CN112697345B - 一种刚体惯性张量的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刚体惯性张量的测量方法及装置，所述刚体惯性张量的测量方法包括：利用规则刚体箱装载被测物，将刚体箱和被测物视为刚体组合体；将组合体置于测试仪上，测试仪包括激励结构、平面板结构和旋转轴，激励结构适于激励平面板结构转动以带动组合体转动，其中，组合体转动时，组合体的转动轴线与旋转轴重合；获取组合体的质心位置；将质心位置与测试仪的旋转轴的轴线重合；激励组合体转动，获取组合体转动时的状态参数，状态参数包括组合体的受力参数和速度参数；根据状态参数确定被测物的惯性张量。本发明的有益效果：能够对不规则刚体的惯性张量进行准确测量，操作灵活简便。

Description

一种刚体惯性张量的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及物体参数辨识技术领域，具体而言，涉及一种刚体惯性张量的测量方法及装置。

背景技术

惯性张量是刚体转动时惯性的度量,其大小表现了刚体转动状态改变的难易程度,因此凡是涉及转动动力学问题,都会涉及到惯性张量的测量。

惯性张量的测量已经普及到了各个领域，在国防工业中，各种导弹，鱼雷需要精确惯性张量来提升轨迹的精确度；在汽车工业，各种车辆以及转动部件必须测量惯性张量，通过修正偏心来提高车辆的性能和寿命；在航天领域中，不论是在飞行器设计阶段，还是在飞行控制，轨道规划阶段，惯性张量都是必不可少的参数之一，因此惯性张量的测量以及提升惯性张量的精度具有重要的实际意义。

目前市场上常见的惯性张量测试仪都是单轴测试，可以满足形状规则、几何对称轴与惯性主轴重合情况下的单轴惯性张量测试。但对于惯性主轴相对于被测物几何对称轴偏斜情况较大时，无法对惯性张量进行准确检测。

发明内容

本发明解决的问题是如何对物体的惯性张量进行准确识别。

为解决上述问题，本发明提出了一种刚体惯性张量的测量方法，包括：

利用规则刚体箱装载被测物，将所述刚体箱和被测物视为刚体组合体；

将所述组合体置于测试仪上，所述测试仪包括激励结构、平面板结构和旋转轴，所述激励结构适于激励所述平面板结构转动以带动所述组合体转动，其中，所述组合体转动时，组合体的转动轴线与所述旋转轴重合；

获取所述组合体的质心位置；

将所述质心位置与所述测试仪的旋转轴的轴线重合；

激励所述组合体转动，获取所述组合体转动时的状态参数，所述状态参数包括所述组合体的受力参数和速度参数；

根据所述状态参数确定所述被测物的惯性张量。

进一步地，所述受力参数包括所述组合体的力矩数据，所述速度数据包括所述组合体的角速度和角加速度；所述根据所述状态参数确定所述被测物的惯性张量包括：

根据所述角速度和所述角加速度生成速度数据；

根据所述力矩数据和所述速度数据确定所述被测物的惯性张量。

进一步地，所述根据所述力矩数据和所述速度数据确定所述被测物的惯性张量包括：

通过第一计算公式计算组合体的惯性张量，所述第一计算公式为：

其中A表示所述速度数据，B表示所述力矩数据，所述A和所述B均为数据矩阵，A^T表示A的转置；

获取所述刚体箱的惯性张量；

根据所述组合体的惯性张量和所述刚体箱的惯性张量确定所述被测物的惯性张量。

进一步地，所述测试仪包括力矩传感器和三个力传感器，三个所述力传感器位于所述平面板结构处，所述力传感器与所述组合体底面接触；获取所述组合体转动时的力矩数据包括：

通过所述力矩传感器获取所述组合体转动时的竖直方向力矩；

通过所述力传感器获取所述组合体在竖直向上方向的支持力；

根据所述支持力和所述组合体的尺寸参数确定所述组合体水平方向的力矩；

根据所述水平方向力矩和所述竖直方向力矩确定所述力矩数据。

进一步地，所述刚体箱为正方形刚体箱；

所述力矩数据和所述速度数据分别为：

其中，F_A、F_B、F_C为三个所述力传感器分别检测到的支持力，b为所述正方形刚体箱的边长，T_K为所述组合体的竖直方向力矩，ω_z为角速度，

为角加速度。

进一步地，所述平面板结构设置有三个力传感器，所述力传感器与所述组合体底面接触，所述获取所述组合体的质心位置包括：

获取三个所述力传感器分别检测到的支持力；

根据所述支持力确定所述组合体的重量；

根据所述重量、所述支持力和三个所述力传感器与所述组合体的接触位置确定所述组合体的质心位置。

进一步地，还包括：

建立可视坐标系和理想体坐标系，所述可视坐标系的原点为所述刚体箱的几何对称中心，所述可视坐标系的坐标轴与所述刚体箱的棱边平行，所述理想体坐标系的原点位于所述组合体的质心位置，所述理想体坐标系的坐标轴与所述可视坐标系的坐标轴平行；

根据所述理想体坐标系和所述可视坐标系，调整所述组合体的位置以使所述质心位置与所述测试仪的旋转轴的位置重合。

进一步地，根据最小二乘法对多个所述被测物的惯性张量进行处理。

本发明的有益效果：在进行惯性张量测量时，将刚体箱与被测物组合，以此能够便于准确获取组合体的质心位置，其中，组合体放置于测试仪处，从而在基于测试仪的激励使组合体转动，组合体在转动时，转动轴线位于测试仪的旋转轴的轴线上，由此，在获取组合体的质心位置时，根据质心位置调整组合体的位置，以使质心位置与测试仪的旋转轴的轴线位置重合，从而便于对不规则刚体的惯性张量进行测量，使得操作灵活简便，对惯性张量的测得更加准确。

本发明还提出了一种刚体惯性张量的测量装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述所述的刚体惯性张量的测量方法。

进一步地，还包括测试仪，所述测试仪包括电机力矩传感器、平面板结构、三个力传感器和IMU传感器，所述电机、所述力矩传感器和所述平面板结构依次连接，三个所述力传感器和所述IMU传感器均设置于所述平面板结构处。

本发明中刚体惯性张量的测量装置的有益效果与上述刚体惯性张量的测量方法的有益效果相近似，在此不再进行赘述。

附图说明

图1本发明实施例中的刚体惯性张量的测量方法的流程图一；

图2为本发明实施例中组合体与测试仪的结构示意图；

图3为本发明实施例中组合体在进行惯性张量测量时的受力分析图；

图4为本发明实施例中组合体进行旋转以测量惯性张量时的旋转示意图；

图5为本发明实施例中的刚体惯性张量的测量方法的流程图二；

图6为本发明实施例中测试仪的结构示意图。

附图标记说明：

1-电机；2-力矩传感器；3-平面板结构；4-力传感器；5-IMU传感器；6-第一联轴器；7-第二联轴器；8-刚性连接件；9-法兰座；10-导电滑环；11-控制系统；111-STM32单片机；112-上位机。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

参照图1所示，本发明提出了一种刚体惯性张量的测量方法，包括：

S1、利用规则刚体箱装载被测物，将所述刚体箱和被测物视为刚体组合体；

S2、将所述组合体置于测试仪上，所述测试仪包括激励结构、平面板结构和旋转轴，所述激励结构适于激励所述平面板结构转动以带动所述组合体转动，其中，所述组合体转动时，组合体的转动轴线与所述旋转轴重合；

S3、获取所述组合体的质心位置；

S4、将所述质心位置与所述测试仪的旋转轴的轴线重合；

S5、激励所述组合体转动，获取所述组合体转动时的状态参数，所述状态参数包括所述组合体的受力参数和速度参数；

S6、根据所述状态参数确定所述被测物的惯性张量。

相关技术中，惯性张量测试仪都是单轴测试，可以满足形状规则、几何对称轴与惯性主轴重合情况下的单轴惯性张量测试。但对于惯性主轴相对于被测物几何对称轴偏斜情况较大时，无法对惯性张量进行准确检测。

本实施例的刚体惯性张量的测量方法，利用刚体箱装载被测物，其中，刚体箱表示在运动中和受力后，形状和大小不变的箱体结构。其中，在刚体箱装载被测物时，使被测物在刚体箱内的位置保持不变，从而能够将刚体箱与被测物视为一个整体的刚体组合体进行惯性张量的测量，以此可根据组合体的惯性张量与已知或容易检测的刚体箱的惯性张量计算被测物相对任意位置的惯性张量。

可以理解，被测物为常质量刚体，且不主动产生机动；刚体箱和被测物之间不出现相对运动，即组合体待辨识数据即惯性张量不产生变化。

另外，参照图2，在测试仪带动组合体转动时，测试仪的激励结构产生激励，激励结构可以是电机1，旋转轴可以为与电机1连接的电机轴，基于连接件以于平面板结构3连接，从而平面板结构3能够承载被测物在电机的作用下以旋转轴为转动轴进行转动，在激励结构激励平面板结构3在水平面转动时，位于平面板结构3上的被测物同步进行转动，其中，组合体和测试仪之间不发生滑动，此时的测试仪的部分结构与组合体可等效为常质量刚体，测试仪各部分也不产生相对转动或相对滑动，从而便于使惯性张量的检测更加准确。

对于刚体的惯性张量测量，需构建有待辨识参数的角动量模型，由刚体动力学方程，对于任一刚体，角动量模型为：

其中H为刚体内任意一点，G为质心，r为矢径，T_H为对点H的力矩，I_H为刚体将点H作为旋转点时的惯性张量，ω为角速度，

即为角加速度。

对于不规则刚体，难以确定刚体的质心，以此测试仪激励不规则刚体的转动点难以与质心位置进行匹配，从而造成刚体的惯性张量难以测量或测量不准。本实施例中，在进行惯性张量测量时，将规则刚体箱与被测物组合，以此能够便于准确获取组合体的质心位置，其中，组合体放置于测试仪处，从而在基于测试仪的激励使组合体转动，组合体在转动时，转动轴线位于测试仪的旋转轴的轴线上，由此，本实施例中，在获取组合体的质心位置时，根据质心位置调整组合体的位置，以使质心位置与测试仪的旋转轴的轴线位置重合，具体地，调整组合体在测试仪处的位置，可以使质心位置位于旋转轴的轴线上，为方便对组合体的惯性张量进行检测，测试仪的旋转轴可竖直设置，在调整组合体的位置时，即组合体的质心位置与旋转轴均处于同一竖直轴线上，由此，对于上述角动量模型，在进行测量时，

为零，角动量模型可简化为

从而便于对不规则刚体的惯性张量进行准确测量，减少被测量，操作灵活简便。

其中，为方便组合体位置进行调节，能够建立依赖于刚体箱外形特征的刚体固联坐标系，以作为可视坐标系，如图3中，可视坐标系的原点O_V为刚体箱的几何对称中心，坐标轴与所述刚体箱的三个相邻棱边平行，从而根据该可视坐标系可以方便确定旋转轴的位置，从而根据该旋转轴的位置能够便于将组合体的质心位置进行调节，减少调整幅度。

另外，在进行组合体的惯性张量检测时，需要将组合体进行翻转以翻转三次测量得到惯性张量的九个分量，因此，还可建立理想体坐标系，理想体坐标系的原点O_I位于所述组合体的质心位置，即在确定质心位置坐标时，将理想体坐标系的原点与所述质心位置坐标对应，坐标轴与所述可视坐标系的坐标轴平行；因此在翻转组合体的过程中，能够根据所述理想体坐标系和所述可视坐标系，调整所述组合体的位置以使所述质心位置与所述测试仪的旋转轴的位置对应，以使得质心位置的调整更加方便。

在质心位置与旋转轴位置匹配时，组合体的旋转点即位于旋转轴与刚体箱底面的交叉点处，以此可建立测试仪坐标系，测试仪坐标系的原点O_M位于旋转轴的轴线与刚体箱底面的交叉点处，坐标轴与刚体箱固联，测试仪坐标系随测试仪转动而转动，用于后续步骤中力的分析，对应上述角动量模型，在测试仪坐标系中，以原点O_M作为基点，即可使

为零，角动量模型简化为

从而便于对不规则刚体的惯性张量进行测量，减少被测量，操作灵活简便。

对此，基于对组合体的位置调节，从而使质心位置与旋转轴位置匹配时，通过激励组合体进行转动，并在转动过程中对组合体的多种状态参数进行测量，状态参数所述组合体的受力参数和速度参数，例如组合体的力矩、角速度、角加速度等，以此通过状态参数能够确定被测物的惯性张量。

可以理解，在测出组合体的惯性张量后，组合体的惯性张量与刚体箱的惯性张量的差值以及利用平行轴定理即可准确获得被测物的惯性张量。

其中，规则的刚体箱可采用长方形刚体箱、正方形刚体箱等，以方便确定组合体的质心，可以理解的时，采用正方形刚体箱时，能够更方便对质心的位置进行确认。

参照图2所示，本实施例中的测试仪，其包括依次连接的电机1、力矩传感器2、具有水平表面的平面板结构3、位于平面板结构3表面的三个力传感器4和IMU(惯性测量)传感器5，IMU传感器通常包括加速度计和陀螺仪，以通过IMU传感器的陀螺仪测量角速度，通过IMU传感器的加速度计测量加速度从而结合加速度计与旋转点的矢径确定角加速度，组合体可放置于三个力传感器4上，以通过三个力传感器4检测组合体三个点位的支持力，力矩传感器2用于测量力矩。

本实施例中，规则刚体箱采用正方形刚体箱，正方形刚体箱内装载被测物组成组合体，在检测时，组合体放置于测试仪的三个力传感器4上，参照图2和3，三个点位分别为A、B、C三点，由此，竖直向上的支持力为F_A， F_B，F_C，此时，即可测出组合体的重量G＝F_A+F_B+F_C，对此，构建坐标系时，即能够根据三个支撑点的位置与支持力和重量确定组合体的质心位置，其中三个支撑点位置即三个力传感器4与组合体底面的接触点位置，以坐标形式体现即质心位置的两个坐标分量为

由此基于上述构建的可视坐标系和理想体坐标系仅需调节质心位置的两个坐标分量与旋转轴对应的两个坐标分量相匹配，能够准确地对质心位置进行调节，进而便于惯性张量的准确测量。

在本发明的一个可选的实施例中，所述受力参数包括所述组合体的力矩数据，所述速度数据包括所述组合体的角速度和角加速度；所述根据所述状态参数确定所述被测物的惯性张量包括：

根据所述角速度和所述角加速度生成速度数据；

根据所述力矩数据和所述速度数据确定所述被测物的惯性张量。

在本实施例中，基于构建的角动量模型

T_M表示力矩数据，

可以转换为

的形式，从而对于角动量模型，要确定组合体的惯性张量I_M即可通过确定力矩数据T_M以及

而直接将组合体的惯性张量进行快速测量，其中

也即本实施例中，通过角速度和角加速度生成的速度数据。并且本发明的一个可选的实施例中，基于确定的多个力矩数据和多个速度数据构建参数辨识数据库，以此通过构件参数辨识数据库的形式，在进行惯性张量的检测时，仅通过检测获取各个输入状态参数，即能够实现惯性张量的输出，并且便于得到多组惯性张量数据，以使得惯性张量的计算获取更加快捷和准确。

在本发明的一个可选的实施例中，

通过第一计算公式计算组合体的惯性张量，所述第一计算公式为：

其中A表示所述速度数据，B表示所述力矩数据，所述A和所述B均为数据矩阵，A^T表示A的转置；

获取所述刚体箱的惯性张量；

根据所述组合体的惯性张量和所述刚体箱的惯性张量确定所述被测物的惯性张量。

本实施例中，力矩数据具有三个分量，从而力矩数据以数据矩阵B的形式体现，对应的，可将速度参数对应生成为数据矩阵的形式，由此通过最小二乘法，以第一计算公式根据速度数据和力矩数据，能够直接得到惯性张量的三个分量。

在本发明的一个可选的实施例中，所述测试仪包括力矩传感器和三个力传感器，三个所述力传感器位于所述平面板结构处，所述力传感器与所述组合体底面接触；获取所述组合体转动时的力矩数据包括：

通过所述力矩传感器获取所述组合体转动时的竖直方向力矩；

通过所述力传感器获取所述组合体在竖直向上方向的支持力；

根据所述支持力和所述组合体的尺寸参数确定所述组合体水平方向的力矩；

根据所述水平方向力矩和所述竖直方向力矩确定所述力矩数据。

对于力矩数据，其包括水平方向的两个力矩和竖直方向的一个力矩，对于竖直方向的力矩，其可通过在测试仪上设置力矩传感器2以连接旋转轴，从而对竖直方向力矩进行检测，对于水平方向的力矩，可根据三个力传感器检测出组合体三个点位的受力，以根据三个点的受力以及组合体的尺寸进行水平方向的力矩确定，最终能够得到以矩阵形式体现的力矩数据，即数据矩阵B，在一实施例中，为使得力矩数据的获取更加便捷，基于正方形刚体箱构建组合体，从而对于该组合体，其力矩数据为：

其中， F_A、F_B、F_C分别为三个力传感器检测的支持力，b为所述刚体箱的边长，T_K为所述测试仪与所述组合体摩擦力的力矩。

另外，构建的角动量模型中，

由此，对于速度数据，其矩阵形式为：

其中ω_z为角速度，

为角加速度。

参照图1-3所示，在激励组合体转动时，通过传感器获取组合体转动时的状态参数，状态参数包括组合体转动时的角速度、角加速度、组合体在测试仪处三个支撑点的支持力，测试仪与组合体摩擦力的力矩。其中，在测试仪中，利用三个力传感器4对支持力F_A、F_B、F_C进行测量获取，摩擦力f_a、f_b、f_c力矩竖直向上，由此竖直方向的力矩T_k分量通过与电机1连接的力矩传感器2 进行测量获取，角速度和角加速度给过IMU传感器进行测量获取。

参照图3，对刚体箱做受力分析可知，刚体箱除受重力G外，只在A， B，C三处受到方向竖直向上的力。

因此，根据获取的支持力和竖直方向的力矩分量可获得组合体所受力矩数据的三维分量，并且通过速度数据的矩阵形式，在进行惯性张量检测时，通过传感器获取式中的支持力、角速度ω_z，角加速度

以及通过易得的正方形刚体箱边长，从而能够对惯性张量I的值。

角动量模型即可转化为即

基于力矩数据和速度数据的第一计算公式为

其中，

为所述组合体的惯性张量，A^T为数据矩阵A的转置。

本实施例中，在进行惯性张量的测量时，组合体放置于测试仪上能够进行一组数据测量即可得出惯性张量的三个分量，将组合体进行翻转，继而调整质心，参照图4将刚体箱进行两次旋转，在第二次测量可以得到I′_xz＝I_yz，I′_yz＝ I_xy，I′_z＝I_y，x′_z＝z_z，y′_z＝x_z；在第三次可以得到I″_xz＝I_xy，I″_yz＝I_xz，I″_z＝ I_x，x″_z＝y_z，y″_z＝z_z，以此共进行三次测量即可得出对测试仪坐标系原点O_M惯性张量I的全部九个分量。减去刚体箱的惯性张量外，再利用平行轴定理即可得出组合体对于质心的惯性张量，进而可以计算被测物相对于任意位置的惯性张量。

在本发明的一个具体地实施例中，参照图5利用IMU传感器5的加速度计测量加速度并根据矢径进行计算从而获得角加速度，根据IMU传感器5的陀螺仪获得角速度，以此能够确定矩阵形式的速度数据，通过力传感器4获取三个力传感器4与组合体接触点位的竖直支持力，以及根据三个接触点的位置确定质心位置。

在旋转测量转动惯量时根据质心位置对组合体进行调节，根据三个接触点组合体受到的竖直支持力即可获得组合体的水平力矩，根据力矩传感器2 即能够获得竖直力矩，以此即获得矩阵形式的力矩数据，从而经过辨识准则公式，即能够进行转动惯量的测量，旋转三次，以获得转动惯量的九个分量。

在本发明的一个可选的实施例中，还包括根据最小二乘法对多个所述被测物的惯性张量进行处理。

在本发明的一个具体的实施例中，在进行惯性张量的检测时，被测物为铁块，正方体刚体箱为纸箱，在测量时，先利用力矩传感器和加速度计测出下半部分的总体转动惯量I₁，然后放上纸箱，通过确定纸箱的质心，移动质心，以此测出纸箱的惯性张量I₂，然后放入被测物铁块，形成组合体，通过质心位置的检测，以及移动组合体，并进行组合体的惯性张量检测，以此组合体每次测出惯性张量的三个分量。参照图4进行旋转，旋转三次后得到惯性张量的所有分量，由平行轴定理，在水平方向上移动被测物时，惯性张量I_yz，I_xz不变，只有I_z会出现变化。因此纸箱和铁块的惯性张量分量I_yz，I_xz为：

以力矩数据和速度数据以及第一计算公式

为基础，进行蒙特卡洛分析，使用Matlab中的Random函数产生15组期望为0,标准差分别为所测量的10％的正态随机数，并将其作为误差，计算可得惯性张量的15 组数据如下表：

表1：加入误差后的惯性张量

次数\所求量	I(3,1)/kg·m^2	I(3,2)/kg·m^2	I(3,3)/kg·m^2
				1	-0.0232	-0.0314	0.0961
2	-0.0184	-0.0242	0.1001
				3	-0.0174	-0.0234	0.0927
4	-0.0194	-0.0299	0.0913
				5	-0.0250	-0.0392	0.0984
6	-0.0250	-0.0392	0.1002
				7	-0.0178	-0.0291	0.1028
8	-0.0201	-0.0326	0.0997
				9	-0.0233	-0.0326	-0.0947
10	-0.0201	-0.0285	0.0993
				11	-0.0206	-0.0289	0.0985
12	-0.0198	-0.0300	0.0927
				13	-0.0168	-0.0287	0.0984
14	-0.0233	-0.0332	0.1054
				15	-0.0203	-0.0324	0.1032

由数据可以看出，部分数据存在一定误差，最大约有40％的误差，在加入误差后，以15个数据为一组，额外测出5组数据，共90个数据。每15个数据利用最小二乘法处理一次，总共6组惯性张量数据如下表：

表2：最小二乘法处理后的惯性张量

次数\所求量	I(3,1)/kg·m^2	I(3,2)/kg·m^2	I(3,3)/kg·m^2
				1	-0.0201	-0.0308	0.01003
2	-0.0205	-0.0309	0.0961
				3	-0.0203	-0.0302	0.1000
4	-0.0200	-0.0299	0.1013
				5	-0.0202	-0.0302	0.0978
6	-0.0188	-0.0278	0.1001

由表二可知，本实施例中，利用最小二乘法处理多个惯性张量后，惯性张量结果更加精确，理论上误差最大不到10％，一般在5％内。

本发明另一实施例的一种刚体惯性张量的测量装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的刚体惯性张量的测量方法。

本发明的一个可选的实施例中，参照图2和6还包括测试仪，所述测试仪包括激励结构，激励结构可包括电机1、力矩传感器2、平面板结构3、三个力传感器4和IMU传感器5，所述电机1、所述力矩传感器2和所述平面板结构3依次连接，三个所述力传感器4和所述IMU传感器5均设置于所述平面板结构处，以此通过IMU传感器5测量角加速度和角速度，组合体可放置于三个力传感器4上，以通过三个力传感器4检测组合体三个点位的支持力，力矩传感器2用于测量竖直方向力矩。

参照图6所示，测试仪具体还包括：第一联轴器6、第二联轴器7、刚性连接件8和法兰座9，刚性连接件8与法兰座9连接，以通过法兰座9连接平面板结构3，刚性连接件8，例如钢棒连接力矩传感器2，力矩传感器2 连接电机1的旋转轴，通过第一联轴器6连接电机1的旋转轴与力矩传感器 2一端的固定轴结构，力矩传感器2远离于电机1一端的固定轴结构通过第二联轴器7与刚性连接件8连接。

其中，测试仪可还包括导电滑环10，导电滑环10可与刚性连接件8滑动连接，从而便于平面板结构3上的传感器走线。

另外，测试仪可还包括控制系统11，控制系统11与导电滑环10和力矩传感器2电连接，导电滑环10电连接三个力传感器4和IMU传感器5，以此控制系统11能够对传感器检测到的状态参数进行获取，以便于后续进行数据处理。

控制系统11可包括STM32单片机111和上位机112，STM32单片机11 1与上位机112通信连接，以执行数据处理和控制。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种刚体惯性张量的测量方法，其特征在于，包括：

利用规则刚体箱装载被测物，将所述刚体箱和被测物视为刚体组合体；

将所述组合体置于测试仪上，所述测试仪包括激励结构、平面板结构和旋转轴，所述激励结构适于激励所述平面板结构转动以带动所述组合体转动，其中，所述组合体转动时，所述组合体的转动轴线与所述旋转轴重合；

获取所述组合体的质心位置；

将所述质心位置与所述测试仪的旋转轴的轴线重合；

激励所述组合体转动，获取所述组合体转动时的状态参数，所述状态参数包括所述组合体的受力参数和速度数据；

根据所述状态参数确定所述被测物的惯性张量；

所述受力参数包括所述组合体的力矩数据，所述速度数据包括所述组合体的角速度和角加速度；所述根据所述状态参数确定所述被测物的惯性张量包括：根据所述角速度和所述角加速度生成速度数据；根据所述力矩数据和所述速度数据确定所述被测物的惯性张量；

所述根据所述力矩数据和所述速度数据确定所述被测物的惯性张量包括：

通过第一计算公式计算组合体的惯性张量，所述第一计算公式为：

其中A表示所述速度数据，B表示所述力矩数据，所述A和所述B均为数据矩阵，A^T表示A的转置；

获取所述刚体箱的惯性张量；

根据所述组合体的惯性张量和所述刚体箱的惯性张量确定所述被测物的惯性张量。

2.根据权利要求1所述的刚体惯性张量的测量方法，其特征在于，所述测试仪包括力矩传感器和三个力传感器，三个所述力传感器位于所述平面板结构处，所述力传感器与所述组合体底面接触；获取所述组合体转动时的力矩数据包括：

通过所述力矩传感器获取所述组合体转动时的竖直方向力矩；

通过所述力传感器获取所述组合体在竖直向上方向的支持力；

根据所述支持力和所述组合体的尺寸参数确定所述组合体水平方向的力矩；

根据所述水平方向的 力矩和所述竖直方向力矩确定所述力矩数据。

3.根据权利要求2所述的刚体惯性张量的测量方法，其特征在于，所述刚体箱为正方形刚体箱；

所述力矩数据和所述速度数据分别为：

其中，F_A、F_B、F_C为三个所述力传感器分别检测到的支持力，b为所述正方形刚体箱的边长，T_K为所述组合体的竖直方向力矩，ω_z为角速度，

为角加速度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的刚体惯性张量的测量方法，其特征在于，所述平面板结构设置有三个力传感器，所述力传感器与所述组合体底面接触，所述获取所述组合体的质心位置包括：

获取三个所述力传感器分别检测到的支持力；

根据所述支持力确定所述组合体的重量；

根据所述重量、所述支持力和三个所述力传感器与所述组合体的接触位置确定所述组合体的质心位置。

5.根据权利要求4所述的刚体惯性张量的测量方法，其特征在于，还包括：

建立可视坐标系和理想体坐标系，所述可视坐标系的原点为所述刚体箱的几何对称中心，所述可视坐标系的坐标轴与所述刚体箱的棱边平行，所述理想体坐标系的原点位于所述组合体的质心位置，所述理想体坐标系的坐标轴与所述可视坐标系的坐标轴平行；

根据所述理想体坐标系和所述可视坐标系，调整所述组合体的位置以使所述质心位置与所述测试仪的旋转轴的位置重合。

6.根据权利要求1-3任一项所述的刚体惯性张量的测量方法，其特征在于，还包括：根据最小二乘法对多个所述被测物的惯性张量进行处理。

7.一种刚体惯性张量的测量装置，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任一项所述的刚体惯性张量的测量方法。

8.根据权利要求7所述的刚体惯性张量的测量装置，其特征在于，还包括测试仪，所述测试仪包括电机(1)、力矩传感器(2)、平面板结构(3)、三个力传感器(4)和IMU传感器(5)，所述电机(1)、所述力矩传感器(2)和所述平面板结构(3)依次连接，三个所述力传感器(4)和所述IMU传感器(5)均设置于所述平面板结构(3)处。

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