大型物体惯性参数综合测量及误差分析

摘要

大型物体惯性参数(质量、质心、转动惯量)是影响其控制稳定性的重要技术参数。对火箭、卫星、导弹等具有大尺寸、复杂外形的物体而言,惯性参数决定了入轨精度及空间姿态的准确性,所以必须精确测量。然而由于结构所限,大型物体不宜翻转或倒置,通常采用一次性装夹的方法测量所有参数。以国内外研究现状为基础,阐述了试验台结构、测量原理,利用坐标变换、蒙特卡罗统计分析、有限元等数学方法进行了惯性参数方程求解与误差分析。实验结果表明,安装位置、传感器分布方式、试验台倾斜角度等因素对测量精度影响较大,绕z轴的转动惯量Iz的测量值比绕x,y轴的参数Ix, Iy更准确。论文主要完成了以下工作:
　　首先,调研了国内外转动惯量的研究现状,分析了大尺寸、复杂形状物体惯性参数精确测量的必要性。针对测量的难点,引出一次性装夹测量所有参数的方法。
　　其次,概述了刚体动力学理论,为本文推导、求解惯性参数方程提供了基础;在一次性装夹的前提下,利用图解法推导了大型物体的质心公式。从测量原理、设备结构及测量精度等方面论述了一次性装夹测量方法的特点。
　　再次,利用PRO/E进行了综合试验台三维建模,阐述各部件结构及综合测量步骤;对电测部分、实验数据处理系统、数据库进行了分析。采用 DELPHI程序语言编写了转动惯量测量程序。
　　接着,分析了线性阻尼与非线性阻尼条件下求解扭摆运动方程的方法。利用矩阵理论和坐标变换,给出了求解惯性参数的新方法。此外,还采用了相平面推导了转动惯量的计算公式。
　　然后,研究了回转台的控制特性。分析了转角对质心坐标的影响,计算了不同转角下有关参数的相关系数和灵敏度系数,数学仿真结果表明回转台转角在45°到90°之间质偏较小。
　　最后,分析了误差来源及对测量精度的影响。采用最小二乘法作为阻尼条件下转动惯量的补偿公式,给出了测量设备结构改进的方法。