一种基于润滑原理的IMU冲击测量方法

本发明涉及imu测量，具体涉及一种基于润滑原理的imu冲击测量方法。

背景技术：

1、惯性测量单元(英文:inertial measurement unit，简称imu)是测量物体三轴角速率和加速度的装置，在航空航天、自动驾驶、地质勘探等领域有广泛的应用。

2、常规imu的采样频率在1000～8000hz，加速度量程在±8g内，陀螺仪量程在±245°/s内。

3、在imu冲击测量过程中，可以将imu测得的数据根据内嵌有imu的imu球是否发生碰撞分为碰撞前的数据、碰撞过程中的数据和碰撞后的数据。

4、imu球在碰撞前和碰撞后的惯性参数在采样频率范围内，未超出加速度量程，因此是可信的。

5、但是，imu球碰撞过程中的惯性参数，常常超出加速度量程和采样频率，导致imu球在碰撞时采集的信号数据是不可信的，继而无法准确测得imu球碰撞过程中的加速度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于润滑原理的imu冲击测量方法，以解决现有技术中imu球碰撞过程中的惯性参数，常常超出加速度量程和采样频率，无法准确测得imu球碰撞过程中的加速度的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明具体提供一种基于润滑原理的imu冲击测量方法，包括以下步骤：

3、将imu球完全浸入容器内的液体中，后施加冲击载荷，使得imu球在容器内做冲击碰撞容器壁面的实验；

4、选择imu球在碰撞容器壁面前采集的，并由法向润滑力产生的加速度的实测数据，采用牛顿第二定律将加速度实测数据转化成imu球在碰撞容器壁面前所受的润滑力，该润滑力为可信数据；

5、根据法向润滑力模型推导出imu球的加速度与imu球到壁面的距离/imu球半径之间关系的拟合模型；

6、将可信的润滑力部分在拟合模型中进行插值，修正拟合公式中速度、润滑距离和位移的参数；

7、通过修正后的拟合模型计算碰撞时刻的imu球所受的力；

8、通过牛顿第二定律将imu球在碰撞时刻所受的力转化成碰撞时刻的加速度数据。

9、作为本发明的一种优选方案，所述法向润滑力公式为：

10、

11、

12、

13、

14、filubin为imu球受力由润滑力主导时的润滑力；

15、为球与壁面之间的相对挤压速度；

16、r0、h0为无量纲化的坐标；

17、ε为无量纲化的间隙距离；

18、ez+0为z方向的方向向量；

19、εlub为无量纲化的润滑距离；

20、α为球的半径和壁面的半径(∞)的倒数之和；

21、β为壁面的无量纲化半径(∞)。

22、作为本发明的一种优选方案，所述拟合模型为：

23、

24、

25、c1可根据润滑力公式，由imu球和流体参数直接得到；

26、a、b、c分别是润滑力公式中对速度、润滑距离和位移的修正参数；

27、f 1为实测加速度×imu球质量；

28、v为imu球速度；

29、e为imu球到壁面距离/imu球半径；

30、r1为imu球半径；

31、μ为液体粘度系数。

32、作为本发明的一种优选方案，采用牛顿第二定律转化润滑力和加速度的公式为：

33、f 2为实测加速度；

34、x为润滑力；

35、m为imu球质量；

36、通过修正后的公式f1计算imu球每一时刻加速度对应的润滑力，根据公式f 2对润滑力和加速度进行线性拟合可得到公式f 2中的参数。

37、作为本发明的一种优选方案，拟合润滑力和加速度的过程中，若起点附近有严重偏离拟合曲线的点，要将起点改为偏离点之后的的点。

38、作为本发明的一种优选方案，在所述拟合模型中插值的是[t1,t2]的数据段；t1为imu球为所受的力开始由润滑力主导，润滑力方向的加速度开始并持续为正的时刻；t2为碰撞前的第五个时刻的数据。

39、本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

40、本发明利用润滑过程的非线性(冲击强)和可控性(黏度密度可控)、刚性碰撞极限低的特点；基于润滑力公式和测量数据的结合，根据润滑力模型推导出一个拟合模型，利用参数未确定的拟合模型对碰撞前的润滑力进行内插，得到拟合模型中的参数，再使用参数已确定的拟合模型对碰撞时刻的润滑力进行计算。最后通过牛顿第二定律将润滑力再转化成加速度，实现冲击过程加速度的反演和准确测量，在超过imu球量程和采集频率的条件下，即imu碰撞时，依然可以获得其准确可靠的加速度数据，提高了大量程条件下的测试可靠性，同时使得冲击过程中采样数据光滑，能准确的描述整个冲击过程中惯性参数的变化特征。

技术特征：

1.一种基于润滑原理的imu冲击测量方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种基于润滑原理的imu冲击测量方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的一种基于润滑原理的imu冲击测量方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的一种基于润滑原理的imu冲击测量方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的一种基于润滑原理的imu冲击测量方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的一种基于润滑原理的imu冲击测量方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开了IMU冲击测量技术领域的一种基于润滑原理的IMU冲击测量方法，将IMU球完全浸入容器内的液体中，后施加冲击载荷，使得IMU球在容器内做冲击碰撞容器壁面的实验；选择IMU球在碰撞容器壁面前采集的，并由法向润滑力产生的加速度的实测数据，采用牛顿第二定律将加速度实测数据转化成IMU球在碰撞容器壁面前所受的润滑力，该润滑力为可信数据；根据法向润滑力模型推导出IMU球的加速度与IMU球到壁面的距离/IMU球半径之间关系的拟合模型；将可信的润滑力部分在拟合模型中进行插值，修正拟合公式中速度、润滑距离和位移的参数；通过修正后的拟合模型计算碰撞时刻的IMU球所受的力；通过牛顿第二定律将IMU球在碰撞时刻所受的力转化成碰撞时刻的加速度数据。

技术研发人员：安翼,张丽华,焦佳珺,吴强,陈雪冬
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6