一种双惯性轮空间倒立摆及其动力学建模和分析

一种双惯性轮空间倒立摆及其动力学建模和分析

陈志刚1, 2，阮晓钢1, 2，李 元1, 2，林 佳1, 2，朱晓庆1, 2

【摘 要】摘要：针对现有的惯性轮倒立摆在模拟多自由度不稳定系统的局限性,提出了一种双惯性轮空间倒立摆系统，其具有四个自由度和两个控制量，可同时模拟不稳定系统俯仰和滚转姿态控制；运用拉格朗日方法建立了双惯性轮空间倒立摆的动力学模型，分别采用模型退化、数值仿真验证了所建立的模型的正确性，并分析了双惯性轮空间倒立摆的动力学特性；建立的双惯性轮空间倒立摆可应用于多自由度非平稳系统的模拟实验，提出的物理结构、模型和相关分析结论为双惯性轮空间倒立摆系统的进一步研究奠定了理论基础。 【期刊名称】计算机测量与控制 【年(卷),期】2017(025)011 【总页数】5

【关键词】倒立摆；动力学模型；拉格朗日方程；惯性轮；反作用轮

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倒立摆控制系统作为典型的复杂、不稳定和欠驱动系统，广泛应用于科学研究[1-5]，是模拟非平稳系统的重要实验装置，尤其可应用于包括火箭、垂直起降飞行器和飞船等航空航天系统姿态控制的模拟验证中。倒立摆按结构形式分为直线倒立摆[6-8]、环形倒立摆[9-11]、平面倒立摆[12]和惯性轮(反作用轮)倒立摆[13-16]等。惯性倒立摆最先由Spong等提出[13,16]，由绕平面旋转的摆杆和布置在摆杆末端的惯性轮组成。在各种倒立摆装置中，惯性轮倒立摆具有简洁的动力学模型，更方便在研究中的推广。另外，基于系统的非线性和欠驱动特性，惯性轮倒立摆适合用于非线性控制的高级控制策略的研究。