用于导弹弹头转动惯量和惯性积测量的多姿态最优估计方法技术

用于导弹弹头转动惯量和惯性积测量的多姿态最优估计方法，本发明专利技术涉及导弹弹头多姿态最优估计方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有导弹弹头转动惯量和惯性积的测量精度低的问题。具体过程为：步骤一、建立产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J；步骤二、基于待测产品18个测量姿态建立系数矩阵A；步骤三、基于第i个位姿待测产品与工装组合的转动惯量值和工装相对于扭摆轴的转动惯量值，计算第i个位姿待测产品的转动惯量值；具体为：步骤四、基于产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J、系数矩阵A和转动惯量值，计算产品转动惯量、惯性积参数的最优测量值。本发明专利技术用于导弹弹头多姿态估计领域。

Optimal Multi-Attitude estimation method for measurement of missile warhead moment of inertia and product of inertia

The invention relates to a Multi-Attitude optimal estimation method for measuring the rotational inertia and inertia product of a missile warhead, and relates to a Multi-Attitude optimal estimation method for a missile warhead. The object of the present invention is to solve the problem of low measurement accuracy of the rotational inertia and inertia product of the existing missile warhead. The specific process is as follows: step 1, establish the product inertia and inertia product parameter matrix J; step 2, establish coefficient A based on 18 measurement postures of the product to be measured; step 3, calculate the inertia of the product to be measured based on the combination of product and tooling of the first position and attitude and the tool relative to the torsional swing axis; step 2, calculate the inertia of the product to be measured in the second position and attitude; Fourth, based on the product inertia, inertia product parameter matrix J, coefficient matrix A and inertia value, the optimal measurement values of product inertia and inertia product parameters are calculated. The invention is used in the field of Multi-Attitude estimation of missile warheads.

【技术实现步骤摘要】
用于导弹弹头转动惯量和惯性积测量的多姿态最优估计方法
本专利技术涉及导弹弹头多姿态最优估计方法。
技术介绍
扭摆法是一种高精度的转动惯量测量方法，扭摆法测量时将被测产品在高精度的气浮转台上实现无摩擦的扭摆，通过测量扭摆周期计算得到转动惯量。气浮扭摆测量台的扭杆系数需要利用标准件进行预先的标定。利用扭摆法可以计算出产品的转动惯量和惯性积。导弹弹头对转动惯量和惯性积的测量精度要求较高，现有的方法通常联立6个方程组难以满足测量需求，测量精度低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有导弹弹头转动惯量和惯性积的测量精度低的问题，而提出用于导弹弹头转动惯量和惯性积测量的多姿态最优估计方法。用于导弹弹头转动惯量和惯性积测量的多姿态最优估计方法具体过程为：步骤一、建立产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J；步骤二、基于待测产品18个测量姿态建立系数矩阵A；步骤三、基于第i个位姿待测产品与工装组合的转动惯量值和工装相对于扭摆轴的转动惯量值，计算第i个位姿待测产品的转动惯量值；步骤四、基于产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J、系数矩阵A和转动惯量值，计算产品转动惯量、惯性积参数的最优测量值。本专利技术的有益效果为：本专利技术通过18个姿态的测量，即产品坐标系的X、Y、Z轴相对于扭摆轴的夹角，以及第i个位姿待测产品的转动惯量值，利用高斯消元法很容易得到ATA的逆矩阵，实现该超定方程的最小二乘解，得到产品转动惯量、惯性积参数的最优测量值，实现提高测量精度。转动惯量测量不确定度由1kg·m2提高至0.1kg·m2，惯性积提高到0.05kg·m2。附图说明图1为本专利技术设备空载18个测量姿态示意图；图2a为本专利技术产品转动惯量Jx的蒙特卡洛仿真测量结果图；图2b为本专利技术产品转动惯量Jy的蒙特卡洛仿真测量结果图；图2c为本专利技术产品转动惯量Jz的蒙特卡洛仿真测量结果图；图2d为本专利技术产品惯性积Jyz的蒙特卡洛仿真测量结果图；图2e为本专利技术产品惯性积Jxz的蒙特卡洛仿真测量结果图；图2f为本专利技术产品惯性积Jxy的蒙特卡洛仿真测量结果图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式用于导弹弹头转动惯量和惯性积测量的多姿态最优估计方法具体过程为：被测物体放在由轴承支撑的扭摆台上，扭摆台由弹性扭杆与机壳连接。当有外接激励后，被测物体随扭摆台自由摆动，根据摆动曲线可以计算出转动惯量。设扭杆摆动角为θ，产品相对于扭摆轴的转动惯量为J，扭杆刚度系数为K(K的值可以通过测量标定砝码获得，测量没有被测件时扭摆台的扭摆周期，有标准砝码时的扭摆台与砝码总的扭摆周期，得到两个公式相减即可以得到K)，阻尼力矩系数为C，在摆角很小时认为是扭杆刚度系数为常数；假设空气阻尼产生的阻尼力矩与扭摆台的角速度成正比，扭摆运动方程为式中，t为时间；为了计算方便，定义无阻尼自振频率为ωn，定义空气阻尼比为ζ，则式(1)变形为当ζ<1时，扭摆台做欠阻尼运动，求解下式(2)得到θ(t)：式中，θ(t)为扭摆角度随时间的变化量，θ0为初始摆角；由此得到产品相对于扭摆轴的转动惯量的计算公式：式中，Td为有阻尼振动周期(可以实际测出)，Tn为无阻尼振动周期，K的值可以通过测量标定砝码获得，Td可以实际测出；此外，还需要知道阻尼比ζ的值。在测量精确度要求不高的场合，可以忽略阻尼，认为ζ＝0，只需要测量扭摆周期，就可以计算出转动惯量。本专利技术被测对象为回转体，空气阻尼对测量过程的影响极小，忽略阻尼力矩。当测量产品的某一轴转动惯量时，需调整产品位姿使轴线与扭摆轴平行。惯性积采用惯性椭球法，被测产品在某一姿态下相对于扭摆轴的转动惯量J如下方程所示：J-md2＝Jxcos2α+Jycos2β+Jzcos2γ-2Jyzcosβcosγ-2Jxzcosαcosγ-2Jxycosαcosβ式中，J为产品相对于扭摆轴的转动惯量；m为产品质量；d为产品质心到扭摆轴的距离，本项目设计产品质心始终位于扭摆轴上，故该项为0(实际测量时，即使存在较大偏差，其数量级与被测转动惯量相差较大，可忽略不计)；Jx、Jy、Jz分别为产品绕X、Y、Z轴的转动惯量；α、β、γ分别为产品坐标系X、Y、Z轴与扭摆轴的夹角；Jxy为产品相对于轴X，Y的惯性积；Jyz为产品相对于轴Y、Z的惯性积；Jxz为产品相对于轴X、Z的惯性积；为了测量3个转动惯量和3个惯性积，至少对产品进行6个位姿的测量，通过联立6个以上的方程组来解算这6个被测参数。由于测量时需要用辅助工装来对产品进行定位，因此每轮测量得到的转动惯量包括工装转动惯量和被测产品转动惯量两个部分。为消除工装对转动惯量测量的影响，故需进行工装测量，再进行工装与待测件组合测量，两轮测量之差可联立方程组：式中，Ji1为第i个位姿待测产品与工装组合的转动惯量值；Ji0为第i个位姿标准件与工装组合的转动惯量值。本专利技术设计方案采用了18个测量姿态，很显然将得到一个超定方程，可以解出其最小二乘解，作为转动惯量和惯性积的最优估计。步骤一、建立产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J(被测件坐标系下，三个转动惯量和三个惯性积)；步骤二、基于待测产品18个测量姿态建立系数矩阵A；步骤三、基于第i个位姿待测产品与工装组合的转动惯量值和工装相对于扭摆轴的转动惯量值，计算第i个位姿待测产品的转动惯量值；步骤四、基于产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J、系数矩阵A和转动惯量值，计算产品转动惯量、惯性积参数的最优测量值。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中建立产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J(被测件坐标系下，三个转动惯量和三个惯性积)；J表达式为：J＝[Jx,Jy,Jz,Jyz,Jxz,Jxy]T式中，Jx、Jy、Jz分别为待测产品X、Y、Z轴的转动惯量；Jxy为待测产品相对于产品坐标系X，Y轴的惯性积；Jyz为待测产品相对于产品坐标系的Y、Z轴的惯性积；Jxz为待测产品相对于产品坐标系的X、Z轴的惯性积。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤二中基于待测产品18个测量姿态建立系数矩阵A；系数矩阵A为：式中，T表示矩阵转置；αi表示第i个姿态下，待测产品坐标系的X轴相对于扭摆轴的夹角，i＝1,2…18；βi表示第i个姿态下，待测产品坐标系的Y轴相对于扭摆轴的夹角i＝1,2…18；γi表示第i个姿态下，待测产品坐标系的Z轴相对于扭摆轴的夹角，i＝1,2…18。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤三中基于第i个位姿待测产品与工装组合的转动惯量值和工装相对于扭摆轴的转动惯量值，计算第i个位姿待测产品的转动惯量值；具体为：常数项矩阵B为：B＝[b1,b2,…,b18]T其中，bi为第i个位姿待测产品的转动惯量值，bi＝Ji1-Ji0，i＝1,2,...,18；Ji1为第i个位姿待测产品与工装组合的转动惯量值；Ji0为工装相对于扭摆轴的转动惯量值。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述第i个位姿待测产品的转动惯量值bi具体求解表达式为：原始方程组中还需得到各个姿态产品坐标系三个坐标轴相对扭摆轴线的角度。在产本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于导弹弹头转动惯量和惯性积测量的多姿态最优估计方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、建立产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J；步骤二、基于待测产品18个测量姿态建立系数矩阵A；步骤三、基于第i个位姿待测产品与工装组合的转动惯量值和工装相对于扭摆轴的转动惯量值，计算第i个位姿待测产品的转动惯量值；步骤四、基于产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J、系数矩阵A和转动惯量值，计算产品转动惯量、惯性积参数的最优测量值。

【技术特征摘要】
1.用于导弹弹头转动惯量和惯性积测量的多姿态最优估计方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、建立产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J；步骤二、基于待测产品18个测量姿态建立系数矩阵A；步骤三、基于第i个位姿待测产品与工装组合的转动惯量值和工装相对于扭摆轴的转动惯量值，计算第i个位姿待测产品的转动惯量值；步骤四、基于产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J、系数矩阵A和转动惯量值，计算产品转动惯量、惯性积参数的最优测量值。2.根据权利要求1所述用于导弹弹头转动惯量和惯性积测量的多姿态最优估计方法，其特征在于：所述步骤一中建立产品转动惯量、惯性积参数参数矩阵J；J表达式为：J＝[Jx,Jy,Jz,Jyz,Jxz,Jxy]T式中，Jx、Jy、Jz分别为待测产品X、Y、Z轴的转动惯量；Jxy为待测产品相对于产品坐标系X，Y轴的惯性积；Jyz为待测产品相对于产品坐标系的Y、Z轴的惯性积；Jxz为待测产品相对于产品坐标系的X、Z轴的惯性积。3.根据权利要求1或2所述用于导弹弹头转动惯量和惯性积测量的多姿态最优估计方法，其特征在于：所述步骤二中基于待测产品18个测量姿态建立系数矩阵A；系数矩阵A为：式中，T表示矩阵转置；αi表示第i个姿态下，待测产品坐标系的X轴相对于扭摆轴的夹角，i＝1,2…18；β...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓琳，王梅宝，于航，唐文彦，王军，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23