CN111707414B - 地磅式大型重型飞行器质量质心测量装置及方法 - Google Patents

地磅式大型重型飞行器质量质心测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于地磅式大型重型飞行器质量质心测量装置，包括地基，该地基上安装有底座支撑架，该底座支撑架上方通过升降装置支撑有地磅称台，所述底座支撑架与所述地磅称台之间还设有至少三个称重装置，所述地基上还设有龙门架，该龙门架上设置有用于标定飞行器对称轴线的相机。本发明还提供一种基于上述装置的质量质心测量方法。与现有技术相比，本发明的有益效果：(1)测量原理和测量装置简单，可操作性强；(2)通过相机拍摄照片进行形位标定从而获得飞行器的形位数据，避免使用现有的各种形位测量装置，本发明的形位测量方法简洁高效；(3)适合各种型号的大型重型飞行器的质量质心测量。

Description

地磅式大型重型飞行器质量质心测量装置及方法
技术领域
本发明属于质量与质心测量领域，具体涉及一种用于大型重型飞行器的质量质心测量装置及方法。
背景技术
对于以飞机为代表的飞行器，由于其本身非均质、非规则形状等特性，在进行质心测量时需要获得精确的参考点数据，确定形位参数，以换算得到准确的质心数据。目前质心测量方法已较为成熟，主要分为两类：一类是基于静力矩平衡原理的静态测量方法，如悬挂法、多点支撑法、不平衡力矩法等；另一类是动态测量方法，如复摆法、转动惯量法、动平衡法等。然而飞行器形位测量多在停机状态下通过经纬仪或水槽垂线的方法测量关键点相对高度,之后进行姿态换算，计算机翼机身对称度,安装角等。但是这些方法使用难度大，测量数据换算复杂，给形位测量带来困难。现有的形位测量设备与质量质心测量设备没有有机结合，运输成本较高，使用不方便，测量效率低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种地磅式大型重型飞行器质量质心测量装置。
其技术方案如下：
一种地磅式大型重型飞行器质量质心测量装置，其关键在于，包括地基，该地基上安装有底座支撑架，该底座支撑架上方设置地磅称台，该底座支撑架与所述地磅称台之间设置有升降装置；
所述底座支撑架与所述地磅称台之间还设有至少三个称重装置，所有所述称重装置沿着所述地磅称台的环向分布；
所述地基上还设有龙门架，该龙门架上设置有用于标定飞行器对称轴线的相机。
采用以上设计，升降装置用于顶升飞行器，在飞行器停驻在地磅称台过程中防止称重装置被损坏，称重装置用于称量静止状态下的飞行器的重量，相机用于拍照以通过图像识别分析获取飞行器的形位数据，整个装置将质量测量和形位测量相结合，结构简单，可方便实现对飞行器质量质心的测量。
作为优选技术方案，上述底座支撑架上还立设有支撑柱，该支撑柱上设置有压力传感器支撑架，该压力传感器支撑架位于所述地磅称台下方，该压力传感器支撑架上设置有四个所述称重装置；
所述地磅称台呈长方形，靠近所述地磅称台的四个角分别固定设有一个所述称重装置，四个所述称重装置关于所述地磅称台的对称轴对称分布。
采用以上设计，称重装置位置固定且对称分布，便于通过四点称重方法测量质心和质量。
作为优选技术方案，上述称重装置包括压力传感器，所述压力传感器的敏感元件承压面与所述地磅称台之间分别设置有球窝支撑机构。
采用以上设计，压力传感器用于称量飞行器的重量，球窝机构用于将飞行器的重量准确传导到压力传感器的敏感元件几何中心，提高测量准确性。
作为优选技术方案，上述升降装置包括升降机，该升降机的升降支柱竖直向上，该升降支柱上方对应的所述地磅称台下表面设置有升降推窝；
所述升降机与所述升降推窝一一对应。
采用以上设计，升降支柱与升降推窝相配合，有利于稳定将地磅称台顶起或放下。
作为优选技术方案，上述底座支撑架上对应每个所述升降支柱分别设置有升降导向套，所述升降支柱滑动穿过所述升降导向套后伸向所述升降推窝。
采用以上设计，进一步提高升降机顶升地磅称台的稳定性。
作为优选技术方案，上述龙门架位于所述地磅称台的一端外部，所述龙门架的横梁中部设置有所述相机。
本发明还提供一种质量质心测量方法。其技术方案为：
一种基于上述测量装置的质量质心测量方法，其关键在于按以下步骤进行：
步骤一、设置测量系统：所述升降机将所述地磅称台顶起，使所述球窝支撑机构分离，所述压力传感器处于空载状态，将飞行器停驻在所述地磅称台上，并使其轴线与所述地磅称台的较长对称轴夹角小于90°；
步骤二、加载：所述飞行器在所述地磅称台上处于稳定状态后，所述升降支柱缓慢下降直至所述地磅称台通过所述球窝支撑机构加载在所述压力传感器上，此时所述升降支柱与所述升降推窝分离，四个所述压力传感器分别为第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器，分别读取其示数依次记为W1、W2、W3、W4；
步骤三、质量计算：所述飞行器的质量为W＝W1+W2+W3+W4；
步骤四、参考质心计算：以所述地磅称台的中心为原点，以所述地磅称台的较长对称轴所在直线为x轴，以所述地磅称台的较短对称轴所在直线为y轴，建立水平面内的直角坐标系x-y坐标系，所述第一压力传感器和第二压力传感器位于x轴同一侧，所述第一压力传感器和第三压力传感器位于y轴同一侧；
所有所述压力传感器的敏感元件承压面几何中心到所述地磅称台的较长对称轴的距离为d1，到所述地磅称台的较短对称轴的距离为d2；
在所述x-y坐标系下，所述飞行器的质心为：
X向质心
Figure BDA0002552993930000031
Y向质心
Figure BDA0002552993930000032
采用以上方法，由于压力传感器相对地磅称台的位置固定，在保证安装精度的条件下，能够较方便地得到飞行器的质量和其在地磅称台上的质心位置。
作为优选技术方案，上述质量质心测量方法还包括：
步骤五、形位测量：利用所述相机从空中拍摄照片，并经过图像识别和位置角度标定，利用最小二乘法分别拟合出所述飞行器轴线所在直线Q以及所述地磅称台的较长对称轴所在直线即x轴，并计算这两条直线的夹角θ；
所述直线Q在所述x-y坐标系下的斜率为k＝tanθ；
在所述x-y坐标系下，经过飞行器质心(Δx,Δy)并与所述直线Q相垂直的直线l的斜率为-1/tanθ，可解得所述直线Q的方程y＝kx+b；
直线l的方程为
Figure BDA0002552993930000041
所述相机标定过程中获得所述飞行器尖点在所述直线Q上的位置，从而得到所述飞行器尖点的坐标(m，n)；
联立直线Q和直线l的方程解得两直线交点坐标为(M，N)；
进一步地求解点(M,N)与点(Δx,Δy)之间的距离为
Figure BDA0002552993930000042
所述飞行器的尖点(m，n)与(M，N)之间的距离为
Figure BDA0002552993930000043
步骤六、绝对质心计算：以直线l为X轴，以直线Q为Y轴，以点(M,N)为原点，建立飞行器自身平面直角坐标系X-Y坐标系，即可得到该X-Y坐标系下的质心：
X向质心为
Figure BDA0002552993930000044
Y向质心为
Figure BDA0002552993930000045
也可得到在所述X-Y坐标系下所述飞行器的质心相对于所述飞行器的尖点的绝对距离：
X向绝对距离为
Figure BDA0002552993930000051
Y向绝对距离为
Figure BDA0002552993930000052
采用以上方法，通过图像识别和分析计算，非常方便地得到飞行器的形位数据，从而将相对质心换算为以飞行器自身基准点的绝对质心，方便工程使用。
作为优选技术方案，上述步骤五中拍摄照片和进行图像标定的具体过程为：
在所述飞行器上沿其轴线粘贴一列黑色圆形标志物，在所述地磅称台上沿其较长对称轴也粘贴一列所述黑色圆形标志物；
利用所述相机从空中拍摄照片，保证标志物在相机成像的范围之内，识别所述黑色圆形标志物的圆心，检测像素坐标，通过霍夫变换求解出在x-y坐标系下所述直线Q的方程，再根据所述直线Q的方程求解得到所述直线l的方程。
采用以上方法，以黑色圆形标志物分别标示出地磅称台的对称轴和飞行器的对称轴，便于后续图像识别分析，从而方便计算直线Q和直线l的方程。
附图说明
图1为第一个视角下测量系统的结构示意图；
图2为第二个视角下测量系统的结构示意图；
图3为图2中m1部的放大图；
图4为图2中A-A剖视图；
图5为图4中m2部的放大图；
图6为测量方法原理图，图中示出x-y坐标系和X-Y坐标系。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例一
如图1～4所示，一种地磅式大型重型飞行器质量质心测量装置，包括混凝土地基1，该地基1上设有凹槽，该凹槽内安装有底座支撑架2，该底座支撑架2上方设置地磅称台4，该底座支撑架2与所述地磅称台4之间设置有升降装置，所述底座支撑架2与所述地磅称台4之间还设有四个称重装置，所有所述称重装置沿着所述地磅称台4的环向分布。
具体地，所述地磅称台4呈长方形，靠近所述地磅称台4的四个角分别一个称重装置。所述底座支撑架2上还立设有支撑柱6，该支撑柱6上设置有压力传感器支撑架3，该压力传感器支撑架3位于所述地磅称台4下方，该压力传感器支撑架3上设置有四个所述称重装置，四个所述称重装置分别靠近所述地磅称台4的四个角。
所述称重装置包括压力传感器8，四个所述压力传感器8的敏感元件承压面的几何中心关于所述地磅称台4的对称轴对称分布。所述压力传感器8的敏感元件承压面与所述地磅称台4之间分别设置有球窝支撑机构9。所述球窝支撑机构9包括钢球9a和球窝9b，所述钢球9a与所述压力传感器8的敏感元件承压面连接，所述球窝9b与所述地磅称台4连接，所述球窝9b与所述钢球9a上下正对。
所述升降装置包括升降机5，该升降机5的升降支柱5a竖直向上，该升降支柱5a上方对应的所述地磅称台4下方设置有升降推窝7，所述升降机5与所述升降推窝7一一对应，靠近所述升降机5设置有用于驱动该升降机5的伺服电机5b。
所述底座支撑架2上对应每个所述升降支柱5a分别设置有升降导向套3a，所述升降支柱5a滑动穿过所述升降导向套3a后伸向所述升降推窝7。
所述地基1上还设有龙门架10，所述龙门架10位于所述地磅称台4的一端外部，所述龙门架10的横梁中部设置有相机11,该相机11用于标定飞行器对称轴线。
实施例二
一种基于实施例一的测量装置的质量质心测量方法，其特征在于按以下步骤进行：
步骤一、设置测量系统：所述升降机5将所述地磅称台4顶起，使所述钢球9a和球窝9b分离，所述压力传感器8处于空载状态，以防止震动及冲击力对压力传感器8造成损坏，将飞行器12停驻在所述地磅称台4上，并使其轴线与所述地磅称台4的较长对称轴夹角小于90°，如图5所示，图中三角形用于示意飞行器12；
步骤二、加载：所述飞行器12在所述地磅称台4上处于稳定状态后，所述升降支柱5a缓慢下降直至所述地磅称台4通过所述球窝支撑机构9加载在所述压力传感器8上，此时所述升降支柱5a与所述升降推窝7分离，将四个所述压力传感器8分别为第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器，分别读取其示数依次记为W1、W2、W3、W4；
步骤三、质量计算：所述飞行器12的质量为W＝W1+W2+W3+W4；
步骤四、参考质心计算：以所述地磅称台4的中心为原点，以所述地磅称台4的较长对称轴所在直线为x轴，以所述地磅称台4的较短对称轴所在直线为y轴，建立水平面内的直角坐标系x-y坐标系，所述第一压力传感器和第二压力传感器位于x轴同一侧，所述第一压力传感器和第三压力传感器位于y轴同一侧；
所有所述压力传感器8的敏感元件承压面几何中心到所述地磅称台4的较长对称轴的距离为d1，到所述地磅称台4的较短对称轴的距离为d2；
在所述x-y坐标系下，所述飞行器12的质心为：
X向质心Δx:(W2+W4)×d2+W×Δx＝(W1+W3)×d2
Figure BDA0002552993930000081
Y向质心Δy:(W1+W2)×d1+W×Δy＝(W3+W4)×d1
Figure BDA0002552993930000082
上述质心是飞行器在地磅称台4上的水平平面内的质心，为实际工程使用方便，将上述质心换算为相对飞行器12自身基准点的质心坐标。因此，还包括以下步骤：
步骤五、形位测量：在所述飞行器12上沿其轴线粘贴一列黑色圆形标志物，在所述地磅称台4上沿其较长对称轴也粘贴一列所述黑色圆形标志物；
利用所述相机11从空中拍摄照片，保证标志物在相机成像的范围之内，识别所述黑色圆形标志物的圆心，检测像素坐标，通过霍夫变换，利用最小二乘法分别拟合出所述飞行器12轴线所在直线Q以及所述地磅称台4的较长对称轴所在直线即x轴，并计算这两条直线的夹角θ。由于拍摄照片的数量与标定的精度为正比关系，拍摄照片时可以尽可能多的拍摄照片，提高标定精度。所述霍夫变换为现有成熟算法，不再赘述。
所述直线Q在所述x-y坐标系下的斜率为k＝tanθ；
在所述x-y坐标系下，经过飞行器质心(Δx,Δy)并与所述直线Q相垂直的直线l的斜率为-1/tanθ，可解得所述直线Q的方程y＝kx+b；
直线l的方程为
Figure BDA0002552993930000083
所述相机11标定过程中获得所述飞行器12尖点在所述直线Q上的位置，从而得到所述飞行器12尖点的坐标(m，n)；
联立方程组y＝kx+b
Figure BDA0002552993930000091
解得两直线交点坐标为(M,N)；
进一步地求解点(M,N)与点(Δx,Δy)之间的距离为
Figure BDA0002552993930000092
所述飞行器12的尖点(m，n)与(M，N)之间的距离为
Figure BDA0002552993930000093
步骤六、绝对质心计算：以直线l为X轴，以直线Q为Y轴，以点(M,N)为原点，建立飞行器自身平面直角坐标系X-Y坐标系，即可得到该X-Y坐标系下的质心：
X向质心为
Figure BDA0002552993930000094
Y向质心为
Figure BDA0002552993930000095
也可得到在所述X-Y坐标系下所述飞行器12的质心相对于所述飞行器12的尖点的绝对距离：
X向绝对距离为
Figure BDA0002552993930000096
Y向绝对距离为
Figure BDA0002552993930000097
本发明旨在解决重型飞行器的X、Y质心的测量，在地磅秤台4下方安装抬升装置亦可测量其Z向质心。
与现有技术相比，本发明的有益效果：(1)测量原理和测量装置简单，可操作性强；(2)通过相机拍摄照片进行形位标定从而获得飞行器的形位数据，避免使用现有的各种形位测量装置，本发明的形位测量方法简洁高效；(3)适合各种型号的大型重型飞行器的质量质心测量。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大型重型飞行器质量质心测量方法，其特征在于按以下步骤进行：
步骤一、设置测量系统：该测量系统包括测量装置，该测量装置包括地基(1)，该地基(1)上安装有底座支撑架(2)，该底座支撑架(2)上方设置地磅称台(4)，该底座支撑架(2)与所述地磅称台(4)之间设置有升降装置；
所述升降装置包括升降机(5)，该升降机(5)的升降支柱(5a)竖直向上，该升降支柱(5a)上方对应的所述地磅称台(4)下表面设置有升降推窝(7)；
所述升降机(5)与所述升降推窝(7)一一对应；
所述底座支撑架(2)上还立设有支撑柱(6)，该支撑柱(6)上设置有压力传感器支撑架(3)，该压力传感器支撑架(3)位于所述地磅称台(4)下方，该压力传感器支撑架(3)上设置有四个称重装置，所有所述称重装置沿着所述地磅称台(4)的环向分布；
所述地磅称台(4)呈长方形，靠近所述地磅称台(4)的四个角分别固定设有一个所述称重装置，四个所述称重装置关于所述地磅称台(4)的对称轴对称分布；
所述称重装置包括压力传感器(8)，所述压力传感器(8)的敏感元件承压面与所述地磅称台(4)之间分别设置有球窝支撑机构(9)；
所述地基(1)上还设有龙门架(10)，该龙门架(10)上设置有用于标定飞行器对称轴线的相机(11)；
所述升降机(5)将所述地磅称台(4)顶起，使所述球窝支撑机构(9)分离，所述压力传感器(8)处于空载状态，将飞行器(12)停驻在所述地磅称台(4)上，并使其轴线与所述地磅称台(4)的较长对称轴夹角小于90°；
步骤二、加载：所述飞行器(12)在所述地磅称台(4)上处于稳定状态后，所述升降支柱(5a)缓慢下降直至所述地磅称台(4)通过所述球窝支撑机构(9)加载在所述压力传感器(8)上，此时所述升降支柱(5a)与所述升降推窝(7)分离，四个所述压力传感器(8)分别为第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器，分别读取其示数依次记为W1、W2、W3、W4；
步骤三、质量计算：所述飞行器(12)的质量为W＝W1+W2+W3+W4；
步骤四、参考质心计算：以所述地磅称台(4)的中心为原点，以所述地磅称台(4)的较长对称轴所在直线为x轴，以所述地磅称台(4)的较短对称轴所在直线为y轴，建立水平面内的直角坐标系x-y坐标系，所述第一压力传感器和第二压力传感器位于x轴同一侧，所述第一压力传感器和第三压力传感器位于y轴同一侧；
所有所述压力传感器(8)的敏感元件承压面几何中心到所述地磅称台(4)的较长对称轴的距离为d1，到所述地磅称台(4)的较短对称轴的距离为d2；
在所述x-y坐标系下，所述飞行器(12)的质心为：
X向质心
Figure FDA0003494853680000021
Y向质心
Figure FDA0003494853680000022
2.根据权利要求1所述的大型重型飞行器质量质心测量方法，其特征在于还包括：
步骤五、形位测量：利用所述相机(11)从空中拍摄照片，并经过图像识别和位置角度标定，利用最小二乘法分别拟合出所述飞行器(12)轴线所在直线Q以及所述地磅称台(4)的较长对称轴所在直线即x轴，并计算这两条直线的夹角θ；
所述直线Q在所述x-y坐标系下的斜率为k＝tanθ，
在所述x-y坐标系下，经过飞行器质心(Δx,Δy)并与所述直线Q相垂直的直线l的斜率为-1/tanθ，可解得所述直线Q的方程y＝kx+b；
直线l的方程为
Figure FDA0003494853680000031
所述相机(11)标定过程中获得所述飞行器(12)尖点在所述直线Q上的位置，从而得到所述飞行器(12)尖点的坐标(m,n)；
联立直线Q和直线l的方程解得两直线交点坐标为(M，N)；
进一步地求解点(M，N)与点(Δx,Δy)之间的距离为
Figure FDA0003494853680000032
所述飞行器(12)的尖点(m，n)与(M，N)之间的距离为
Figure FDA0003494853680000033
步骤六、绝对质心计算：以直线l为X轴，以直线Q为Y轴，以点(M,N)为原点，建立飞行器自身平面直角坐标系X-Y坐标系，即可得到该X-Y坐标系下的质心：
X向质心为
Figure FDA0003494853680000034
Y向质心为
Figure FDA0003494853680000035
也可得到在所述X-Y坐标系下所述飞行器(12)的质心相对于所述飞行器(12)的尖点的绝对距离：
X向绝对距离为
Figure FDA0003494853680000036
Y向绝对距离为
Figure FDA0003494853680000037
3.根据权利要求2所述的大型重型飞行器质量质心测量方法，其特征在于：所述步骤五中拍摄照片和进行图像标定的具体过程为：
在所述飞行器(12)上沿其轴线粘贴一列黑色圆形标志物，在所述地磅称台(4)上沿其较长对称轴也粘贴一列所述黑色圆形标志物；
利用所述相机(11)从空中拍摄照片，保证标志物在相机成像的范围之内，识别所述黑色圆形标志物的圆心，检测像素坐标，通过霍夫变换求解出在x-y坐标系中所述直线Q的方程，再根据所述直线Q的方程求解得到所述直线l的方程。
4.根据权利要求2所述的大型重型飞行器质量质心测量方法，其特征在于：所述底座支撑架(2)上对应每个所述升降支柱(5a)分别设置有升降导向套(3a)，所述升降支柱(5a)滑动穿过所述升降导向套(3a)后伸向所述升降推窝(7)。
5.根据权利要求2所述的大型重型飞行器质量质心测量方法，其特征在于：所述龙门架(10)位于所述地磅称台(4)的一端外部，所述龙门架(10)的横梁中部设置有所述相机(11)。
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