CN110672268B - 一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统，属于飞行器质心惯量测量技术领域，包括被测物体安装盘1、速率陀螺2、球面轴承3、支持立柱4、配重悬挂装置(5、7、8、9)、配重质量块6、激励质量块10；球面轴承3分别与支持立柱4和被测物体安装盘1连接；配重悬挂装置(5、7、8、9)安装在被测物体安装盘1上靠近的支持立柱4的一侧；配重质量块6可拆卸的安装在配重悬挂装置(5、7、8、9)的不同位置；外部被测物体放置在被测物体安装盘1上；激励质量块10放置在被测物体安装盘1上；速率陀螺2用于测量被测物体安装盘1转动的角速度和姿态角。本发明系统可同时测量质心和惯量，测量周期短，系统简单。

Description

一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统及测量方法，属于飞行器质心惯量测量技术领域。
背景技术
在工业控制、航空航天控制领域，特别是飞行器、航天器，控制对象的质心和转动惯量参数对控制系统设计有重要意义。通常在飞行器装配完成后进行一次质心和转动惯量的测量，作为控制系统重要的输入参数。精确的质心和转动惯量参数对提高飞行器的控制精度有重要意义。传统的质心的测量多采用多点称重的方法，在测量台下分布有若干个力传感器，一次测量可以确定质心在平面内的位置，而对于三维空间的质心位置，至少需要调整被测物体空间位置两次，才能测量物体质心。传统的惯量测量方法采用扭摆法，每次测量需要通过起振装置，使平台产生振摆，通过测量摆动周期计算转动惯量，测量时间长。而对一些精密的被测物体，振动冲击可能对精密被测物体产生损害。另外为了测量物体的转动惯量矩阵，需要摆换多个姿态，多次测量才能解算全部转动惯量。这对被测物体在平台上变换安装方位及其固定方式有更高的要求，特别是外形特殊的飞行器，其固定方式往往只能提供一个姿态下的安装，无法变换安装方位。另一个缺点是传统方法转动惯量和质心测量是两个独立的测量过程，不能同时测量，造成测量周期较长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统，包括被测物体安装盘、速率陀螺、球面轴承、支持立柱、配重悬挂装置、配重质量块、激励质量块；球面轴承分别与支持立柱和被测物体安装盘连接；配重悬挂装置安装在被测物体安装盘上靠近的支持立柱的一侧；配重质量块可拆卸的安装在配重悬挂装置的不同位置；外部被测物体放置在被测物体安装盘上；激励质量块安装在被测物体安装盘上；速率陀螺用于测量被测物体安装盘转动的角速度和姿态角。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统，包括被测物体安装盘、速率陀螺、球面轴承、支持立柱、配重悬挂装置、配重质量块、激励质量块；
所述球面轴承分别与所述支持立柱和所述被测物体安装盘连接，使被测物体安装盘能够所述球面轴承的球心摆动；所述配重悬挂装置安装在被测物体安装盘上靠近的所述支持立柱的一侧；所述配重质量块可拆卸的安装在所述配重悬挂装置的不同位置；外部被测物体放置在所述被测物体安装盘上；激励质量块放置在所述被测物体安装盘上；
所述速率陀螺用于测量所述被测物体安装盘转动的角速度和姿态角。
优选的，所述球面轴承选用气浮球面轴承或微摩擦轴承。
优选的，所述配重悬挂装置采用十字分布对称安装在被测物体安装盘上靠近的所述支持立柱的一侧。
优选的，所述配重质量块包括不同重量规格的多个质量块；每个质量块在所述配重悬挂装置上的安装位置均可调整。
优选的，所述激励质量块包括不同重量规格的多个质量块。
一种小型飞行器的高精度质心惯量测量测量方法，采用上述测量系统，包括如下步骤：
S1、测量被测物体的质量，然后将被测物体放置在所述被测物体安装盘上；
S2、使所述被测物体安装盘自由运动，根据所述被测物体安装盘的转动方向，在配重悬挂装置上增减配重质量块，使被测物体安装盘的自由摆动角速度不超过2°/s；
S3、选取相对的两个或四个配重悬挂装置，在被选中的配重悬挂装置上的相同位置增加相同的配重质量块，使增加的配重质量块的重心低于所述球面轴承的球心；
S4、将激励质量块放在所述被测物体安装盘上，利用速率陀螺测量所述被测物体安装盘转动的角速度和姿态角，计算被测物体的质心和转动惯量。
优选的，S4中所述激励质量块的重量不超过被测物体的重量的十分之一。
优选的，所述被测物体的质心rb为：
Figure BDA0002221205680000031
式中，m为包括被测物体安装盘、速率陀螺、配重悬挂装置及配重质量块的总质量，r为m的质心，ma为测物体安装盘的质量，ra为测物体安装盘的质心，i为第一序数，n为配重质量块的数量，
Figure BDA0002221205680000035
为第i个配重质量块的质量，
Figure BDA0002221205680000036
为第i个配重质量块的质心位置，mb为被测物体的质量；
所述被测物体的转动惯量为：
Figure BDA0002221205680000032
式中，I为包括被测物体安装盘、速率陀螺、配重悬挂装置、配重质量块及激励质量块的总转动惯量，Ia为被测物体安装盘的转动惯量，i为第一序数，n为配重质量块的数量，
Figure BDA0002221205680000033
为第i个配重质量块的质量，
Figure BDA0002221205680000037
为第i个配重质量块的质心位置，
Figure BDA0002221205680000034
为第i个配重质量块的转动惯量，mj为选取的激励质量块的质量，rj为激励质量块的质心，Ij为激励质量块的转动惯量。
优选的，S2中所述在配重悬挂装置上增减配重质量块使被测物体安装盘的自由摆动角速度不超过2°/s的方法为：
S21、将所述被测物体安装盘转动至水平位置后，根据被测物体安装盘的倾斜方向，通过增加所述配重质量块并调整配重质量块的位置使被测物体安装盘的自由摆动角速度不超过2°/s；
S22、将被测物体安装盘倾斜不超过25°；根据被测物体安装盘的运动方向，通过增加所述配重质量块并调整配重质量块的位置使被测物体安装盘的自由摆动角速度不超过2°/s；
S23、重复步骤S21～S22，直到S2中所述的自由摆动角速度不超过2°/s。
优选的，所述配重悬挂装置采用十字分布对称安装在被测物体安装盘上靠近的所述支持立柱的一侧。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明带来的有益效果是，传统的惯量测量方法根据振动原理，需要产生扭摆振动，而本发明测量过程无高频振荡冲击，无需配备起振装置，减少振荡冲击的影响。传统方法测量三维空间的转动惯量和质心必须调转被测物体的固定方位多次测量，并且测量过程不能同时进行，而本发明采用小质量块重力力矩产生自由转动，通过动力学方程辨识被测物体质心和转动惯量，可一次测量三维空间的转动惯量和质心，质心和惯量可同时测量，测量周期短，不需要多次调整被测物体的安装角度，系统简单。
附图说明
图1为本发明测量系统的组成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统，包括被测物体安装盘1、速率陀螺2、球面轴承3、支持立柱4、配重悬挂装置(5、7、8、9)、配重质量块6、激励质量块10。球面轴承3分别与所述支持立柱4和所述被测物体安装盘1连接，使被测物体安装盘1能够所述球面轴承3的球心摆动；所述配重悬挂装置(5、7、8、9)安装在被测物体安装盘1上靠近的所述支持立柱4的一侧；所述配重质量块6可拆卸的安装在所述配重悬挂装置(5、7、8、9)的不同位置；外部被测物体放置在所述被测物体安装盘1上；激励质量块10安装在所述被测物体安装盘1上，激励质量块10包括不同重量规格的多个质量块。配重悬挂装置(5、7、8、9)采用十字分布对称安装在被测物体安装盘1上靠近的所述支持立柱4的一侧。配重质量块6包括不同重量规格的多个质量块；每个质量块在所述配重悬挂装置(5、7、8、9)上的安装位置均可调整。如图1所示。
一种小型飞行器的高精度质心惯量测量方法，该方法的具体过程为，
步骤一：安装前测量被测物体质量，标定球面轴承3的摩擦力矩大小，标定被测物体安装盘1的转动惯量、质量、质心。
步骤二：被测物体安装在被测物体安装盘上后，标定被测物体的安装位置。在配重悬挂装置(5、7、8、9)上增减配重质量块6使被测物体安装盘1的自由摆动角速度不超过2°/s的方法为：
1)将所述被测物体安装盘1转动至水平位置后，根据被测物体安装盘1的倾斜方向，通过增加所述配重质量块6并调整配重质量块6的位置使被测物体安装盘1的自由摆动角速度不超过2°/s；
2)将被测物体安装盘1倾斜不超过25°；根据被测物体安装盘1的运动方向，通过增加所述配重质量块6并调整配重质量块6的位置使被测物体安装盘1的自由摆动角速度不超过2°/s；重复步骤1)～2)，直到的自由摆动角速度不超过2°/s。
步骤三：选取相对的两个或四个配重悬挂装置(5、7、8、9)，在被选中的配重悬挂装置(5、7、8、9)上的相同位置增加相同的配重质量块6，使增加的配重质量块6的重心低于所述球面轴承3的球心；记录并测量步骤二和步骤三中增加的所有配重质量块的质量
Figure BDA0002221205680000051
质心位置
Figure BDA0002221205680000052
步骤四：选取激励质量块10，将该激励质量块10方在所述被测物体安装盘1上。激励质量块10作为激励源，激励质量块10的重力力矩将使平台转动。mj为选取的激励质量块10的质量，rj为激励质量块10的质心。
步骤五：初始时刻使平台保持静止，之后平台在激励质量块10重力力矩作用下，产生运动，利用速率陀螺2测量所述被测物体安装盘1转动的角速度和姿态角。
步骤六：平台包括被测物体安装盘1、速率陀螺2、配重悬挂装置(5、7、8、9)、配重质量块6及激励质量块10的总转动惯量I、m为包括被测物体安装盘1、速率陀螺2、配重悬挂装置(5、7、8、9)及配重质量块6的总质量(不包括激励质量块10)，r为m的质心。计算公式为(公式一)～(公式五)，其中
Figure BDA0002221205680000061
为量测矩阵，rj×mjg为量测量，通过参数估计方法可求得转动惯量I和质心r。T摩擦为球面轴承3摩擦力矩，在测量前已标定摩擦力矩大小。
Figure BDA0002221205680000062
Figure BDA0002221205680000063
ω＝[ωx ωy ωz]T(公式三)
Figure BDA0002221205680000064
式中ωx为平台绕x轴的角速度，ωy为平台绕y轴的角速度，ωz为平台绕z轴的角速度，姿态角
Figure BDA0002221205680000065
θ,ψ分别为平台的俯仰角、滚转角和偏航角，g为重力加速度。
步骤七：通过递推最小二乘法计算转动惯量I和质心r，则被测物体的质心rb和转动惯量Ib为：
Figure BDA0002221205680000066
Figure BDA0002221205680000067
式中ma为测物体安装盘1的质量，ra为测物体安装盘1的质心、Ia为被测物体安装盘1的转动惯量，i为第一序数，n为配重质量块6的数量，
Figure BDA0002221205680000068
为第i个配重质量块的质量，
Figure BDA00022212056800000610
为第i个配重质量块的质心位置，
Figure BDA0002221205680000069
为第i个配重质量块的转动惯量，mj为选取的激励质量块10的质量，rj为激励质量块10的质心，Ij为激励质量块10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。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统，其特征在于，包括被测物体安装盘(1)、速率陀螺(2)、球面轴承(3)、支持立柱(4)、配重悬挂装置(5、7、8、9)、配重质量块(6)、激励质量块(10)；
所述球面轴承(3)分别与所述支持立柱(4)和所述被测物体安装盘(1)连接，使被测物体安装盘(1)能够绕所述球面轴承(3)的球心摆动；所述配重悬挂装置(5、7、8、9)安装在被测物体安装盘(1)上靠近的所述支持立柱(4)的一侧；所述配重质量块(6)可拆卸的安装在所述配重悬挂装置(5、7、8、9)的不同位置；外部被测物体放置在所述被测物体安装盘(1)上；激励质量块(10)安装在所述被测物体安装盘(1)上；
所述速率陀螺(2)用于测量所述被测物体安装盘(1)转动的角速度和姿态角。
2.根据权利要求1所述的一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统，其特征在于，所述球面轴承(3)选用气浮球面轴承或微摩擦轴承。
3.根据权利要求1所述的一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统，其特征在于，所述配重悬挂装置(5、7、8、9)采用十字分布对称安装在被测物体安装盘(1)上靠近的所述支持立柱(4)的一侧。
4.根据权利要求1所述的一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统，其特征在于，所述配重质量块(6)包括不同重量规格的多个质量块；每个质量块在所述配重悬挂装置(5、7、8、9)上的安装位置均可调整。
5.根据权利要求1所述的一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统，其特征在于，所述激励质量块(10)包括不同重量规格的多个质量块。
6.一种小型飞行器的高精度质心惯量测量方法，其特征在于，采用权利要求1所述的测量系统，包括如下步骤：
S1、测量被测物体的质量，然后将被测物体放置在所述被测物体安装盘(1)上；
S2、使所述被测物体安装盘(1)自由运动，根据所述被测物体安装盘(1)的转动方向，在配重悬挂装置(5、7、8、9)上增减配重质量块(6)，使被测物体安装盘(1)的自由摆动角速度不超过2°/s；
S3、选取相对的两个或四个配重悬挂装置(5、7、8、9)，在被选中的配重悬挂装置(5、7、8、9)上的相同位置增加相同的配重质量块(6)，使增加的配重质量块(6)的重心低于所述球面轴承(3)的球心；
S4、将激励质量块(10)放在所述被测物体安装盘(1)上，利用速率陀螺(2)测量所述被测物体安装盘(1)转动的角速度和姿态角，计算被测物体的质心和转动惯量。
7.根据权利要求6所述的一种小型飞行器的高精度质心惯量测量方法，其特征在于，S4中所述激励质量块(10)的重量不超过被测物体的重量的十分之一。
8.根据权利要求6所述的一种小型飞行器的高精度质心惯量测量方法，其特征在于，所述被测物体的质心rb为：
Figure FDA0002930159760000021
式中，m为包括被测物体安装盘(1)、速率陀螺(2)、配重悬挂装置(5、7、8、9)及配重质量块(6)的总质量，r为m的质心，ma为测物体安装盘(1)的质量，ra为测物体安装盘(1)的质心，i为第一序数，n为配重质量块(6)的数量，
Figure FDA0002930159760000022
为第i个配重质量块的质量，ri p为第i个配重质量块的质心位置，mb为被测物体的质量；
所述被测物体的转动惯量为：
Figure FDA0002930159760000023
式中，I为包括被测物体安装盘(1)、速率陀螺(2)、配重悬挂装置(5、7、8、9)、配重质量块(6)及激励质量块(10)的总转动惯量，Ia为被测物体安装盘(1)的转动惯量，i为第一序数，n为配重质量块(6)的数量，
Figure FDA0002930159760000031
为第i个配重质量块的质量，ri p为第i个配重质量块的质心位置，
Figure FDA0002930159760000032
为第i个配重质量块的转动惯量，mj为选取的激励质量块(10)的质量，rj为激励质量块(10)的质心，Ij为激励质量块(10)的转动惯量。
9.根据权利要求6～8之一所述的一种小型飞行器的高精度质心惯量测量方法，其特征在于，S2中所述在配重悬挂装置(5、7、8、9)上增减配重质量块(6)使被测物体安装盘(1)的自由摆动角速度不超过2°/s的方法为：
S21、将所述被测物体安装盘(1)转动至水平位置后，根据被测物体安装盘(1)的倾斜方向，通过增加所述配重质量块(6)并调整配重质量块(6)的位置使被测物体安装盘(1)的自由摆动角速度不超过2°/s；
S22、将被测物体安装盘(1)倾斜不超过25°；根据被测物体安装盘(1)的运动方向，通过增加所述配重质量块(6)并调整配重质量块(6)的位置使被测物体安装盘(1)的自由摆动角速度不超过2°/s；
S23、重复步骤S21～S22，直到S2中所述的自由摆动角速度不超过2°/s。
10.根据权利要求6～8之一所述的一种小型飞行器的高精度质心惯量测量方法，其特征在于，所述配重悬挂装置(5、7、8、9)采用十字分布对称安装在被测物体安装盘(1)上靠近的所述支持立柱(4)的一侧。
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