅱ设置在转子框架骨架上，RS-2838电机与深沟球轴承Ⅱ相对称设置；所述过孔滑环设置在转子框架骨架的下部，过孔滑环下部的孔与motor STH电机的轴过盈配合；所述固定板设置在motor STH电机的上部，固定板上通过螺钉设置有固定法兰；所述下壳体与两个中壳体组成陀螺形外壳结构；

所述控制系统包括电源模块、arduino单片机控制模块、蓝牙模块、变频变压模块、步进电机控制模块Ⅰ、步进电机控制模块Ⅱ、高速无刷直流电机控制模块Ⅰ、高速无刷直流电机控制模块Ⅱ以及传感器MPU，所述电源模块外接电源，所述arduino单片机控制模块经过变频变压模块与步进电机控制模块Ⅰ以及步进电机控制模块Ⅱ电性连接；所述步进电机控制模块Ⅰ与高速无刷直流电机控制模块Ⅰ电性连接；所述步进电机控制模块Ⅱ与高速无刷直流电机控制模块Ⅱ电性连接；所述传感器MPU与arduino单片机控制模块电性连接。

所述横轴固定座通过角码设置在门型框架上，横轴固定座与Y轴固定轴连接处设置有深沟球轴承Ⅰ，横轴固定座的端部设置有型材横轴轴承端盖。

所述塔座底板四边设置的斜角连接板，其中y轴方向上两个对应斜角连接板用于固定单框架控制力矩陀螺，x轴方向上两个斜角连接板用于连接弹簧测力器。

所述过孔滑环设置有6路线，分别引入5v电压的正负极，24v电压的正负极和步进电机的信号引线。

所述传感器MPU采集动量轮以及转子框架骨架的转动信号传输至arduino单片机控制模块。

一种双框架控制力矩陀螺力矩测试方法，其特征是：采用所述的一种双框架控制力矩陀螺平台系统，控制系统驱动控制力矩陀螺群的两个控制力矩陀螺同时工作，两个控制力矩陀螺各自会产生动量矩L，g为框架轴旋转矢量；β为安装角，δ为框架角；当两个控制力矩陀螺同时工作时，会使得整个系统产生一个角动量l，

角动量l在x方向上分量可表示为：l₂＝L(cosδ₁)+L(-cosδ₃)；

角动量l在y方向上分量可表示为：l₁＝L(-cosβsinδ₁)+L(cosβsinδ₃)；

角动量l在z方向上分量可表示为：l₃＝L(sinβsinδ₁)+L(sinβsinδ₃)。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种双框架控制力矩陀螺平台系统及力矩测试方法，可以有效模拟微型控制力矩陀螺组合体在轨工作的实际力学工况,对产品的性能,极限能力进行直接测试。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明一种双框架控制力矩陀螺平台系统主视结构示意图。

图2为本发明一种双框架控制力矩陀螺平台系统左视结构示意图。

图3为本发明一种双框架控制力矩陀螺平台系统俯视结构示意图。

图4为本发明一种双框架控制力矩陀螺平台系统单框架控制力矩陀螺结构示意图。

图5为本发明一种双框架控制力矩陀螺平台系统横轴固定座连接结构示意图。

图6为本发明一种双框架控制力矩陀螺平台系统控制电路系统PCB图。

图7为本发明一种双框架控制力矩陀螺平台系统arduino单片机控制模块电路图。

图8为本发明一种双框架控制力矩陀螺平台系统的控制模块控制原理图。

图9为本发明一种双框架控制力矩陀螺平台系统力矩测试方法的力学分析图。

图10为本发明一种双框架控制力矩陀螺平台系统姿态控制原理图。

图中10-支撑架组件、20-框架角度测量系统、30-金字塔式基座、40-控制力矩陀螺群、50-控制系统、101-门型框架、102-立柱底座、103-横轴固定座、104-桌面、105-深沟球轴承Ⅰ、106-型材横轴轴承端盖、107-角码、201-Y轴框架、202-Y轴固定轴、203-弹簧测力器、301-斜角连接板、302-塔座底板、401-RS-2838电机、402-motor STH电机、403-动量轮、404-深沟球轴承Ⅱ、405-单片机等电子元件、406-转子框架骨架、407-过孔滑环、408-固定法兰、409-固定板、410-下壳体、411-中壳体、501-电源模块、502-arduino单片机控制模块、503-蓝牙模块、504-变频变压模块、505-步进电机控制模块Ⅰ、506-步进电机控制模块Ⅱ、507-高速无刷直流电机控制模块Ⅰ、508-高速无刷直流电机控制模块Ⅱ、509-传感器MPU。

具体实施方式

一种双框架控制力矩陀螺平台系统，如图1～图7所示，包括支撑架组件10、框架角度测量系统20、金字塔式基座30、控制力矩陀螺群40以及控制系统50，

所述支撑架组件10包括门型框架101、立柱底座102、横轴固定座103以及桌面104，门型框架101采用4040型材通过角码连接组成门形，并在型材底部通过螺钉安装立柱底座102并固定在桌面104上，为搭建框架角度测量系统20提供基础。

横轴固定座103包括深沟球轴承Ⅰ105、型材横轴轴承端盖106、角码107。在横轴固定座103与Y轴固定轴202的连接处有并行排列的两个深沟球轴承Ⅰ105，保障了与Y轴固定轴202连接后Y轴框架201的转动。

所述框架角度测量系统20包括Y轴框架201、Y轴固定轴202、弹簧测力器203。所述Y轴固定轴202通过横轴固定座103固定在门形框架内。所述Y轴框架201是由合金钢构成的矩形框架，在连接Y轴固定轴202后可实现受到外力矩下转动。所述弹簧测力器203通过型材上的斜角连接板301吊挂在门形框架顶部。

所述金字塔式基座30包括斜角连接板301和塔座底板302。所述塔座底板302通过螺钉连接固定在Y轴框架201上，使得Y轴框架201随着塔座底板302转动。斜角连接板301通过螺钉连接固定在塔座底板302的四边，其中y轴方向上两个对应斜角连接板用以固定两个控制力矩陀螺，x轴方向上两个斜角连接板用以连接弹簧测力器203。

所述控制力矩陀螺群40包括两个单框架控制力矩陀螺。两个单框架控制力矩陀螺通过斜角连接板301固定在塔座底板302上。其中的每个单框架控制力矩陀螺包括RS-2838电机401、motor STH电机402、动量轮403、深沟球轴承Ⅱ404、单片机等电子元件405、转子框架骨架406、过孔滑环407、固定法兰408、固定板409、下壳体410、中壳体411等。

具体的，在RS-2838电机401对面放有深沟球轴承Ⅱ404作为支撑，经过详细测量，其结构的重心刚好中心。另一侧空间放置单片机等电子元件405，空间刚好充分利用。所述转子框架骨架406支持动量轮403、RS-2838电机401和深沟球轴承Ⅱ404。该骨架采用PLA材料3D打印而成，为的是大幅度吸收震动，以降级高速电机旋转所带来的干扰。所述过孔滑环407通过轴与骨架下部相连。过孔滑环407有6路线，分别引入5v电压的正负极，24v电压的正负极和步进电机的信号引线。过孔滑环407下部的孔与motor STH电机402的轴过盈配合，固定法兰408通过螺钉与电机上面的固定板409连接。过孔滑环下面是motor STH电机402，用以精确的控制转动角度。整个CMG是由一个下壳体410和两个中壳体411包围而成，采用PLA打印材料。

其中，RS-2838电机401是高速无刷直流电机，提供角动量；motor STH电机402是高精度步进电机，控制精确的转动角度，以便控制扭矩。动量轮403采用铜质材料，在高速无刷直流电机RS-2838的驱动下，可飞快旋转，速度可达8000RPM，以提高大的角动量。

所述控制系统50包括电源模块501，arduino单片机控制模块502，蓝牙模块503，变频变压模块504，步进电机控制模块Ⅰ505，步进电机控制模块Ⅱ506，高速无刷直流电机控制模块Ⅰ507，高速无刷直流电机控制模块Ⅱ508，传感器MPU509。

所述电源模块501接电，arduino单片机控制模块502开始启动，蓝牙模块503连接电脑上的x com，arduino单片机控制模块502经过变频变压后对步进电机控制模块Ⅰ505、步进电机控制模块Ⅱ506传输指令，驱动步进电机Ⅰ、Ⅱ转动，arduino单片机控制模块502直接对高速无刷直流电机控制模块Ⅰ507、高速无刷直流电机控制模块Ⅱ508传输指令，高速无刷直流电机Ⅰ、Ⅱ驱动动量轮转动；动量轮和转子框架骨架转动的情况通过传感器MPU509传递给arduino单片机控制模块502进行调节。

系统输入指令传递给CMGS模块的CPU后，IWU模块开始检测姿态变化，对转子在空间坐标系中的位置，速度和加速度进行检测，之后进行PWU开环速度控制、使能控制、正反转控制和能耗制动控制，通过调节其中一个电机或步进电机和高速无刷直流电机同时进行调节，再将调节后的结果后的信号通过滤波器反馈给输入信号进行调节，直到测试系统达到稳定状态。本发明能远程连接上位机，主动控制同时也能被动测试，形成自动反馈，即测试平台验证控制力矩，同时利用这些性质达到自稳的状态。

采用本发明进行力矩测试的工作原理如图8、图10所示：框架转动迫使动量轮的角动量改变方向，动量轮角动量进动将产生陀螺反作用力矩作用在框架基座上，形成等效的内控制力矩.力矩在数值上等于单位时间内角动量的变化率，方向沿角动量变化的负方向。

具体计算方法为：如图9所示的力学分析图当两个控制力矩陀螺同时工作时，各自会产生动量矩L，而g为框架轴旋转矢量；β为安装角，δ为框架角(均相对于水平基面的夹角)。当两个控制力矩陀螺同时工作时，会使得整个系统产生一个角动量l.角动量l在x方向上分量可表示为：

l₂＝L(cosδ₁)+L(-cosδ₃)；

角动量l在y方向上分量可表示为：

l₁＝L(-cosβsinδ₁)+L(cosβsinδ₃)；

角动量l在z方向上分量可表示为：

l₃＝L(sinβsinδ₁)+L(sinβsinδ₃)

以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明的实施例只是针对本发明的一个说明示例，并不构成对本发明的限制。而对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双框架控制力矩陀螺平台系统，其特征是：包括支撑架组件(10)、框架角度测量系统(20)、金字塔式基座(30)、控制力矩陀螺群(40)以及控制系统(50)，

所述支撑架组件(10)包括门型框架(101)、立柱底座(102)、横轴固定座(103)以及桌面(104)，所述桌面(104)为平面结构；所述立柱底座(102)为两个，设置在桌面(104)上；所述门型框架(101)采用4040型材通过角码连接形成门型框架结构，且框架底部分别与立柱底座(102)固定连接；所述横轴固定座(103)为两个，分别设置在门型框架(101)两立板内侧；

所述框架角度测量系统(20)包括Y轴框架(201)、Y轴固定轴(202)以及弹簧测力器(203)，所述Y轴固定轴(202)为两个，分别与横轴固定座(103)固定连接；所述Y轴框架(201)为合金矩形框架，水平设置在两个Y轴固定轴(202)之间，且与Y轴固定轴(202)转动连接；所述弹簧测力器(203)设置在门型框架(101)的顶部；

所述金字塔式基座(30)包括斜角连接板(301)和塔座底板(302)，所述塔座底板(302)通过螺钉固定设置在Y轴框架(201)上；所述斜角连接板(301)通过螺钉固定设置在塔座底板(302)的四边处；

所述控制力矩陀螺群(40)包括两个单框架控制力矩陀螺，所述每个单框架控制力矩陀螺通过斜角连接板(301)固定设置在塔座底板(302)上；所述单框架控制力矩陀螺包括RS-2838电机(401)、motor STH电机(402)、动量轮(403)、深沟球轴承Ⅱ(404)、单片机等电子元件(405)、转子框架骨架(406)、过孔滑环(407)、固定法兰(408)、固定板(409)、下壳体(410)以及中壳体(411)，所述RS-2838电机(401)、动量轮(403)以及深沟球轴承Ⅱ(404)设置在转子框架骨架(406)上，RS-2838电机(401)与深沟球轴承Ⅱ(404)相对称设置；所述过孔滑环(407)设置在转子框架骨架(406)的下部，过孔滑环(407)下部的孔与motor STH电机(402)的轴过盈配合；所述固定板(409)设置在motor STH电机(402)的上部，固定板(409)上通过螺钉设置有固定法兰(408)；所述下壳体(410)与两个中壳体(411)组成陀螺形外壳结构；

所述控制系统(50)包括电源模块(501)、arduino单片机控制模块(502)、蓝牙模块(503)、变频变压模块(504)、步进电机控制模块Ⅰ(505)、步进电机控制模块Ⅱ(506)、高速无刷直流电机控制模块Ⅰ(507)、高速无刷直流电机控制模块Ⅱ(508)以及传感器MPU(509)，所述电源模块(501)外接电源，所述arduino单片机控制模块(502)经过变频变压模块(504)与步进电机控制模块Ⅰ(505)以及步进电机控制模块Ⅱ(506)电性连接；所述步进电机控制模块Ⅰ(505)与高速无刷直流电机控制模块Ⅰ(507)电性连接；所述步进电机控制模块Ⅱ(506)与高速无刷直流电机控制模块Ⅱ(508)电性连接；所述传感器MPU(509)与arduino单片机控制模块(502)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种双框架控制力矩陀螺平台系统，其特征是：所述横轴固定座(103)通过角码(107)设置在门型框架(101)上，横轴固定座(103)与Y轴固定轴(202)连接处设置有深沟球轴承Ⅰ(105)，横轴固定座(103)的端部设置有型材横轴轴承端盖(106)。

3.根据权利要求1所述的一种双框架控制力矩陀螺平台系统，其特征是：所述塔座底板(302)四边设置的斜角连接板(301)，其中y轴方向上两个对应斜角连接板(301)用于固定单框架控制力矩陀螺，x轴方向上两个斜角连接板(301)用于连接弹簧测力器(203)。

4.根据权利要求1所述的一种双框架控制力矩陀螺平台系统，其特征是：所述过孔滑环(407)设置有6路线，分别引入5v电压的正负极，24v电压的正负极和步进电机的信号引线。

5.根据权利要求1所述的一种双框架控制力矩陀螺平台系统，其特征是：所述传感器MPU(509)采集动量轮(403)以及转子框架骨架(406)的转动信号传输至arduino单片机控制模块(502)。

6.一种双框架控制力矩陀螺力矩测试方法，其特征是：采用权利要求1所述的一种双框架控制力矩陀螺平台系统，控制系统(50)驱动控制力矩陀螺群(40)的两个控制力矩陀螺同时工作，两个控制力矩陀螺各自会产生动量矩L，g为框架轴旋转矢量；β为安装角，δ为框架角；当两个控制力矩陀螺同时工作时，会使得整个系统产生一个角动量l，

角动量l在x方向上分量可表示为：l₂＝L(cosδ₁)+L(-cosδ₃)；

角动量l在y方向上分量可表示为：l₁＝L(-cosβsinδ₁)+L(cosβsinδ₃)；

角动量l在z方向上分量可表示为：l₃＝L(sinβsinδ₁)+L(sinβsinδ₃)。

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