基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置制造方法
【專利摘要】基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置，它涉及一種倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置，以解決基于慣量輪的穩(wěn)定裝置維持倒立擺系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，存在慣性大、結(jié)構(gòu)笨重、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、換向會(huì)造成系統(tǒng)震動(dòng)致使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，以及基于單陀螺儀的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)維持倒立擺系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，存在產(chǎn)生平衡力矩的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾力使倒立擺系統(tǒng)發(fā)生偏航的問題，它包括支架、兩套陀螺儀和兩套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)；支撐框架的中部安裝有豎直設(shè)置的支柱，兩套陀螺儀關(guān)于支柱對(duì)稱設(shè)置且位于支撐框架內(nèi)；兩套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)關(guān)于支柱對(duì)稱設(shè)置且位于支撐框架的上端面上。本發(fā)明用于小型無人直升機(jī)起降過程中的姿態(tài)鎮(zhèn)定和獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)平衡控制。
【專利說明】基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置，具體涉及一種基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置，屬于倒立擺系統(tǒng)的動(dòng)平衡與靜平衡【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前倒立擺系統(tǒng)一個(gè)最困難的問題就是側(cè)面姿態(tài)的穩(wěn)定性，大多數(shù)都采用慣量輪與單陀螺儀的裝置來維持倒立擺系統(tǒng)的側(cè)平衡，基于慣量輪的穩(wěn)定裝置的特點(diǎn)是通過轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)來維持系統(tǒng)的動(dòng)平衡，優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的扭矩大，能快速使倒立擺系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，缺點(diǎn)就是慣性大、結(jié)構(gòu)笨重、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、換向會(huì)造成系統(tǒng)震動(dòng)致使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低；單陀螺儀的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)原理是通過陀螺儀的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生的扭矩來維持倒立擺系統(tǒng)的動(dòng)平衡，優(yōu)點(diǎn)是慣性小、調(diào)節(jié)方便，缺點(diǎn)是在產(chǎn)生平衡力矩的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾力使倒立擺系統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)生偏航。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是為解決基于慣量輪的穩(wěn)定裝置維持倒立擺系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，存在慣性大、結(jié)構(gòu)笨重、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、換向會(huì)造成系統(tǒng)震動(dòng)致使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，以及基于單陀螺儀的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)維持倒立擺系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，存在產(chǎn)生平衡力矩的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾力使倒立擺系統(tǒng)發(fā)生偏航的問題，進(jìn)而提供一種基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置。
[0004]本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明的基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置包括支架、兩套陀螺儀和兩套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)；
[0005]所述支架包括支撐框架和支柱，支撐框架的中部安裝有豎直設(shè)置的支柱，兩套陀螺儀關(guān)于支柱對(duì)稱設(shè)置且位于支撐框架內(nèi)；
[0006]每套陀螺儀包括電機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)轉(zhuǎn)子，所述電機(jī)為雙輸出軸直流電機(jī)，旋轉(zhuǎn)軸豎直設(shè)置在支撐框架上，旋轉(zhuǎn)軸能沿自身的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)水平安裝在旋轉(zhuǎn)軸的中部，電機(jī)的兩個(gè)輸出軸同軸且水平設(shè)置，電機(jī)的兩個(gè)輸出軸上分別安裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子；
[0007]兩套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)關(guān)于支柱對(duì)稱設(shè)置且位于支撐框架的上端面上，所述每套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)包括連接桿、兩個(gè)永磁體和兩個(gè)線圈，連接桿設(shè)置在支撐框架的上表面且連接桿與旋轉(zhuǎn)軸連接，連接桿的長(zhǎng)度方向與旋轉(zhuǎn)軸的軸向垂直，連接桿的兩端分別安裝有一個(gè)永磁體，支撐框架的上表面上安裝有并列設(shè)置的兩個(gè)線圈，且兩個(gè)線圈與兩個(gè)永磁體分別正對(duì)設(shè)置，線圈的軸向與電機(jī)的輸出軸的軸向平行。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:
[0009]1、本發(fā)明構(gòu)造簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)合理，維護(hù)方便，實(shí)用；
[0010]2、工作可靠，雙陀螺儀結(jié)構(gòu)消除了單陀螺儀產(chǎn)生的干擾力矩；
[0011]3、高安全性，雙陀螺結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的合力矩?fù)Q向方便，避免了換向會(huì)造成系統(tǒng)震動(dòng)致使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低；
[0012]4、維持系統(tǒng)平衡能力強(qiáng)，只需控制線圈中的電流就可以調(diào)整進(jìn)動(dòng)力矩，具有反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，0.02秒內(nèi)陀螺儀的偏航角速度從O到50轉(zhuǎn)/秒，本發(fā)明穩(wěn)定裝置使倒立擺系統(tǒng)短時(shí)間(0.5秒)內(nèi)回復(fù)平衡狀態(tài)，啟動(dòng)時(shí)間短；
[0013]5、本發(fā)明中陀螺儀的偏航動(dòng)力直接來源于電磁線圈與永磁體的電磁作用，可以提供較大的瞬時(shí)扭矩；
[0014]6、本發(fā)明可以使倒立擺系統(tǒng)維持靜平衡與動(dòng)平衡，可應(yīng)用在飛行器的起降過程中的姿態(tài)鎮(zhèn)定、獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)平衡控制等領(lǐng)域。本發(fā)明具有節(jié)省任務(wù)執(zhí)行成本、提高任務(wù)執(zhí)行的效率、可靠性以及準(zhǔn)確度等有點(diǎn)。本發(fā)明用于小型無人直升機(jī)起降過程中的姿態(tài)鎮(zhèn)定、獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)平衡控制等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1的D向視圖，圖3是圖2的俯視圖，圖4是圖2的左視圖，圖5是單個(gè)陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)原理示意圖，圖6是本發(fā)明的穩(wěn)定裝置安裝于獨(dú)輪車上構(gòu)成的倒立擺系統(tǒng)的示意圖，圖7是圖6中安裝于獨(dú)輪車上的雙陀螺儀的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1-圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置包括支架A、兩套陀螺儀B和兩套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)C ；
[0017]所述支架A包括支撐框架3和支柱4，支撐框架3的中部安裝有豎直設(shè)置的支柱4，兩套陀螺儀B關(guān)于支柱4對(duì)稱設(shè)置且位于支撐框架3內(nèi)；
[0018]每套陀螺儀B包括電機(jī)16、旋轉(zhuǎn)軸13和兩個(gè)轉(zhuǎn)子10，所述電機(jī)16為雙輸出軸直流電機(jī)，旋轉(zhuǎn)軸13豎直設(shè)置在支撐框架3上，旋轉(zhuǎn)軸13能沿自身的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)16水平安裝在旋轉(zhuǎn)軸13的中部，電機(jī)16的兩個(gè)輸出軸同軸且水平設(shè)置，電機(jī)16的兩個(gè)輸出軸上分別安裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子10 ；
[0019]兩套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)C關(guān)于支柱4對(duì)稱設(shè)置且位于支撐框架3的上端面上，所述每套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)C包括連接桿18、兩個(gè)永磁體20和兩個(gè)線圈7，連接桿18設(shè)置在支撐框架3的上表面且連接桿18與旋轉(zhuǎn)軸13連接，連接桿18的長(zhǎng)度方向與旋轉(zhuǎn)軸13的軸向垂直，連接桿18的兩端分別安裝有一個(gè)永磁體20，支撐框架3的上表面上安裝有并列設(shè)置的兩個(gè)線圈7，且兩個(gè)線圈7與兩個(gè)永磁體20分別正對(duì)設(shè)置，線圈7的軸向與電機(jī)16的輸出軸的軸向平行。
[0020]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1-圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述支撐框架3為正方形框架或矩形框架。如此設(shè)置，保證了兩個(gè)陀螺儀對(duì)稱布置，使本發(fā)明的穩(wěn)定裝置與倒立擺系統(tǒng)系統(tǒng)保持相同的偏航角、側(cè)傾角與俯仰角。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0021]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸13通過安裝在支撐框架3上的兩個(gè)軸承沿旋轉(zhuǎn)軸13的周向轉(zhuǎn)動(dòng)。如此設(shè)置，保證了線圈通電后，永磁體在電磁場(chǎng)的作用下，使旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)陀螺儀整體發(fā)生偏航。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0022]【具體實(shí)施方式】四:結(jié)合圖1-圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述每套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)還包括扭簧21，每個(gè)連接桿18與支撐框架3的上表面之前的旋轉(zhuǎn)軸13上套設(shè)有扭簧21，扭簧21的一端與支撐框架3連接，扭簧21的另一端與連接桿18連接。如此設(shè)置，在沒有電磁力的作用下，永磁體及連接桿在扭簧的作用下能快速恢復(fù)到初始位置，扭簧起到了很好的調(diào)節(jié)增益效果。其它與【具體實(shí)施方式】三相同。
[0023]【具體實(shí)施方式】五:結(jié)合圖1-圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述每套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)C還包括兩個(gè)連接框架19，每個(gè)連接框架19內(nèi)安裝有一個(gè)永磁體20。如此設(shè)置，便于安裝使用，滿足設(shè)計(jì)要求和實(shí)際需要。其它與【具體實(shí)施方式】一、二或四相同。
[0024]【具體實(shí)施方式】六:結(jié)合圖1-圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述支架A還包括空心六面體I和六個(gè)螺紋通孔2，空心六面體I豎直設(shè)置在支撐框架3的下表面上，空心六面體I的上端與支柱4的下端連接，空心六面體I的每個(gè)面上加工有一個(gè)螺紋通孔2。如此設(shè)置，便于與小型無人飛行器、獨(dú)輪機(jī)器人、雙輪汽車等連接，進(jìn)而構(gòu)成倒立擺系統(tǒng)。其它與【具體實(shí)施方式】五相同。
[0025]實(shí)施例
[0026]結(jié)合圖1-圖7說明，圖5是單個(gè)陀螺儀的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)原理示意圖，線圈與永磁體之間的電磁作用為陀螺儀提供偏航扭矩與偏航角速度，陀螺儀轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)角速度ωχ由位于陀螺儀中部的直流電機(jī)提供，由陀螺儀的進(jìn)動(dòng)效應(yīng)可知陀螺儀產(chǎn)生一個(gè)垂直于陀螺儀偏航角速度與自轉(zhuǎn)角速度的扭矩τ ζ，單個(gè)陀螺儀的進(jìn)動(dòng)力矩τ ζ，如圖5所示(圖中X表示轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)軸，Y表示陀螺儀偏航軸，ζ表示陀螺儀的進(jìn)動(dòng)力矩軸)，滿足數(shù)學(xué)公式:
[0027]Tz=IxXcoxXcoy
[0028]其中Ix代表陀螺儀轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωχ代表陀螺儀轉(zhuǎn)子角速度，coy代表陀螺儀偏航角速度。
[0029]圖6是本發(fā)明的穩(wěn)定裝置安裝于獨(dú)立車25上構(gòu)成倒立擺系統(tǒng)圖，雙陀螺儀穩(wěn)定裝置較單陀螺儀穩(wěn)定裝置的優(yōu)勢(shì)之一是能夠消除陀螺儀進(jìn)動(dòng)力矩的分力矩，使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)靜平衡，如圖6所示；雙陀螺儀在保持獨(dú)立車倒立擺系統(tǒng)側(cè)平衡姿態(tài)時(shí)產(chǎn)生的滾動(dòng)力矩τ如圖6所示，滿足數(shù)學(xué)公式:
[0030]τ = τ rolll+ τ roll2
[0031]如圖7所示(圖中X1代表右側(cè)陀螺儀的轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)軸，Y1代表右側(cè)陀螺儀的轉(zhuǎn)子的偏航軸，Z1代表右側(cè)陀螺儀的進(jìn)動(dòng)力矩軸；x2代表左側(cè)陀螺儀的轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)軸，Y2代表Z左側(cè)陀螺儀的轉(zhuǎn)子的偏航軸，Z2代表左側(cè)側(cè)陀螺儀的進(jìn)動(dòng)力矩軸)；其中τ rolll是右側(cè)陀螺儀進(jìn)動(dòng)力矩τ I在絕對(duì)坐標(biāo)系XYZ中Z坐標(biāo)軸上的分力矩，τ roll2是左側(cè)陀螺儀進(jìn)動(dòng)力矩τ 2在絕對(duì)坐標(biāo)系XYZ中Z坐標(biāo)軸上的分力矩。
[0032]工作過程
[0033]每套陀螺儀的電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)，初始位置時(shí)永磁體與線圈正對(duì)設(shè)置，線圈通電后，線圈與永磁體發(fā)生電磁作用使旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而使陀螺儀有一定偏航角速度，使陀螺儀發(fā)生進(jìn)動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)動(dòng)力矩，力矩的方向與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度方向、偏航角速度方向垂直，左右兩個(gè)陀螺儀偏航角速度與自轉(zhuǎn)角速度大小相同，偏航方向相反，同時(shí)自轉(zhuǎn)角速度方向也相反，這樣兩個(gè)陀螺儀進(jìn)動(dòng)力矩的合力矩與倒立擺系統(tǒng)的側(cè)傾角方向一致，可以使倒立擺系統(tǒng)的側(cè)傾角的絕對(duì)值變小，從而維持系統(tǒng)的平衡。通過改變線圈的電流，調(diào)整線圈與永磁體產(chǎn)生的扭矩，從而改變陀螺儀的偏航角速度，使陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生的力矩發(fā)生改變，兩個(gè)陀螺儀的偏航角速度大小相等、方向相反，兩個(gè)陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的合力矩用來調(diào)整倒立擺系統(tǒng)的側(cè)傾角。本發(fā)明具備了使倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)維持平衡穩(wěn)定的能力。
【權(quán)利要求】
1.基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置，其特征在于:所述穩(wěn)定裝置包括支架(A)、兩套陀螺儀(B )和兩套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)(C); 所述支架(A)包括支撐框架(3)和支柱(4)，支撐框架(3)的中部安裝有豎直設(shè)置的支柱(4)，兩套陀螺儀(B)關(guān)于支柱(4)對(duì)稱設(shè)置且位于支撐框架(3)內(nèi)； 每套陀螺儀(B )包括電機(jī)(16 )、旋轉(zhuǎn)軸(13 )和兩個(gè)轉(zhuǎn)子(10 )，所述電機(jī)(16 )為雙輸出軸直流電機(jī)，旋轉(zhuǎn)軸(13)豎直設(shè)置在支撐框架(3)上，旋轉(zhuǎn)軸(13)能沿自身的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)(16 )水平安裝在旋轉(zhuǎn)軸(13 )的中部，電機(jī)(16 )的兩個(gè)輸出軸同軸且水平設(shè)置，電機(jī)(16 )的兩個(gè)輸出軸上分別安裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子(10)； 兩套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)(C)關(guān)于支柱(4)對(duì)稱設(shè)置且位于支撐框架(3)的上端面上，所述每套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)(C)包括連接桿(18)、兩個(gè)永磁體(20)和兩個(gè)線圈(7)，連接桿(18)設(shè)置在支撐框架(3)的上表面且連接桿(18)與旋轉(zhuǎn)軸(13)連接，連接桿(18)的長(zhǎng)度方向與旋轉(zhuǎn)軸(13)的軸向垂直，連接桿(18)的兩端分別安裝有一個(gè)永磁體(20)，支撐框架(3)的上表面上安裝有并列設(shè)置的兩個(gè)線圈(7)，且兩個(gè)線圈(7)與兩個(gè)永磁體(20)分別正對(duì)設(shè)置，線圈(7)的軸向與電機(jī)(16)的輸出軸的軸向平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置，其特征在于:所述支撐框架(3)為正方形框架或矩形框架。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置，其特征在于:每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(13)通過安裝在支撐框架(3)上的兩個(gè)軸承沿旋轉(zhuǎn)軸(13)的周向轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置，其特征在于:所述每套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)還包括扭簧(21)，每個(gè)連接桿(18)與支撐框架(3)的上表面之前的旋轉(zhuǎn)軸(13 )上套設(shè)有扭簧(21)，扭簧(21)的一端與支撐框架(3 )連接，扭簧(21)的另一端與連接桿(18)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置，其特征在于:所述每套陀螺儀偏航機(jī)構(gòu)(C)還包括兩個(gè)連接框架(19)，每個(gè)連接框架(19)內(nèi)安裝有一個(gè)永磁體(20 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于陀螺儀進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定裝置，其特征在于:所述支架(A)還包括空心六面體(I)和六個(gè)螺紋通孔(2)，空心六面體(I)豎直設(shè)置在支撐框架(3)的下表面上，空心六面體(I)的上端與支柱(4)的下端連接，空心六面體(I)的每個(gè)面上加工有一個(gè)螺紋通孔(2)。
【文檔編號(hào)】G05D1/08GK103488178SQ201310455611
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】趙杰, 金弘哲, 李戈, 周龍加 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)