无人机质心惯量集成测试方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机质心惯量集成测试方法，该方法包括如下步骤：建立测试坐标系；分别建立下框架坐标系和上框架坐标系；将待测产品安装在调姿设备上；质量特性测试设备测量水平姿态下产品的水平方向质心坐标和绕旋转轴的转动惯量；质量特性测试设备测量第一倾斜姿态下产品的水平方向质心坐标和绕旋转轴的转动惯量；质量特性测试设备测量第二倾斜姿态下产品绕旋转轴的转动惯量；质量特性测试设备测量第三倾斜姿态下产品绕旋转轴的转动惯量；质量特性测试设备测量第四倾斜姿态下产品绕旋转轴的转动惯量；根据集成测试算法得到产品的3轴质心、3轴转动惯量和2个惯性积。本发明专利技术解决了现有技术中难以满足质量特性的自动化集成测试的要求的问题。

Integrated test method of mass center inertia of UAV

【技术实现步骤摘要】
无人机质心惯量集成测试方法
本专利技术属于航空航天、武器装备等领域中的多种产品的质量、质心、转动惯量等质量特性参数的集成测试
，尤其涉及一种无人机质心惯量集成测试方法。
技术介绍
产品的质量特性参数包括质量、质心、转动惯量和惯性积。飞行器或高速运动产品的操纵稳定性、运行安全性、姿态准确性等均与其质量特性有关，质量特性参数的准确测量是实现运动精确控制的前提。质量直接决定飞行器等产品所受到的重力，质量测量不准确将会直接影响飞行器的受力分析，进而使得对飞行器动力学建模产生一定影响。质心位置的偏差会导致与飞行器轨迹相关坐标系位置产生偏差，因此建立的运动学和动力学标量方程就会不准确，最终影响飞行器的飞行轨迹。转动惯量和惯性积对于飞行器在空中的姿态控制起关键性作用。飞行器姿态控制过程就是飞行器借助于外力矩调整自身姿态角度的过程。其外力矩通过转动惯量、惯性积以及飞行器转动角速度计算得到。因此如果转动惯量和惯性积测量不准，就难以施加合适的外力矩来控制飞行器姿态。目前测量方法分为两种，第一种是天平测量，第二种是称重传感器测量；质心测量方法总体上分为静态测量法和动态测量法。静态测量法包括不平衡力矩法和多点称重法；动态测量法分为旋转平衡法和转动惯量法。转动惯量最常见的测试方法有落体法、悬线扭摆法、复摆法、扭摆法等。惯性积测量方法主要是动平衡法、柯西惯性椭球法等。质量特性的集成测试系统一般是由测试设备和姿态调整设备共同组成。姿态调整方式一般为将几个姿态调整为过统一点(一般为理论质心)，以便建立集成测试矩阵，求解转动惯量和惯性积。但对于无人机、导弹等必须横向放置的大型产品，其纵向质心较低，姿态调整时需调整的幅度较大，所需空间较大也易发生干涉，难以满足质量特性的自动化集成测试的要求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供了一种无人机质心惯量集成测试方法，解决了现有技术中难以满足质量特性的自动化集成测试的要求的问题。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种无人机质心惯量集成测试方法，所述方法包括如下步骤：(1)在质量特性测试设备上建立测试坐标系；(2)在质量特性测试设备的上平台上安装两轴异面的调姿设备，并分别建立下框架坐标系和上框架坐标系；(3)将待测产品安装在调姿设备上；(4)调姿设备将产品姿态调整为水平姿态，质量特性测试设备测量此时产品的水平方向质心坐标和绕旋转轴的转动惯量；(5)调姿设备将产品姿态调整为第一倾斜姿态即绕下框架坐标系的O1Y1轴顺时针旋转α角，质量特性测试设备测量此时产品的水平方向质心坐标和绕旋转轴的转动惯量；(6)调姿设备将产品姿态调整为第二倾斜姿态即绕下框架坐标系的O1Y1轴逆时针旋转α角，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量；(7)调姿设备将产品姿态调整为第三倾斜姿态即绕上框架坐标系的O2X2轴顺时针旋转β角，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量；(8)调姿设备将产品姿态调整为第四倾斜姿态即绕上框架坐标系的O2X2轴逆时针旋转β角，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量；(9)根据集成测试算法，计算产品的3轴质心、3轴转动惯量和2个惯性积。上述无人机质心惯量集成测试方法中，在步骤(1)中，质量特性测试设备具备测量所有质量特性参数的功能，即在一台设备上完成质量、水平方向质心和绕其旋转轴的转动惯量，采用三点称重法，根据力平衡和力矩平衡测量产品的质量和水平方向的2质心坐标，采用扭摆法测量绕旋转轴的转动惯量；测试坐标系建立如下：以3个传感器所在圆的圆心为坐标原点O，以传感器P1方向为X+，以竖直向上为Z+，Y轴均由右手坐标系确定。上述无人机质心惯量集成测试方法中，在步骤(2)中，调姿设备可带动产品绕分别与X轴和Y轴平行的两异面垂直的轴双向旋转，即分别顺时针和逆时针旋转；其中，两旋转轴的交点在测试坐标系下的投影与步骤(1)中所述的坐标原点O重合；上框架坐标系O2-X2Y2和下框架坐标系O1-X1Y1分别与测试坐标系O-XY平行，下框架坐标系的O1Y1轴与调姿设备的下端旋转轴重合；上框架坐标系的O2X2轴与调姿设备的上端旋转轴重合。上述无人机质心惯量集成测试方法中，在步骤(4)中，水平姿态是指调姿设备的两旋转轴分别和测试坐标系的X轴和Y轴平行，质量特性测试设备测量此时产品的水平方向质心坐标(Xc,Yc)和绕旋转轴的转动惯量I0。上述无人机质心惯量集成测试方法中，在步骤(5)中，第一倾斜姿态是指产品绕调姿设备中的与测试坐标系的Y轴平行的旋转轴顺时针旋转α角后的姿态，质量特性测试设备测量此时产品的质量m、水平方向质心坐标(Xc1,Yc)和绕旋转轴的转动惯量I1。上述无人机质心惯量集成测试方法中，在步骤(6)中，第二倾斜姿态是指产品绕调姿设备中的与测试坐标系的Y轴平行的旋转轴逆时针旋转α角后的姿态，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量I2。上述无人机质心惯量集成测试方法中，在步骤(7)中，第三倾斜姿态是指产品绕调姿设备中的与测试坐标系的X轴平行的旋转轴顺时针旋转β角后的姿态，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量I3。上述无人机质心惯量集成测试方法中，在步骤(8)中，第四倾斜姿态是指产品绕调姿设备中的与测试坐标系的X轴平行的旋转轴逆时针旋转β角后的姿态，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量I4。上述无人机质心惯量集成测试方法中，根据集成测试算法，计算产品的3轴质心、3轴转动惯量和2个惯性积包括如下步骤：1)三点称重法解算质量m和平面内质心坐标(Xc，Yc)：根据3个传感器同时测得的重量值F1、F2、F3及3个传感器之间的几何关系，由力平衡和力矩平衡分别计算出被测件质量m和在测试坐标系下产品水平面内的质心坐标Xc和Yc。经解算：其中3个传感器在同一水平面内，3者组成等边三角形，其外接圆的半径为R。传感器1到其对边中点的距离为L，传感器2和3之间的距离为D。2)根据2种姿态下测得的平面内质心，解算纵向质心：在下框架坐标系O1-X1Y1的X1O1Y1面内产品绕其O1Y1轴逆时针旋转α角后，质心位置由点C旋转至C’，旋转前和旋转后分别测得水平面内质心的投影为Xc和Xc1。设|OC|＝|OC′|＝l，产品在水平姿态下时质心C与下框架坐标系的坐标原点O1的连线为O1C，O1C与下框架坐标系的X+方向之间的夹角为γ，解算水平姿态下产品质心在下框架坐标系下的纵坐标(纵向质心)Zc1的解算过程如下：建立方程组将sinγ、cosγ分别代入Xc1，得：则有：Zc1＝(Xc1-Xccosα)/sinα则产品水平姿态下在下框架坐标系下的质心坐标为(Xc1，Yc1，Zc1)。3)解算转动惯量和惯性积：根据上述产品的质量、三轴质心坐标及1个水平姿态及4个倾斜姿态下测得的绕回转轴的转动惯量，解算产品在下框架坐标系中的3轴转动惯量和2个惯性积。上述无人机质心惯量集成测试方法中，解算转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机质心惯量集成测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n(1)在质量特性测试设备上建立测试坐标系；/n(2)在质量特性测试设备的上平台上安装两轴异面的调姿设备，并分别建立下框架坐标系和上框架坐标系；/n(3)将待测产品安装在调姿设备上；/n(4)调姿设备将产品姿态调整为水平姿态，质量特性测试设备测量此时产品的水平方向质心坐标和绕旋转轴的转动惯量；/n(5)调姿设备将产品姿态调整为第一倾斜姿态即绕下框架坐标系的O

【技术特征摘要】
1.一种无人机质心惯量集成测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)在质量特性测试设备上建立测试坐标系；
(2)在质量特性测试设备的上平台上安装两轴异面的调姿设备，并分别建立下框架坐标系和上框架坐标系；
(3)将待测产品安装在调姿设备上；
(4)调姿设备将产品姿态调整为水平姿态，质量特性测试设备测量此时产品的水平方向质心坐标和绕旋转轴的转动惯量；
(5)调姿设备将产品姿态调整为第一倾斜姿态即绕下框架坐标系的O1Y1轴顺时针旋转α角，质量特性测试设备测量此时产品的水平方向质心坐标和绕旋转轴的转动惯量；
(6)调姿设备将产品姿态调整为第二倾斜姿态即绕下框架坐标系的O1Y1轴逆时针旋转α角，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量；
(7)调姿设备将产品姿态调整为第三倾斜姿态即绕上框架坐标系的O2X2轴顺时针旋转β角，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量；
(8)调姿设备将产品姿态调整为第四倾斜姿态即绕上框架坐标系的O2X2轴逆时针旋转β角，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量；
(9)根据集成测试算法，计算产品的3轴质心、3轴转动惯量和2个惯性积。


2.根据权利要求1所述的无人机质心惯量集成测试方法，其特征在于：在步骤(1)中，质量特性测试设备具备测量所有质量特性参数的功能，即在一台设备上完成质量、水平方向质心和绕其旋转轴的转动惯量，采用三点称重法，根据力平衡和力矩平衡测量产品的质量和水平方向的2质心坐标，采用扭摆法测量绕旋转轴的转动惯量；
测试坐标系建立如下：以3个传感器所在圆的圆心为坐标原点O，以传感器P1方向为X+，以竖直向上为Z+，Y轴由右手坐标系确定。


3.根据权利要求1所述的无人机质心惯量集成测试方法，其特征在于：在步骤(2)中，调姿设备可带动产品绕分别与X轴和Y轴平行的两异面垂直的轴双向旋转，即分别顺时针和逆时针旋转；其中，两旋转轴的交点在测试坐标系下的投影与步骤(1)中所述的坐标原点O重合；上框架坐标系O2-X2Y2和下框架坐标系O1-X1Y1分别与测试坐标系O-XY平行，下框架坐标系的O1Y1轴与调姿设备的下端旋转轴重合；上框架坐标系的O2X2轴与调姿设备的上端旋转轴重合。


4.根据权利要求1所述的无人机质心惯量集成测试方法，其特征在于：在步骤(4)中，水平姿态是指调姿设备的两旋转轴分别和测试坐标系的X轴和Y轴平行，质量特性测试设备测量此时产品的水平方向质心坐标(Xc,Yc)和绕旋转轴的转动惯量I0。


5.根据权利要求1所述的无人机质心惯量集成测试方法，其特征在于：在步骤(5)中，第一倾斜姿态是指产品绕调姿设备中的与测试坐标系的Y轴平行的旋转轴顺时针旋转α角后的姿态，质量特性测试设备测量此时产品的质量m、水平方向质心坐标(Xc1,Yc)和绕旋转轴的转动惯量I1。


6.根据权利要求1所述的无人机质心惯量集成测试方法，其特征在于：在步骤(6)中，第二倾斜姿态是指产品绕调姿设备中的与测试坐标系的Y轴平行的旋转轴逆时针旋转α角后的姿态，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量I2。


7.根据权利要求1所述的无人机质心惯量集成测试方法，其特征在于：在步骤(7)中，第三倾斜姿态是指产品绕调姿设备中的与测试坐标系的X轴平行的旋转轴顺时针旋转β角后的姿态，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量I3。


8.根据权利要求1所述的无人机质心惯量集成测试方法，其特征在于：在步骤(8)中，第四倾斜姿态是指产品绕调姿设备中的与测试坐标系的X轴平行的旋转轴逆时针旋转β角后的姿态，质量特性测试设备测量此时产品绕旋转轴的转动惯量I4。


9.根据权利要求1所述的无人机质心惯量集成测试方法，其特征在于：在步骤(9)中，根据集成测试算法，计算产品的3轴质心、3轴转动惯量和2个惯性积包括如下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建超，于荣荣，董礼港，王晓阳，谭旭，于龙岐，王建宇，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11