一種雙慣性輪空間倒立擺系統的製作方法
2023-07-14 13:33:46 1
本實用新型屬於倒立擺系統，尤其涉及一種雙慣性輪空間倒立擺系統。
背景技術：
倒立擺控制系統是一個複雜、不穩定、非線性的系統，是控制領域內的經典研究對象，是進行控制理論教學及開展各種控制實驗的理想實驗平臺。通過對倒立擺的平衡控制，可用來檢驗控制方法處理非線性和不穩定性問題的能力，其控制方法在航空航天、機器人等領域有廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發射中的垂直度控制和衛星飛行中的姿態控制等。
專利號為CN201320135027.2、CN201110123423.9、CN201010151221.0的專利分別提出了飛輪倒立擺系統，但實用新型的倒立擺系統中擺杆只能在平面內轉動，擺杆只有一個迴轉自由度，均為平面倒立擺系統，對模擬多自由不穩定系統的控制如火箭發射中的垂直度控制和衛星飛行中的姿態控制等有較大的局限性。
技術實現要素：
為克服現有飛輪倒立擺系統的局限性，本實用新型提供一種雙慣性輪空間倒立擺系統，擺杆具有兩個迴轉自由度，可作為研究多自由不穩定系統控制策的模擬驗證裝置。
為實現上述目的，本實用新型採用如下的技術方案：
一種雙慣性輪空間倒立擺系統,包括：支座、擺杆、固定架、兩組慣性輪組件、兩組配重組件、控制盒，其中，擺杆一端通過球銷副與支座聯接，擺杆另一端安裝有固定架；所述慣性輪組件包含電機、聯軸器、慣性輪，電機安裝在固定架上，慣性輪通過聯軸器與電機輸出軸相固定；所述配重組件包含配重塊、鎖緊螺母，配重塊中心設有螺孔，固定架上設有螺杆，配重塊通過螺杆、螺孔安裝在固定架上，可沿螺杆軸線移動，通過鎖緊螺母固定；所述兩組慣性輪組件和擺杆在空間上相互正交，所述兩組配重組件分別與慣性輪組件在固定架上的安裝位置相對於擺杆中心軸互成180°，其中，所述控制盒包括微型處理器、2個伺服驅動器、姿態傳感器和無線通訊單元，微型處理器分別連接2個伺服驅動器、姿態傳感器和無線通訊單元，每個伺服驅動器分別連接相對應慣性輪組件的電機。
本實用新型的雙慣性輪空間倒立擺系統，支座固定設置，且擺杆與支座間採用球銷副聯接，擺杆有繞橫向和縱向迴轉的轉動自由度；系統重心位於擺杆的上端，屬於本徵不穩定的倒立擺系統。通過調節配重塊的安裝位置可調節系統的重心分布，通過調節配重塊的位置使系統重心與擺杆軸線重合；慣性輪本身具有一定的轉動慣量，慣性輪迴轉時產生與迴轉角加速度成正比的慣性反作用力矩；兩組慣性輪組件正交布置，可分別產生繞橫向和縱向的控制力矩；控制盒中的微型處理器通過無線通訊單元與上位機通訊，微型處理器接收姿態傳感器的數據，經運算後，控制兩個伺服驅動器，分別驅動兩個電機，進而帶動慣性輪迴轉，產生橫向和縱向的控制力矩，控制倒立擺繞橫向和縱向的擺角，以控制倒立擺的空間姿態平衡。
本實用新型的有益效果如下：
1.雙慣性輪空間倒立擺系統中擺杆具有兩個迴轉自由度，可以指向三維空間內的任意方向，較普通飛輪倒立擺自由度增加一倍，動力學模型更複雜，控制難度更大，豐富了倒立擺系統的結構類型。
2.雙慣性輪空間倒立擺系統的運動特性與火箭、垂直起降飛行器等運動特性有相似性，尤其可作為模擬多自由度、不穩定系統的姿態平衡控制的裝置，如火箭發射中的垂直度控制和垂直起降飛行器的姿態控制的模擬等。
附圖說明
圖1為本實用新型結構示意圖；
圖2為本實用新型結構爆炸視圖；
圖3為本實用新型結構俯視圖。
圖中：1、支座，2、擺杆，3、固定架，31、螺杆，4、配重塊，41、螺孔，5、鎖緊螺母，6、電機，7、聯軸器，8、飛輪，9、控制盒。
具體實施方式
以下將結合附圖對本實用新型作進一步說明。
如圖1、2、3所示，本實用新型實施例提供一種雙慣性輪空間倒立擺系統包括支座1、擺杆2、固定架3、兩組慣性輪組件、兩組配重組件、控制盒9，其中，擺杆2一端通過球銷副與支座1聯接，擺杆2的另一端安裝有固定架3；所述慣性輪組件包含電機6、聯軸器7、慣性輪8，電機6安裝在固定架3上，慣性輪8通過聯軸器7與電機6輸出軸相固定；所述配重組件包含配重塊4、鎖緊螺母5，配重塊中心設有螺孔41，固定架上設有螺杆31，配重塊4通過螺杆31、螺孔41安裝在固定架3上，可沿螺杆31軸線移動，通過鎖緊螺母5固定；所述控制盒9包括微型處理器、2個伺服驅動器、姿態傳感器和無線通訊單元，微型處理器分別連接2個伺服驅動器、姿態傳感器和無線通訊單元，每個伺服驅動器分別連接相對應慣性輪組件的電機。所述兩組慣性輪組件和擺杆2在空間上相互正交，所述兩組配重組件分別與慣性輪組件在固定架3上的安裝位置相對於擺杆中心軸互成180°。
本實用新型的雙慣性輪空間倒立擺系統中的支座1固定設置，擺杆2與支座1間有繞橫向和縱向迴轉的轉動自由度；系統重心位於擺杆1的上端，通過調節配重塊4的位置使系統重心與擺杆2軸線重合；控制盒中的微型處理器通過無線通訊單元與上位機通訊，微型處理器接收姿態傳感器的數據，經運算後，控制兩個伺服驅動器，分別驅動兩個電機6，進而帶動慣性輪8迴轉，產生橫向和縱向的控制力矩，控制倒立擺擺杆2繞橫向和縱向的擺角，以控制倒立擺的空間姿態平衡。