础上，对系数进 行微调，使得到的合力矩尽量平滑。下面是每组陀螺仪C含有4个单陀螺仪D时，给出的一 组经验比值：
[0121] oyl 〇zl：C〇y2〇z2：oy3?z3:coy4c〇z4=l：-0. 265:0. 09：-〇. 021
[0122] 得到的有效进动力矩变化规律如图10实线所示。由曲线可以看出，得到的有效进 动力矩在-60度到+60度的角度范围内基本保持恒定，而如图9所示双陀螺仪稳定装置有 效进动力矩与进动角度之间的关系，在-60度或+60度时，有效进动力矩已经衰减到了原来 的一半。因此，本发明的基于傅里叶级数展开的陀螺稳定装置作用角度拓展与进动力矩平 滑装置可以大大拓宽原陀螺稳定装置的工作角度带宽，使得陀螺稳定装置能在更大的角度 范围内工作。同时，在该角度范围内，有效进动力矩基本保持不变，这又大大降低了实际应 用中，对进动电机3的性能要求，使得控制更加容易。
[0123]图12是本发明安装在独轮机器人上的结构示意图，本发明具有较大的工作角度 工作带宽和平滑的力矩，能够有效地实现独轮机器人的侧平衡。本发明装置也可应用在小 型飞行器以及卫星的姿态调整等方面。
【主权项】
1. 基于傅里叶级数展开的巧螺稳定装置，其特征在于：所述巧螺稳定装置包括下连接 件（A)、上连接件炬）和结构相同的两组巧螺仪（C);两组巧螺仪（C)对称布置且二者通过 下连接件（A)、上连接件炬）连接在一起； 每组巧螺仪（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)之间的多个单巧螺仪值）；每个单巧螺仪值）沿垂直于下支撑板（1)、上支 撑板（2)的单巧螺仪旋转轴转动，每个单巧螺仪值）的转子（18)沿垂直于单巧螺仪旋转轴 的转子旋转轴转动； 在多个单巧螺仪值）中，W其中的一个单巧螺仪值）的单巧螺仪旋转轴为中轴，进动电 机（3)通过第一传动机构带动所述其中的一个单巧螺仪值）沿单巧螺仪旋转轴转动；其余 的单巧螺仪值）W所述中轴为基准周向均布设置，并均与所述其中的一个单巧螺仪值）通 过第二传动机构连接，在所述其中的一个单巧螺仪值）的带动下，其余的单巧螺仪值）均W 各自的单巧螺仪旋转轴进行转动； 两组巧螺仪（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)通过上连接件炬）连接。2. 根据权利要求1所述的基于傅里叶级数展开的巧螺稳定装置，其特征在于；每个单 巧螺仪值）包括支撑架（12)、下支撑轴（13)、上支撑轴（14)、通过螺钉（16)固装在支撑架 (。）上的自转电机（15)、联轴器（17)、转子（18)、转子轴承（19)和两个支撑轴轴承（20); 转子（18)通过转子轴承（19)安装在支撑架（12)上，自转电机（15)和转子（18)位于支撑 架（12)内，自转电机（15)的输出轴通过联轴器（17)与转子（18)的转轴相连，位于支撑架 (12)下方且与其连接的下支撑轴（13)通过一个支撑轴轴承（20)安装在下支撑板（1)上， 位于支撑架（12)上方且与其连接的上支撑轴（14)通过另一个支撑轴轴承（20)安装在上 支撑板（2)上；下支撑轴（13)和上支撑轴（14)同轴设置作为单巧螺仪旋转轴。3. 根据权利要求2所述的基于傅里叶级数展开的巧螺稳定装置，其特征在于；所述第 一传动机构为一对锥齿轮巧）；所述第二传动机构包括N对同步带轮化，7,8)W及N条同 步带巧，10,11)，N的取值与周向均布设置的单巧螺仪值）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巧螺仪值）的单巧螺仪旋转轴上，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巧螺仪值）的单巧螺仪旋转轴上，每对同步带轮通 过一条同步带实现转动连接。4. 根据权利要求1、2或3所述的基于傅里叶级数展开的巧螺稳定装置，其特征在于： 每组巧螺仪（C)中含有四个单巧螺仪值)，四个单巧螺仪值）的分布为；一个单巧螺仪值） 处于圆屯、处，其余S个单巧螺仪值）沿圆周均匀分布。5. 根据权利要求1、2或3所述的基于傅里叶级数展开的巧螺稳定装置，其特征在于： 每组巧螺仪（C)中含有走个单巧螺仪值)，走个单巧螺仪值）的分布为；一个单巧螺仪值） 处于圆屯、处，其余六个单巧螺仪值）沿圆周均匀分布。6. 根据权利要求1、2或3所述的基于傅里叶级数展开的巧螺稳定装置，其特征在于： 所述上连接件炬）为长方形板，上连接件炬）通过螺钉连接两个上支撑板（2);所述下连接 件（A)为方形框架，其上边框通过螺钉连接两个下支撑板（1)，其下边框具有若干螺纹孔， 用于与被控部件连接。7. 根据权利要求6所述的基于傅里叶级数展开的巧螺稳定装置，其特征在于；所述下 支撑板（1)具有一长方形凹槽，电机座（4)可在该槽内左右游动。8. 根据权利要求4所述的基于傅里叶级数展开的巧螺稳定装置，其特征在于；=对同 步带轮化，7，8)，其传动比分别为3:1、5:1和7:1。9. 根据权利要求1、2或3所述的基于傅里叶级数展开的巧螺稳定装置，其特征在于： 每组巧螺仪（C)中的多个单巧螺仪值）的传动比分别为：中间单巧螺仪与周围第n个巧螺 仪的传动比为（2n+l) :1。10. -种基于傅里叶级数展开的巧螺稳定装置的实现方法，其特征在于：所述方法的 过程如下： 步骤一、单巧螺转子D进动产生的有效进动力矩为： Tg〇〇d=Acos9=2IzWy?zC〇s(?yt) 一组巧螺转子（C)产生的进动力矩为： T二AiCOS目i+A^COS目2+A3COS目3+A4COS目4+... 式中，A表示幅值，L表示转动惯量，《y表示进动角速度，表示自转角速度，各参数 的下角标1，2, 3…表示一组巧螺仪（C)中含有第1个单巧螺仪值)、第2个单巧螺仪值)…， 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（-31/2, 31/2)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： 调节每个巧螺转子D进动角速度满足下述比值关系： 白1:日2:日3:日4...= ?口：^的…二 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= 基于转动惯量L不方便调节，调节各个转子（18)的《 比值 为：实现幅值A的调节； 由《朱1:?巧：《":?的...=1:3:5:7...，得各个转子（18)的自转角速度《,应该满足：其中，式中的负号代表转子（18)的自转角速度《，方向相反； 步骤=、每一项傅里叶级数对应每组巧螺仪（C)中的一个单巧螺仪值)，对傅里叶系数 加W修正使得到的合力矩平滑。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G05D1/08
【公开号】CN104932511
【申请号】CN201510305743
【发明人】赵杰, 金弘哲, 于法传, 朱延河
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月5日