[发明专利]基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种倒立摆系统姿态稳定装置，具体涉及一种基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置，属于倒立摆系统的动平衡与静平衡技术领域。

背景技术

目前倒立摆系统一个最困难的问题就是侧面姿态的稳定性，大多数都采用惯量轮与单陀螺仪的装置来维持倒立摆系统的侧平衡，基于惯量轮的稳定装置的特点是通过转子的转动来维持系统的动平衡，优点是产生的扭矩大，能快速使倒立摆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；单陀螺仪的稳定机构原理是通过陀螺仪的进动效应产生的扭矩来维持倒立摆系统的动平衡，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倒立摆系统系统发生偏航。

发明内容

本发明是为解决基于惯量轮的稳定装置维持倒立摆系统的姿态稳定性，存在惯性大、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，以及基于单陀螺仪的稳定机构维持倒立摆系统的姿态稳定性，存在产生平衡力矩的同时会产生干扰力使倒立摆系统发生偏航的问题，进而提供一种基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是:本发明的基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置包括支架、两套陀螺仪和两套陀螺仪偏航机构；

所述支架包括支撑框架和支柱，支撑框架的中部安装有竖直设置的支柱，两套陀螺仪关于支柱对称设置且位于支撑框架内；

每套陀螺仪包括电机、旋转轴和两个转子，所述电机为双输出轴直流电机，旋转轴竖直设置在支撑框架上，旋转轴能沿自身的周向转动，电机水平安装在旋转轴的中部，电机的两个输出轴同轴且水平设置，电机的两个输出轴上分别安装有一个转子；

两套陀螺仪偏航机构关于支柱对称设置且位于支撑框架的上端面上，所述每套陀螺仪偏航机构包括连接杆、两个永磁体和两个线圈，连接杆设置在支撑框架的上表面且连接杆与旋转轴连接，连接杆的长度方向与旋转轴的轴向垂直，连接杆的两端分别安装有一个永磁体，支撑框架的上表面上安装有并列设置的两个线圈，且两个线圈与两个永磁体分别正对设置，线圈的轴向与电机的输出轴的轴向平行。

本发明的有益效果是：

1、本发明构造简单设计合理，维护方便，实用；

2、工作可靠，双陀螺仪结构消除了单陀螺仪产生的干扰力矩；

3、高安全性，双陀螺结构机械强度高、稳定性好，陀螺仪进动效应的合力矩换向方便，避免了换向会造成系统震动致使系统稳定性降低；

4、维持系统平衡能力强，只需控制线圈中的电流就可以调整进动力矩，具有反应速度快的特点，0.02秒内陀螺仪的偏航角速度从0到50转/秒，本发明稳定装置使倒立摆系统短时间（0.5秒）内回复平衡状态，启动时间短；

5、本发明中陀螺仪的偏航动力直接来源于电磁线圈与永磁体的电磁作用，可以提供较大的瞬时扭矩；

6、本发明可以使倒立摆系统维持静平衡与动平衡，可应用在飞行器的起降过程中的姿态镇定、独轮机器人侧平衡控制等领域。本发明具有节省任务执行成本、提高任务执行的效率、可靠性以及准确度等有点。本发明用于小型无人直升机起降过程中的姿态镇定、独轮机器人侧平衡控制等。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图，图2是图1的D向视图，图3是图2的俯视图，图4是图2的左视图，图5是单个陀螺仪进动效应原理示意图，图6是本发明的稳定装置安装于独轮车上构成的倒立摆系统的示意图，图7是图6中安装于独轮车上的双陀螺仪的进动效应原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的基于陀螺仪进动效应的倒立摆系统姿态稳定装置包括支架A、两套陀螺仪B和两套陀螺仪偏航机构C；

所述支架A包括支撑框架3和支柱4，支撑框架3的中部安装有竖直设置的支柱4，两套陀螺仪B关于支柱4对称设置且位于支撑框架3内；

每套陀螺仪B包括电机16、旋转轴13和两个转子10，所述电机16为双输出轴直流电机，旋转轴13竖直设置在支撑框架3上，旋转轴13能沿自身的周向转动，电机16水平安装在旋转轴13的中部，电机16的两个输出轴同轴且水平设置，电机16的两个输出轴上分别安装有一个转子10；