“閾值+滑動時間窗”的發射過載識別方法?

李會兵 孫國先 張 旭 王曉霞，2

（1.西安機電信息技術研究所 西安 710065）（2.機電動態控制重點實驗室 西安 710065）

1 引言

引信電子安全與解除保險裝置（ESAD），作為一種新型引信安全系統，安全性好、可靠性高，在國外已經用于多種型號的導彈和火箭系統中［1～2］。在國內，隨著ESAD小型化和成本的降低，目前已經從高價值彈藥逐步擴展到常規彈藥中。ESAD采用“閾值+順序+時間窗”理論設計安全與解保時序［3～5］，在彈丸發射時，發射過載作為一個重要的特征信號，滿足ESAD需要一種環境力可靠解除一道保險的要求［6～7］，因此，對于ESAD發射過載信號的處理、識別至關重要。

在ESAD設計過程中，對于發射過載的識別，文獻［8］提出“單閾值+時間窗的方法”，該方法采用加速度傳感器識別引信發射過載，判斷過載閾值是否滿足設定時間窗的要求，但是只有一個發射過載采樣點，對于周期性異常過載信號不能有效剔除，不能正確識別反向過載信號；文獻［9］和文獻［10］提出“雙閾值+時間窗的方法”，該方法與文獻［8］的方法類似，發射過載的采樣點由一個改變為兩個，時間窗也由一個提高到兩個，同時判斷兩個過載閾值是否滿足兩個設定時間窗的要求，但是對于周期性異常過載、反向過載仍然不能有效剔除和正確識別。

2 研究基礎

2.1 引信發射過載

圖1 火炮發射的加速度曲線

在彈丸運動過程中，引信過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。引信在勤務處理和發射過程中受到的環境載荷是復雜多樣的，且這些載荷大多具有明顯的隨機過程性質，必須用隨機過程的有關理論進行分析研究。引信發射過載是引信部位在彈丸發射時所受的過載，不等同于彈丸過載。它不是一個連續的過程，有很強的干擾存在，甚至在有些時候出現反向過載。由于引信發射過載的這種特性，將可能導致某些部件的運動特性與常規連續過載作為引信工作設計依據時有差異［11］。在發射時，彈丸軸向質心過載需要采用一種設計簡單、成本較低、易于工程實現的方法進行測試［12］，使用MEMS加速度傳感器能夠滿足使用要求。在發射過程中，身管火炮發射加速度為數百g至數萬g，火箭筒低于無后座炮，可達數百甚至上千g，而火箭炮一般只有幾十g，導彈一般只有幾g，火炮加速度時間只有10ms，而火箭炮一般在1s左右，導彈甚至可達幾十秒［13］。火炮發射的加速度曲線如圖1所示。

2.2 閾值+時間窗識別方法

單閾值+時間窗的發射過載識別方法:設加速度閾值為a0，那么發射過載曲線上升和下落過程中有兩點到達值a0；A1、A2它們對應的時間分別為T和T′，時間窗ΔT=T′-T，只需要判斷ΔT是否在預定要求的范圍內，就可以得到是否解除保險的信號。具體如圖2所示［8］。

圖2 單閾值+時間窗示意圖

圖3 雙閾值+時間窗示意圖

雙閾值+時間窗的發射過載識別方法在原理上與單閾值一樣，如圖3所示，區別在于設定的閾值數量和時間窗數量增加到2個。閾值分別設為a1，a2，對應的時間窗分別為ΔT1、ΔT2，其中ΔT1=T1′-T1、ΔT2=T2′-T2，每一個環境條件閾值所對應的時間窗應同時滿足預定的要求，才認為解除保險的條件得到滿足［9～10］。

3 “閾值+滑動時間窗”的發射過載識別方法

“閾值+滑動時間窗”是一種算法，采用軟件編程進行實現，即以周期性采樣發射過載為基準，每次最新采集的過載值替換時間窗T內最舊采集的過載值，產生滑動時間窗，在滑動時間窗內，最新采集的過載值Δ=|Δ采集-Δ基準|，大于設定的閾值，則過載有效，且過載有效的維持時間大于等于過載有效的設定時間，則識別到發射過載。其中Δ采集為發射后每次采集的過載，Δ基準為發射前采集的過載。

假設過載的采樣頻率為1/T1，過載基準值為Δ基準，過載實際采集值為Δn采集，滑動窗為T，過載有效時間t=kT（k取值范圍為:0.6～1）。則過載值Δn=|Δn采集-Δ基準|，在整個滑動窗T=nT1內，當過載值Δn＞G（設定的過載閾值）的有效點數D=t/T1，則認為識別到過載信號。

滑動時間窗內采集n個點為一個采集周期，保存過載值:Δ1、Δ2、……Δn，Δn新表示第n次新的過載值，Δn舊表示滑動時間窗內上一個周期的第n次的舊過載值。

采集的過載值Δn新＞G時，過載有效點數D=D+1，且若Δn舊＞G時，過載有效點數D=D-1，同時Δn的數據由Δn舊替換為Δn新。如此，以一個采集周期為基準進行循環，當過載有效點數D≥t/T1，則認為識別到過載信號。其工作原理如圖4所示。

圖4 閾值+滑動時間窗原理圖

由圖2可知:根據引信發射過載的實際情況，調節系數k，能夠提高對發射過載識別過程中異常干擾的容錯能力；調節滑動時間窗T，能夠剔除周期性的異常過載；調節過載值Δn=|Δn采集-Δ基準|，能夠有效識別正向過載和反向過載。

資產規模在一定程度上決定了銀行的市場競爭能力、盈利能力和抗風險能力，而銀行的盈利能力也是其資產規模擴張的關鍵。2007年底，銀行業總資產只有53萬億元，但到了2011年末，這一數字已快速增長到113萬億元，短短4年翻了一番還多[2]。目前，中國銀行的發展主要是依靠規模的擴張，而規模的擴張有利于銀行業實現規模經濟，降低成本。而且，在我國當前利差相對穩定的情況下，銀行收入水平與存貸款規模高度相關，所以，有理由認為，高的規模擴張為銀行業高利潤提供了有利保障。

4 試驗驗證

為了驗證該方法的可行性，采用軟件編程對“閾值+滑動時間窗”的發射過載識別方法進行算法實現，然后將軟件灌裝入單片機中，通過靜態模擬過載和動態離心轉臺進行測試。

在測試過程中，若單片機測試端口輸出高電平信號，則表示識別到發射過載；若單片機測試端口沒有輸出高電平信號，則表示沒有識別到發射過載。靜態模擬過載測試框圖見圖5，動態離心轉臺測試框圖見圖6。

圖5 靜態模擬過載測試框圖

圖6 動態離心轉臺測試框圖

4.1 靜態模擬過載測試

圖7 模擬的過載信號

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，作為發射過載的識別器件。當識別到發射過載為0g時，加速度傳感器AD22035輸出2.5V的基準值；當識別到ESAD的發射過載不為0g時，根據靈敏度，按比例輸出相應的電壓值。因此，在靜態模擬過載測試中，采用任意波形發生器輸出不同的電壓值模擬發射過程中的正向過載、反向過載和異常過載。

當識別到發射過載為正向6.5g時，模擬過載輸出電壓值為 3.15V，則過載值Δ＝|Δ采集-Δ基準|＝|3.15V-2.5V|=0.65V；當識別到發射過載為反向6.5g時，模擬過載輸出電壓值為1.85V，則過載值Δ＝|Δ采集-Δ基準|＝|1.85V-2.5V|=0.65V。

試驗選取滑動時間窗T=1s，過載閾值G=0.65V（對應過載為6.5g），發射過載的采樣頻率為100Hz（T1=10ms），調節系數k=0.8，即過載有效時間t=0.8s。模擬的過載輸入信號如圖7所示。

模擬單向過載，調節過載維持時間t1，當單片機測試端口輸出信號為高電平時，表示識別到發射過載；當單片機測試端口輸出信號為低電平時，表示沒有識別到發射過載。圖6（a）模擬識別到正向過載，圖6（b）模擬識別到反向過載，測試結果見表1。

表1 正向過載和反向過載測試結果

說明1）:當t1=0.8s，與判斷的有效時間相等，因此為了可靠的測試輸出信號，最好給出的過載時間t1=0.8+T1。

由表1的測試過程可以看出，當過載閾值G=6.5g、滑動時間窗T=1s、過載有效維持時間t=0.8s時，周期性輸入圖6（a）、圖6（b）所示的模擬過載信號，當模擬過載維持的時間＜過載有效時間t時，作為異常過載信號輸入，可以被有效剔除，不能有效識別到發射過載信號；當模擬過載維持的時間≥過載有效時間t時，作為正向過載或反向過載輸入，可以有效識別到發射過載信號。

模擬正向過載、反向過載同時存在，調節過載維持時間t1，當單片機輸出信號為高電平時，表示識別到發射過載；當單片機輸出信號為低電平時，表示沒有識別到發射過載。圖6（c）模擬識別到雙向過載。測試結果見表2和圖8。

表2 正向過載、反向過載同時存在測試結果

說明2）:輸入激勵信號采用Agilent的任意波形發生器33220A產生，波形的時間精度能夠達到ns級，示波器采用泰克的TPS2014B對輸入的激勵和輸出信號進行測試。示波器的通道1表示模擬輸入的過載信號，通道2為單片機測試端口輸出信號。圖8（a）中顯示的t1寬度為352ms，為示波器的測試誤差，不影響測試結果。第一條曲線表示模擬過載輸入信號，第二條曲線表示識別到過載輸出信號。圖8（b）和圖8（c）同理。

圖8 雙向過載測試圖

由表2和圖8的測試過程可以看出，當過載閾值G=6.5g、滑動時間窗T=1s、過載有效維持時間t=0.8s時，周期性輸入正向過載和反向過載，且過載維持的時間≥過載有效時間t時，作為有效過載輸入，可以識別到發射過載信號；過載維持的時間＜過載有效時間t時，作為異常過載輸入，能夠有效剔除，不能識別到發射過載信號。

4.2 動態離心轉臺測試

在動態離心轉臺測試中，將MEMS加速度傳感器ADXL22035安裝在LJ-6型轉臂式離心機上，通過識別離心機產生的實際過載，對“閾值+滑動時間窗”的發射過載識別方法進行驗證。

試驗選取滑動時間窗T=1s，過載閾值G=0.65V（對應過載值6.5g），發射過載的采樣頻率為100Hz（T1=10ms），調節系數k=0.8，即過載有效時間t=0.8s。

由于LJ-6型轉臂式離心機的過載產生是一個緩變的過程，加速度傳感器在離心機上的安裝位置對過載有一定的影響，并且其過載維持的有效時間最小為1s。因此，在測試過程中選擇過載閾值為5g和7g，有效維持時間t=1s，進行測試。具體測試結果見表3，測試過載曲線見圖9。

圖9 離心轉臺過載曲線圖

通過LJ-6型轉臂式離心機實際測試可以看出，當識別到的過載值Δn＜過載閾值G=6.5g時，離心機連續轉動，加速度傳感器感受到周期性的正向過載、反向過載，單片機測試端口沒有輸出高電平信號，周期性異常過載可以有效剔除；當識別到的過載值Δn＞過載閾值G=6.5g時，加速度傳感器感受到正向過載、反向過載，可以有效識別，單片機測試端口輸出高電平信號。

5 結語

本文提出了“閾值+滑動時間窗”的發射過載識別方法。該方法以周期性采樣發射過載為基準，每次最新采集的過載值替換時間窗T內最舊采集的過載值，產生滑動時間窗，在滑動時間窗內，最新采集的過載值Δ=|Δ采集-Δ基準|，大于設定的閾值，則過載有效；且過載有效的維持時間大于等于過載有效的設定時間，則識別到發射過載。調節系數k，能夠提高對發射過載識別過程中異常干擾的容錯能力；調節滑動時間窗T，能夠剔除周期性的異常過載；調節過載值Δn=|Δn采集-Δ基準|，能夠有效識別發射過載。驗證試驗表明:當設定過載閾值為G=6.5g，滑動時間窗為T=1s，有效過載維持時間大于等于0.8s（k=0.8）時，能夠有效剔除周期性的異常過載信號，正確識別反向過載。