[發(fā)明專利]一種轉(zhuǎn)動慣量的光學(xué)測量方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711485331.9
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108204879B
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 付增良;趙俊波;梁彬;張石玉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航天空氣動力技術(shù)研究院
• 主分類號: G01M1/10
• 分類號: G01M1/10;G01M9/06
• 代理公司: 11009 中國航天科技專利中心
• 代理人: 任林沖<國際申請>=<國際公布>=<進(jìn)入

本發(fā)明公開了一種轉(zhuǎn)動慣量的光學(xué)測量方法及系統(tǒng)，先以飛行器模型上標(biāo)識點(diǎn)為媒介解算出視覺坐標(biāo)系和體軸系之間轉(zhuǎn)換矩陣，再利用三目視覺系統(tǒng)測量加載砝碼前、后模型在體軸系中角度變化，根據(jù)砝碼相對旋轉(zhuǎn)中心的力矩大小計(jì)算彈性系統(tǒng)剛度，去除加載裝置后激勵彈性系統(tǒng)進(jìn)行自由振動，實(shí)時測量振動過程中飛行器模型角位移曲線，得到振動圓頻率。反復(fù)進(jìn)行多次，利用最小二乘法獲得模型的轉(zhuǎn)動慣量；利用本發(fā)明方法可提高控制響應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)中飛行器模型轉(zhuǎn)動慣量的測量效率和精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)動慣量的光學(xué)測量方法及系統(tǒng)，特別是對控制響應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)中模型轉(zhuǎn)動慣量的光學(xué)測量。

背景技術(shù)

舵面控制響應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)作為風(fēng)洞虛擬飛行試驗(yàn)技術(shù)中的一部分，可更加真實(shí)地模擬飛行器運(yùn)動過程中的氣動力變化和運(yùn)動姿態(tài)響應(yīng)，直觀地反映飛行器在非線性范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和可控性，通過對其中的氣動力學(xué)和飛行動力學(xué)耦合特性，對飛行器飛行性能和飛行品質(zhì)進(jìn)行綜合預(yù)示，大大的降低飛行試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，縮短研發(fā)周期。

基于立體視覺原理的“非接觸式”測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)動態(tài)瞬時測量和空間立體定位，具有精度高、實(shí)時性好、處理靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)洞試驗(yàn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在三自由度控制響應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)中，利用三目視覺系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)飛行器模型的無干擾、實(shí)時軌跡捕捉，進(jìn)而解算出角位移、角速度和角加速度等運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參量。由于飛行器繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的動力學(xué)方程中包含轉(zhuǎn)動慣量項(xiàng)，在控制響應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)前需要進(jìn)行飛行器模型各運(yùn)動通道轉(zhuǎn)動慣量的準(zhǔn)確測量。由于試驗(yàn)過程中模型與三自由度機(jī)構(gòu)剛性連接，實(shí)際轉(zhuǎn)動慣量由模型自身慣量和三自由度機(jī)構(gòu)隨模型轉(zhuǎn)動部分的慣量兩部分組成。

轉(zhuǎn)動慣量是剛體運(yùn)動的動力學(xué)特征量，是轉(zhuǎn)動時慣性的度量，主要取決于物體質(zhì)量的大小和質(zhì)量的分布情況。幾何形狀規(guī)則的物體可采用直接計(jì)算或簡單設(shè)備測量其轉(zhuǎn)動慣量，但對于飛行器類外形復(fù)雜、質(zhì)量分布不均勻物體的轉(zhuǎn)動慣量只能通過實(shí)驗(yàn)的方法測量。常用的慣量測量方法主要有扭擺臺、落體法、復(fù)擺法、三線擺法和附加質(zhì)量法等。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，對于由軸承等支撐，可繞固定轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動的飛行器模型，通常采用附加質(zhì)量法測量其轉(zhuǎn)動慣量。定子與轉(zhuǎn)子間安裝柔性片或彈簧提供往復(fù)擺動的恢復(fù)力矩，轉(zhuǎn)子上固定轉(zhuǎn)動慣量已知的附加質(zhì)量，分別測量安裝附加質(zhì)量前、后系統(tǒng)的振動頻率，根據(jù)公式I＝ΔI·f₁²/(f²-f₁²)計(jì)算模型轉(zhuǎn)動慣量。附件質(zhì)量法的精度受制于附加轉(zhuǎn)動慣量的誤差和往復(fù)擺動頻率的測量誤差，且對于形狀不規(guī)則飛行器，如何在不改變飛行器外形的情況下保證附加質(zhì)量轉(zhuǎn)軸與飛行器轉(zhuǎn)軸重合一直是一個難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種轉(zhuǎn)動慣量的光學(xué)測量方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在三自由度控制響應(yīng)系統(tǒng)中對飛行器模型轉(zhuǎn)動慣量的高效、精確測量。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種轉(zhuǎn)動慣量的光學(xué)測量方法，具體步驟如下：

(1)限制三自由度機(jī)構(gòu)另外兩個通道自由度，在當(dāng)前通道方向安裝彈性梁，提供系統(tǒng)在當(dāng)前方向的彈性恢復(fù)力，使系統(tǒng)受到擾動后可沿當(dāng)前通道自由振動；

(2)將步驟(1)中得到的單自由度振動系統(tǒng)置于三目視覺系統(tǒng)的測量視場，測量模型上標(biāo)識點(diǎn)在視覺坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；

(3)模型上標(biāo)識點(diǎn)在試驗(yàn)系統(tǒng)體軸系中的三維坐標(biāo)已知，根據(jù)步驟(2)中得到的所述三維坐標(biāo)計(jì)算出視覺坐標(biāo)系與體軸系之間的空間位置關(guān)系，得到坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換矩陣；

(4)利用砝碼加載裝置向試驗(yàn)系統(tǒng)施加當(dāng)前力矩，同時利用三目視覺系統(tǒng)測量模型上標(biāo)識點(diǎn)在體軸系中坐標(biāo)變化，獲得當(dāng)前載荷下彈性系統(tǒng)的在當(dāng)前通道的變形角度，進(jìn)而計(jì)算彈性系統(tǒng)剛度；

(5)去除砝碼加載裝置，向系統(tǒng)施加初始當(dāng)前角，激勵系統(tǒng)自由振動。利用三目視覺系統(tǒng)實(shí)時測量模型上標(biāo)識點(diǎn)在體軸系中變化歷程，繪制模型角位移相對時間的變化曲線，利用均值法得到系統(tǒng)振動圓頻率；