“閾值+滑動(dòng)時(shí)間窗”的發(fā)射過(guò)載識(shí)別方法?

李會(huì)兵 孫國(guó)先 張 旭 王曉霞，2

（1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所 西安 710065）（2.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710065）

1 引言

引信電子安全與解除保險(xiǎn)裝置（ESAD），作為一種新型引信安全系統(tǒng)，安全性好、可靠性高，在國(guó)外已經(jīng)用于多種型號(hào)的導(dǎo)彈和火箭系統(tǒng)中［1～2］。在國(guó)內(nèi)，隨著ESAD小型化和成本的降低，目前已經(jīng)從高價(jià)值彈藥逐步擴(kuò)展到常規(guī)彈藥中。ESAD采用“閾值+順序+時(shí)間窗”理論設(shè)計(jì)安全與解保時(shí)序［3～5］，在彈丸發(fā)射時(shí)，發(fā)射過(guò)載作為一個(gè)重要的特征信號(hào)，滿足ESAD需要一種環(huán)境力可靠解除一道保險(xiǎn)的要求［6～7］，因此，對(duì)于ESAD發(fā)射過(guò)載信號(hào)的處理、識(shí)別至關(guān)重要。

在ESAD設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于發(fā)射過(guò)載的識(shí)別，文獻(xiàn)［8］提出“單閾值+時(shí)間窗的方法”，該方法采用加速度傳感器識(shí)別引信發(fā)射過(guò)載，判斷過(guò)載閾值是否滿足設(shè)定時(shí)間窗的要求，但是只有一個(gè)發(fā)射過(guò)載采樣點(diǎn)，對(duì)于周期性異常過(guò)載信號(hào)不能有效剔除，不能正確識(shí)別反向過(guò)載信號(hào)；文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］提出“雙閾值+時(shí)間窗的方法”，該方法與文獻(xiàn)［8］的方法類似，發(fā)射過(guò)載的采樣點(diǎn)由一個(gè)改變?yōu)閮蓚€(gè)，時(shí)間窗也由一個(gè)提高到兩個(gè)，同時(shí)判斷兩個(gè)過(guò)載閾值是否滿足兩個(gè)設(shè)定時(shí)間窗的要求，但是對(duì)于周期性異常過(guò)載、反向過(guò)載仍然不能有效剔除和正確識(shí)別。

2 研究基礎(chǔ)

2.1 引信發(fā)射過(guò)載

圖1 火炮發(fā)射的加速度曲線

在彈丸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，引信過(guò)載是所受的后坐慣性力造成的，大小與彈丸的加速度相等，方向相反。引信在勤務(wù)處理和發(fā)射過(guò)程中受到的環(huán)境載荷是復(fù)雜多樣的，且這些載荷大多具有明顯的隨機(jī)過(guò)程性質(zhì)，必須用隨機(jī)過(guò)程的有關(guān)理論進(jìn)行分析研究。引信發(fā)射過(guò)載是引信部位在彈丸發(fā)射時(shí)所受的過(guò)載，不等同于彈丸過(guò)載。它不是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，有很強(qiáng)的干擾存在，甚至在有些時(shí)候出現(xiàn)反向過(guò)載。由于引信發(fā)射過(guò)載的這種特性，將可能導(dǎo)致某些部件的運(yùn)動(dòng)特性與常規(guī)連續(xù)過(guò)載作為引信工作設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí)有差異［11］。在發(fā)射時(shí)，彈丸軸向質(zhì)心過(guò)載需要采用一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本較低、易于工程實(shí)現(xiàn)的方法進(jìn)行測(cè)試［12］，使用MEMS加速度傳感器能夠滿足使用要求。在發(fā)射過(guò)程中，身管火炮發(fā)射加速度為數(shù)百g至數(shù)萬(wàn)g，火箭筒低于無(wú)后座炮，可達(dá)數(shù)百甚至上千g，而火箭炮一般只有幾十g，導(dǎo)彈一般只有幾g，火炮加速度時(shí)間只有10ms，而火箭炮一般在1s左右，導(dǎo)彈甚至可達(dá)幾十秒［13］。火炮發(fā)射的加速度曲線如圖1所示。

2.2 閾值+時(shí)間窗識(shí)別方法

單閾值+時(shí)間窗的發(fā)射過(guò)載識(shí)別方法:設(shè)加速度閾值為a0，那么發(fā)射過(guò)載曲線上升和下落過(guò)程中有兩點(diǎn)到達(dá)值a0；A1、A2它們對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為T(mén)和T′，時(shí)間窗ΔT=T′-T，只需要判斷ΔT是否在預(yù)定要求的范圍內(nèi)，就可以得到是否解除保險(xiǎn)的信號(hào)。具體如圖2所示［8］。

圖2 單閾值+時(shí)間窗示意圖

圖3 雙閾值+時(shí)間窗示意圖

雙閾值+時(shí)間窗的發(fā)射過(guò)載識(shí)別方法在原理上與單閾值一樣，如圖3所示，區(qū)別在于設(shè)定的閾值數(shù)量和時(shí)間窗數(shù)量增加到2個(gè)。閾值分別設(shè)為a1，a2，對(duì)應(yīng)的時(shí)間窗分別為ΔT1、ΔT2，其中ΔT1=T1′-T1、ΔT2=T2′-T2，每一個(gè)環(huán)境條件閾值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間窗應(yīng)同時(shí)滿足預(yù)定的要求，才認(rèn)為解除保險(xiǎn)的條件得到滿足［9～10］。

3 “閾值+滑動(dòng)時(shí)間窗”的發(fā)射過(guò)載識(shí)別方法

“閾值+滑動(dòng)時(shí)間窗”是一種算法，采用軟件編程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，即以周期性采樣發(fā)射過(guò)載為基準(zhǔn)，每次最新采集的過(guò)載值替換時(shí)間窗T內(nèi)最舊采集的過(guò)載值，產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)間窗，在滑動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)，最新采集的過(guò)載值Δ=|Δ采集-Δ基準(zhǔn)|，大于設(shè)定的閾值，則過(guò)載有效，且過(guò)載有效的維持時(shí)間大于等于過(guò)載有效的設(shè)定時(shí)間，則識(shí)別到發(fā)射過(guò)載。其中Δ采集為發(fā)射后每次采集的過(guò)載，Δ基準(zhǔn)為發(fā)射前采集的過(guò)載。

假設(shè)過(guò)載的采樣頻率為1/T1，過(guò)載基準(zhǔn)值為Δ基準(zhǔn)，過(guò)載實(shí)際采集值為Δn采集，滑動(dòng)窗為T(mén)，過(guò)載有效時(shí)間t=kT（k取值范圍為:0.6～1）。則過(guò)載值Δn=|Δn采集-Δ基準(zhǔn)|，在整個(gè)滑動(dòng)窗T=nT1內(nèi)，當(dāng)過(guò)載值Δn＞G（設(shè)定的過(guò)載閾值）的有效點(diǎn)數(shù)D=t/T1，則認(rèn)為識(shí)別到過(guò)載信號(hào)。

滑動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)采集n個(gè)點(diǎn)為一個(gè)采集周期，保存過(guò)載值:Δ1、Δ2、……Δn，Δn新表示第n次新的過(guò)載值，Δn舊表示滑動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)上一個(gè)周期的第n次的舊過(guò)載值。

采集的過(guò)載值Δn新＞G時(shí)，過(guò)載有效點(diǎn)數(shù)D=D+1，且若Δn舊＞G時(shí)，過(guò)載有效點(diǎn)數(shù)D=D-1，同時(shí)Δn的數(shù)據(jù)由Δn舊替換為Δn新。如此，以一個(gè)采集周期為基準(zhǔn)進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)過(guò)載有效點(diǎn)數(shù)D≥t/T1，則認(rèn)為識(shí)別到過(guò)載信號(hào)。其工作原理如圖4所示。

圖4 閾值+滑動(dòng)時(shí)間窗原理圖

由圖2可知:根據(jù)引信發(fā)射過(guò)載的實(shí)際情況，調(diào)節(jié)系數(shù)k，能夠提高對(duì)發(fā)射過(guò)載識(shí)別過(guò)程中異常干擾的容錯(cuò)能力；調(diào)節(jié)滑動(dòng)時(shí)間窗T，能夠剔除周期性的異常過(guò)載；調(diào)節(jié)過(guò)載值Δn=|Δn采集-Δ基準(zhǔn)|，能夠有效識(shí)別正向過(guò)載和反向過(guò)載。

資產(chǎn)規(guī)模在一定程度上決定了銀行的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力、盈利能力和抗風(fēng)險(xiǎn)能力，而銀行的盈利能力也是其資產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)張的關(guān)鍵。2007年底，銀行業(yè)總資產(chǎn)只有53萬(wàn)億元，但到了2011年末，這一數(shù)字已快速增長(zhǎng)到113萬(wàn)億元，短短4年翻了一番還多[2]。目前，中國(guó)銀行的發(fā)展主要是依靠規(guī)模的擴(kuò)張，而規(guī)模的擴(kuò)張有利于銀行業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，降低成本。而且，在我國(guó)當(dāng)前利差相對(duì)穩(wěn)定的情況下，銀行收入水平與存貸款規(guī)模高度相關(guān)，所以，有理由認(rèn)為，高的規(guī)模擴(kuò)張為銀行業(yè)高利潤(rùn)提供了有利保障。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的可行性，采用軟件編程對(duì)“閾值+滑動(dòng)時(shí)間窗”的發(fā)射過(guò)載識(shí)別方法進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，然后將軟件灌裝入單片機(jī)中，通過(guò)靜態(tài)模擬過(guò)載和動(dòng)態(tài)離心轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。

在測(cè)試過(guò)程中，若單片機(jī)測(cè)試端口輸出高電平信號(hào)，則表示識(shí)別到發(fā)射過(guò)載；若單片機(jī)測(cè)試端口沒(méi)有輸出高電平信號(hào)，則表示沒(méi)有識(shí)別到發(fā)射過(guò)載。靜態(tài)模擬過(guò)載測(cè)試框圖見(jiàn)圖5，動(dòng)態(tài)離心轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試框圖見(jiàn)圖6。

圖5 靜態(tài)模擬過(guò)載測(cè)試框圖

圖6 動(dòng)態(tài)離心轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試框圖

4.1 靜態(tài)模擬過(guò)載測(cè)試

圖7 模擬的過(guò)載信號(hào)

選用AD公司的MEMS加速度傳感器AD22035，靈敏度 100mv/g，工作電壓 5V，工作范圍±18g，作為發(fā)射過(guò)載的識(shí)別器件。當(dāng)識(shí)別到發(fā)射過(guò)載為0g時(shí)，加速度傳感器AD22035輸出2.5V的基準(zhǔn)值；當(dāng)識(shí)別到ESAD的發(fā)射過(guò)載不為0g時(shí)，根據(jù)靈敏度，按比例輸出相應(yīng)的電壓值。因此，在靜態(tài)模擬過(guò)載測(cè)試中，采用任意波形發(fā)生器輸出不同的電壓值模擬發(fā)射過(guò)程中的正向過(guò)載、反向過(guò)載和異常過(guò)載。

當(dāng)識(shí)別到發(fā)射過(guò)載為正向6.5g時(shí)，模擬過(guò)載輸出電壓值為 3.15V，則過(guò)載值Δ＝|Δ采集-Δ基準(zhǔn)|＝|3.15V-2.5V|=0.65V；當(dāng)識(shí)別到發(fā)射過(guò)載為反向6.5g時(shí)，模擬過(guò)載輸出電壓值為1.85V，則過(guò)載值Δ＝|Δ采集-Δ基準(zhǔn)|＝|1.85V-2.5V|=0.65V。

試驗(yàn)選取滑動(dòng)時(shí)間窗T=1s，過(guò)載閾值G=0.65V（對(duì)應(yīng)過(guò)載為6.5g），發(fā)射過(guò)載的采樣頻率為100Hz（T1=10ms），調(diào)節(jié)系數(shù)k=0.8，即過(guò)載有效時(shí)間t=0.8s。模擬的過(guò)載輸入信號(hào)如圖7所示。

模擬單向過(guò)載，調(diào)節(jié)過(guò)載維持時(shí)間t1，當(dāng)單片機(jī)測(cè)試端口輸出信號(hào)為高電平時(shí)，表示識(shí)別到發(fā)射過(guò)載；當(dāng)單片機(jī)測(cè)試端口輸出信號(hào)為低電平時(shí)，表示沒(méi)有識(shí)別到發(fā)射過(guò)載。圖6（a）模擬識(shí)別到正向過(guò)載，圖6（b）模擬識(shí)別到反向過(guò)載，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正向過(guò)載和反向過(guò)載測(cè)試結(jié)果

說(shuō)明1）:當(dāng)t1=0.8s，與判斷的有效時(shí)間相等，因此為了可靠的測(cè)試輸出信號(hào)，最好給出的過(guò)載時(shí)間t1=0.8+T1。

由表1的測(cè)試過(guò)程可以看出，當(dāng)過(guò)載閾值G=6.5g、滑動(dòng)時(shí)間窗T=1s、過(guò)載有效維持時(shí)間t=0.8s時(shí)，周期性輸入圖6（a）、圖6（b）所示的模擬過(guò)載信號(hào)，當(dāng)模擬過(guò)載維持的時(shí)間＜過(guò)載有效時(shí)間t時(shí)，作為異常過(guò)載信號(hào)輸入，可以被有效剔除，不能有效識(shí)別到發(fā)射過(guò)載信號(hào)；當(dāng)模擬過(guò)載維持的時(shí)間≥過(guò)載有效時(shí)間t時(shí)，作為正向過(guò)載或反向過(guò)載輸入，可以有效識(shí)別到發(fā)射過(guò)載信號(hào)。

模擬正向過(guò)載、反向過(guò)載同時(shí)存在，調(diào)節(jié)過(guò)載維持時(shí)間t1，當(dāng)單片機(jī)輸出信號(hào)為高電平時(shí)，表示識(shí)別到發(fā)射過(guò)載；當(dāng)單片機(jī)輸出信號(hào)為低電平時(shí)，表示沒(méi)有識(shí)別到發(fā)射過(guò)載。圖6（c）模擬識(shí)別到雙向過(guò)載。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2和圖8。

表2 正向過(guò)載、反向過(guò)載同時(shí)存在測(cè)試結(jié)果

說(shuō)明2）:輸入激勵(lì)信號(hào)采用Agilent的任意波形發(fā)生器33220A產(chǎn)生，波形的時(shí)間精度能夠達(dá)到ns級(jí)，示波器采用泰克的TPS2014B對(duì)輸入的激勵(lì)和輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。示波器的通道1表示模擬輸入的過(guò)載信號(hào)，通道2為單片機(jī)測(cè)試端口輸出信號(hào)。圖8（a）中顯示的t1寬度為352ms，為示波器的測(cè)試誤差，不影響測(cè)試結(jié)果。第一條曲線表示模擬過(guò)載輸入信號(hào)，第二條曲線表示識(shí)別到過(guò)載輸出信號(hào)。圖8（b）和圖8（c）同理。

圖8 雙向過(guò)載測(cè)試圖

由表2和圖8的測(cè)試過(guò)程可以看出，當(dāng)過(guò)載閾值G=6.5g、滑動(dòng)時(shí)間窗T=1s、過(guò)載有效維持時(shí)間t=0.8s時(shí)，周期性輸入正向過(guò)載和反向過(guò)載，且過(guò)載維持的時(shí)間≥過(guò)載有效時(shí)間t時(shí)，作為有效過(guò)載輸入，可以識(shí)別到發(fā)射過(guò)載信號(hào)；過(guò)載維持的時(shí)間＜過(guò)載有效時(shí)間t時(shí)，作為異常過(guò)載輸入，能夠有效剔除，不能識(shí)別到發(fā)射過(guò)載信號(hào)。

4.2 動(dòng)態(tài)離心轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試

在動(dòng)態(tài)離心轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試中，將MEMS加速度傳感器ADXL22035安裝在LJ-6型轉(zhuǎn)臂式離心機(jī)上，通過(guò)識(shí)別離心機(jī)產(chǎn)生的實(shí)際過(guò)載，對(duì)“閾值+滑動(dòng)時(shí)間窗”的發(fā)射過(guò)載識(shí)別方法進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)選取滑動(dòng)時(shí)間窗T=1s，過(guò)載閾值G=0.65V（對(duì)應(yīng)過(guò)載值6.5g），發(fā)射過(guò)載的采樣頻率為100Hz（T1=10ms），調(diào)節(jié)系數(shù)k=0.8，即過(guò)載有效時(shí)間t=0.8s。

由于LJ-6型轉(zhuǎn)臂式離心機(jī)的過(guò)載產(chǎn)生是一個(gè)緩變的過(guò)程，加速度傳感器在離心機(jī)上的安裝位置對(duì)過(guò)載有一定的影響，并且其過(guò)載維持的有效時(shí)間最小為1s。因此，在測(cè)試過(guò)程中選擇過(guò)載閾值為5g和7g，有效維持時(shí)間t=1s，進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，測(cè)試過(guò)載曲線見(jiàn)圖9。

圖9 離心轉(zhuǎn)臺(tái)過(guò)載曲線圖

通過(guò)LJ-6型轉(zhuǎn)臂式離心機(jī)實(shí)際測(cè)試可以看出，當(dāng)識(shí)別到的過(guò)載值Δn＜過(guò)載閾值G=6.5g時(shí)，離心機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，加速度傳感器感受到周期性的正向過(guò)載、反向過(guò)載，單片機(jī)測(cè)試端口沒(méi)有輸出高電平信號(hào)，周期性異常過(guò)載可以有效剔除；當(dāng)識(shí)別到的過(guò)載值Δn＞過(guò)載閾值G=6.5g時(shí)，加速度傳感器感受到正向過(guò)載、反向過(guò)載，可以有效識(shí)別，單片機(jī)測(cè)試端口輸出高電平信號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了“閾值+滑動(dòng)時(shí)間窗”的發(fā)射過(guò)載識(shí)別方法。該方法以周期性采樣發(fā)射過(guò)載為基準(zhǔn)，每次最新采集的過(guò)載值替換時(shí)間窗T內(nèi)最舊采集的過(guò)載值，產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)間窗，在滑動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)，最新采集的過(guò)載值Δ=|Δ采集-Δ基準(zhǔn)|，大于設(shè)定的閾值，則過(guò)載有效；且過(guò)載有效的維持時(shí)間大于等于過(guò)載有效的設(shè)定時(shí)間，則識(shí)別到發(fā)射過(guò)載。調(diào)節(jié)系數(shù)k，能夠提高對(duì)發(fā)射過(guò)載識(shí)別過(guò)程中異常干擾的容錯(cuò)能力；調(diào)節(jié)滑動(dòng)時(shí)間窗T，能夠剔除周期性的異常過(guò)載；調(diào)節(jié)過(guò)載值Δn=|Δn采集-Δ基準(zhǔn)|，能夠有效識(shí)別發(fā)射過(guò)載。驗(yàn)證試驗(yàn)表明:當(dāng)設(shè)定過(guò)載閾值為G=6.5g，滑動(dòng)時(shí)間窗為T(mén)=1s，有效過(guò)載維持時(shí)間大于等于0.8s（k=0.8）時(shí)，能夠有效剔除周期性的異常過(guò)載信號(hào)，正確識(shí)別反向過(guò)載。