基于傅里叶级数展开的陀螺稳定装置及其实现方法，它涉及机器人控制技术领域，以解决双陀螺稳定装置在维持独轮机器人系统的姿态稳定时，存在陀螺进动力矩作用角度范围窄，以及进动力矩与进动角度之间非线性关系导致控制困难的问题。陀螺稳定装置包括下连接件、上连接件和两组陀螺仪，其中，每组陀螺仪由若干个单陀螺仪组成；每个陀螺仪的自转由各自单独的电机驱动，一组陀螺仪中，位于中间位置的陀螺仪的进动由一个进动电机驱动，周围分布的陀螺仪的进动由几组传动比固定的同步带轮传动。本发明专利技术用于独轮机器人系统的姿态稳定，小型飞行器、卫星的姿态调整。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于调整被控部件姿态的陀螺稳定装置，具体涉及一种基于傅里 叶级数展开的陀螺稳定装置，涉及机器人控制
技术介绍
目前独轮机器人系统一个最困难的问题就是侧方向姿态的稳定，大多数利用惯量 轮加减速的反作用力矩或者陀螺进动力矩来维持独轮机器人系统的侧平衡。 基于惯量轮的稳定装置的特点是通过控制惯量轮的加减速产生的反作用力矩维 持系统的动平衡，优点是产生的扭矩大，能快速使类独轮机器人系统恢复到稳定状态，缺点 就是惯性大、结构笨重、启动时间长、换向会造成系统震动致使系统稳定性降低，以及饱和 状态下的工作能力有限。 单陀螺的稳定装置原理是通过陀螺的进动效应产生的扭矩来维持类独轮机器人 系统的动平衡，优点是惯性小、调节方便，缺点是在产生平衡力矩的同时会产生干扰力使类 独轮机器人系统系统发生俯仰。双陀螺的稳定装置（如公开号为CN103488178A的专利） 可以消除这种干扰力矩，因此，实际应用中，常采用双陀螺方案。 基于陀螺进动效应的双陀螺稳定装置，虽然可以在平衡点附近维持系统的稳定， 但是，当外部干扰力矩太大时，平衡效果则没有那么好。基于陀螺进动效应的双陀螺稳定装 置存在两个显著是缺点，第一，陀螺进动力矩有效分量（平衡力矩）与进动角度之间是余 弦的关系，进动力矩有效分量随着进动角度的增加而快速衰减。当达到90度的时候，进动 力矩有效分量变为零，即达到饱和状态，失去平衡作用，从而大大降低了平衡装置的作用范 围。第二，陀螺进动力矩有效分量的余弦变化规律是非线性的，这又增加了控制的难度，提 高了对驱动电机的要求。
技术实现思路
本专利技术是为解决双陀螺稳定装置在维持独轮机器人系统的姿态稳定性时，存在陀 螺进动力矩作用角度范围窄，以及进动力矩与进动角度之间非线性关系导致控制困难的问 题，进而提出一种。 本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是： 本专利技术所述基于傅里叶级数展开的陀螺稳定装置包括下连接件、上连接件和结构 相同的两组陀螺仪；两组陀螺仪对称布置且二者通过下连接件、上连接件连接在一起；每 组陀螺仪包括下支撑板、上支撑板、进动电机和安装于下支撑板和上支撑板之间的多个单 陀螺仪；每个单陀螺仪沿垂直于下支撑板、上支撑板的单陀螺仪旋转轴转动，每个单陀螺仪 的转子沿垂直于单陀螺仪旋转轴的转子旋转轴转动；在多个单陀螺仪中，以其中的一个单 陀螺仪的单陀螺仪旋转轴为中轴，进动电机通过第一传动机构带动所述其中的一个单陀螺 仪沿单陀螺仪旋转轴转动；其余的单陀螺仪以所述中轴为基准周向均布设置，并均与所述 其中的一个单陀螺仪通过第二传动机构连接，在所述其中的一个单陀螺仪的带动下，其余 的单陀螺仪均以各自的单陀螺仪旋转轴进行转动；两组陀螺仪中的两个进动电机，其转动 速度时刻保持大小相等，方向相反；两个下支撑板通过下连接件连接，两个上支撑板通过上 连接件连接。 每个单陀螺仪包括支撑架、下支撑轴、上支撑轴、通过螺钉固装在支撑架上的自转 电机、联轴器、转子、转子轴承和两个支撑轴轴承；转子通过转子轴承安装在支撑架上，自转 电机和转子位于支撑架内，自转电机的输出轴通过联轴器与转子的转轴相连，位于支撑架 下方且与其连接的下支撑轴通过一个支撑轴轴承安装在下支撑板上，位于支撑架上方且与 其连接的上支撑轴通过另一个支撑轴轴承安装在上支撑板上；下支撑轴和上支撑轴同轴设 置作为单陀螺仪旋转轴。 所述第一传动机构为一对锥齿轮；所述第二传动机构包括N对同步带轮以及N条 同步带，N的取值与周向均布设置的单陀螺仪的数量相同，每对同步带轮的主动带轮均安装 在处于中轴位置的单陀螺仪的单陀螺仪旋转轴上，每对同步带轮的从动带轮一一对应安装 在周向均布设置的单陀螺仪的单陀螺仪旋转轴上，每对同步带轮通过一条同步带实现转动 连接。 进一步限定：每组陀螺仪中含有四个单陀螺仪，四个单陀螺仪的分布为：一个单 陀螺仪处于圆心处，其余三个单陀螺仪沿圆周均匀分布。 进一步限定：每组陀螺仪中含有七个单陀螺仪，七个单陀螺仪的分布为：一个单 陀螺仪处于圆心处，其余六个单陀螺仪沿圆周均匀分布。 进一步限定：所述上连接件为长方形板，上连接件通过螺钉连接两个上支撑板； 所述下连接件为方形框架，其上边框通过螺钉连接两个下支撑板，其下边框具有若干螺纹 孔，用于与被控部件连接。 进一步限定：所述下支撑板具有一长方形凹槽，电机座可在该槽内左右游动。 进一步限定：三对同步带轮，其传动比分别为3:1、5:1和7:1。 进一步限定：每组陀螺仪中的多个单陀螺仪的传动比分别为：中间单陀螺仪与周 围第n个陀螺仪的传动比为（2n+l) : 1。 一种上述基于傅里叶级数展开的陀螺稳定装置的实现方法，所述方法的过程如 下： 步骤一、单陀螺转子D进动产生的有效进动力矩为： tg〇〇d=Acos0 = 21z〇y?zcos(?yt) 一组陀螺转子C产生的进动力矩为： t=Afos9i+Afos9 2+A3cos9 3+A4cos9 4+… 式中，A表示幅值，Iz表示转动惯量，《 y表示进动角速度，《 2表示自转角速度，各 参数的下角标1，2, 3…表示一组陀螺仪中含有第1个单陀螺仪、第2个单陀螺仪…， 步骤二、调节每个余弦函数的进动角速度和幅值A，得到一个在（-JI/2,Ji/2) 区间的方波函数；进动角速度和幅值A的调节方式如下： (1)、进动角速度的调节： 调节每个陀螺转子D进动角速度满足下述比值关系： 0 ^ 0 2: 0 3: 0 4...= ?yl: ?y2: ?y3: ?y4-= 1:3:5:7... 上述比值关系通过传动比实现； (2)、幅值A的调节： 幅值A= 2Iz?y?z，基于转动惯量Iz不方便调节，调节各个转子《y?z的比值为： 实现幅值A的调节； 由'1:〇72:〇73:〇 74"*=1:3:5:7*"，得各个转子的自转角速度《2应该满足： 其中，式中的负号代表转子的自转角速度方向相反。 步骤三、每一项傅里叶级数对应每组陀螺仪中的一个单陀螺仪，对傅里叶系数加 以修正使得到的合力矩平滑。 本专利技术的有益效果是： 1、本专利技术能够提供有效的进动力矩，能够更高效地实现独轮机器人等系统的姿态 稳定与调整；解决了双陀螺稳定装置在维持独轮机器人系统的姿态稳定时，存在陀螺进动 力矩作用角度范围窄，以及进动力矩与进动角度之间非线性关系导致控制困难的问题。 2、本专利技术设计了两组陀螺仪替代了现有双陀螺的稳定装置，且每组陀螺仪由若干 数量（至少两个）的单个陀螺仪构成，通过将每组中多个单个陀螺仪的进动力矩叠加，使得 总的合成有效力矩的作用角度范围更宽，拓展了陀螺稳定装置的作用角度，与现有的陀螺 稳定装置相当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于傅里叶级数展开的陀螺稳定装置，其特征在于：所述陀螺稳定装置包括下连接件(A)、上连接件(B)和结构相同的两组陀螺仪(C)；两组陀螺仪(C)对称布置且二者通过下连接件(A)、上连接件(B)连接在一起；每组陀螺仪(C)包括下支撑板(1)、上支撑板(2)、进动电机(3)和安装于下支撑板(1)和上支撑板(2)之间的多个单陀螺仪(D)；每个单陀螺仪(D)沿垂直于下支撑板(1)、上支撑板(2)的单陀螺仪旋转轴转动，每个单陀螺仪(D)的转子(18)沿垂直于单陀螺仪旋转轴的转子旋转轴转动；在多个单陀螺仪(D)中，以其中的一个单陀螺仪(D)的单陀螺仪旋转轴为中轴，进动电机(3)通过第一传动机构带动所述其中的一个单陀螺仪(D)沿单陀螺仪旋转轴转动；其余的单陀螺仪(D)以所述中轴为基准周向均布设置，并均与所述其中的一个单陀螺仪(D)通过第二传动机构连接，在所述其中的一个单陀螺仪(D)的带动下，其余的单陀螺仪(D)均以各自的单陀螺仪旋转轴进行转动；两组陀螺仪(C)中的两个进动电机(3)，其转动速度时刻保持大小相等，方向相反；两个下支撑板(1)通过下连接件(A)连接，两个上支撑板(2)通过上连接件(B)连接。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵杰，金弘哲，于法传，朱延河，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。