一种用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法，所述平衡装置包括本体和至少两个控制力矩陀螺，所述本体上还设有用于驱动所述控制力矩陀螺的电机和姿态传感器；其方法步骤包括：在所述平衡装置运行时，通过所述电机驱动每一所述控制力矩陀螺的飞轮匀速自转；通过姿态传感器采集所述本体各个方向的倾倒角度数据和角速度数据，并根据所述倾倒角度数据和角速度数据计算得到本体恢复平衡的最小力矩；根据所述本体恢复平衡的最小力矩，控制所述电机以驱动所述控制力矩陀螺的万向轮偏转外框带动对应的飞轮发生偏转而使本体恢复平衡。通过优化控制方法使多平行控制力矩陀螺的平衡装置在稳定的状态运行，从而提高系统运行稳定性。

A Method for Controlling Balance Device of Multi-Parallel Control Moment Gyroscope

The invention discloses a method for controlling a balancing device of a multi-parallel control moment gyroscope, which comprises a body and at least two control moment gyroscopes. The body is also provided with a motor and an attitude sensor for driving the control moment gyroscope. The method steps include: when the balancing device is running, each of the control forces is driven by the motor. The flywheel of moment gyroscope rotates at uniform speed; the tilting angle data and angular velocity data of the body in all directions are collected by attitude sensor, and the minimum moment of the body restoring balance is calculated based on the tilting angle data and angular velocity data; according to the minimum moment of the body restoring balance, the motor is controlled to drive the universal wheel deflection outer frame of the control moment gyroscope. Drive the corresponding flywheel to deflect and restore the balance of the body. By optimizing the control method, the balancing device of the multi-parallel control moment gyroscope can operate in a stable state, thus improving the stability of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法
本专利技术涉及机器人
，尤其是涉及一种用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法。
技术介绍
近年来，外骨骼研究和类人机器人研究领域的专家学者们借鉴航空航天使用动量交换装置(MEDs)来解决双足机器人平衡问题。所谓动量交换装置包括动量轮、控制力矩陀螺、反作用轮；作为动量交换装置的一种，控制力矩陀螺(CMG)，即陀螺驱动器，通过使用旋转陀螺仪产生的进动力而用作致动器，而不是传感器。当扭矩施加到垂直于自旋转轴的轴上时，陀螺驱动器会产生陀螺仪进动，并且，围绕扭矩轴与自旋轴正交的第三轴产生陀螺力矩。陀螺驱动器因其定轴性和稳定性而被广泛应用在船舶、航天、车辆工程等领域。然而，将陀螺驱动器应用于机器人领域时暴露出其局限性，由于控制力矩陀螺容易出现不可控振荡、万向节锁死等现象，导致系统运行不稳定问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法，所解决的技术问题是系统运行不稳定，通过优化控制方法使多平行控制力矩陀螺的平衡装置在稳定的状态运行，从而提高系统运行稳定性。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法，所述平衡装置包括本体和设于所述本体上的控制器以及至少一个动力模块，每一所述动力模块包括两个控制力矩陀螺，且所述动力模块的两个所述控制力矩陀螺的飞轮处于同一水平面上；所述本体上还设有用于驱动所述控制力矩陀螺的驱动模块和用于获取所述本体姿态的姿态传感器；所述方法由控制器执行，至少包括以下步骤：在所述平衡装置运行时，通过所述驱动模块驱动每一所述控制力矩陀螺的飞轮匀速自转；通过姿态传感器采集所述本体前、后、左、右方向的倾倒角度数据和角速度数据，并根据所述倾倒角度数据和角速度数据计算得到本体恢复平衡的最小力矩；根据所述本体恢复平衡的最小力矩，控制所述驱动模块以驱动所述控制力矩陀螺的万向轮偏转外框带动对应的飞轮发生偏转而使本体恢复平衡。作为优选地，每一所述控制力矩陀螺包括万向轮偏转外框和安装在所述万向轮偏转外框内的飞轮。作为优选地，所述在所述平衡装置运行时，通过所述驱动模块控制每一所述控制力矩陀螺的飞轮匀速自转，具体为：将所述动力模块的一个控制力矩陀螺作为左控制力矩陀螺，另一个控制力矩陀螺作为右控制力矩陀螺；在所述平衡装置运行时，通过所述驱动模块控制每一所述动力模块的左控制力矩陀螺的飞轮匀速自转、万向轮偏转外框顺时针匀速转动，右控制力矩陀螺的飞轮匀速自转、万向轮偏转外框逆时针匀速转动。作为优选地，所述驱动模块包括第一电机、第二电机以及第三电机，所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机的数量均为至少二个；每一所述控制力矩陀螺的飞轮受对应的一个所述第一电机控制旋转；将每一所述动力模块的两个所述控制力矩陀螺的万向轮外框分别作为：受一个所述第二电机控制偏转的左万向轮偏转外框，受一个所述第三电机控制偏转的右万向轮偏转外框。作为优选地，所述驱动模块包括第一电机和第二电机，所述第一电机的数量为至少二个；每一所述飞轮受对应的一个所述第一电机控制旋转；两个所述控制力矩陀螺的万向轮偏转外框共同通过万向轮偏转外框连杆机构连接在同一个所述第二电机的传动端上。作为优选地，所述多平行控制力矩陀螺的平衡装置还包括：安装在所述万向轮偏转外框上的角度传感器和编码器；所述角度传感器，与所述控制器的角度数据输入端连接，用于检测所述万向轮偏转外框的角度；所述编码器，与所述控制器的角速度数据输入端连接，用于检测所述万向轮偏转外框的角速度。相比于现有技术，本专利技术具有如下有益效果：本实施例提供了用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法，所述姿态传感器检测本体倾角角度和角速度；根据所述本体的倾角角度，计算出所述本体恢复平衡所需的陀螺力矩；通过所述万向轮偏转外框的角度和偏转角速度，结合所述飞轮自转的角动量，以合成所需的陀螺力矩；通过控制所述万向轮偏转外框小角度偏转，以消除陀螺驱动器的几何奇点，从而使所述多平行控制力矩陀螺的平衡装置稳定地运行；同时根据所述本体倾角角速度变化提前控制陀螺力矩，进而实现高动态响应快速恢复到平衡状态。其中，由于所述多平行控制力矩陀螺的平衡装置的多个平行的控制力矩陀螺能提供较大的陀螺力矩，因此通过控制多个平行的控制力矩陀螺，以协调每个控制力矩陀螺的陀螺力矩，从而合成更大陀螺力矩。附图说明图1是本专利技术实施例中的多平行控制力矩陀螺的平衡装置的控制方法的步骤流程图；图2是本专利技术实施例中的多平行控制力矩陀螺的平衡装置的控制方法的控制流程图；图3是本专利技术实施例中的多平行控制力矩陀螺的平衡装置的控制方法的防摔倒控制流程图；图4是本专利技术实施例中的多平行控制力矩陀螺的平衡装置的控制方法的反馈调节原理图；图5是本专利技术实施例中的多平行控制力矩陀螺的平衡装置的第一角度的结构图；图6是本专利技术实施例中的多平行控制力矩陀螺的平衡装置的第二角度的结构图；图7是本专利技术实施例中的多平行控制力矩陀螺的平衡装置的第三角度的结构图；其中，1、飞轮；2、万向轮偏转外框；3、本体。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参见图5-7，本专利技术提供了一种用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法，所述平衡装置包括本体3和设于所述本体3上的控制器和至少一个动力模块，每一所述动力模块包括两个控制力矩陀螺，且所述动力模块的两个所述控制力矩陀螺的飞轮1处于同一水平面上；所述本体3上还设有用于驱动所述控制力矩陀螺的驱动模块和用于获取所述本体3姿态的姿态传感器。请参见图1-4，所述方法由控制器执行，至少包括以下步骤：S101、在所述平衡装置运行时，通过所述驱动模块驱动每一所述控制力矩陀螺的飞轮1匀速自转；S102、通过姿态传感器采集所述本体3前、后、左、右方向的倾倒角度数据和角速度数据，并根据所述倾倒角度数据和角速度数据计算得到本体3恢复平衡的最小力矩；S103、根据所述本体3恢复平衡的最小力矩，控制所述驱动模块以驱动所述控制力矩陀螺的万向轮偏转外框2带动对应的飞轮1发生偏转而使本体恢复平衡。具体地，所述在所述平衡装置运行时，通过所述驱动模块控制每一所述控制力矩陀螺的飞轮1匀速自转，具体为：将所述动力模块的一个控制力矩陀螺作为左控制力矩陀螺，另一个控制力矩陀螺作为右控制力矩陀螺；在所述平衡装置运行时，通过所述驱动模块控制每一所述动力模块的左控制力矩陀螺的飞轮1匀速自转、万向轮偏转外框2顺时针匀速转动，右控制力矩陀螺的飞轮1匀速自转、万向轮偏转外框2逆时针匀速转动。其中，所述飞轮自转的角动量，结合偏转外框的高偏转角度，合成较大陀螺力矩以抵抗摔倒。具体地，所述控制器通过算法执行计算，所述算法包括以下公式：公式1：mu1＝mb1mu2＝mu2ru＝rb计算飞轮自转角速度：(顺时针为正)公式2：计算陀螺进动角速度：(外框偏转，顺时针为正)公式3：φ'计算飞轮转动惯量：公式4：计算飞轮自旋角动量：公式5：|LQ1|＝|Izψ'|(方向：y轴负方向)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法，其特征在于，所述平衡装置包括本体和设于所述本体上的控制器以及至少一个动力模块，每一所述动力模块包括两个控制力矩陀螺，且所述动力模块的两个所述控制力矩陀螺的飞轮处于同一水平面上；所述本体上还设有用于驱动所述控制力矩陀螺的驱动模块和用于获取所述本体姿态的姿态传感器；所述方法由控制器执行，至少包括以下步骤：在所述平衡装置运行时，通过所述驱动模块驱动每一所述控制力矩陀螺的飞轮匀速自转；通过姿态传感器采集所述本体前、后、左、右方向的倾倒角度数据和角速度数据，并根据所述倾倒角度数据和角速度数据计算得到本体恢复平衡的最小力矩；根据所述本体恢复平衡的最小力矩，控制所述驱动模块以驱动所述控制力矩陀螺的万向轮偏转外框带动对应的飞轮发生偏转而使本体恢复平衡。

【技术特征摘要】
1.一种用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法，其特征在于，所述平衡装置包括本体和设于所述本体上的控制器以及至少一个动力模块，每一所述动力模块包括两个控制力矩陀螺，且所述动力模块的两个所述控制力矩陀螺的飞轮处于同一水平面上；所述本体上还设有用于驱动所述控制力矩陀螺的驱动模块和用于获取所述本体姿态的姿态传感器；所述方法由控制器执行，至少包括以下步骤：在所述平衡装置运行时，通过所述驱动模块驱动每一所述控制力矩陀螺的飞轮匀速自转；通过姿态传感器采集所述本体前、后、左、右方向的倾倒角度数据和角速度数据，并根据所述倾倒角度数据和角速度数据计算得到本体恢复平衡的最小力矩；根据所述本体恢复平衡的最小力矩，控制所述驱动模块以驱动所述控制力矩陀螺的万向轮偏转外框带动对应的飞轮发生偏转而使本体恢复平衡。2.如权利要求1所述的用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法，其特征在于，每一所述控制力矩陀螺包括万向轮偏转外框和安装在所述万向轮偏转外框内的飞轮。3.如权利要求1所述的用于控制多平行控制力矩陀螺的平衡装置的方法，其特征在于，所述在所述平衡装置运行时，通过所述驱动模块控制每一所述控制力矩陀螺的飞轮匀速自转，具体为：将所述动力模块的一个控制力矩陀螺作为左控制力矩陀螺，另一个控制力矩陀螺作为右控制力矩陀螺；在所述平衡装置运行时，通过所述驱动模块控制每一所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成刚，
申请(专利权)人：深圳市行者机器人技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44