浮球平台液浮式球体配重方法技术

本发明专利技术提供了一种浮球平台液浮式球体配重方法，以实现球体在液体中所受重力与浮力相等，质心与球心重合。首先，根据球体结构进行质量配重，使球体重力接近浮力，然后在球体漂浮情况下利用外挂重物进行质心检测，计算出球体的质心位置和最大重力矩，最后根据球体质心位置对所配重量进行调整，并计算得出球体各坐标轴上需要调整的质量，使质心尽量靠近球心，使球体最大重力矩小于设定阈值。本发明专利技术提供方法能够适应不同密度的液体；外部辅助设备只需一块检测重物即可实现对球体重心的调整，操作简单；能够定量计算出质心位置和最大偏心距，便于球体的动力学建模。

【技术实现步骤摘要】
浮球平台液浮式球体配重方法
本专利技术涉及质心测量
，具体的涉及一种浮球平台液浮式球体配重方法。
技术介绍
物体的质量分布决定着物体的运动特性，尤其是物体的姿态运动。物体处于重力场中时，会受到重力的作用，重力可等效地作用在其质心(重心)上。若物体与其他静止的载体固连，载体与物体的相互作用力将会与物体的重力达到平衡，使物体处于静止状态，但是如果物体没有固连于静止的载体上，那么物体将会调整姿态，使其所受的力与重力达到力和力矩平衡，例如，漂浮于海面上的船体和沉入海面下的潜艇，它们均受到海水的浮力，需要通过配重使其形心(浮心)与重心处于同一对称截面上，以保证航行时的姿态稳定。又如，飞机在设计时需要考虑压心与质心的位置关系，以达到设计的机动性能。浮球平台的球体作为浮球平台的稳定台体，其内部装有惯性测量设备、控制系统执行机构、泵及液体循环管路系统，由于各部件的装配位置不对称及各部件质量不相等，球体组装完成后球体的质心与球心不重合，导致球体重力对球心产生力矩，使球体自动翻滚到质心位于球心下方的自平衡位置。球体配重包括配质量和配质心。配质量是通过增加配重物对球体的重力进行调整，使球体重力与球体完全浸没在液体中的浮力相等，球体处于悬浮状态，以减小悬浮垫静压支承负担。但是，实际操作过程中无法实现球体所受浮力和重力严格相等，只能使球体完全浸没时的浮力与重力的差小于某个误差范围内，球体处于漂浮状态。配质心是通过调整配重的分布，使质心与形心(浮力的作用点)重合，消除重力矩，在不考虑球体变形的情况下，球心即为形心。但是，实际的操作无法使质心与球心无法严格重合，只能可通过调整质量分布使质心与球心的偏差小于某个误差限，从而保证球体的最大重力矩小于力矩器所能提供的控制力矩。由于球体表面没有专门的可承受自身重量的挂点，而且球体需在液体中工作，因此，需采用液浮配重方式进行球体质量调整。现有的潜航器和船舶均通过配重使重心在形心以下，以保证载体的自稳定性，并未对球体的质心和球心之间的距离进行调整。浮球平台的球体完全浸没在液体中，需进行全姿态的稳定控制，因此球体配重需要达到两个指标：球体完全浸没时，其重力与浮力相等；球体质心与球心重合，使最大重力矩至少小于球体力矩器产生的控制力矩，以确保力矩器能够对球体的姿态进行控制。当然，实际操作没法实现重力与浮力的完全相等以及球体质心与球心的完全重合，但这可作为球体配重的目标，使重力尽量接近浮力，质心尽量靠近球心。现有技术中缺乏球体漂浮状态下使球体质心尽量靠近球心的配重方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种浮球平台液浮式球体配重方法，该专利技术解决了现有技术中球体漂浮状态下通过调整配重质量分布减小质心与球心距离的技术问题。本专利技术提供一种浮球平台液浮式球体配重方法，能够实现浮球平台球体在漂浮状态下的配重，能够定量计算出质心位置和最大重力矩，便于球体的动力学建模和稳定控制，并且该方法适合于球体在不同密度的液体中的配重。进一步地，计算出球体排开液体的体积Vp，根据所用悬浮液的密度ρl计算出球体悬浮时的质量Md。进一步地，通过质量配重使重力与球体悬浮时浮力的差值小于质量误差限。进一步地，球体在液体中自然静止，确定坐标轴朝上的顺序，按朝上的坐标轴，从上到下依次编号，同时记录朝上的挂点是该轴的正向还是负向。进一步地，在选定的挂点挂上检测重物，待球体静止后，若挂点仍然朝上，则将挂点反方向的配重质量移到挂点配重腔内，直到挂上重物后球体静止时挂点朝下。进一步地，球体悬挂检测重物静止后，测量挂点与球心的距离为l，通过计算得到质心位置。进一步地，按照计算的质心位置调整各坐标轴的配重物质量，使质心尽量靠近球心。本专利技术的技术效果：本专利技术提供的浮球平台液浮式球体配重方法，通过在球体表面与球体坐标系各轴的交点处悬挂重物，测量球体在液体中稳定后重物所挂位置到球心的水平距离，从而求解得到球体的质心位置。并根据所得质心位置重新调整配重物分布，重新配重后，质心位置发生相应调整，使得质心与球心之间的偏移量所产生的最大重力矩处于力矩器的控制力矩范围内。本专利技术提供的浮球平台液浮式球体配重方法，可实现浮球平台球体在任何液体中的漂浮状态下的配重，且漂浮情况下进行配重与球体的实际工作状态接近，使得配重后质心与球心的重合度较高。还能够定量计算出质心位置和最大重力矩，便于球体的动力学建模和稳定控制，该方法能够使球体质量接近球体悬浮时的浮力，使球体接近悬浮状态，同时可通过调整配重物分布使球体质心靠近球心，减小球体漂浮在液体中的最大重力矩，并且该方法适合于球体在不同密度的液体中的配重。本专利技术提供的浮球平台液浮式球体配重方法，可计算出球体质心的位置，便于建立球体重力矩模型。该方法操作方便计算简单，适于实际运用。具体请参考根据本专利技术的浮球平台液浮式球体配重方法提出的各种实施例的如下描述，将使得本专利技术的上述和其他方面显而易见。附图说明图1是本专利技术提供的浮球平台液浮式球体配重方法的流程示意图；图2是本专利技术优选实施例中所用浮球平台结构示意图；图3是本专利技术优选实施例中所处理球体在液体中自然静止状态示意图(以X轴为例)；图4是本专利技术优选实施例中所处理悬挂检测重物后的球体在液体中自然静止状态示意图(以X轴为例)；图5是图4中球体进行第一次悬挂检测重物后得到的该球体的质心距离—质心与轴夹角示意图；图6是采用本专利技术提供方法对图4中所示球体进行配重调整后，所得球体的质心距离—质心与轴夹角示意图。图中所用符号说明：X：坐标轴；P：检测重物的挂点；C：球心；O：质心；R：球体半径；εM：质心偏心距；θ：质心偏心距与X轴朝下方向的夹角；M：球体质量；g：重力加速度；m：检测重物质量；l：球体悬挂检测重物静止后挂点与球心的水平距离；球体悬挂检测重物静止后X轴与水平面的夹角。具体实施方式构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。本专利技术主要用于处理球体的配重。此类球体表面没有能够悬挂自身重量的挂点，主要采用液浮配重方式。针对此类情况，本专利技术提供了浮球平台液浮式球体配重方法参见图1，包括以下步骤：步骤S100：计算球体悬浮质量Md和配重物质量ΔM0后，根据所得配重物质量ΔM0对球体进行初始配重，使得初始配重后球体质量与球体悬浮质量的差值小于质量误差限且球体处于漂浮状态；步骤S200：采用在球体上悬挂重物法检测球体质心位置(εMOpt,θXOptE,θYOptE,θZOptE)，根据所得球体质心的位置计算出球体坐标系中的坐标：其中，rcx为增加调整质量前质心在球体坐标系中的X轴坐标，rcy为增加调整质量前质心在球体坐标系中的Y轴坐标，rcz为增加调整质量前质心在球体坐标系中的Z轴坐标根据配重前后球体平衡方程计算得到球体各轴上所需的调整质量：其中，mx为X轴上的调整质量，mY为Y轴上的调整质量，mZ为Z轴上的调整质量，M为球体初始配重后总质量，R为球体半径，rcx为增加调整质量前质心在球体坐标系中的X轴坐标，rcy为增加调整质量前质心在球体坐标系中的Y轴坐标，rcz为增加调整质量前质心在球体坐标系中的Z轴坐标；步骤S300：在球体各轴上增加调整质量进行调整配重，每次调整配重后均判断球体所产生的最大重力矩是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种浮球平台液浮式球体配重方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：计算球体悬浮质量M

【技术特征摘要】
1.一种浮球平台液浮式球体配重方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：计算球体悬浮质量Md和配重物质量ΔM0后，根据所得配重物质量ΔM0对球体进行初始配重，使得初始配重后球体质量与球体悬浮质量的差值小于质量误差限且球体处于漂浮状态；步骤S200：采用在球体上悬挂重物法检测球体质心位置(εMOpt,θXOptE,θYOptE,θZOptE)，根据所得球体质心的位置计算出球体坐标系中的坐标：其中，rcx为增加调整质量前质心在球体坐标系中的X轴坐标，rcy为增加调整质量前质心在球体坐标系中的Y轴坐标，rcz为增加调整质量前质心在球体坐标系中的Z轴坐标，εMOpt为球体的质心偏心距，θXOptimE、θYOptimE和θZOptimE为质心偏心距与该轴的夹角中满足cos2θX+cos2θY+cos2θZ最接近于1的优选夹角，根据配重前后球体平衡方程计算得到球体各轴上所需的调整质量：其中，mx为X轴上的调整质量，mY为Y轴上的调整质量，mZ为Z轴上的调整质量，M为球体初始配重后总质量，R为球体半径；步骤S300：在球体各轴上增加调整质量进行调整配重，每次调整配重后均判断球体所产生的最大重力矩是否满足公式(3)，如果不满足则重复步骤S200，MMaxG≤αMMaxC(3)其中，MMaxG＝Mg·εMOptim为最大重力矩，MMaxC为最大控制力矩，如果满足公式(3)则调整配重结束。2.根据权利要求1所述的浮球平台液浮式球体配重方法，其特征在于，所述步骤S100包括以下各步骤：步骤S110：计算出球体悬浮于该液体中时的悬浮质量Md：Md＝ρl·Vp(4)其中ρl为悬浮液的密度，Vp为球体排开液体的体积，计算出所需配重物质量ΔM0：ΔM0＝β(Md-M0)(5)其中M0为球体的初始质量，β为球体初始配重的比例系数，通常取0.6≤β≤0.8；步骤S120：所需配重物质量ΔM0按配重腔数等分后装入各配重腔内，记录此时球体的质量M1，选取配重物质量为，球体悬浮时的悬浮质量Md与球体配重前质量M0差值(Md...

【专利技术属性】
技术研发人员：白锡斌，张士峰，蔡洪，杨华波，黄宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43