本發(fā)明屬于倒立擺系統(tǒng)，尤其涉及一種雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、不穩(wěn)定、非線性的系統(tǒng)，是控制領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)典研究對(duì)象，是進(jìn)行控制理論教學(xué)及開(kāi)展各種控制實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)對(duì)倒立擺的平衡控制，可用來(lái)檢驗(yàn)控制方法處理非線性和不穩(wěn)定性問(wèn)題的能力，其控制方法在航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域有廣泛的用途，如機(jī)器人行走過(guò)程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。

專利號(hào)為CN201320135027.2、CN201110123423.9、CN201010151221.0的專利分別提出了飛輪倒立擺系統(tǒng)，但發(fā)明的倒立擺系統(tǒng)中擺桿只能在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿只有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，均為平面倒立擺系統(tǒng)，對(duì)模擬多自由不穩(wěn)定系統(tǒng)的控制如火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等有較大的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有飛輪倒立擺系統(tǒng)的局限性，本發(fā)明提供一種雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)，擺桿具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，可作為研究多自由不穩(wěn)定系統(tǒng)控制策的模擬驗(yàn)證裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng),包括：支座、擺桿、固定架、兩組慣性輪組件、兩組配重組件、控制盒，其中，擺桿一端通過(guò)球銷副與支座聯(lián)接，擺桿另一端安裝有固定架；所述慣性輪組件包含電機(jī)、聯(lián)軸器、慣性輪，電機(jī)安裝在固定架上，慣性輪通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)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(shè)有螺孔，固定架上設(shè)有螺桿，配重塊通過(guò)螺桿、螺孔安裝在固定架上，可沿螺桿軸線移動(dòng)，通過(guò)鎖緊螺母固定；所述兩組慣性輪組件和擺桿在空間上相互正交，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(duì)于擺桿中心軸互成180°，其中，所述控制盒包括微型處理器、2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、姿態(tài)傳感器和無(wú)線通訊單元，微型處理器分別連接2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、姿態(tài)傳感器和無(wú)線通訊單元，每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器分別連接相對(duì)應(yīng)慣性輪組件的電機(jī)。

本發(fā)明的雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)，支座固定設(shè)置，且擺桿與支座間采用球銷副聯(lián)接，擺桿有繞橫向和縱向回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；系統(tǒng)重心位于擺桿的上端，屬于本征不穩(wěn)定的倒立擺系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)配重塊的安裝位置可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重心分布，通過(guò)調(diào)節(jié)配重塊的位置使系統(tǒng)重心與擺桿軸線重合；慣性輪本身具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，慣性輪回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生與回轉(zhuǎn)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(chǎn)生繞橫向和縱向的控制力矩；控制盒中的微型處理器通過(guò)無(wú)線通訊單元與上位機(jī)通訊，微型處理器接收姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算后，控制兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)慣性輪回轉(zhuǎn)，產(chǎn)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(tài)平衡。

本發(fā)明的有益效果如下：

1.雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)中擺桿具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，可以指向三維空間內(nèi)的任意方向，較普通飛輪倒立擺自由度增加一倍，動(dòng)力學(xué)模型更復(fù)雜，控制難度更大，豐富了倒立擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型。

2.雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性與火箭、垂直起降飛行器等運(yùn)動(dòng)特性有相似性，尤其可作為模擬多自由度、不穩(wěn)定系統(tǒng)的姿態(tài)平衡控制的裝置，如火箭發(fā)射中的垂直度控制和垂直起降飛行器的姿態(tài)控制的模擬等。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)爆炸視圖；

圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖中：1、支座，2、擺桿，3、固定架，31、螺桿，4、配重塊，41、螺孔，5、鎖緊螺母，6、電機(jī)，7、聯(lián)軸器，8、飛輪，9、控制盒。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1、2、3所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)包括支座1、擺桿2、固定架3、兩組慣性輪組件、兩組配重組件、控制盒9，其中，擺桿2一端通過(guò)球銷副與支座1聯(lián)接，擺桿2的另一端安裝有固定架3；所述慣性輪組件包含電機(jī)6、聯(lián)軸器7、慣性輪8，電機(jī)6安裝在固定架3上，慣性輪8通過(guò)聯(lián)軸器7與電機(jī)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(shè)有螺孔41，固定架上設(shè)有螺桿31，配重塊4通過(guò)螺桿31、螺孔41安裝在固定架3上，可沿螺桿31軸線移動(dòng)，通過(guò)鎖緊螺母5固定；所述控制盒9包括微型處理器、2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、姿態(tài)傳感器和無(wú)線通訊單元，微型處理器分別連接2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、姿態(tài)傳感器和無(wú)線通訊單元，每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器分別連接相對(duì)應(yīng)慣性輪組件的電機(jī)。所述兩組慣性輪組件和擺桿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(duì)于擺桿中心軸互成180°。

本發(fā)明的雙慣性輪空間倒立擺系統(tǒng)中的支座1固定設(shè)置，擺桿2與支座1間有繞橫向和縱向回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；系統(tǒng)重心位于擺桿1的上端，通過(guò)調(diào)節(jié)配重塊4的位置使系統(tǒng)重心與擺桿2軸線重合；控制盒中的微型處理器通過(guò)無(wú)線通訊單元與上位機(jī)通訊，微型處理器接收姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算后，控制兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)6，進(jìn)而帶動(dòng)慣性輪8回轉(zhuǎn)，產(chǎn)生橫向和縱向的控制力矩，控制倒立擺擺桿2繞橫向和縱向的擺角，以控制倒立擺的空間姿態(tài)平衡。