基于双目视觉的转动惯量测量方法

作者:刘巍;张洋;马鑫;尚志亮;贾振元 刊名:仪器仪表学报 上传者:安荣荣

【摘要】针对空气阻力以及机构阻力对于转动惯量测量精度的影响,结合双目视觉与复摆运动理论,提出一种基于双目视觉理论的转动惯量测量方法。首先,采用双目视觉方法拍摄被测物体的复摆运动序列图像,进而基于三维测量原理获得被测复杂形状构件合作标记点的三维轨迹信息;然后寻找运动平面,并提出虑及结构阻尼与运动阻尼的摆动轨迹拟合周期求取方法,根据此种方法与复摆理论获得被测物体的转动惯量;最后,使用该转动惯量测量系统,针对风洞实验中具有复杂形状的超音速飞行器投放物模型的转动惯量进行了测量实验。实验结果表明:提出的方法可实现转动惯量的高效、便捷测量,测量精度可达1.1%,并满足飞行器投放物转动惯量测量的工程需求。

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1引言航天、航空、深海运载等领域中的复杂零部件制造是国家综合制造实力的集中体现。诸如运载火箭、超高速飞行器投放物、无人飞行器、水下弹丸等的转动惯量测量是研究和控制这些复杂核心部件及装备运动体轨道和姿态的重要物理量[1-3]。运动体的转动惯量将直接影响物体的初始扰动、运动的稳定性和运动轨道特性等,因此高精度的转动惯量测量对于装备结构优化、姿态控制等至关重要[4-6]。在实际测量中,由于物体质量、形状分布的不规则,极易产生质心偏移、测量时阻力增大等问题,导致其转动惯量的高精度测量较为困难。因此,研究复杂形状构件高效高精度的转动惯量测量方法对航天航空领域关键构件及装备的研制及定型试验具有重要意义和工程实用价值。目前常用的转动惯量测量方法有落地法、三线摆法、扭摆法、复摆法等。落地法、三线摆法的测量精度误差较大;扭摆法是目前测量精度较高的测量方法,但为减小空气阻力和摩擦阻力,常采用精密气动轴承等零件,成本高昂[7-8];复摆法测量方法简单、测量范围宽、适用面广、成本低,并且测量精度较高。国内外学者针对复摆法进行了一系列的改进以提高测量精度。SumitS.Patankar等人基于复摆原理采用惯性测量单元(inertialmeasurementunit,IMU)测量振动周期[9],最终通过派生推导的公式计算小型无人机的转动惯量,该方法实现了如小型无人机等较大型复杂构件的转动惯量测量,但该方法未给出其测量精度;NathanE.Murray等人采用视觉方法追踪标志点的方式,计算飞机分离投放物的转动惯量[10],但其结果只与Solidworks导出模型的转动惯量进行了比较,并未考虑测量过程中阻尼对测量精度的影响;HouW等人基于复摆运动中摩擦力矩导致能量耗散的相平面分析,提出了一种转动惯量测量方法[11-12]。该方法用角位移传感器测量复摆转角与时间的关系,计算得到标准件较高精度的转动惯量,其相对误差为2.3%,而针对形状复杂的构件仍存在质心位置测量、复杂件装夹等问题;宋笔锋等人通过测量系统在不同摆长下的摆动周期,利用摆动周期和质量、质心相对位置及转动惯量的关系[13],推算复杂形状被测物体的质心位置和相对质心的转动惯量,避免了直接测量质心位置的困难,转动惯量测量值与理论值的相对误差为4%左右;张心明等人基于复摆原理采用刀口支承测量了中大型复杂形状弹体的转动惯量[14],并给出测量结果的不确定度计算公式,在假定各测量参数误差为正态分布条件下,导出了测量结果的极限误差计算公式,整套装置减少了转动惯量的测量成本。国内外学者在转动惯量测量装置与方法上都进行了较好地研究,但传统的测量方法只是将被测物重复出现在某一空间位置的间隔时间作为摆动周期,而没有充分利用被测物体的摆动轨迹信息,所以无法很好地减少空气阻力和机构阻力、惯性交感等问题对精度的严重影响。并且大多数超音速飞行器投放物的形状较为复杂,转动惯量的测量精度要求高,同时高速CCD相机又为位姿视觉测量的必备设备,为了减少测量装置成本,保证测量精度,本文结合双目视觉理论与复摆原理,提出了一种基于摆动轨迹的转动惯量测量方法。本文首先介绍了基于双目视觉的超音速飞行器投放物转动惯量测量方法,详细阐述了测量系统的构建、摆动运动序列图像的采集等,提出了一种虑及结构阻尼与运动阻尼的中心平面摆动轨迹拟合方法,最终计算出构件的摆动周期以获得其转动惯量值。最后,本文对所提出的转动惯量测量方法进行了验证实验。2基于双目视觉的转动惯量测量系统的构成及其工作原理2.1转动惯量测量方法本文采用双目视觉测量方法测量复摆运动的摆动周期计算超音速飞行器投放

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