CN115046522A - 一种分离冲量偏心度的测量装置以及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分离冲量偏心度的测量装置以及测试方法。分离冲量偏心度的测量装置包括：支撑立柱、球头、与所述球头适配的球窝、分离体安装法兰、用于测量分离冲量偏心度的六轴惯性测量机构，所述球窝安装在所述支撑立柱的顶端，所述球头浮动安装在所述球窝中，所述分离体安装法兰安装在所述球头上，所述六轴惯性测量机构安装在所述球头上，所述支撑立柱竖直设置，所述球头位于所述球窝的上方，所述分离体安装法兰位于所述球头的上方，所述六轴惯性测量机构位于所述球头和所述分离体安装法兰之间。采用无摩擦气浮的球形共心旋转共心旋转结构，实现分离冲量偏心的精确测试。

Description

一种分离冲量偏心度的测量装置以及测试方法

技术领域

本发明涉及分离运动测试设备技术领域，尤其涉及一种分离冲量偏心度的测量装置以及测试方法。

背景技术

随着小卫星技术及商业航天的蓬勃发展，在轨微小卫星、立方星等携带的空间分离体多种多样，其中对于小分离分离体及分离机构，由于微卫星与立方星质量很小，分离体的质量特性通常与平台质量、惯量具有一定的可比性，分离冲击干扰对卫星姿态影响作用本身大于大型卫星平台，通常微卫星平台没有复杂的化学推进系统将造成在轨翻滚。

由于各种工艺等限制，分离机构的分离冲量具有角度和作用点的偏心，大多仅依靠反作用轮控制姿态的微小卫星或立方星仅数十毫牛米秒的角动量储备，分离冲击不仅造成一定的冲击干扰，当偏心度进一步增大如超出轮子的储备角动量，将直接造成微卫星平台的姿态持续失控与翻滚；因此，分离机构的偏心测量和控制对微小卫星影响至关重要，入轨前必须进行全自由度的冲量偏心度测试。

在航天系统内传统上较多的是采用悬吊系统或水平自由抛落方案，这种形式在业内应用较多，但对于小质量、小冲量的分离系统，不仅存在水平面内自由度受限，还存在水平度调整精度差、测量不一致误差较大、无法测量展开或柔性分离体等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种分离冲量偏心度的测量装置以及测试方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种分离冲量偏心度的测量装置，其包括：支撑立柱、球头、与所述球头适配的球窝、分离体安装法兰、用于测量分离冲量偏心度的六轴惯性测量机构，所述球窝安装在所述支撑立柱的顶端，所述球头浮动安装在所述球窝中，所述分离体安装法兰安装在所述球头上，所述六轴惯性测量机构安装在所述球头上，所述支撑立柱竖直设置，所述球头位于所述球窝的上方，所述分离体安装法兰位于所述球头的上方，所述六轴惯性测量机构位于所述球头和所述分离体安装法兰之间。

采用本发明技术方案的有益效果是：采用无摩擦气浮的球形共心旋转共心旋转结构，实现分离冲量偏心的精确测试。分离体分离瞬时反作用给分离体安装法兰施加的转动是需要惯性测试的结果，不改变分离体瞬时分离的状态，分离体分离作用结束瞬间，高速采样的惯性角度及角速度测量，用于记测量装置在分离作用瞬间加扰后在重心与转心小偏移状态综合作用下的转动运动过程，根据运动学过程变化获得分离偏心冲量的计算。球头浮动设置，使得球头可以转动，且具备三自由度，一次实验即可测量相关数据。六轴惯性测量机构安装在测量装置中，不需把六轴惯性测量机构安装在分离体上，因此不会影响分离体的质量分布。

进一步地，还包括：用于调整质心和水平度的浮动机构，所述浮动机构环绕且可沿竖直方向和水平方向滑动地安装在所述球头的周围。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过浮动机构对质心偏置调整，实现分离冲量偏心的精确测试。浮动机构相当于垂直摆，将垂直摆与球头球窝气浮系统进行了结合，通过上框架和下框架的螺孔选择，将球头球窝气浮系统的质心进行下偏逐级调整，位于旋转球心之下。通过分离体离开时对分离体安装法兰的反作用，六轴惯性测量机构测出相应的三轴加速度、三轴角度、三轴角速率信息。基于球头球窝的旋转结构，利用刚体运动学及重力作用的动力学规律，搭建了微短距、能自恢复的二维摆系统。

进一步地，所述浮动机构包括：上框架、用于调整质心和水平度的下框架以及多个斜梁，所述上框架以及所述下框架均为环行结构，所述上框架环绕设置在所述球头的周围，多个所述斜梁的一端与所述球头连接，多个所述斜梁的另一端与所述上框架连接，所述下框架可沿竖直方向和水平方向滑动地安装在所述上框架的底部。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：浮动机构相当于垂直摆，将垂直摆与球头球窝气浮系统进行了结合，通过上框架和下框架的螺孔选择，将球头球窝气浮系统的质心进行下偏逐级调整，位于旋转球心之下。通过分离体离开时对分离体安装法兰的反作用，六轴惯性测量机构测出相应的三轴加速度、三轴角度、三轴角速率信息。基于球头球窝的旋转结构，利用刚体运动学及重力作用的动力学规律，搭建了微短距、能自恢复的二维摆系统。下框架竖直向下滑动，能够降低测量装置的质心，质心低于回转中心，在减少又不完全排除重力干扰的情况下，使测量装置经过振荡后仍能回归原位。悬浮的球头等相当于摆式结构。当分离体过大时，通过调整下框架的上下位移，补偿分离体自身的重心的上下偏置。通过纵向调整分离体配重，需要配备合适的质量比，对二维调整台的上下行程进行精密调整，将重心实现微米量级的精度；如果出现倾侧分量需要穿插进行水平向调整。根据偏置的纵向位移设置，进行纵向偏置后的振荡周期测量，根据带载后的整体惯量，采用动力学方法获得整个气浮带载后的纵向位移的精确测量。

进一步地，所述下框架通过多个二维调整台与所述上框架连接，所述下框架位于所述上框架的下方。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：浮动机构相当于垂直摆，将垂直摆与球头球窝气浮系统进行了结合，通过上框架和下框架的螺孔选择，将球头球窝气浮系统的质心进行下偏逐级调整，位于旋转球心之下。摆短距的距离值可通过二维调整台进行纵向调整，设置纵向质心和运动的球心的距离值，获得动力学运动的振荡周期，构成一个几微米到几百微米可调的垂向气浮摆动力系统。二维调整台的设置，用于将下框架进行上下调节，从而改变悬浮系统质心，同时不同方位进行调节还可以改变分离体安装法兰的水平度，通过旋钮使上框架和下框架的距离发生改变，下框架的位置可以通过二维调整台的孔位调节，保证实现大范围的分离体质量的适应性调整，同时可以起到垂向大范围质心调整的作用。根据测量装置上数字式六轴惯性测量机构横向加速度分量的水平倾侧分量，通过框架上的水平向调整台及测量装置分离体的位移调整平台运动部分及被测分离体的质心水平位置；在重力及气膜的阻力下，通过二维调整台纵向调整实现，且调整的精度取决于二维调整台上配重的配重比设计以及六轴惯性测量机构的输出测量精度。

进一步地，所述六轴惯性测量机构连接有用于为六轴惯性测量机构供电的电池组，所述电池组安装在所述球头上，所述电池组位于所述球头的上方，所述六轴惯性测量机构内部集成有无线传输设备。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：六轴惯性测量机构固定在分离冲量偏心度的测量装置上，随着分离体的释放，其随分离体安装法兰转动，即可采集姿态信息，能够高速输出系统的三轴加速度与三轴角度、三轴角速率信息，其中六轴惯性测量机构通过无线的方式，蓝牙点对点或WIFI透传的方式，将实时测控的数据传送到外部的处理系统，彻底消除连接的脐带电缆弯曲造成的弯矩、附加力矩等外部影响。

进一步地，所述球窝中设置有用于连接气源的气路接口。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：气路接口能够直接连接压缩空气的气体源，通过外接的空气或氮气的气源，在球头球窝之间形成10微米左右的气膜，旋转系统在球头球窝之间的气膜作用下，由于质心在球心之下，因此相比常用的模拟在轨力矩的球头系统其加工精度要求低、可用采用低成本树脂等常用材料加工磨制而成、系统调平过程快、成本可控。球头与球窝之间是气路接口吹出的气膜，使球头等装置处于悬空状态，有效减少重力以及摩擦力的干扰。气路接口的设置，便于外部气源向球头和球窝之间吹气，形成气膜，实现球头的悬浮以及转动。

进一步地，所述球头与所述球窝之间设置有间隙，所述间隙的数值范围为5-15微米。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过外接的空气或氮气的气源，在球头球窝之间形成了10微米左右的气膜，旋转系统在球头球窝之间的气膜作用下，由于质心在球心之下，因此相比常用的模拟在轨力矩的球头系统其加工精度要求低、可用采用低成本树脂等常用材料加工磨制而成、系统调平过程快、成本可控。间隙的设置，便于形成气膜，使得球头悬浮以及转动。

进一步地，所述球头为半球形结构，所述球窝顶部设有与所述球头适配的凹槽，所述球头浮动安装在所述凹槽中，所述球头以及所述球窝的制作材料均为树脂。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过外接的空气或氮气的气源，在球头球窝之间形成了10微米左右的气膜，旋转系统在球头球窝之间的气膜作用下，由于质心在球心之下，因此相比常用的模拟在轨力矩的球头系统其加工精度要求低、可用采用低成本树脂等常用材料加工磨制而成、系统调平过程快、成本可控。凹槽的设置，便于球头的安装以及维护。

进一步地，所述分离体安装法兰通过支架安装在所述球头上，所述支架的顶端与所述分离体安装法兰连接，所述支架的底端与所述球头的顶部连接，所述支架位于所述分离体安装法兰和所述球头之间，所述六轴惯性测量机构位于所述支架中。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：支架的设置，便于分离体安装法兰安装在所述球头上，便于六轴惯性测量机构的安装以及维护。

此外，本发明还提供了一种分离冲量偏心度的测试方法，基于上述任意一项所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，分离冲量偏心度的测试方法包括：

将分离体安装在分离体安装法兰的顶端；

通过六轴惯性测量机构调整分离体安装法兰的水平度；

进行分离试验；

通过六轴惯性测量机构测量分离冲量偏心度。

采用本发明技术方案的有益效果是：为了测试弹性元件蓄能的小型分离体，分离体连接到分离体安装法兰之后，需要进行整个系统的重心的横向调整与纵向偏置，重心的横向调整通过六轴惯性测量机构的水平分量输出的水平倾侧两向角度，并根据二维调整台的水平分量相应配重，实现水平向的调整，保证整体台面的水平度。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例提供的分离冲量偏心度的测量装置的结构示意图之一。

图2为本发明实施例提供的分离冲量偏心度的测量装置的结构示意图之二。

图3为本发明实施例提供的分离冲量偏心度的测量装置的结构示意图之三。

图4为本发明实施例提供的分离冲量偏心度的测量装置的结构示意图之四。

图5为本发明实施例提供的分离冲量偏心度的测量装置的结构示意图之五。

图6为本发明实施例提供的分离冲量偏心度的测量装置的结构示意图之六。

图7为本发明实施例提供的分离冲量偏心度的测量装置的结构示意图之七。

图8为本发明实施例提供的分离冲量偏心度的测试方法的示意性流程图。

附图标号说明：1、支撑立柱；2、球头；3、球窝；4、分离体安装法兰；5、六轴惯性测量机构；6、浮动机构；7、上框架；8、下框架；9、斜梁；10、二维调整台；11、电池组；12、支架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图7所示，本发明实施例提供了一种分离冲量偏心度的测量装置，其包括：支撑立柱1、球头2、与所述球头2适配的球窝3、分离体安装法兰4、用于测量分离冲量偏心度的六轴惯性测量机构5，所述球窝3安装在所述支撑立柱1的顶端，所述球头2浮动安装在所述球窝3中，所述分离体安装法兰4安装在所述球头2上，所述六轴惯性测量机构5安装在所述球头2上，所述支撑立柱1竖直设置，所述球头2位于所述球窝3的上方，所述分离体安装法兰4位于所述球头2的上方，所述六轴惯性测量机构5位于所述球头2和所述分离体安装法兰4之间。

采用本发明技术方案的有益效果是：采用无摩擦气浮的球形共心旋转共心旋转结构，实现分离冲量偏心的精确测试。分离体分离瞬时反作用给分离体安装法兰施加的转动是需要惯性测试的结果，不改变分离体瞬时分离的状态，分离体分离作用结束瞬间，高速采样的惯性角度及角速度测量，用于记测量装置在分离作用瞬间加扰后在重心与转心小偏移状态综合作用下的转动运动过程，根据运动学过程变化获得分离偏心冲量的计算。球头浮动设置，使得球头可以转动，且具备三自由度，一次实验即可测量相关数据。六轴惯性测量机构安装在测量装置中，不需把六轴惯性测量机构安装在分离体上，因此不会影响分离体的质量分布。

其中，六轴惯性测量机构的型号可选用市面型号，具体型号的选择属于公知常识，在此不再赘述，结合实际情况也可进行定做。

六轴惯性测量机构，即IMU固定在悬浮机构上的转接法兰(即支架)上，支架安装在球头上方且与球头连接，分离体安装法兰安装在支架上方且与支架连接，随着分离体的释放，六轴惯性测量机构随悬浮机构转动，即可采集姿态信息。六轴惯性测量机构用于获取相关姿态数据，已知数据的基础上通过二维调整台来调整整体结构的姿态。六轴惯性测量机构与测量装置上的转接法兰相连接，可采用螺栓连接。

球头具备三自由度是指，球头可以在球窝中水平方向正向旋转、反向旋转，以及在竖直方向上下倾斜后旋转。

如图1至图7所示，进一步地，还包括：用于调整质心和水平度的浮动机构6，所述浮动机构6环绕且可沿竖直方向和水平方向滑动地安装在所述球头2的周围。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过浮动机构对质心偏置调整，实现分离冲量偏心的精确测试。浮动机构相当于垂直摆，将垂直摆与球头球窝气浮系统进行了结合，通过上框架和下框架的螺孔选择，将球头球窝气浮系统的质心进行下偏逐级调整，位于旋转球心之下。通过分离体离开时对分离体安装法兰的反作用，六轴惯性测量机构测出相应的三轴加速度、三轴角度、三轴角速率信息。基于球头球窝的旋转结构，利用刚体运动学及重力作用的动力学规律，搭建了微短距、能自恢复的二维摆系统。

其中，整个悬浮系统(测量装置)由于球头的旋转而旋转，球头与球窝近似共心，因此悬浮系统的旋转摆动过程相当于垂直摆；球窝的作用仅仅是使包括球头在内的悬浮系统悬空。

如图1至图7所示，进一步地，所述浮动机构6包括：上框架7、用于调整质心和水平度的下框架8以及多个斜梁9，所述上框架7以及所述下框架8均为环行结构，所述上框架7环绕设置在所述球头2的周围，多个所述斜梁9的一端与所述球头2连接，多个所述斜梁9的另一端与所述上框架7连接，所述下框架8可沿竖直方向和水平方向滑动地安装在所述上框架7的底部。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：浮动机构相当于垂直摆，将垂直摆与球头球窝气浮系统进行了结合，通过上框架和下框架的螺孔选择，将球头球窝气浮系统的质心进行下偏逐级调整，位于旋转球心之下。通过分离体离开时对分离体安装法兰的反作用，六轴惯性测量机构测出相应的三轴加速度、三轴角度、三轴角速率信息。基于球头球窝的旋转结构，利用刚体运动学及重力作用的动力学规律，搭建了微短距、能自恢复的二维摆系统。下框架竖直向下滑动，能够降低测量装置的质心，质心低于回转中心，在减少又不完全排除重力干扰的情况下，使测量装置经过振荡后仍能回归原位。悬浮的球头等相当于摆式结构。当分离体过大时，通过调整下框架的上下位移，补偿分离体自身的重心的上下偏置。通过纵向调整分离体配重，需要配备合适的质量比，对二维调整台的上下行程进行精密调整，将重心实现微米量级的精度；如果出现倾侧分量需要穿插进行水平向调整。根据偏置的纵向位移设置，进行纵向偏置后的振荡周期测量，根据带载后的整体惯量，采用动力学方法获得整个气浮带载后的纵向位移的精确测量。

如图1至图7所示，进一步地，所述下框架8通过多个二维调整台10与所述上框架7连接，所述下框架8位于所述上框架7的下方。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：浮动机构相当于垂直摆，将垂直摆与球头球窝气浮系统进行了结合，通过上框架和下框架的螺孔选择，将球头球窝气浮系统的质心进行下偏逐级调整，位于旋转球心之下。摆短距的距离值可通过二维调整台进行纵向调整，设置纵向质心和运动的球心的距离值，获得动力学运动的振荡周期，构成一个几微米到几百微米可调的垂向气浮摆动力系统。二维调整台的设置，用于将下框架进行上下调节，从而改变悬浮系统质心，同时不同方位进行调节还可以改变分离体安装法兰的水平度，通过旋钮使上框架和下框架的距离发生改变，下框架的位置可以通过二维调整台的孔位调节，保证实现大范围的分离体质量的适应性调整，同时可以起到垂向大范围质心调整的作用。根据测量装置上数字式六轴惯性测量机构横向加速度分量的水平倾侧分量，通过框架上的水平向调整台及测量装置分离体的位移调整平台运动部分及被测分离体的质心水平位置；在重力及气膜的阻力下，通过二维调整台纵向调整实现，且调整的精度取决于二维调整台上配重的配重比设计以及六轴惯性测量机构的输出测量精度。

其中，上框架与下框架之间具有间隙，二维调整台的顶部与上框架连接，二维调整台的底部与下框架连接。二维调整台位于上框架和下框架的外侧壁上，二维调整台用于实现上框架和下框架之间的相对位移，具体为下框架相对于上框架做水平或者竖直运动，二维调整台的结构以及原理属于现有技术，在此不再赘述。

如图1至图7所示，进一步地，所述六轴惯性测量机构5连接有用于为六轴惯性测量机构5供电的电池组11，所述电池组11安装在所述球头2上，所述电池组11位于所述球头2的上方，所述六轴惯性测量机构5内部集成有无线传输设备。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：六轴惯性测量机构固定在分离冲量偏心度的测量装置上，随着分离体的释放，其随分离体安装法兰转动，即可采集姿态信息，能够高速输出系统的三轴加速度与三轴角度、三轴角速率信息，其中六轴惯性测量机构通过无线的方式，蓝牙点对点或WIFI透传的方式，将实时测控的数据传送到外部的处理系统，彻底消除连接的脐带电缆弯曲造成的弯矩、附加力矩等外部影响。

其中，六轴惯性测量机构5内部集成有无线传输设备的结构以及电路属于现有技术，在此不再赘述。

如图1至图7所示，进一步地，所述球窝3中设置有用于连接气源的气路接口。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：气路接口能够直接连接压缩空气的气体源，通过外接的空气或氮气的气源，在球头球窝之间形成10微米左右的气膜，旋转系统在球头球窝之间的气膜作用下，由于质心在球心之下，因此相比常用的模拟在轨力矩的球头系统其加工精度要求低、可用采用低成本树脂等常用材料加工磨制而成、系统调平过程快、成本可控。球头与球窝之间是气路接口吹出的气膜，使球头等装置处于悬空状态，有效减少重力以及摩擦力的干扰。气路接口的设置，便于外部气源向球头和球窝之间吹气，形成气膜，实现球头的悬浮以及转动。

其中，气路接口贯穿球窝，气路接口位于球窝的侧壁上即可，气路接口处可以安装有气路接头，用户可以根据实际需要选择气路接头。

如图1至图7所示，进一步地，所述球头2与所述球窝3之间设置有间隙，所述间隙的数值范围为5-15微米。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过外接的空气或氮气的气源，在球头球窝之间形成了10微米左右的气膜，旋转系统在球头球窝之间的气膜作用下，由于质心在球心之下，因此相比常用的模拟在轨力矩的球头系统其加工精度要求低、可用采用低成本树脂等常用材料加工磨制而成、系统调平过程快、成本可控。间隙的设置，便于形成气膜，使得球头悬浮以及转动。

其中，这里所说的间隙是指，在气路接口通气的情况下，球头浮起时，球头与球窝之间的间隙。

如图1至图7所示，进一步地，所述球头2为半球形结构，所述球窝3顶部设有与所述球头2适配的凹槽，所述球头2浮动安装在所述凹槽中，所述球头2以及所述球窝3的制作材料均为树脂。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过外接的空气或氮气的气源，在球头球窝之间形成了10微米左右的气膜，旋转系统在球头球窝之间的气膜作用下，由于质心在球心之下，因此相比常用的模拟在轨力矩的球头系统其加工精度要求低、可用采用低成本树脂等常用材料加工磨制而成、系统调平过程快、成本可控。凹槽的设置，便于球头的安装以及维护。

其中，凹槽可以为半球形凹槽，球头可以为半球体结构。

如图1至图7所示，进一步地，所述分离体安装法兰4通过支架12安装在所述球头2上，所述支架12的顶端与所述分离体安装法兰4连接，所述支架12的底端与所述球头2的顶部连接，所述支架12位于所述分离体安装法兰4和所述球头2之间，所述六轴惯性测量机构5位于所述支架12中。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：支架的设置，便于分离体安装法兰安装在所述球头上，便于六轴惯性测量机构的安装以及维护。

本发明在已有卫星姿控模拟系统已有的三轴气浮旋转系统，进行垂向旋转偏置，利用动力学系统的运动特征进行改造，设计一种高精度共心旋转、质心偏置的分离机构冲量偏心度测试平台，即分离冲量偏心度的测量装置，克服了现有方法存在的问题，可实现分离冲量偏心的精确测试。

本发明基于测试试验的实际需要，不仅可应用于刚性物体的垂直分离测试，也可应用于织物等柔性分离体，应用于一款绳网柔性分离体分离试验测试并取得了良好的结果。本发明将垂直摆与球头球窝气浮系统进行了结合，通过上框架和下框架的螺孔选择，将系统(即分离冲量偏心度的测量装置)的质心进行下偏逐级调整，位于旋转球心之下，以较低成本加工并选配常用的低成本民用部组件，构建了共心旋转的分离机构冲量偏心度测试平台，即分离冲量偏心度的测量装置。测量装置具有以下优点：

球头球窝可以采用树脂材料加工，通过外接的空气或氮气的气源，在球头球窝之间形成了10微米左右的气膜，旋转系统在球头球窝之间的气膜作用下，由于质心在球心之下，因此相比常用的模拟在轨力矩的球头系统，其加工精度要求低、可用采用低成本树脂等常用材料加工磨制而成、系统调平过程快、成本可控；

通过将分离体安装在上部的分离体安装法兰，该系统(即分离冲量偏心度的测量装置)用于测试垂向分离试验的时间尺度为百毫秒量级，分离体分离瞬时反作用给分离冲量偏心度的测量装置施加的转动是需要惯性测试的结果，不改变分离体瞬时分离的状态，分离体分离作用结束瞬间，高速采样的惯性角度及角速度测量用于记录，测量装置在分离作用瞬间加扰后在重心与转心小偏移状态综合作用下的转动运动过程，根据运动学过程变化获得分离偏心冲量的计算。该系统同时克服了平抛测量不能适应柔性分离体展开过程中变形或拉伸的缺点，也克服了垂直悬吊中仅有水平面内的自由度受限、不同方向轮转时测试一致性不高等前述缺点。通过分离体离开时对测量装置的反作用，测量装置测出相应的三轴加速度与三轴角度、三轴角速率信息，计算方式与现有方案基本一致。本发明的测量装置与现有垂直悬吊的主要区别在于由于球头是浮动的，故可以转动，其具备三自由度，一次实验即可测量相关数据，与现有平抛测量的主要区别在于本发明将六轴惯性测量机构安装在测量装置中，对分离体离开时的反作用进行测量，而不需把六轴惯性测量机构安装在分离体上，因此不会影响分离体的质量分布。由于六轴惯性测量机构只需对三轴转动数据进行测量即可测出相关数据，六轴惯性测量机构的安装位置不产生干扰。

本发明基于球头球窝的旋转结构，利用刚体运动学及重力作用的动力学规律，搭建了微短距、能自恢复的二维摆系统，三轴气浮平台多用于模拟太空失重状态下的情况，为了排除重力的影响，悬浮系统的质心应与回转中心重合。本发明基于测量的目的，要是完全失重则稍微受力则无法回归原始状态，可能对周围装置进行冲击因此将其系统质心低于回转中心，在减少又不完全排除重力干扰的情况下，使其经过振荡后仍能回归原位。悬浮的球头等整体系统就像摆式结构，微短距即系统质心与回转中心的偏心距，其不要求为零。对其进行相应的设置处理，摆短距的距离值可通过调整台进行纵向调整，设置纵向质心和运动的球心的距离值，获得动力学运动的振荡周期，构成一个几微米到几百微米可调的垂向气浮摆动力系统。除了中间的支撑立柱与球窝，与球头相连接的上框架、下框架、分离体安装法兰、二维调整台等均是悬空的，球头与球窝之间是气路接口吹出的气膜，使球头等装置处于悬空状态，可以有效减少重力以及摩擦力的干扰。

按照运动的组成，分为三大部分：(1)其中固定在地面不动部位由支撑立柱和球窝构成，球窝具有气路接口，可以直接连接压缩空气的气体源；(2)浮动的运动部分，由光滑度及精度较高的球头构成，球头通过8根斜梁连接一个固定的上框架，通过8个边长上的商用的二维调整台连接下框架，二维调整台的目的是为了将下框架进行上下调节，从而改变悬浮系统的质心，同时不同方位进行调节还可以改变平台(分离体安装法兰)的水平度，通过旋钮使上框架和下框架的距离发生改变，内部结构可采用民用产品，下框架的位置可以通过二维调整台的孔位调节，保证实现大范围的分离体质量的适应性调整，同时可以起到垂向大范围质心调整的作用；(3)二维调整台上的运动测量部分，包含了商用标准18650的锂电池组的电源、测量6轴输出的惯性测量单元IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)，电池组为IMU供电，IMU固定在悬浮系统上，随着分离体的释放，IMU随悬浮体转动，即可采集姿态信息，可以高速输出系统的三轴加速度与三轴角度、三轴角速率信息，其中IMU通过无线的方式(蓝牙点对点)或WIFI透传的方式将实时测控的数据传送到外部的处理系统，彻底消除连接的脐带电缆弯曲造成的弯矩、附加力矩等外部影响。

根据测量装置上数字式IMU横向加速度分量的水平倾侧分量，通过边侧框架上的水平向调整台及二维调整台上分离体的位移调整平台运动部分及被测分离体的质心水平位置；在重力及气膜的阻力下，通过其纵向调整实现，且调整的精度取决于二维调整台上配重的配重比设计以及惯性传感器IMU的输出测量精度。

常用的两种水平方式的分离测试方式，各自存在不同的适用范围，本发明的创新点与关键点体现在以下几个方面：

通过直接分离机构的垂向分离测试，直接测试作用到平台上的冲量偏心特性；采用无摩擦气浮的球形共心旋转与微距形式二维摆运动的结合；适应刚性形式、展开形式及柔性形式的分离分离体试验。

如图8所示，此外，本发明还提供了一种分离冲量偏心度的测试方法，基于上述任意一项所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，分离冲量偏心度的测试方法包括：

S1、将分离体安装在分离体安装法兰的顶端；

S2、通过六轴惯性测量机构调整分离体安装法兰的水平度；

S3、进行分离试验；

S4、通过六轴惯性测量机构测量分离冲量偏心度。

采用本发明技术方案的有益效果是：为了测试弹性元件蓄能的小型分离体，分离体连接到分离体安装法兰之后，需要进行整个系统的重心的横向调整与纵向偏置，重心的横向调整通过六轴惯性测量机构的水平分量输出的水平倾侧两向角度，并根据二维调整台的水平分量相应配重，实现水平向的调整，保证整体台面的水平度。

测量装置可以为测量平台、测试平台、测量系统或者测试系统，为了测试弹性元件蓄能的小型分离体，分离体连接到分离体安装法兰之后，需要进行整个系统的重心的横向调整与纵向偏置：

系统重心的横向调整：横向的调平通过IMU的水平分量输出的水平倾侧两向角度，并根据二维调整台的水平分量相应配重，实现水平向的调整，保证整体台面(即测量装置以及分离体安装法兰)的水平度。

系统的重心偏置纵向的三步调整：(1)当分离体过大时，通过调整下框架的上下位移，补偿分离体自身的重心的上下偏置；(2)系统通过纵向调整分离体配重(需要配备合适的质量比)的二维调整台的上下行程精密调整，可将重心实现微米量级的精度；其中如果出现倾侧分量需要穿插进行水平向调整(3)根据偏置的纵向位移设置，进行纵向偏置后的振荡周期测量，根据带载后的整体惯量，采用动力学方法获得整个气浮带载后的纵向位移的精确测量。

不同自由体(即分离体或者载荷)放置上去首先根据IMU测量，可以根据测量信息，通过调节控制台，使系统平台的水平度得到满足，水平度得到满足后，即悬浮系统质心和回转中心在同一垂线上，下一步就是纵向调节，根据前面所言，要求悬浮系统质心略低于回转中心，这样可以达到在消除一部分重力干扰的情况下又能使其自恢复，更稳定，具体纵向调整量的大小根据实际情况，在具体实验中可以根据摆动周期实时改变，以获得满意的实验结果。其中，悬浮系统包括球头、分离体安装法兰、六轴惯性测量机构、浮动机构、上框架、下框架、斜梁、二维调整台、电池组、支架。

实现调整后系统获得设定的纵向偏置量之后，可以进行相应的分离试验，试验的测量数据可以通过以下两种处理方法，并可进行对比：

直接方法：通过陀螺的角速度直接读数乘以系统惯量获得分离重量偏心，然而由于分离冲击的影响，整个气浮系统弹性动力学的受冲击的高频振荡干扰，IMU测量获得角速度由于零偏、角速度测量造成等因素存在的较多的振荡因素误差。

动力学方法：根据共心形式二维振荡运动的动力学系统的微分方程解的积分形式，利用陀螺角度数据序列进行处理；陀螺的角度数据是角速率的积分环节，降低了系统的噪声的影响，而且由于是震荡过程的变化幅值数据，根据系统的角动量获得分离体的分离偏心数据。

上述直接方法和动力学方法基本与现有技术类似，求解参数与测量量均一致，属于现有技术，本领域技术人员很容易想到如何处理以及计算数据，在此不再赘述。本发明着重改进了相应的测量环境及测量条件，如反作用，具备多自由度可一次测量。

本发明通过设计一个悬浮于气膜之上的带中心偏置的一个测量装置，利用二维调整台上自带的水平调整与纵向的重心偏移，通过一次实验，相对于安装的中心基准点，可以测量纵向或接近纵向的一般分离系统的分离冲量偏心的整个偏心冲量分量。

在航天领域中，随着商业航天及微小卫星技术的发展，采用火工品或热刀锁定的弹性蓄能微小型分离机构具有较为广泛的应用，如纳星、立方星等微型飞行器在轨分离、绳系卫星与母星的分离、空间碎片抓捕网与卫星平台分离、再入器分离体与卫星平台分离等，分离测试可涵盖数十公斤、公斤量级等刚性与柔性的中小规模的分离分离体。

通过设置纵向偏心范围，对于小型的分离试验，可以实现10^-2～10²牛·秒·毫米大范围偏心特性的不同类分离分离体测试。

全自由度的模拟测试，可以通过失重飞机与微重力落塔测试，我国提供失重零重力飞行的飞机及相应实验机会较少，国外零重力飞行还需通过国际合作方式申请，其自由飞行时间可达20秒，但商业公司基本没有机会获得飞行机会；我国的微重力落塔，利用微重力落塔等国家大型的科学试验装置，可实现全自由度的分离特性的运动试验。其落塔内部实验腔自由落体时间较短，仅有数秒时间，可以实现全部自由度的释放，但其腔体空间内不便于实现柔性展开物的分离测试。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种分离冲量偏心度的测量装置，其特征在于，包括：支撑立柱、球头、与所述球头适配的球窝、分离体安装法兰、用于测量分离冲量偏心度的六轴惯性测量机构，所述球窝安装在所述支撑立柱的顶端，所述球头浮动安装在所述球窝中，所述分离体安装法兰安装在所述球头上，所述六轴惯性测量机构安装在所述球头上，所述支撑立柱竖直设置，所述球头位于所述球窝的上方，所述分离体安装法兰位于所述球头的上方，所述六轴惯性测量机构位于所述球头和所述分离体安装法兰之间。

2.根据权利要求1所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，其特征在于，还包括：用于调整质心和水平度的浮动机构，所述浮动机构环绕且可沿竖直方向和水平方向滑动地安装在所述球头的周围。

3.根据权利要求2所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，其特征在于，所述浮动机构包括：上框架、用于调整质心和水平度的下框架以及多个斜梁，所述上框架以及所述下框架均为环行结构，所述上框架环绕设置在所述球头的周围，多个所述斜梁的一端与所述球头连接，多个所述斜梁的另一端与所述上框架连接，所述下框架可沿竖直方向和水平方向滑动地安装在所述上框架的底部。

4.根据权利要求3所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，其特征在于，所述下框架通过多个二维调整台与所述上框架连接，所述下框架位于所述上框架的下方。

5.根据权利要求1所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，其特征在于，所述六轴惯性测量机构连接有用于为六轴惯性测量机构供电的电池组，所述电池组安装在所述球头上，所述电池组位于所述球头的上方，所述六轴惯性测量机构内部集成有无线传输设备。

6.根据权利要求1所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，其特征在于，所述球窝中设置有用于连接气源的气路接口。

7.根据权利要求1所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，其特征在于，所述球头与所述球窝之间设置有间隙，所述间隙的数值范围为5-15微米。

8.根据权利要求1所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，其特征在于，所述球头为半球形结构，所述球窝顶部设有与所述球头适配的凹槽，所述球头浮动安装在所述凹槽中，所述球头以及所述球窝的制作材料均为树脂。

9.根据权利要求1所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，其特征在于，所述分离体安装法兰通过支架安装在所述球头上，所述支架的顶端与所述分离体安装法兰连接，所述支架的底端与所述球头的顶部连接，所述支架位于所述分离体安装法兰和所述球头之间，所述六轴惯性测量机构位于所述支架中。

10.一种分离冲量偏心度的测试方法，其特征在于，基于上述权利要求1至9任意一项所述的一种分离冲量偏心度的测量装置，分离冲量偏心度的测试方法包括：

将分离体安装在分离体安装法兰的顶端；

通过六轴惯性测量机构调整分离体安装法兰的水平度；

进行分离试验；

通过六轴惯性测量机构测量分离冲量偏心度。

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