CN108204879B - 一种转动惯量的光学测量方法及系统 - Google Patents

一种转动惯量的光学测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转动惯量的光学测量方法及系统，先以飞行器模型上标识点为媒介解算出视觉坐标系和体轴系之间转换矩阵，再利用三目视觉系统测量加载砝码前、后模型在体轴系中角度变化，根据砝码相对旋转中心的力矩大小计算弹性系统刚度，去除加载装置后激励弹性系统进行自由振动，实时测量振动过程中飞行器模型角位移曲线，得到振动圆频率。反复进行多次，利用最小二乘法获得模型的转动惯量；利用本发明方法可提高控制响应风洞试验系统中飞行器模型转动惯量的测量效率和精度。

Description

一种转动惯量的光学测量方法及系统
技术领域
本发明涉及一种转动惯量的光学测量方法及系统，特别是对控制响应风洞试验中模型转动惯量的光学测量。
背景技术
舵面控制响应风洞试验技术作为风洞虚拟飞行试验技术中的一部分，可更加真实地模拟飞行器运动过程中的气动力变化和运动姿态响应，直观地反映飞行器在非线性范围内的稳定性和可控性，通过对其中的气动力学和飞行动力学耦合特性，对飞行器飞行性能和飞行品质进行综合预示，大大的降低飞行试验的风险，缩短研发周期。
基于立体视觉原理的“非接触式”测量技术可实现动态瞬时测量和空间立体定位，具有精度高、实时性好、处理灵活方便的优点，在风洞试验领域得到广泛应用。在三自由度控制响应风洞试验中，利用三目视觉系统可实现飞行器模型的无干扰、实时轨迹捕捉，进而解算出角位移、角速度和角加速度等运动学和动力学参量。由于飞行器绕质心转动的动力学方程中包含转动惯量项，在控制响应风洞试验前需要进行飞行器模型各运动通道转动惯量的准确测量。由于试验过程中模型与三自由度机构刚性连接，实际转动惯量由模型自身惯量和三自由度机构随模型转动部分的惯量两部分组成。
转动惯量是刚体运动的动力学特征量，是转动时惯性的度量，主要取决于物体质量的大小和质量的分布情况。几何形状规则的物体可采用直接计算或简单设备测量其转动惯量，但对于飞行器类外形复杂、质量分布不均匀物体的转动惯量只能通过实验的方法测量。常用的惯量测量方法主要有扭摆台、落体法、复摆法、三线摆法和附加质量法等。在风洞试验中，对于由轴承等支撑，可绕固定转轴自由转动的飞行器模型，通常采用附加质量法测量其转动惯量。定子与转子间安装柔性片或弹簧提供往复摆动的恢复力矩，转子上固定转动惯量已知的附加质量，分别测量安装附加质量前、后系统的振动频率，根据公式I＝ΔI·f1 2/(f2-f1 2)计算模型转动惯量。附件质量法的精度受制于附加转动惯量的误差和往复摆动频率的测量误差，且对于形状不规则飞行器，如何在不改变飞行器外形的情况下保证附加质量转轴与飞行器转轴重合一直是一个难题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供一种转动惯量的光学测量方法及系统，实现在三自由度控制响应系统中对飞行器模型转动惯量的高效、精确测量。
本发明的技术解决方案是：
一种转动惯量的光学测量方法，具体步骤如下：
(1)限制三自由度机构另外两个通道自由度，在当前通道方向安装弹性梁，提供系统在当前方向的弹性恢复力，使系统受到扰动后可沿当前通道自由振动；
(2)将步骤(1)中得到的单自由度振动系统置于三目视觉系统的测量视场，测量模型上标识点在视觉坐标系下的三维坐标；
(3)模型上标识点在试验系统体轴系中的三维坐标已知，根据步骤(2)中得到的所述三维坐标计算出视觉坐标系与体轴系之间的空间位置关系，得到坐标系间的转换矩阵；
(4)利用砝码加载装置向试验系统施加当前力矩，同时利用三目视觉系统测量模型上标识点在体轴系中坐标变化，获得当前载荷下弹性系统的在当前通道的变形角度，进而计算弹性系统刚度；
(5)去除砝码加载装置，向系统施加初始当前角，激励系统自由振动。利用三目视觉系统实时测量模型上标识点在体轴系中变化历程，绘制模型角位移相对时间的变化曲线，利用均值法得到系统振动圆频率；
(6)根据步骤(4)中得到的系统刚度与步骤(5)中得到的振动圆频率计算模型在当前通道的转动惯量。
所述步骤(3)中计算出视觉坐标系与体轴系之间的空间位置关系，得到坐标系间的转换矩阵M＝R+T，其中，R和T通过公式
计算得到，[Xb Yb Zb]T为标识点在体轴系下坐标，[XC YC ZC]T为标识点在视觉坐标系下坐标。
所述步骤(4)中弹性系统刚度具体为：
(3.1)加载重量为m的砝码，加载中心距离体轴系原点沿ObXb轴方向距离为L，则施加于系统的当前力矩为：M＝m×g×L；
(3.2)利用三目视觉系统测量加载砝码前、后模型上标识点在体轴系下坐标分别为：(Xb1,Yb1,Zb1)和(Xb2,Yb2,Zb2)，则弹性系统在当前通道的角位移变化量：
(3.3)弹性系统刚度K＝M/Δθ，为提高测量精度，实施中可反复加载多次，最后利用最小二乘法计算系统刚度值。
所述步骤(5)中实时测量标识点在体轴系下坐标(Xbi,Ybi,Zbi)，并计算ti时刻模型角位移得到角位移随时间变化的曲线(θi,ti)，利用均值法计算振动周期T，模型振动圆频率ω＝2π/T。
所述步骤(6)中转动惯量由步骤(4)中系统刚度和步骤(5)中振动圆频率计算得到：I＝K/ω2,为提高测量精度，实施中可反复振动多次，利用最小二乘法获得模型的转动惯量。
系统刚度标定和转动惯量测量过程中三自由度机构支撑段和三目视觉系统间相互位置关系不发生变化。
一种转动惯量的光学测量系统，包括三目视觉系统、飞行器模型、三自由度机构、弹性梁、标识点和砝码加载装置；其中三自由度机构包括外壳体、滚转轴承、滚转限位件、当前轴承、当前限位件，偏航轴承、偏航限位件、模型连接锥和支撑段，
滚转轴承和当前轴承分别置于外壳体上，偏航轴承置于支撑段上；滚转限位件与滚转轴承内的模型连接锥固连，可限制滚转方向的自由度；当前限位件安装于外壳体上，可限制当前方向的自由度；偏航限位件安装在偏航轴承内的轴上，可限制偏航方向的自由度。
弹性梁的一端连接当前自由度的支撑段上，另一端连接在三自由度机构的外壳体上，提供振动恢复力矩。
标识点安装于飞行器模型表面，砝码加载装置置于飞行器模型尾部。
根据飞行器模型振动过程中的运动范围，调整三目视觉系统的位置和方向，保证飞行器模型振动过程中有不少于三个标识点位于三目视觉系统的测量视场内。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可在风洞试验现场进行直接测量，使用约束少，测量状态与风洞试验状态保真度高；且三目视觉系统可测量整个振动过程中模型振动曲线，数据量大、精度高；
(2)本发明仅需在控制响应试验系统安装提供振动恢复力矩的弹性梁，无额外误差源引入，操作简单、方便，精度高。
附图说明
图1为本发明三目视觉系统、飞行器模型、三自由度机构及相关坐标系示意图；
图2为本发明三自由度机构示意图；
图3为本发明测量方法流程图；
图4为本发明系统自由振动曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
如图1和图2所示，一种转动惯量光学测量系统，包括三目视觉系统1、飞行器模型2、三自由度机构3、弹性梁4、标识点5和砝码加载装置6；其中三自由度机构3包括外壳体、滚转轴承7、滚转限位件8、当前轴承9、当前限位件10，偏航轴承11、偏航限位件12、模型连接锥13和支撑段14，
滚转轴承7和当前轴承9分别置于外壳体上，偏航轴承11置于支撑段14上；滚转限位件8与滚转轴承7内的模型连接锥13固连，可限制滚转方向的自由度；当前限位件10安装于外壳体上，可限制当前方向的自由度；偏航限位件12安装在偏航轴承11内的轴上，可限制偏航方向的自由度。
实施例
飞行器模型2与三自由度机构3通过模型连接锥13刚性固连；以当前自由度为例，拧紧滚转限位件8和偏航限位件12，弹性梁4的一端连接当前自由度的支撑段14上，另一端连接在三自由度机构3的外壳体上，提供振动恢复力矩；标识点5安装于飞行器模型2表面，砝码加载装置6置于飞行器模型2尾部；根据飞行器模型2振动过程中的运动范围，调整三目视觉系统1的位置和方向，保证飞行器模型1振动过程中不少于三个标识点5位于三目视觉系统1的测量视场内。
图1和图2中包含本发明一种转动惯量光学测量方法中所涉及的坐标系，视觉系统坐标系Oc-XcYcZc与三目视觉系统固连，测量直接得到标识点5在视觉坐标系中的三维坐标。体轴系Ob-XbYbZb原点位于三自由度机构3的三个转轴的交点，ObXb轴和ObYb轴在飞行器模型2对称面内分别沿水平和竖直方向，ObZb轴方向根据右手准则确定。飞行器模型2与三自由度机构3连接牢固后，标识点5在体轴系中的三维坐标已知。根据飞行器模型2上标识点5在体轴系及视觉坐标系中的对应坐标，计算视觉坐标系和体轴系之间的转换矩阵，进而实时解算标识点5在体轴系中的三维坐标。振动过程中，同时对三个以上不共面标识点5成像，可获得飞行器模型2的角位移变化轨迹。
图3为本发明一种转动惯量的光学测量方法流程图，以当前方向为例，转动惯量测量方法包括如下步骤：
(1)分别固定三目视觉系统1和三自由度机构3的支撑段14，保证两者相位置关系在测量过程中不发生变化。限制三自由度机构各通道自由度，利用三目视觉系统1获取标识点5在视觉坐标系Oc-XcYcZc中的三维坐标坐标(Xci,Yci,Zci)；
(2)标识点5在体轴系Ob-XbYbZb中的坐标(Xbi,Ybi,Zbi)已知，再根据步骤(1)中得到的所述三维坐标，计算出视觉坐标系与体轴系之间的空间位置关系，得到坐标系间的转换矩阵。
视觉坐标系到体轴系的变换矩阵M通过一个正交变换矩阵R和一个平移变换矩阵T实现，即公式1
其中，[Xb Yb Zb]T为标识点5在体轴系下坐标，[XC YC ZC]T为标识点5在视觉坐标系下坐标，R是正交旋转矩阵，T＝[tx ty tz]T是视觉坐标系原点在体轴系中的坐标。
(3)利用砝码加载装置6加载重量为m的砝码，加载中心距离体轴系原点沿ObXb轴方向距离为L，则施加于系统的当前力矩为：
M＝m×g×L (2)
(4)利用三目视觉系统1测量加载砝码前、后飞行器模型2上标识点5的坐标(Xc1,Yc1,Zc1)和(Xc2,Yc2,Zc2)，根据公式(1)得到标识点5在体轴系下坐标(Xb1,Yb1,Zb1)和(Xb2,Yb2,Zb2)，则弹性系统在当前通道的角位移变化量为：
(5)实施中反复多次加载不同砝码，分别得到施加力矩和对应的角位移变化量，则系统的刚度为：
K＝M/Δθ (4)
利用最小二乘法计算弹性系统刚度值；
(6)去除砝码加载装置6，向系统施加初始当前角，激励系统自由振动。利用三目视觉系统1实时测量标识点5在体轴系下坐标(Xbi,Ybi,Zbi)，并计算ti时刻模型角位移得到如图4所示角位移随时间变化的曲线(θi,ti)，利用均值法计算振动周期T，则系统振动圆频率可用公式(5)计算
ω＝2π/T (5)
(7)利用所述步骤(5)中系统刚度和步骤(6)中振动圆频率计算转动惯量
I＝K/ω2 (6)
为提高测量精度，实施中可反复振动多次，利用最小二乘法获得飞行器模型2的转动惯量。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种转动惯量的光学测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)限制三自由度机构另外两个通道自由度，在当前通道方向安装弹性梁，提供系统在当前方向的弹性恢复力，使系统受到扰动后可沿当前通道自由振动；
(2)将步骤(1)中得到的单自由度振动系统置于三目视觉系统的测量视场，测量模型上标识点在视觉坐标系下的三维坐标；
(3)模型上标识点在试验系统体轴系中的三维坐标已知，根据步骤(2)中得到的所述三维坐标计算出视觉坐标系与体轴系之间的空间位置关系，得到坐标系间的转换矩阵；
(4)利用砝码加载装置向试验系统当前通道施加力矩，同时利用三目视觉系统测量模型上标识点在体轴系中坐标变化，获得当前载荷下弹性系统的在当前通道的变形角度，进而计算弹性系统刚度；
(5)去除砝码加载装置，向系统当前通道施加初始角位移，激励系统自由振动，利用三目视觉系统实时测量模型上标识点在体轴系中变化历程，绘制模型角位移相对时间的变化曲线，利用均值法得到系统振动圆频率；
(6)根据步骤(4)中得到的系统刚度与步骤(5)中得到的振动圆频率计算模型在当前通道的转动惯量。
2.如权利要求1所述的一种转动惯量的光学测量方法,其特征在于，所述步骤(3)中计算出视觉坐标系与体轴系之间的空间位置关系，得到坐标系间的转换矩阵M＝R+T，其中，R和T通过公式
计算得到，[Xb Yb Zb]T为标识点在体轴系下坐标，[XC YC ZC]T为标识点在视觉坐标系下坐标。
3.如权利要求1所述的一种转动惯量的光学测量方法,其特征在于，所述步骤(4)中弹性系统刚度具体为：
(3.1)加载重量为m的砝码，加载中心距离体轴系原点沿ObXb轴方向距离为L，则施加于系统的当前力矩为：M＝m×g×L；
(3.2)利用三目视觉系统测量加载砝码前、后模型上标识点在体轴系下坐标分别为：(Xb1,Yb1,Zb1)和(Xb2,Yb2,Zb2)，则弹性系统在当前通道的角位移变化量：
(3.3)弹性系统刚度K＝M/Δθ，为提高测量精度，实施中可反复加载多次，最后利用最小二乘法计算系统刚度值。
4.如权利要求1所述的一种转动惯量的光学测量方法,其特征在于，所述步骤(5)中实时测量标识点在体轴系下坐标(Xbi,Ybi,Zbi)，并计算ti时刻模型角位移得到角位移随时间变化的曲线(θi,ti)，利用均值法计算振动周期T，模型振动圆频率ω＝2π/T。
5.如权利要求1所述的一种转动惯量的光学测量方法,其特征在于，所述步骤(6)中转动惯量由步骤(4)中系统刚度和步骤(5)中振动圆频率计算得到：I＝K/ω2,其中K为系统的刚度，ω为系统的振动圆频率，为提高测量精度，实施中可反复振动多次，利用最小二乘法获得模型的转动惯量。
6.如权利要求1所述的一种转动惯量的光学测量方法,其特征在于，系统刚度标定和转动惯量测量过程中三自由度机构支撑段和三目视觉系统间相互位置关系不发生变化。
7.一种转动惯量的光学测量系统，其特征在于，包括三目视觉系统(1)、飞行器模型(2)、三自由度机构(3)、弹性梁(4)、标识点(5)和砝码加载装置(6)；其中三自由度机构(3)包括外壳体、滚转轴承(7)、滚转限位件(8)、当前轴承(9)、当前限位件(10)，偏航轴承(11)、偏航限位件(12)、模型连接锥(13)和支撑段(14)，
滚转轴承(7)和当前轴承(9)分别置于外壳体上，偏航轴承(11)置于支撑段(14)上；滚转限位件(8)与滚转轴承(7)内的模型连接锥(13)固连，可限制滚转方向的自由度；当前限位件(10)安装于外壳体上，可限制当前方向的自由度；偏航限位件(12)安装在偏航轴承(11)内的轴上，可限制偏航方向的自由度。
8.如权利要求7所述的一种转动惯量的光学测量系统，其特征在于，弹性梁(4)的一端连接当前自由度的支撑段(14)上，另一端连接在三自由度机构(3)的外壳体上，提供振动恢复力矩。
9.如权利要求7所述的一种转动惯量的光学测量系统，其特征在于，标识点(5)安装于飞行器模型(2)表面，砝码加载装置(6)置于飞行器模型(2)尾部。
10.如权利要求9所述的一种转动惯量的光学测量系统，其特征在于，根据飞行器模型(2)振动过程中的运动范围，调整三目视觉系统(1)的位置和方向，保证飞行器模型(2)振动过程中有不少于三个标识点(5)位于三目视觉系统(1)的测量视场内。
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