一种小型飞行器的高精度质心惯量测量系统及测量方法转让专利
申请号 : CN201910934555.6
文献号 : CN110672268B
文献日 : 2021-07-09
发明人 : 徐喆垚 , 张义超 , 解永锋 , 曹梦磊 , 孙戎 , 高骥 , 文艺 , 王利 , 陈益 , 周文勇
申请人 : 北京宇航系统工程研究所 , 中国运载火箭技术研究院
摘要 :
权利要求 :
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:
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,ip
为第一序数,n为配重质量块(6)的数量, 为第i个配重质量块的质量,ri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:
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a
块(6)及激励质量块(10)的总转动惯量,I 为被测物体安装盘(1)的转动惯量,i为第一序p
数,n为配重质量块(6)的数量, 为第i个配重质量块的质量,ri 为第i个配重质量块的质j j
心位置, 为第i个配重质量块的转动惯量,m 为选取的激励质量块(10)的质量,r为激励j
质量块(10)的质心,I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。
说明书 :
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
背景技术
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
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。
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;
量块的数量, 为第i个配重质量块的质量, 为第i个配重质量块的质心位置,mb为被测物
体的质量;
块的总转动惯量,I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,
为第i个配重质量块的质量, 为第i个配重质量块的质心位置, 为第i个配重质量块
j j j
的转动惯量,m为选取的激励质量块的质量,r 为激励质量块的质心,I为激励质量块的转
动惯量。
度不超过2°/s;
2°/s;
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
具体实施方式
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。
的方法为:
角速度不超过2°/s;
过2°/s;重复步骤1)~2),直到的自由摆动角速度不超过2°/s。
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
质心位置
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。m为选取的激励质量块
j
10的质量,r为激励质量块10的质心。
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
j j
式一)~(公式五),其中 为量测矩阵,r×mg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。
j
第i个配重质量块的质心位置, 为第i个配重质量块的转动惯量,m 为选取的激励质量块
j j
10的质量,r为激励质量块10的质心,I为激励质量块10的转动惯量。
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。