CN111044221B - 一种小型无人机三维转动惯量测试台调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型无人机三维转动惯量测试台调节装置，包括测试台、扭摆装置、悬摆装置、安装定位装置；安装定位装置设置在悬摆装置中心，两者转动连接，安装定位装置用于安装和定位产品，扭摆装置固定在测试台上方，用于产品的轴向惯量测量，悬摆装置固定在扭摆装置上，用于产品的两径向轴惯量测量，测试台用于承载扭摆装置、悬摆装置、安装定位装置和产品，是整体测量装调装置的安装支撑平台。本发明采用无人机尾部防形模定位＋无人机顶部固定的一次安装装夹方式，在一个测试台上实现小型无人机俯仰Jy、方位Jz、滚转Jx三个方向转动惯量的高效高精度测量，同时还可以通过配平、装配位置关系的调整进行系统惯量参数的调节。

Description

一种小型无人机三维转动惯量测试台调节装置

技术领域

本发明属于转动惯量测定技术，具体涉及一种小型无人机三维转动惯量测试台调节装置。

背景技术

无人机飞行运动轨迹与其自身的质量特性参数具有紧密的联系，质量特性参数的测量对于研究与控制该类产品的运动过程具有重要的意义。质量特性参数是指反映产品形状、质量及其分布特性的一系列参数的总称，通常反映了产品的质量、质心、偏心、转动惯量及动不平衡度等性能参数。

转动惯量描述的是物体相对于其旋转轴的转动惯性，表征转动物体惯性大小的物理量，是研究、设计、控制转动物体运动规律的重要工程技术参数。

无人机的转动惯量是影响其飞行稳定性、运动轨迹和飞行控制的重要参数，是检验无人机设计的成败与质量高低的重要依据。

通常获取无人机转动惯量参数的方法有2个基本途径：计算机模拟方法和试验测试方法。计算机模拟方法对于真实结构存在不可忽略的误差，往往并不能依靠无人机理论模型的转动惯量参数来表征无人机的实际转动惯量。必须通过对实际无人机的转动惯量参数测量，才能为进一步的无人机的设计研究提供理论分析基础，校核检验无人机设计、生产及装配的优劣。

在转动惯量测试领域，除了传统“三线摆式”转动惯量测试方法以外，先后发展出“扭摆法”转动惯量测试技术、“激振法”转动惯量测试技术，可以适应多种无人机的转动惯量测试需求。目前，无人机惯量的测量主要采用扭摆法，一次装夹只能测定一个方向的惯量，无人机通常需要测量俯仰Jy、方位Jz、滚转Jx三个轴的转动惯量，由于无人机外形复杂、装夹定位困难，测量三个方向转动惯量需多台测试设备或工装，多次装夹，十分繁琐，实现系统连续调节难度较大，尤其是同一个测试设备上一次装夹就能测量Jx、Jy、Jz三个值还没有见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型无人机三维转动惯量测试台调节装置，采用无人机尾部防形模定位＋无人机顶部固定的一次安装装夹方式，在一个测试台上实现小型无人机俯仰Jy、方位Jz、滚转Jx三个方向转动惯量的高效高精度测量，同时还可以通过配平、装配位置关系的调整进行系统惯量参数的调节。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种小型无人机三维转动惯量测试台调节装置，包括测试台、扭摆装置、悬摆装置、安装定位装置；安装定位装置设置在悬摆装置中心，两者转动连接，安装定位装置用于安装和定位产品，扭摆装置固定在测试台上方，用于产品的轴向惯量测量，悬摆装置固定在扭摆装置上，用于产品的两径向轴惯量测量，测试台用于承载扭摆装置、悬摆装置、安装定位装置和产品，是整体测量装调装置的安装支撑平台。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）实现小型无人机俯仰Jy、方位Jz、滚转Jx三个方向惯量的高精度测量和系统调节。

（2）在一个测试台上、一次装夹完成三维惯量的测量，减少安装次数、降低安装基准转换数，提高测量精度和工作效力，同时方便整个系统的调节。

（3）采用无人机尾部防形模定位＋无人机顶部固定的安装装夹方式，保证滚转轴与扭摆轴重合，同时，保证过无人机理论质心的俯仰轴、方位轴与旋摆轴重合，提高了惯量测试精度和重复性。

（4）采用旋摆轴过过无人机理论质心的俯仰轴、方位轴的扭振方式，减少转动惯量平行轴定理理论计算和实际工程测量带来的实际误差。

附图说明

图1是本发明一种小型无人机三维转动惯量测试台调节装置的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的俯视图。

图4是图升降锁紧装置的结构示意图

图5是本发明扭摆法测惯量测试示意图。

图6是本发明悬摆法测惯量测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2、图3、图4，一种小型无人机三维转动惯量测试台调节装置，包括测试台1、扭摆装置2、悬摆装置、安装定位装置4；安装定位装置4设置在悬摆装置中心，两者转动连接，安装定位装置4用于安装和定位产品，扭摆装置2固定在测试台1上方，用于产品的轴向惯量测量，悬摆装置固定在扭摆装置2上，用于产品的两径向轴惯量测量，测试台1用于承载扭摆装置2、悬摆装置、安装定位装置4和产品，是整体测量装调装置的安装支撑平台。

结合图1和图4，测试台1包括测试底台11、扭摆定位装置12、两个升降锁紧装置14、2N个可调地脚13，N≥1；2N个可调地脚11均匀分布在测试底台11底面，对测试底台11水平高度进行调节，两个升降锁紧装置14对称固定在测试底台11顶面两侧，扭摆定位装置12固定在测试底台11中心。

升降锁紧装置14包括升降上板143、滑动板144、升降底板147、丝杆升降机148、第一步进电机149、2个直线轴承145、2根导轴146、2个锁紧顶座141、2个锁紧母座1410和支撑轴142；第一步进电机149与丝杆升降机148相连，向丝杆升降机148提供升降动力，丝杆升降机148的丝杆通过法兰与其上方的滑动板144中心固连，两根导轴146对称设置在丝杆升降机148两侧，且分别与升降上板143底面和升降底板147的顶面固连，每根导轴146上设有一个直线轴承145，且两个直线轴承145对称与滑动板144固连，升降时起到导向保护作用，两根支撑轴142对称设置在滑动板144顶面，升降上板143位于滑动板144正上方，支撑轴142穿过升降上板143后分别与锁紧顶座141底面和滑动板144顶面固连，起到升降支撑扭摆装置2的作用，两个锁紧母座1410分别对应设置于2个锁紧顶座141上方，且两个锁紧母座1410固定在扭摆装置2的扭摆架21上。当第一步进电机149开始工作时，带动丝杆升降机148丝杆上下移动从而带动滑动板144上下移动，通过滑动板144上下移动带动锁紧母座1410和支撑轴142上下移动顶起锁紧母座1410从而起到支撑保护锁紧测试扭摆架21。

结合图1和图2，扭摆装置2包括扭摆架21、扭摆子装置22、加载释放装置23、第一振动源装置24；扭摆子装置22通过扭摆定位装置12固连在测试底台11顶面，加载释放装置23固定在测试底台11顶面一侧，扭摆架21设置在扭摆子装置22顶面，且两者转动连接，第一振动源装置24固定在测试底台11顶面两侧。扭摆装置2主要用于测量单轴惯量和提供单轴惯量测量振动源。

扭摆子装置22包括扭摆轴221、平面轴承222、轴承支座223、直线轴承224和支座固定板225；直线轴承224固定在轴承支撑223底端腹内通过中心定位，支座固定板225固定在扭摆定位装置12上，平面轴承222固定在轴承支座223顶面并通过外圆定位，扭摆轴221通过平面轴承222和直线轴承224中心孔定位固定，且扭摆轴221可以在平面轴承222上旋转。

加载释放装置23包括第二步进电机231、减速机安装座232、第一减速机233、第一驱动轴234和驱动凸轮235；减速机安装座232固定在测试底台11顶面一侧靠近第一振动源装置24，第一减速机233固定在减速机安装座232上，第二步进电机231与第一减速机233相连，向第一减速机233提供驱动动力，第一驱动轴234一端固定在第一减速机233上，另一端固连驱动凸轮235，通过第二步进电机231带动第一减速机233从而转动第一驱动轴234带动驱动凸轮235旋转驱动。

第一振动源装置24包括拉绳柱245、两个第一电磁铁241、两个第二电磁铁242、两根第一弹性拉绳243和两根第一电磁铁安装座244；拉绳柱245固定在测试底台11一侧中间靠近加载释放装置23，两个第一电磁铁安装座244对称固定在测试底台11两侧，第一电磁铁安装座244位置与拉绳柱245对齐，第一电磁铁安装座244和拉绳柱245通过第一弹性拉绳243连接，第一电磁铁241固定在第一电磁铁安装座244顶面内壁，第二电磁铁242固定在第一弹性拉绳243上靠近第一电磁铁241的位置。

结合图1，悬摆装置包括加载与释放装置33、第二振动源装置34、两个悬摆子装置31和两个悬摆架32；两个悬摆架32固定在扭摆架21顶面两侧，加载与释放装置33固定在任意一个悬摆架32上，第二振动源装置34固定在另一个悬摆架32上，两个悬摆子装置31分别固定在两个悬摆架32上；且两个悬摆子装置31均位于加载与释放装置33和第二振动源装置34上方。悬摆装置3主要用于测量双轴惯量和提供双轴惯量测量振动源。

悬摆子装置31包括主动悬摆装置311、被动悬摆装置312；主动悬摆装置311包括第一轴承3111、第一轴承座3112和主动轴3113，第一轴承3111固定在第一轴承座3112内，主动轴3113通过第一轴承3111与第一轴承座3112转动连接，第一轴承座3112固定在一个悬摆架32上；被动悬摆装置312包括第二轴承座3121、第二轴承3122、被动轴3123，第二轴承3122固定在第二轴承座3121内，被动轴3123通过第二轴承3122与第二轴承座3121转动连接，第二轴承座3121固定在另一个悬摆架32上。

加载与释放装置33包括驱动凸轮331、第二驱动轴332、减速机安装板333、第二减速机334和第三步进电机335；减速机安装板333与悬摆架32中部固连，第二减速机334固定在减速机安装板333上，第三步进电机335与第二减速机334沿垂直方向相连，向第二减速机334提供驱动动力，第二驱动轴332一端与第二减速机334固连，另一端固连驱动凸轮331；当驱动凸轮331转动时，带动安装定位装置4的安装框架41摆动。

第二振动源装置34包括拉绳晃板341、下电磁铁支撑板345、两个第二弹性拉绳342、两个上电磁铁343和两个下电磁铁344，拉绳晃板341固定在主动悬摆装置311外侧，两者转动连接，下电磁铁支撑板345固定在悬摆架32中部，第二弹性拉绳342两端分别连接拉绳晃板341和下电磁铁支撑板345，两个下电磁铁344固定在下电磁铁支撑板345顶面两侧，两个上电磁铁343分别固定在第二弹性拉绳342上，且接近下电磁铁344的一侧。第二振动源装置34整套设置在主动悬摆装置311通过拉绳晃板341转动连接。

结合图1，安装定位装置4包括安装框架41、上安装座42、下安装座43；

安装框架41固定在两个悬摆架32之间，上安装座42上设有上安装定位轴421，上安装定位轴421的基准面朝下，上方有螺纹，通过第一螺母423锁紧固定；下安装座43上设有下安装定位轴431，下安装定位轴431基准面朝上，下方有螺纹，通过第二螺母433锁紧固定。安装框架41固定在两个悬摆架32之间，通过主动轴3113和被动轴3123转动连接。

结合图5和图6，本发明所述的小型无人机三维转动惯量测试台调节装置的测试方法，步骤如下：

步骤1，调整安装定位装置4与悬摆架32对正，保证安装定位装置4与测试底台11的底端面平行。

步骤2，将升降锁紧装置14调整到上工位，使扭摆架21与升降锁紧装置14接触。

步骤3，调整扭摆架21使其与测试底台11平行。

步骤4，将无人机通过上安装座42、下安装座43安装至安装框架41上并确保其不会移动。

步骤5，将升降锁紧装置14调整到下工位，扭摆架21与升降锁紧装置14脱离。

步骤6，调整升降锁紧装置14使其释放，第一电磁铁241、第二电磁铁242进入工作状态，上电磁铁343和下电磁铁344进入不运行状态，系统进入测试状态。

步骤7，通过第二步进电机231带动驱动凸轮235带动拉绳臂从而带动扭摆架21旋转到一定角度释放，第一弹性拉绳243开始左右运动，第一电磁铁241、第二电磁铁242供电产生相同级数，当第一弹性拉绳243一端第一电磁铁241接近第二电磁铁242时，同性相斥使其往另一端晃动，从而带动扭摆架21往复扭摆，通过光电开关计数软件计算从而得出无人机轴向转动惯量。

步骤8，将第一电磁铁241、第二电磁铁242断电，上电磁铁343、下电磁铁344供电进入工作状态，将升降锁紧装置14上升至上工位锁紧。通过第三步进电机335带动驱动凸轮331带动拉绳从而带动拉绳晃板341旋转到一定角度释放，第二弹性拉绳342开始上下运动，上电磁铁343、下电磁铁344供电产生相同级数，当第二弹性拉绳342一端上电磁铁343相近下电磁铁344，同性相斥使其往另一端晃动，从而带动扭摆架21往复悬摆，通过光电开关计数软件计算从而得出无人机径向转动惯量。

将无人机沿轴向旋转90度，重复步骤8得出无人机另一径向转动惯量。

步骤9，通过升降锁紧装置14将扭摆架21调整到初始位置，使扭摆架21的升降锁紧装置连接座1410与升降锁紧装置14对正，保证两者能称为一个整体。

步骤10，取下被测无人机，完成测试。

结合图5和图6，本发明的测试原理如下：

（1）扭摆法惯量测试方法：

扭摆式惯量测试技术，采用绕定轴转动振动特性测量待测体的转动惯量，通过振动源作为赤道转动惯量测试的驱动单元，具有测试精度高，线性度好，抗侧向偏载能力强等优点，是国际上先进的测量转动惯量的方式。根据振动力学理论，确定物体作定轴振动时自振周期与其惯量之间的数学关系，即I=F(t)。扭摆法转动惯量测试时，现将测试工装固定在摆架上，在平衡状态时，对摆架施加一瞬时驱动力拒，摆架即测试工装绕转轴自由扭振，通过光电传感器获得空载状态下系统的振动周期。同样在安装被测体后测量获取其振动周期，通过相关计算即可得到产品的转动惯量，其测试原理如图5所示。

（2）旋摆法惯量测试方法：

旋摆法惯量测试技术中，将被测体安装在旋摆架上，旋摆架绕水平定轴转动，通过系统配平，消除旋摆架相对于转轴中心的偏心，使旋摆架工装的质心通过转轴中心，其次将被测体安装在旋摆架上，使被测体的质心通过转轴轴线，其测试原理如图6所示。

根据振动力学理论，确定物体作定轴振动时自振周期与其惯量之间的数学关系，即I=F(t)。旋摆法转动惯量测试时，现将测试工装固定在摆架上，在平衡状态是，对旋摆架施加一瞬时驱动力力矩，旋摆架即测试工装绕转轴自由扭振，通过光电传感器和数据采集电路获得空载状态下系统的振动周期；同样在安装被测体时测量振动周期从而得到被测体转动惯量。

实测例

0.391kg，长度为1m的标准体，一种小型无人机三维转动惯量测试台调节装置，测试数据如下：

测试内容	理论值	测试值	精度	结论
					X轴惯量	6.364	6.354	0.15%	可行
Y轴惯量	6.364	6.348	0.25%	可行
					Z轴惯量	6.364	6.325	0.61%	可行

通过测试结果得出所述小型无人机三维转动惯量测量装置的X轴惯量、Y轴惯量和Z轴惯量均具有较高精度，均满足测试需求。

Claims (5)

1.一种小型无人机三维转动惯量测试台调节装置，包括，

测试台（1），是整体测量装调装置的安装支撑平台；

其特征在于：还包括，

扭摆装置（2），固定在测试台（1）上方，用于产品的轴向惯量测量；

悬摆装置，固定在扭摆装置（2）上，用于产品的两径向轴惯量测量；

安装定位装置（4），设置在悬摆装置中心，两者转动连接，安装定位装置（4）用于安装和定位产品；

测试台（1）包括，

测试底台（11），作为安装支撑平台；

两个升降锁紧装置（14），对称固定在测试底台（11）顶面两侧；

扭摆定位装置（12），固定在测试底台（11）中心；

升降锁紧装置（14）包括升降上板（143）、滑动板（144）、升降底板（147）、丝杆升降机（148）、第一步进电机（149）、2个直线轴承（145）、2根导轴（146）、2个锁紧顶座（141）、2个锁紧母座（1410）和支撑轴（142）；第一步进电机（149）与丝杆升降机（148）相连，向丝杆升降机（148）提供升降动力，丝杆升降机（148）的丝杆通过法兰与其上方的滑动板（144）中心固连，两根导轴（146）对称设置在丝杆升降机（148）两侧，且分别与升降上板（143）底面和升降底板（147）的顶面固连，每根导轴（146）上设有一个直线轴承（145），且两个直线轴承（145）对称与滑动板（144）固连，两根支撑轴（142）对称设置在滑动板（144）顶面，升降上板（143）位于滑动板（144）正上方，支撑轴（142）穿过升降上板（143）后分别与锁紧顶座（141）底面和滑动板（144）顶面固连，两个锁紧母座（1410）分别对应设置于2个锁紧顶座（141）上方，且两个锁紧母座（1410）固定在扭摆装置（2）上；

扭摆装置（2）包括扭摆架（21）、扭摆子装置（22）、加载释放装置（23）、第一振动源装置（24）；扭摆子装置（22）通过扭摆定位装置（12）固连在测试底台（11）顶面，加载释放装置（23）固定在测试底台（11）顶面一侧，扭摆架（21）设置在扭摆子装置（22）顶面，且两者转动连接，第一振动源装置（24）固定在测试底台（11）顶面两侧，悬摆装置固定在扭摆架（21）两侧；

扭摆子装置（22）包括扭摆轴（221）、平面轴承（222）、轴承支座（223）、直线轴承（224）和支座固定板（225）；直线轴承（224）固定在轴承支撑223底端腹内通过中心定位，支座固定板（225）固定在扭摆定位装置（12）上，平面轴承（222）固定在轴承支座（223）顶面并通过外圆定位，扭摆轴（221）通过平面轴承（222）和直线轴承（224）中心孔定位固定，且扭摆轴（221）在平面轴承（222）上旋转；

加载释放装置（23）包括第二步进电机（231）、减速机安装座（232）、第一减速机（233）、第一驱动轴（234）和驱动凸轮（235）；减速机安装座（232）固定在测试底台（11）顶面一侧靠近第一振动源装置（24），第一减速机（233）固定在减速机安装座（232）上，第二步进电机（231）与第一减速机（233）相连，第一驱动轴（234）一端固定在第一减速机（233）上，另一端固连驱动凸轮（235），通过第二步进电机（231）带动第一减速机（233）从而转动第一驱动轴（234）带动驱动凸轮（235）旋转驱动；

第一振动源装置（24）包括拉绳柱（245）、两个第一电磁铁（241）、两个第二电磁铁（242）、两根第一弹性拉绳（243）和两根第一电磁铁安装座（244）；拉绳柱（245）固定在测试底台（11）一侧中间靠近加载释放装置（23），两个第一电磁铁安装座（244）对称固定在测试底台（11）两侧，第一电磁铁安装座（244）位置与拉绳柱（245）对齐，第一电磁铁安装座（244）和拉绳柱（245）通过第一弹性拉绳（243）连接，第一电磁铁（241）固定在第一电磁铁安装座（244）顶面内壁，第二电磁铁（242）固定在第一弹性拉绳（243）上靠近第一电磁铁（241）的位置。

2.根据权利要求1所述的小型无人机三维转动惯量测试台调节装置，其特征在于：测试台（1）包括还包括2N个可调地脚（13），N≥1；2N个可调地脚11均匀分布在测试底台（11）底面，对测试底台（11）水平高度进行调节。

3.根据权利要求1所述的小型无人机三维转动惯量测试台调节装置，其特征在于：悬摆装置包括加载与释放装置（33）、第二振动源装置（34）、两个悬摆子装置（31）和两个悬摆架（32）；两个悬摆架（32）固定在扭摆架（21）顶面两侧，加载与释放装置（33）固定在任意一个悬摆架（32）上，第二振动源装置（34）固定在另一个悬摆架（32）上，两个悬摆子装置（31）分别固定在两个悬摆架（32）上；且两个悬摆子装置（31）均位于加载与释放装置（33）和第二振动源装置（34）上方，安装定位装置（4）固定在两个悬摆架（32）之间。

4.根据权利要求1所述的小型无人机三维转动惯量测试台调节装置，其特征在于：悬摆子装置（31）包括主动悬摆装置（311）、被动悬摆装置（312），主动悬摆装置（311）包括第一轴承（3111）、第一轴承座（3112）和主动轴（3113），第一轴承（3111）固定在第一轴承座（3112）内，主动轴（3113）通过第一轴承（3111）与第一轴承座（3112）转动连接，第一轴承座（3112）固定在一个悬摆架（32）上；被动悬摆装置（312）包括第二轴承座（3121）、第二轴承（3122）、被动轴（3123），第二轴承（3122）固定在第二轴承座（3121）内，被动轴（3123）通过第二轴承（3122）与第二轴承座（3121）转动连接，第二轴承座（3121）固定在另一个悬摆架（32）上；

加载与释放装置（33）包括驱动凸轮（331）、第二驱动轴（332）、减速机安装板（333）、第二减速机（334）和第三步进电机（335）；减速机安装板（333）与悬摆架（32）中部固连，第二减速机（334）固定在减速机安装板（333）上，第三步进电机（335）与第二减速机（334）沿垂直方向相连，向第二减速机（334）提供驱动动力，第二驱动轴（332）一端与第二减速机（334）固连，另一端固连驱动凸轮（331）；

第二振动源装置（34）包括拉绳晃板（341）、下电磁铁支撑板（345）、两个第二弹性拉绳（342）、两个上电磁铁（343）和两个下电磁铁（344），拉绳晃板（341）固定在主动悬摆装置（311）外侧，两者转动连接，下电磁铁支撑板（345）固定在悬摆架（32）中部，第二弹性拉绳（342）两端分别连接拉绳晃板（341）和下电磁铁支撑板（345），两个下电磁铁（344）固定在下电磁铁支撑板（345）顶面两侧，两个上电磁铁（343）分别固定在第二弹性拉绳（342）上，且接近下电磁铁（344）的一侧。

5.根据权利要求3所述的小型无人机三维转动惯量测试台调节装置，其特征在于：安装定位装置（4）包括安装框架（41）、上安装座（42）、下安装座（43）；安装框架（41）固定在两个悬摆架（32）之间，上安装座（42）上设有上安装定位轴（421），上安装定位轴（421）的基准面朝下，通过第一螺母（423）锁紧固定；下安装座（43）上设有下安装定位轴（431），下安装定位轴（431）基准面朝上，通过第二螺母（433）锁紧固定。

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