大尺寸飞行器质量特性测量关键技术研究

摘要

飞行器的质量特性参数包括质量、质心、转动惯量和惯性积，这些参数的准确测量是人们精确控制飞行器的前提，因此质量特性参数测量一直以来受到各国的重视。近年来随着军工国防事业的发展，飞行器在尺寸和形状上都有着前所未有的突破，由此引发了对大尺寸飞行器相关技术的研究，其中就包括质量特性参数测量技术。
　　为提高大尺寸飞行器质量特性参数测量精度，本文从测量方法改进及优化技术、称重传感器标定技术、位姿误差修正技术三方面进行了研究，具体内容如下：
　　针对传统测量方法在大尺寸飞行器质心测量过程中的缺陷，提出了质心柔性测量方法。该方法通过引入三维坐标测量设备，利用其整平功能和精确测量空间目标位置的优势，能够有效对待测件某姿态下重力线方程进行精确补偿，进而在测量台整平、加工、装配误差较大时仍然能够准确测量质心。实验证明了柔性测量方法能够解决传统方法在测量大尺寸飞行器质心时易产生较大误差的问题。
　　采用惯性椭球法测量质心坐标系下转动惯量和惯性积需要待测件在6种姿态下进行扭摆测量。考虑姿态误差对于计算结果的影响，若任选6种姿态，则微小的姿态误差可能会对计算结果产生极大的误差，因此对测量姿态进行了最优分析，提出了基于最优姿态的转动惯量和惯性积测量方案。实验验证了利用该方案能够将姿态误差对计算结果的影响降至最小，因此能够有效防止计算结果产生失真，从而提高测量精度。
　　多称重传感器在线标定技术是质量特性参数测量的关键技术之一。针对数字量求和标定法在标定过程中经常遇到不适定问题的情况，首先从直接解算病态标定方程的角度考虑，采用基于岭型主成分估计的解算方法。该方法能够充分利用标定方程所提供的有用信息，去除冗余信息的干扰，降低标定方程的病态程度，从而提高解算精度；然后从避免产生不适定问题的角度出发，提出了基于条件数最小化的数字量求和标定法。该方法能够保证在不损失任何信息的情况下，使标定方程设计阵的条件数接近于最小值，从而在保证标定稳定性的同时提高了标定精度。
　　研究了基于运动学的测量位姿误差修正技术，首先对整个机械结构进行运动学建模，并建立了基于位姿误差的运动学参数标定方程，通过标定机械结构的几何参数，实现了对测量位姿误差的修正。然后，为提高标定效率和标定精度，设计了利用最优构型进行标定的方法，并建立了最优标定构型的判定依据，提出了利用改进粒子群算法对最优标定构型进行搜索的方法。最后通过实验验证了利用改进粒子群算法能够准确得到最优标定构型，并且利用在最优标定构型下标定得到的几何参数能够准确修正位姿误差。
　　针对某大尺寸飞行器质量特性测量的需要，研制了一套大尺寸飞行器质量特性参数测量系统，并对某标准件进行测量，其结果均达到设计要求，由于系统采用本文提出的新方法及新技术，所以验证了本文所研究关键技术的正确性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景、目的和意义

1.2 质量特性测量技术介绍及发展现状

1.3 目前存在的问题与论文的主要内容

第2章 质量特性测量方法改进及优化技术研究

2.1 引言

2.2 质心测量方法的改进

2.3 转动惯量和惯性积测量方法改进及优化

2.4 本章小结

第3章 多称重传感器在线标定技术的研究

3.1 引言

3.2 数字量求和标定法

3.3 基于岭型主成分估计的传感器系数的解算方法

3.4 条件数最小化的数字量求和法

3.5 本章小结

第4章 基于运动学的测量位姿误差修正技术研究

4.1 引言

4.2 产品位姿误差对测量结果的影响

4.3 机械结构几何参数的标定

4.4 基于改进粒子群的多峰函数全局寻优算法

4.5 位姿误差修正实验

4.6 本章小结

第5章 大尺寸飞行器质量特性测量系统的研制

5.1 引言

5.2 测量系统总体方案

5.3 机械结构的分析与设计

5.4 测控系统的设计

5.5 综合测量

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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