CN108995827B - 一种快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，包括：根据力矩平衡原理计算出直升机的X和Y轴重心位置；通过垂直悬挂测得倾角计算出直升机Z轴重心位置；测量计算出直升机对X和Y轴的转动惯量；Z轴转动惯量的测量：在CATIA软件中导入直升机等比例模型，在模型当中放置三个质量小球来调整直升机模型重心至实验测量位置，X和Y轴的转动惯量与实验测量数据一致，从而得出Z轴转动惯量的值。本发明减少了人为因素给测量带来的误差，并减少了测量所需要的时间，提高了直升机转动惯量测量的准确性。

Description

一种快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法

技术领域

本发明涉及一种快速获取大中型直升机重量、重心、转动惯量的方法，属于大中型直升机重量、重心、转动惯量测量技术领域。

背景技术

在直升机的飞行性能计算、飞行控制设计领域，经常需要直升机的重量、重心、转动惯量的数据，这些参数对于直升机飞行性能计算的准确性，飞行控制设计的正确性具有十分关键的作用，是必需的参数数据。

目前，由于小型的无人直升机重量较轻，体积较小，所以其重量、重心、转动惯量是比较容易测得的。在大中型直升机重量、重心、转动惯量测量方面，由于其重量大、体积大，所以不容易进行测量。

当前，在大中型直升机重量、重心、转动惯量测量方面，普遍采用实验测量的方法，但是在采用实验测量方法时，由于测量装置以及摩擦的影响，对直升机的Z轴转动惯量测量时有较大误差。并且纯采用实验测量方法耗时耗力，实验装置安装、实验测量过程复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，以解决现有测量方法所存在的问题，本发明的方法减少了人为因素给测量带来的误差，并减少了测量所需要的时间，提高了直升机转动惯量测量的准确性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，包括步骤如下：

1)根据力矩平衡原理计算出直升机的X和Y轴重心位置；

2)通过垂直悬挂测得倾角计算出直升机Z轴重心位置；

3)通过复摆装置测量计算出直升机对X和Y轴的转动惯量；

4)Z轴转动惯量的测量：在CATIA软件中导入直升机等比例模型，通过力矩平衡原理在模型当中放置三个质量小球来调整直升机模型重心至实验测量位置，X和Y轴的转动惯量与实验测量数据一致，从而得出Z轴转动惯量的值。

优选地，所述步骤1)中具体包含：创建直升机三维直角坐标系，选取直升机四个支撑点，支撑点选取在起落架四个端点处，通过四个支撑点顶起直升机使其悬空，测得每个支撑点所承受的重量，进一步得出直升机重量，计算公式如下：

式中，W_helicopter为直升机的总重量，n为支撑点的数目，n值为4，F为各支撑点对应的重量值；

将重心投影到XY平面，并确定坐标系中四个支撑点的坐标位置，根据力矩平衡原理计算出直升机的X和Y轴重心位置；

对X＝0取矩：

式中，X_CG为直升机在X轴方向的重心位置；a，b为直升机的前后支撑点到原点的水平距离；

对Y＝0取矩：

式中，Y_CG为直升机在Y轴方向的重心位置；c为Y轴方向支撑点位置距离原点的竖直距离。

优选地，所述步骤1)中具体包含：每个支撑点用千斤顶顶起直升机使其悬空一小段距离，将千斤顶放置于电子秤上，得出每个支撑点所承受的重量，进一步得出直升机重量。

优选地，所述步骤2)具体为：以直升机桨毂中心处为挂点将其悬空，分别测量与X轴的倾斜角度α和Y轴的倾斜角度β，计算得出直升机Z轴重心位置，计算公式如下：

式中，Z_CG为直升机在Z轴方向的重心位置。

优选地，所述步骤2)中Z轴重心测量，使用一台高精度水平仪和一根能够承受直升机重量的钢丝绳。

优选地，所述步骤3)中X和Y轴转动惯量的测量装置包含行车、电动挂钩及复摆装置。

优选地，所述步骤3)具体包括：摆动周期的测量：直升机绕X和Y轴做不超过5°的小角度摆动，测量若干个周期摆动时间总和，重复多次后取平均值为直升机摆动周期。

优选地，所述步骤3)具体为：复摆法以平衡位置作为转角B的起点，定轴转动的微分方程为：

式中：b为摆长；m为复摆的质量；g为当地的重力加速度，

为装置摆动的微角度；I为绕旋转轴转动的转动惯量；当复摆装置做微小摆动时，sinB≈B；因此，计算刚体的转动惯量为：

式中，T为摆动周期，根据刚体转动惯量的公式：

I＝∫r²dm (7)

式中，r为微量质元到转轴的垂直距离，dm为微量质元的质量；

不同刚体对同一根转轴的转动惯量叠加，在计算过程中用整体转动惯量减去桁架的转动惯量得到直升机的转动惯量：

I_helicopter＝I-I₁ (8)

式中，I₁为桁架的转动惯量，根据刚体转动惯量的平行移轴定理，刚体对任意轴的转动惯量等于其对过质心的转动惯量加上刚体质量与两轴距离的平方，即：

I′＝I+ml² (9)

对以上公式进行整理，得到：

式中，I_hc为直升机自身的转动惯量，T为组合体的摆动周期，W为组合体的重量，H_hc为直升机摆动时的摆长，W_sf为桁架的质量，T_sf为桁架单独复摆运动时的摆动周期，H_sf为桁架摆动时摆长，W_hc为直升机的重量。

优选地，所述步骤3)中具体包含：通过光电门装置测量若干个周期摆动时间总和，重复多次后取平均值为直升机摆动周期；

在摆动周期的测量的方面，使用多次测量取平均值的方法，测量五次周期，每次测量时直升机的摆动周期次数选取不同，第一次为直升机摆动周期数为二十个周期，接下来以五个周期数依次递增，一共测量五次；计算公式如下：

式中，

为五次周期测量的平均值，T_i为单次测量的周期值，n为测量次数，其值为5。

优选地，所述步骤4)具体包含：得到在绝对坐标系中直升机实际重心位置与CATIA模型重心位置相对距离以及在直升机相对X向与Y向的实际转动惯量以及在CATIA中计算得到的相对XYZ轴的计算转动惯量：

式中，m_x、m_y、m_z分别为三个质量小球的重量，每个小球的重量为直升机总重量的百分之三，Δx、Δy、Δz分别为加入质量小球后重心位置的偏移量；m₁为直升机重量；

式中，I_x、I_y、I_z分别为未加质量小球前直升机的转动惯量，M_x、M_y、M_z分别为加入质量小球后直升机的转动惯量。

本发明的有益效果：

1、本发明减少了Z轴转动惯量测量的工作量，并且大大减少了安装时间提高了测量效率。

2、本发明结合CATIA软件自动化测量得出结果，不会产生人为因素和外界环境的干扰所产生的实验误差，提高了测量精度。

3、本发明适用于大中型直升机各个吨位的重量、重心、转动惯量的测量，适用度广。

附图说明

图1为X和Y轴转动惯量测量装置结构示意图；

图2为X轴和Y轴重心测量装置示意图；

图3为Z轴重心测量装置示意图；

图4为使用CATIA软件进行Z轴转动惯量测量示意图；

图中，直升机1；方管2；钢丝绳3；电动挂钩4；电动机5；行车梁6；千斤顶一号站位点7；千斤顶二号站位点8；千斤顶三号站位点9；千斤顶四号站位点10；单根吊绳11；水平面12；质量小球13。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明的一种快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，包括步骤如下：

1)图2为直升机X轴和Y轴重心测量装置示意图，创建直升机三维直角坐标系，之后的测量计算都在该坐标系中进行。选取直升机四个支撑点，支撑点选取在起落架四个端点处，这四个点分别为千斤顶一号站位点7，千斤顶二号站位点8，千斤顶三号站位点9，千斤顶四号站位点10，其中千斤顶一号站位点7和二号站位点8与千斤顶三号站位点9和四号站位点10以Y轴为对称轴对称，千斤顶站位点7和9与千斤顶站位点8和10以X轴为对称轴对称，千斤顶站位点7和8在Y轴方向上的距离为b，千斤顶站位点7和9在X轴方向上的距离为a，支撑点尽可能有足够的面积和强度以支撑直升机的重量，每个支撑点用千斤顶顶起使直升机悬空一小段距离，千斤顶的顶端要尽可能圆润以满足与支撑点为点接触从而减少误差，并将千斤顶放置于电子秤之上，从而得出每个支撑点所承受的重量，进一步得出直升机重量，计算公式如下：

在公式(1)中，W_helicopter为直升机的总重量，n为支撑点的数目，在此处n的值为4，F为个支撑点对应的重量值。

将重心投影到XY平面，并确定坐标系中四个支撑点的坐标位置，根据力矩平衡原理计算出直升机的X和Y轴重心位置；

对X＝0取矩：

在公式(2)中，X_CG为直升机在X轴方向的重心位置；a，b为直升机的前后支撑点到原点的水平距离；

对Y＝0取矩：

在公式(3)中，Y_CG为直升机在Y轴方向的重心位置；c为Y轴方向支撑点位置距离原点的竖直距离。

2)图3为直升机Z轴重心测量装置示意图，其中以直升机桨毂中心处为挂点用单根钢丝绳11将其悬空，以水平面12为基准使用水平仪分别测量与X轴的倾斜角度α和Y轴的倾斜角度β，通过计算可得出直升机Z轴重心位置，计算公式如下：

在公式(4)中，Z_CG为直升机在Z轴方向的重心位置。

3)图1为直升机X轴和Y轴转动惯量测量装置结构示意图，用四根方管2搭建成一个矩形框能够使直升机1平稳地放置其上，四根钢丝绳3分别连接在矩形框的四个端点，并一起接在电动挂钩4上，电动挂钩固定在电动机5上，电动机5安装在行车梁6上。通过电动挂钩4的升降可以实现直升机的垂直上下运动，电动机5以行车梁6为轨道可以实现水平左右运动，通过复摆装置测量计算出直升机对X和Y轴的转动惯量；

复摆法以平衡位置作为转角B的起点，定轴转动的微分方程为：

式中：b为摆长；m为复摆的质量；g为当地的重力加速度，

为装置摆动的微角度；I为绕旋转轴转动的转动惯量；当复摆装置做微小摆动时，sinB≈B；因此，计算刚体的转动惯量为：

式中，T为摆动周期，根据刚体转动惯量的公式：

I＝∫r²dm (7)

在公式(7)中，r为微量质元到转轴的垂直距离，dm为微量质元的质量；

不同刚体对同一根转轴的转动惯量叠加，在计算过程中用整体转动惯量减去桁架的转动惯量得到直升机的转动惯量：

I_helicopter＝I-I₁ (8)

式中，I₁为桁架的转动惯量，根据刚体转动惯量的平行移轴定理，刚体对任意轴的转动惯量等于其对过质心的转动惯量加上刚体质量与两轴距离的平方，即：

I′＝I+ml² (9)

对以上公式进行整理，得到：

在公式(10)中，I_hc为直升机自身的转动惯量，T为组合体的摆动周期，W为组合体的重量，H_hc为直升机摆动时的摆长，W_sf为桁架的质量，T_sf为桁架单独复摆运动时的摆动周期，H_sf为桁架摆动时摆长，W_hc为直升机的重量。

摆动周期的测量：直升机绕X和Y轴做不超过5°的小角度摆动，通过光电门装置测量若干个周期摆动时间总和，重复多次之后取平均值为直升机摆动周期；

在摆动周期的测量的方面，使用多次测量取平均值的方法，示例中测量五次周期，每次测量时直升机的摆动周期次数选取不同，第一次为直升机摆动周期数为二十个周期，接下来以五个周期数依次递增，一共测量五次；通过多次测量取平均值的方法能够减少人工操作和阻力带来的误差，提高测量的准确性；计算公式如下：

在公式(11)中，

为五次周期测量的平均值，T_i为单次测量的周期值，n为测量次数，在上式中为5。

4)如图4所示为使用CATIA软件进行Z轴转动惯量测量示意图，在CATIA软件中导入直升机等比例模型，通过力矩平衡原理在模型当中放置三个质量小球13来调整直升机模型重心至实验测量位置，X和Y轴的转动惯量与实验测量数据一致，从而得出Z轴转动惯量的值。首先，我们能得到在绝对坐标系中直升机实际重心位置与CATIA模型重心位置相对距离以及在直升机相对X向与Y向的实际转动惯量以及在CATIA中计算得到的相对XYZ轴的计算转动惯量：

公式(12)中，m_x、m_y、m_z分别为三个质量小球的重量，每个小球的重量为直升机总重量的百分之三，Δx、Δy、Δz分别为加入质量小球后重心位置的偏移量；m₁为直升机重量。

公式(13)中，I_x、I_y、I_z分别为未加质量小球前直升机的转动惯量，M_x、M_y、M_z分别为加入质量小球后直升机的转动惯量。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)根据力矩平衡原理计算出直升机的X和Y轴重心位置；

2)通过垂直悬挂测得倾角计算出直升机Z轴重心位置；

3)通过复摆装置测量计算出直升机对X和Y轴的转动惯量；

4)Z轴转动惯量的测量：在CATIA软件中导入直升机等比例模型，通过力矩平衡原理在模型当中放置三个质量小球来调整直升机模型重心至实验测量位置，X和Y轴的转动惯量与实验测量数据一致，从而得出Z轴转动惯量的值；

所述步骤4)具体包含：得到在绝对坐标系中直升机实际重心位置与CATIA模型重心位置相对距离以及在直升机相对X向与Y向的实际转动惯量以及在CATIA中计算得到的相对XYZ轴的计算转动惯量：

式中，m_x、m_y、m_z分别为三个质量小球的重量，每个小球的重量为直升机总重量的百分之三，Δx、Δy、Δz分别为加入质量小球后重心位置的偏移量；m₁为直升机重量；I_x、I_y、I_z分别为未加质量小球前直升机的转动惯量，M_x、M_y、M_z分别为加入质量小球后直升机的转动惯量。

2.根据权利要求1所述的快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，其特征在于，所述步骤1)中具体包含：创建直升机三维直角坐标系，选取直升机四个支撑点，支撑点选取在起落架四个端点处，通过四个支撑点顶起直升机使其悬空，测得每个支撑点所承受的重量，进一步得出直升机重量，计算公式如下：

式中，W_helicopter为直升机的总重量，n为支撑点的数目，n值为4，F为各支撑点对应的重量值；

将重心投影到XY平面，并确定坐标系中四个支撑点的坐标位置，根据力矩平衡原理计算出直升机的X和Y轴重心位置；

对X＝0取矩：

式中，X_CG为直升机在X轴方向的重心位置；a，b为直升机的前后支撑点到原点的水平距离；

对Y＝0取矩：

式中，Y_CG为直升机在Y轴方向的重心位置；c为Y轴方向支撑点位置距离原点的竖直距离。

3.根据权利要求2所述的快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，其特征在于，所述步骤1)中具体包含：每个支撑点用千斤顶顶起直升机使其悬空，将千斤顶放置于电子秤上，得出每个支撑点所承受的重量，进一步得出直升机重量。

4.根据权利要求1所述的快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：以直升机桨毂中心处为挂点将其悬空，分别测量与X轴的倾斜角度α和Y轴的倾斜角度β，计算得出直升机Z轴重心位置，计算公式如下：

式中，Z_CG为直升机在Z轴方向的重心位置。

5.根据权利要求4所述的快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，其特征在于，所述步骤2)中Z轴重心测量，使用一台高精度水平仪和一根能够承受直升机重量的钢丝绳。

6.根据权利要求1所述的快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，其特征在于，所述步骤3)中X和Y轴转动惯量的测量装置包含行车、电动挂钩及复摆装置。

7.根据权利要求1所述的快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：摆动周期的测量：直升机绕X和Y轴做不超过5°的小角度摆动，测量若干个周期摆动时间总和，重复多次后取平均值为直升机摆动周期。

8.根据权利要求7所述的快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：复摆法以平衡位置作为转角B的起点，定轴转动的微分方程为：

式中：b为摆长；m为复摆的质量；g为当地的重力加速度，

为装置摆动的微角度；I为绕旋转轴转动的转动惯量；当复摆装置做微小摆动时，sinB≈B；因此，计算刚体的转动惯量为：

式中，T为摆动周期，根据刚体转动惯量的公式：

I＝∫r²dm (7)

式中，r为微量质元到转轴的垂直距离，dm为微量质元的质量；

不同刚体对同一根转轴的转动惯量叠加，在计算过程中用整体转动惯量减去桁架的转动惯量得到直升机的转动惯量：

I_helicopter＝I-I₁ (8)

式中，I₁为桁架的转动惯量，根据刚体转动惯量的平行移轴定理，刚体对任意轴的转动惯量等于其对过质心的转动惯量加上刚体质量与两轴距离的平方，即：

I′＝I+ml² (9)

对以上公式进行整理，得到：

式中，I_hc为直升机自身的转动惯量，T为组合体的摆动周期，W为组合体的重量，H_hc为直升机摆动时的摆长，W_sf为桁架的质量，T_sf为桁架单独复摆运动时的摆动周期，H_sf为桁架摆动时摆长，W_hc为直升机的重量。

9.根据权利要求8所述的快速获取直升机重量、重心、转动惯量的方法，其特征在于，所述步骤3)中具体包含：通过光电门装置测量若干个周期摆动时间总和，重复多次后取平均值为直升机摆动周期；

在摆动周期的测量的方面，使用多次测量取平均值的方法，测量五次周期，每次测量时直升机的摆动周期次数选取不同，第一次为直升机摆动周期数为二十个周期，接下来以五个周期数依次递增，一共测量五次；计算公式如下：

式中，

为五次周期测量的平均值，T_i为单次测量的周期值，n为测量次数，其值为5。

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