浮球平臺液浮式球體配重方法技術

本發明專利技術提供了一種浮球平臺液浮式球體配重方法，以實現球體在液體中所受重力與浮力相等，質心與球心重合。首先，根據球體結構進行質量配重，使球體重力接近浮力，然后在球體漂浮情況下利用外掛重物進行質心檢測，計算出球體的質心位置和最大重力矩，最后根據球體質心位置對所配重量進行調整，并計算得出球體各坐標軸上需要調整的質量，使質心盡量靠近球心，使球體最大重力矩小于設定閾值。本發明專利技術提供方法能夠適應不同密度的液體；外部輔助設備只需一塊檢測重物即可實現對球體重心的調整，操作簡單；能夠定量計算出質心位置和最大偏心距，便于球體的動力學建模。

【技術實現步驟摘要】
浮球平臺液浮式球體配重方法
本專利技術涉及質心測量
，具體的涉及一種浮球平臺液浮式球體配重方法。
技術介紹
物體的質量分布決定著物體的運動特性，尤其是物體的姿態運動。物體處于重力場中時，會受到重力的作用，重力可等效地作用在其質心(重心)上。若物體與其他靜止的載體固連，載體與物體的相互作用力將會與物體的重力達到平衡，使物體處于靜止狀態，但是如果物體沒有固連于靜止的載體上，那么物體將會調整姿態，使其所受的力與重力達到力和力矩平衡，例如，漂浮于海面上的船體和沉入海面下的潛艇，它們均受到海水的浮力，需要通過配重使其形心(浮心)與重心處于同一對稱截面上，以保證航行時的姿態穩定。又如，飛機在設計時需要考慮壓心與質心的位置關系，以達到設計的機動性能。浮球平臺的球體作為浮球平臺的穩定臺體，其內部裝有慣性測量設備、控制系統執行機構、泵及液體循環管路系統，由于各部件的裝配位置不對稱及各部件質量不相等，球體組裝完成后球體的質心與球心不重合，導致球體重力對球心產生力矩，使球體自動翻滾到質心位于球心下方的自平衡位置。球體配重包括配質量和配質心。配質量是通過增加配重物對球體的重力進行調整，使球體重力與球體完全浸沒在液體中的浮力相等，球體處于懸浮狀態，以減小懸浮墊靜壓支承負擔。但是，實際操作過程中無法實現球體所受浮力和重力嚴格相等，只能使球體完全浸沒時的浮力與重力的差小于某個誤差范圍內，球體處于漂浮狀態。配質心是通過調整配重的分布，使質心與形心(浮力的作用點)重合，消除重力矩，在不考慮球體變形的情況下，球心即為形心。但是，實際的操作無法使質心與球心無法嚴格重合，只能可通過調整質量分布使質心與球心的偏差小于某個誤差限，從而保證球體的最大重力矩小于力矩器所能提供的控制力矩。由于球體表面沒有專門的可承受自身重量的掛點，而且球體需在液體中工作，因此，需采用液浮配重方式進行球體質量調整。現有的潛航器和船舶均通過配重使重心在形心以下，以保證載體的自穩定性，并未對球體的質心和球心之間的距離進行調整。浮球平臺的球體完全浸沒在液體中，需進行全姿態的穩定控制，因此球體配重需要達到兩個指標：球體完全浸沒時，其重力與浮力相等；球體質心與球心重合，使最大重力矩至少小于球體力矩器產生的控制力矩，以確保力矩器能夠對球體的姿態進行控制。當然，實際操作沒法實現重力與浮力的完全相等以及球體質心與球心的完全重合，但這可作為球體配重的目標，使重力盡量接近浮力，質心盡量靠近球心。現有技術中缺乏球體漂浮狀態下使球體質心盡量靠近球心的配重方法。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種浮球平臺液浮式球體配重方法，該專利技術解決了現有技術中球體漂浮狀態下通過調整配重質量分布減小質心與球心距離的技術問題。本專利技術提供一種浮球平臺液浮式球體配重方法，能夠實現浮球平臺球體在漂浮狀態下的配重，能夠定量計算出質心位置和最大重力矩，便于球體的動力學建模和穩定控制，并且該方法適合于球體在不同密度的液體中的配重。進一步地，計算出球體排開液體的體積Vp，根據所用懸浮液的密度ρl計算出球體懸浮時的質量Md。進一步地，通過質量配重使重力與球體懸浮時浮力的差值小于質量誤差限。進一步地，球體在液體中自然靜止，確定坐標軸朝上的順序，按朝上的坐標軸，從上到下依次編號，同時記錄朝上的掛點是該軸的正向還是負向。進一步地，在選定的掛點掛上檢測重物，待球體靜止后，若掛點仍然朝上，則將掛點反方向的配重質量移到掛點配重腔內，直到掛上重物后球體靜止時掛點朝下。進一步地，球體懸掛檢測重物靜止后，測量掛點與球心的距離為l，通過計算得到質心位置。進一步地，按照計算的質心位置調整各坐標軸的配重物質量，使質心盡量靠近球心。本專利技術的技術效果：本專利技術提供的浮球平臺液浮式球體配重方法，通過在球體表面與球體坐標系各軸的交點處懸掛重物，測量球體在液體中穩定后重物所掛位置到球心的水平距離，從而求解得到球體的質心位置。并根據所得質心位置重新調整配重物分布，重新配重后，質心位置發生相應調整，使得質心與球心之間的偏移量所產生的最大重力矩處于力矩器的控制力矩范圍內。本專利技術提供的浮球平臺液浮式球體配重方法，可實現浮球平臺球體在任何液體中的漂浮狀態下的配重，且漂浮情況下進行配重與球體的實際工作狀態接近，使得配重后質心與球心的重合度較高。還能夠定量計算出質心位置和最大重力矩，便于球體的動力學建模和穩定控制，該方法能夠使球體質量接近球體懸浮時的浮力，使球體接近懸浮狀態，同時可通過調整配重物分布使球體質心靠近球心，減小球體漂浮在液體中的最大重力矩，并且該方法適合于球體在不同密度的液體中的配重。本專利技術提供的浮球平臺液浮式球體配重方法，可計算出球體質心的位置，便于建立球體重力矩模型。該方法操作方便計算簡單，適于實際運用。具體請參考根據本專利技術的浮球平臺液浮式球體配重方法提出的各種實施例的如下描述，將使得本專利技術的上述和其他方面顯而易見。附圖說明圖1是本專利技術提供的浮球平臺液浮式球體配重方法的流程示意圖；圖2是本專利技術優選實施例中所用浮球平臺結構示意圖；圖3是本專利技術優選實施例中所處理球體在液體中自然靜止狀態示意圖(以X軸為例)；圖4是本專利技術優選實施例中所處理懸掛檢測重物后的球體在液體中自然靜止狀態示意圖(以X軸為例)；圖5是圖4中球體進行第一次懸掛檢測重物后得到的該球體的質心距離—質心與軸夾角示意圖；圖6是采用本專利技術提供方法對圖4中所示球體進行配重調整后，所得球體的質心距離—質心與軸夾角示意圖。圖中所用符號說明：X：坐標軸；P：檢測重物的掛點；C：球心；O：質心；R：球體半徑；εM：質心偏心距；θ：質心偏心距與X軸朝下方向的夾角；M：球體質量；g：重力加速度；m：檢測重物質量；l：球體懸掛檢測重物靜止后掛點與球心的水平距離；球體懸掛檢測重物靜止后X軸與水平面的夾角。具體實施方式構成本申請的一部分的附圖用來提供對本專利技術的進一步理解，本專利技術的示意性實施例及其說明用于解釋本專利技術，并不構成對本專利技術的不當限定。本專利技術主要用于處理球體的配重。此類球體表面沒有能夠懸掛自身重量的掛點，主要采用液浮配重方式。針對此類情況，本專利技術提供了浮球平臺液浮式球體配重方法參見圖1，包括以下步驟：步驟S100：計算球體懸浮質量Md和配重物質量ΔM0后，根據所得配重物質量ΔM0對球體進行初始配重，使得初始配重后球體質量與球體懸浮質量的差值小于質量誤差限且球體處于漂浮狀態；步驟S200：采用在球體上懸掛重物法檢測球體質心位置(εMOpt,θXOptE,θYOptE,θZOptE)，根據所得球體質心的位置計算出球體坐標系中的坐標：其中，rcx為增加調整質量前質心在球體坐標系中的X軸坐標，rcy為增加調整質量前質心在球體坐標系中的Y軸坐標，rcz為增加調整質量前質心在球體坐標系中的Z軸坐標根據配重前后球體平衡方程計算得到球體各軸上所需的調整質量：其中，mx為X軸上的調整質量，mY為Y軸上的調整質量，mZ為Z軸上的調整質量，M為球體初始配重后總質量，R為球體半徑，rcx為增加調整質量前質心在球體坐標系中的X軸坐標，rcy為增加調整質量前質心在球體坐標系中的Y軸坐標，rcz為增加調整質量前質心在球體坐標系中的Z軸坐標；步驟S300：在球體各軸上增加調整質量進行調整配重，每次調整配重后均判斷球體所產生的最大重力矩是本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種浮球平臺液浮式球體配重方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S100：計算球體懸浮質量M

【技術特征摘要】
1.一種浮球平臺液浮式球體配重方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S100：計算球體懸浮質量Md和配重物質量ΔM0后，根據所得配重物質量ΔM0對球體進行初始配重，使得初始配重后球體質量與球體懸浮質量的差值小于質量誤差限且球體處于漂浮狀態；步驟S200：采用在球體上懸掛重物法檢測球體質心位置(εMOpt,θXOptE,θYOptE,θZOptE)，根據所得球體質心的位置計算出球體坐標系中的坐標：其中，rcx為增加調整質量前質心在球體坐標系中的X軸坐標，rcy為增加調整質量前質心在球體坐標系中的Y軸坐標，rcz為增加調整質量前質心在球體坐標系中的Z軸坐標，εMOpt為球體的質心偏心距，θXOptimE、θYOptimE和θZOptimE為質心偏心距與該軸的夾角中滿足cos2θX+cos2θY+cos2θZ最接近于1的優選夾角，根據配重前后球體平衡方程計算得到球體各軸上所需的調整質量：其中，mx為X軸上的調整質量，mY為Y軸上的調整質量，mZ為Z軸上的調整質量，M為球體初始配重后總質量，R為球體半徑；步驟S300：在球體各軸上增加調整質量進行調整配重，每次調整配重后均判斷球體所產生的最大重力矩是否滿足公式(3)，如果不滿足則重復步驟S200，MMaxG≤αMMaxC(3)其中，MMaxG＝Mg·εMOptim為最大重力矩，MMaxC為最大控制力矩，如果滿足公式(3)則調整配重結束。2.根據權利要求1所述的浮球平臺液浮式球體配重方法，其特征在于，所述步驟S100包括以下各步驟：步驟S110：計算出球體懸浮于該液體中時的懸浮質量Md：Md＝ρl·Vp(4)其中ρl為懸浮液的密度，Vp為球體排開液體的體積，計算出所需配重物質量ΔM0：ΔM0＝β(Md-M0)(5)其中M0為球體的初始質量，β為球體初始配重的比例系數，通常取0.6≤β≤0.8；步驟S120：所需配重物質量ΔM0按配重腔數等分后裝入各配重腔內，記錄此時球體的質量M1，選取配重物質量為，球體懸浮時的懸浮質量Md與球體配重前質量M0差值(Md...

【專利技術屬性】
技術研發人員：白錫斌，張士峰，蔡洪，楊華波，黃宇，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科學技術大學，
類型：發明
國別省市：湖南,43