空间在轨物品质心测量装置及方法与流程

本发明涉及空间在轨物品质心测量装置及方法，尤其是在运行于空间轨道上的航天器内、处于微重力环境中的物品的质心测量方法。

背景技术：

按照所依据原理分类，现有的质心测量方法主要有悬挂法、平行轨滚动法，天平法、三点法、四点法，扭振转台测转动惯量法，以及通过一定的简化和计算获得物体质心位置的理论分析法等。除理论分析法外，现有的物品质心测量方法均基于地面重力场设计实施，大多通过测量物品的重心获得物品的质心；理论分析法对被测物体条件限制较严苛，不具广泛适用性。而运行于空间轨道上的空间站等航天器处于微重力环境，无测量可利用的重力场，现有的物品质心测量方法无法在这样的环境内有效发挥作用。目前我国已有微重力环境下的空间物品质量测量装置，并已在空间实验室配置应用，但没有微重力环境下的空间物品质心测量装置，随着我国航天事业的发展，这类装置的缺失，已经不能满足空间技术、空间科学试验、空间制造等领域日益增长的需求。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，弥补现有技术的空缺，利用被测物品的固有质量分布实现质心测量，提供了一种能够适用于空间微重力环境的物品质心测量装置及方法。

本发明的技术方案是：

空间在轨物品质心测量装置，包括：定轴转臂、扭转弹簧、测速仪、始端限位板、末端限位板；

所述定轴转臂与所述待测物品固定连接，同时，所述定轴转臂与所述扭转弹簧的任意一个末端固定连接；所述测速仪用于测量所述定轴转臂的转速。

所述始端限位板与所述末端限位板之间的夹角一定，用于限制所述定轴转臂绕扭转弹簧簧体中轴的转动角度。

还包括装载箱；所述待测物品与所述装载箱固定连接，所述装载箱与所述定轴转臂固定连接，且所述定轴转臂的末端伸出所述装载箱。

利用上述的空间在轨物品质心测量装置测量物品质心的方法，包括步骤如下：

1)以所述扭转弹簧的簧体中轴作为转动轴，拨动所述定轴转臂绕所述转动轴转动一定角度，然后释放定轴转臂，使定轴转臂在扭转弹簧的驱动下绕所述转动轴转动；

2)使用所述测速仪测量所述定轴转臂的转速；

3)根据步骤2)测量得到的所述定轴转臂的转速，确定所述待测物品质心至所述转动轴的距离；

4)以所述转动轴为轴线，以所述步骤3)确定的所述待测物品质心至所述转动轴的距离为半径，确定圆柱面，获得所述圆柱面与所述待测物品相贯而成的弧面；

5)改变所述待测物品与所述定轴转臂之间的相对方位，重复步骤1)～4)，直至获得相交于一点的3个弧面；

6)根据步骤5)所述获得的相交于一点的3个弧面对应的所述待测物品质心至所述转动轴的距离，确定所述待测物品的质心位置，完成质心测量工作。

利用上述的空间在轨物品质心测量装置测量物品质心的方法，包括步骤如下：

1)初始时刻，所述定轴转臂贴靠在末端限位板上；

2)以所述扭转弹簧的簧体中轴为转动轴，拨动所述定轴转臂绕所述转动轴转动一定角度，使所述定轴转臂贴靠在所述始端限位板上；

3)释放定轴转臂，使定轴转臂在扭转弹簧的驱动下绕所述转动轴转动，直至所述定轴转臂再次贴靠在末端限位板上；

4)使用所述测速仪测量所述定轴转臂的转速；

5)根据步骤4)测量得到的所述定轴转臂的转速，确定所述待测物品质心至所述转动轴的距离；

6)以所述转动轴为轴线，以所述步骤5)确定的所述待测物品质心至所述转动轴的距离为半径，确定圆柱面，获得所述圆柱面与所述待测物品相贯而成的弧面；

7)改变所述待测物品与所述定轴转臂之间的相对方位，重复步骤1)～6)，直至获得相交于一点的3个弧面；

8)根据步骤7)所述获得的相交于一点的3个弧面对应的所述待测物品质心至所述转动轴的距离，确定所述待测物品的质心位置，完成质心测量工作。

所述确定所述待测物品质心至所述转动轴的距离r的方法，具体为：

其中，m0为所述定轴转臂的质量，m为所述待测物品的质量，t'为所述扭转弹簧的扭转刚度，r0为所述定轴转臂质心到所述转动轴的距离，θ为所述定轴转臂绕所述转动轴转动的一定角度，n为所述定轴转臂的转速。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明避免了现有质心测量环境对重力场的依赖，利用被测物品的固有质量分布实现质心测量，实现了在轨道空间微重力环境下对物品质心的测量。

2)本发明使用物品装载箱固定装载被测物品，能够保证在空间微重力环境下对被测物品的有效固定。

3)本发明利用被测物品的固有质量分布实现质心测量，在重力环境中将装置转轴垂直于水平面放置即可使用，具备在重力环境、微重力和无重力环境中使用的通用性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明装置示意图；

图3为本发明实施例待测物品示意图；

图4为本发明方法测量过程示意图。

具体实施方式

本发明空间在轨物品质心测量装置，如图2所示，包括：定轴转臂1、扭转弹簧2、测速仪3；所述定轴转臂1与所述待测物品固定连接，同时，所述定轴转臂1与所述扭转弹簧2的任意一个末端固定连接；所述测速仪3用于测量所述定轴转臂1的转速。扭转弹簧2对定轴转臂1的转动提供限制力矩。

利用上述装置测量物品质心的方法，包括步骤如下：

1)以所述扭转弹簧2的簧体中轴作为转动轴，拨动所述定轴转臂1绕所述转动轴转动一定角度，然后释放定轴转臂1，使定轴转臂1在扭转弹簧2的驱动下绕所述转动轴转动；

2)使用所述测速仪3测量所述定轴转臂1的转速；

3)根据步骤2)测量得到的所述定轴转臂1的转速，确定所述待测物品质心至所述转动轴的距离；

4)以所述转动轴为轴线，以所述步骤3)确定的所述待测物品质心至所述转动轴的距离为半径，确定圆柱面，获得所述圆柱面与所述待测物品相贯而成的弧面；

5)改变所述待测物品与所述定轴转臂1之间的相对方位，重复步骤1)～4)，直至获得相交于一点的3个弧面；

6)根据步骤5)所述获得的相交于一点的3个弧面对应的所述待测物品质心至所述转动轴的距离，确定所述待测物品的质心位置，完成质心测量工作。

优选的，本发明装置还包括始端限位板4、末端限位板5、装载箱6；

所述始端限位板4与所述末端限位板5相交的直线与所述扭转弹簧2的簧体中轴共线；所述始端限位板4与所述末端限位板5之间的夹角一定，用于限制所述定轴转臂1绕扭转弹簧2簧体中轴的转动角度。定轴转臂1的转轴、始端限位板4、末端限位板5和测速仪3之间的位置是相对固定的，自然状态下在扭转弹簧2力矩的作用下定轴转臂1处于受末端限位板5限位状态。装载箱6和定轴转臂1偏离末端限位板5的限位位置时，会在扭转弹簧2恢复力矩的作用下向末端限位板5方向加速转动，直至定轴转臂1复位至末端限位板5限位位置。定轴转臂1复位运动过程中转过一定的角度θ，测速仪3可测量获取定轴转臂1运动端在通过时刻的运动速度v。

所述待测物品与所述装载箱6固定连接，所述装载箱6与所述定轴转臂1固定连接，且所述定轴转臂1的末端伸出所述装载箱6。

利用上述装置测量物品质心的方法，如图1所示，包括步骤如下：

1)初始时刻，所述定轴转臂1贴靠在末端限位板5上；

2)以所述扭转弹簧2的簧体中轴为转动轴，拨动所述定轴转臂1绕所述转动轴转动一定角度，使所述定轴转臂1贴靠在所述始端限位板4上；

3)释放定轴转臂1，使定轴转臂1在扭转弹簧2的驱动下绕所述转动轴转动，直至所述定轴转臂1再次贴靠在末端限位板5上；

4)使用所述测速仪3测量所述定轴转臂1的转速；

5)根据步骤4)测量得到的所述定轴转臂1的转速，确定所述待测物品质心至所述转动轴的距离；

6)以所述转动轴为轴线，以所述步骤5)确定的所述待测物品质心至所述转动轴的距离为半径，确定圆柱面，获得所述圆柱面与所述待测物品相贯而成的弧面；

7)改变所述待测物品与所述定轴转臂1之间的相对方位，重复步骤1)～6)，直至获得相交于一点的3个弧面；

8)根据步骤7)所述获得的相交于一点的3个弧面对应的所述待测物品质心至所述转动轴的距离，确定所述待测物品的质心位置，完成质心测量工作。

通过多元系统质心位置关系、定轴转动系统运动方程、定轴转动刚体动力学方程、扭转弹簧恢复力矩公式、系统转动惯量公式即可确定所述待测物品质心至所述转动轴的距离r，具体为：

其中，m0为所述定轴转臂1的质量，m为所述待测物品的质量，t'为所述扭转弹簧2的扭转刚度，r0为所述定轴转臂1质心到所述转动轴的距离，θ为所述定轴转臂1绕所述转动轴转动的一定角度，n为所述定轴转臂1的转速。上述各参数中m0、θ、t'、l、r0是空间在轨物品质心测量装置的固有参数，v是利用空间在轨物品质心测量方法测量获取的参数。适当调整物品在装载箱内的固定装载方位进行多次测量，即可获取被测物品的三维质心坐标。

实施例1：

空间在轨物品质心测量装置的固有参数，具体为：定轴转臂1在始端限位板4和末端限位板5之间的转动角度为θ＝0.5rad，扭转弹簧2的扭转刚度t’＝1.6nm，定轴转臂1长度l＝0.4m，装载箱6和定轴转臂1的质量之和m0＝1kg，装载箱6空箱和定轴转臂1系统的质心到定轴转臂1的转轴的距离r0＝0.18m。

某长方体待测质心物品abcda’b’c’d’如图3所示，其质量m＝2kg，ab边长0.35m。

测量该物品质心时，先将物品的aa’边贴装载箱6内的固定转轴线固定于装载箱6内，拨动定轴转臂1至贴靠始端限位板4限位位置，如图4所示，之后释放定轴转臂1，装载箱6和定轴转臂1会向末端限位板5方向加速转动，直至定轴转臂1复位至末端限位板5限位位置。定轴转臂1复位运动过程中转过角度θ后通过测速仪3，测速仪3测量获取定轴转臂1运动端在通过时刻的运动速度v＝0.6m/s。通过前述一维质心坐标函数可算得r＝0.275m，即该物品质心距aa’边的距离r1＝0.275m。

再将物品的bb’边贴装载箱6内的固定转轴线固定于装载箱6内，重复测量过程，测速仪3测量获取定轴转臂1运动端在通过时刻的运动速度v＝0.8m/s。确定所述待测物品质心至所述转动轴的距离为r＝0.184m，即该物品质心距bb’边的距离r2＝0.184m。

最后将物品的ab边贴装载箱6内的固定转轴线固定于装载箱6内，如前操作，测速仪3测量获取定轴转臂1运动端在通过时刻的运动速度v＝0.7m/s。确定该物品质心距ab边的距离r3＝0.223m。

则在图中以a为原点，ab为x轴，ad为y轴，aa’为z轴的坐标系中，物品质心坐标(x,y,z)满足方程：

其中，a＝0.35。

带入数据解得该物品的三维质心坐标(x，y，z)具体为：(0.235，0.143，0.171)。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。