[发明专利]一种转动惯量的光学测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种转动惯量的光学测量方法及系统，先以飞行器模型上标识点为媒介解算出视觉坐标系和体轴系之间转换矩阵，再利用三目视觉系统测量加载砝码前、后模型在体轴系中角度变化，根据砝码相对旋转中心的力矩大小计算弹性系统刚度，去除加载装置后激励弹性系统进行自由振动，实时测量振动过程中飞行器模型角位移曲线，得到振动圆频率。反复进行多次，利用最小二乘法获得模型的转动惯量；利用本发明方法可提高控制响应风洞试验系统中飞行器模型转动惯量的测量效率和精度。

技术领域

本发明涉及一种转动惯量的光学测量方法及系统，特别是对控制响应风洞试验中模型转动惯量的光学测量。

背景技术

舵面控制响应风洞试验技术作为风洞虚拟飞行试验技术中的一部分，可更加真实地模拟飞行器运动过程中的气动力变化和运动姿态响应，直观地反映飞行器在非线性范围内的稳定性和可控性，通过对其中的气动力学和飞行动力学耦合特性，对飞行器飞行性能和飞行品质进行综合预示，大大的降低飞行试验的风险，缩短研发周期。

基于立体视觉原理的“非接触式”测量技术可实现动态瞬时测量和空间立体定位，具有精度高、实时性好、处理灵活方便的优点，在风洞试验领域得到广泛应用。在三自由度控制响应风洞试验中，利用三目视觉系统可实现飞行器模型的无干扰、实时轨迹捕捉，进而解算出角位移、角速度和角加速度等运动学和动力学参量。由于飞行器绕质心转动的动力学方程中包含转动惯量项，在控制响应风洞试验前需要进行飞行器模型各运动通道转动惯量的准确测量。由于试验过程中模型与三自由度机构刚性连接，实际转动惯量由模型自身惯量和三自由度机构随模型转动部分的惯量两部分组成。

转动惯量是刚体运动的动力学特征量，是转动时惯性的度量，主要取决于物体质量的大小和质量的分布情况。几何形状规则的物体可采用直接计算或简单设备测量其转动惯量，但对于飞行器类外形复杂、质量分布不均匀物体的转动惯量只能通过实验的方法测量。常用的惯量测量方法主要有扭摆台、落体法、复摆法、三线摆法和附加质量法等。在风洞试验中，对于由轴承等支撑，可绕固定转轴自由转动的飞行器模型，通常采用附加质量法测量其转动惯量。定子与转子间安装柔性片或弹簧提供往复摆动的恢复力矩，转子上固定转动惯量已知的附加质量，分别测量安装附加质量前、后系统的振动频率，根据公式I＝ΔI·f₁²/(f²-f₁²)计算模型转动惯量。附件质量法的精度受制于附加转动惯量的误差和往复摆动频率的测量误差，且对于形状不规则飞行器，如何在不改变飞行器外形的情况下保证附加质量转轴与飞行器转轴重合一直是一个难题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供一种转动惯量的光学测量方法及系统，实现在三自由度控制响应系统中对飞行器模型转动惯量的高效、精确测量。

本发明的技术解决方案是：

一种转动惯量的光学测量方法，具体步骤如下：

(1)限制三自由度机构另外两个通道自由度，在当前通道方向安装弹性梁，提供系统在当前方向的弹性恢复力，使系统受到扰动后可沿当前通道自由振动；

(2)将步骤(1)中得到的单自由度振动系统置于三目视觉系统的测量视场，测量模型上标识点在视觉坐标系下的三维坐标；

(3)模型上标识点在试验系统体轴系中的三维坐标已知，根据步骤(2)中得到的所述三维坐标计算出视觉坐标系与体轴系之间的空间位置关系，得到坐标系间的转换矩阵；

(4)利用砝码加载装置向试验系统施加当前力矩，同时利用三目视觉系统测量模型上标识点在体轴系中坐标变化，获得当前载荷下弹性系统的在当前通道的变形角度，进而计算弹性系统刚度；

(5)去除砝码加载装置，向系统施加初始当前角，激励系统自由振动。利用三目视觉系统实时测量模型上标识点在体轴系中变化历程，绘制模型角位移相对时间的变化曲线，利用均值法得到系统振动圆频率；