紅外導(dǎo)引頭伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)質(zhì)心偏載測(cè)量方法研究

劉 凱 趙天承 汪 濤 何鎖純

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

紅外導(dǎo)引頭伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)質(zhì)心偏載測(cè)量方法研究

劉 凱 趙天承 汪 濤 何鎖純

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

研究分析了某紅外導(dǎo)引頭伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)偏心力矩產(chǎn)生的物理模型，根據(jù)力學(xué)原理推導(dǎo)出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的等效測(cè)量算法，大大簡(jiǎn)化了以往復(fù)雜測(cè)量計(jì)算過(guò)程，該方法克服了以往測(cè)量方法的不足，可以推廣應(yīng)用。

平臺(tái) 質(zhì)心偏載 等效 算法

1 引 言

紅外導(dǎo)引頭工作環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常處于高強(qiáng)度瞬時(shí)沖擊的狀態(tài)，其伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)上兩側(cè)安裝有具有探測(cè)作用的兩個(gè)裝置，二者質(zhì)量不平衡力矩對(duì)伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)伺服性能的影響更為突出，質(zhì)量不平衡力矩與環(huán)境加速度成正比關(guān)系，在高強(qiáng)度沖擊下對(duì)伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生很大的過(guò)載力矩，進(jìn)而影響伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)的伺服性能，導(dǎo)致伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)控制參數(shù)不匹配。

目前針對(duì)伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)的質(zhì)心測(cè)試方法并不成熟，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的質(zhì)心測(cè)量方法按原理可大致分為以下3類(lèi)[1]：重力效應(yīng)的原理、理論分析的原理以及力矩平衡的原理，詳見(jiàn)表1。

由于伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)量精度高，重力效應(yīng)的方法由于測(cè)量精度不高，不適合使用；基于理論分析的方法因?yàn)槟壳暗臈l件限制，也不適合使用；力矩平衡法最適合伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)質(zhì)心位置測(cè)量。

表1 常見(jiàn)質(zhì)心偏載測(cè)量方法分類(lèi)

對(duì)于同時(shí)兼有動(dòng)載部分和靜載部分的的質(zhì)心偏載測(cè)量，力矩平衡法目前主要采用列力矩平衡方程的方法，引入?yún)?shù)多，計(jì)算復(fù)雜。因此質(zhì)心測(cè)量方法研究具有十分重要的意義。

2力矩平衡等效法測(cè)量方法推導(dǎo)及分析

伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)質(zhì)心偏載測(cè)量過(guò)程中，靜載部分保持靜止，動(dòng)載部分繞著其回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。相應(yīng)的如果動(dòng)載部分的質(zhì)心不在回轉(zhuǎn)軸上，其質(zhì)心會(huì)繞著回轉(zhuǎn)軸作圓周運(yùn)動(dòng)。

如圖1所示，建立測(cè)量原理坐標(biāo)系，使X軸、Y軸平行于大地水平面，Z軸朝天，伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)測(cè)試時(shí)，回轉(zhuǎn)軸與Z軸重合。設(shè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)上不隨回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的靜載部分質(zhì)心為OMxM,yM，隨回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)載部分質(zhì)心為Omxm,ym。

在回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)載部分的質(zhì)心會(huì)在坐標(biāo)系中XOY面內(nèi)繪制一個(gè)以O(shè)m為圓心的圓，設(shè)AxA,yA、BxB,yB、CxC,yC為圓上任意3點(diǎn)。

根據(jù)平行力系合成定理[2]可知，在動(dòng)載部分質(zhì)心AxA,yA(或BxB,yB；CxC,yC)和靜載部分質(zhì)心OMxM,yM之間必然存在一個(gè)點(diǎn)ExE,yE(或FxF,yF；GxG,yG)，滿(mǎn)足如下力矩平衡方程

(1)

式中：M——靜載部分質(zhì)量；m——?jiǎng)虞d部分質(zhì)量；xM,yM——靜載部分質(zhì)心坐標(biāo)；xA,yA——?jiǎng)虞d部分質(zhì)心在A點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)；xE,yE——整體質(zhì)心在E點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)。

或

(2)

式中：xB,yB——?jiǎng)虞d部分質(zhì)心在B點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)；xF,yF——整體質(zhì)心在F點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)。

或

(3)

式中：xC,yC——?jiǎng)虞d部分質(zhì)心在C點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)；xG,yG——整體質(zhì)心在G點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)。

將式(2)-式(1)，則

(4)

整理得

(5)

同理可得

(6)

根據(jù)相似三角形判定原理，可得△ABC∽△EFG，設(shè)OM+mxM+m,yM+m為△EFG圓心 。由力矩力臂相似三角形可知

(7)

綜上，測(cè)量伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)載部分繞回轉(zhuǎn)軸的偏載力矩，等效于在這個(gè)過(guò)程中靜載和動(dòng)載作為整體質(zhì)心的偏載力矩。如圖2所示建立測(cè)量坐標(biāo)系[3]，在測(cè)量坐標(biāo)系內(nèi)布置4個(gè)稱(chēng)重傳感器。

轉(zhuǎn)動(dòng)伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)，分別對(duì)X軸、Y軸建立力矩平衡方程[4]

Fi1+Fi2+Fi3+Fi4=M+m

(8)

式中：Fi1，F(xiàn)i2，F(xiàn)i3，F(xiàn)i4——分別為動(dòng)載部分質(zhì)心在Di(i=1,2,3,4)時(shí)稱(chēng)重傳感器K1,K2,K3,K4的示值，kg。

(9)

式中：Xi，Yi——?jiǎng)虞d部分質(zhì)心在Di(i=1,2,3)時(shí)整體質(zhì)心坐標(biāo)。

(10)

根據(jù)正弦與余弦的正負(fù)極性來(lái)判斷質(zhì)心偏載在回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(以回轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)，坐標(biāo)軸與測(cè)量坐標(biāo)系平行)內(nèi)的位置。具體見(jiàn)表2。

表2 質(zhì)心偏載力矩在回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系位置判定

當(dāng)在回轉(zhuǎn)過(guò)程中取更多點(diǎn)時(shí)，將會(huì)計(jì)算出更可靠準(zhǔn)確的質(zhì)心偏載力矩。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)力學(xué)原理對(duì)伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)的質(zhì)心進(jìn)行受力分析及數(shù)學(xué)解析，分析總結(jié)出簡(jiǎn)潔實(shí)用的測(cè)量方法。提高了測(cè)量速度和可靠性。該方法可以廣泛應(yīng)用于類(lèi)似本伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)的測(cè)量工作，對(duì)于質(zhì)心偏載的測(cè)量及工業(yè)應(yīng)用具有重要的作用。

[1] 王磊，林宇，張若嵐. 輕小型紅外成像穩(wěn)定平臺(tái)質(zhì)心測(cè)量方法探究[J]. 測(cè)量技術(shù)，2013，35(7):434～438.

[2] 王鐸，程靳. 理論力學(xué) [M]. 北京:高等教育出版社，2006.

[3] 盧志輝，孫志揚(yáng)，李祥云，薄悅，張磊樂(lè).高精度質(zhì)心測(cè)量方法研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2009,30(12):1 748～1 752.

[4] 吳斌，王海峰，馬貴賢.大質(zhì)量飛行器質(zhì)心測(cè)量方法[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2007(6):28～30.

ResearchonMeasurementMethodofMassEccentricaboutServo-assistedRevolvingPlatformofInfraredSeeker

LIU Kai ZHAO Tian-cheng WANG Tao HE Suo-chun

(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology,Beijing 100076，China)

The generation for mass eccentric about servo-assisted revolving platform of infrared seeker is researched, and a new concise equivalent measurement algorithm is excogitated by building mechanical model.this measurement greatly simplified the former complex measuring process,and can be applied widely.

Platform Mass eccentric Equivalent Algorithm

2016-08-30，

2017-03-24

劉凱(1987-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：飛行器瞄準(zhǔn)定向技術(shù)。

1000-7202(2017) 04-0040-03

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.09

TN216

A