“阈值+滑动时间窗”的发射过载识别方法∗

李会兵 孙国先 张 旭 王晓霞，2

（1.西安机电信息技术研究所 西安 710065）（2.机电动态控制重点实验室 西安 710065）

1 引言

引信电子安全与解除保险装置（ESAD），作为一种新型引信安全系统，安全性好、可靠性高，在国外已经用于多种型号的导弹和火箭系统中［1～2］。在国内，随着ESAD小型化和成本的降低，目前已经从高价值弹药逐步扩展到常规弹药中。ESAD采用“阈值+顺序+时间窗”理论设计安全与解保时序［3～5］，在弹丸发射时，发射过载作为一个重要的特征信号，满足ESAD需要一种环境力可靠解除一道保险的要求［6～7］，因此，对于ESAD发射过载信号的处理、识别至关重要。

在ESAD设计过程中，对于发射过载的识别，文献［8］提出“单阈值+时间窗的方法”，该方法采用加速度传感器识别引信发射过载，判断过载阈值是否满足设定时间窗的要求，但是只有一个发射过载采样点，对于周期性异常过载信号不能有效剔除，不能正确识别反向过载信号；文献［9］和文献［10］提出“双阈值+时间窗的方法”，该方法与文献［8］的方法类似，发射过载的采样点由一个改变为两个，时间窗也由一个提高到两个，同时判断两个过载阈值是否满足两个设定时间窗的要求，但是对于周期性异常过载、反向过载仍然不能有效剔除和正确识别。

2 研究基础

2.1 引信发射过载

图1 火炮发射的加速度曲线

在弹丸运动过程中，引信过载是所受的后坐惯性力造成的，大小与弹丸的加速度相等，方向相反。引信在勤务处理和发射过程中受到的环境载荷是复杂多样的，且这些载荷大多具有明显的随机过程性质，必须用随机过程的有关理论进行分析研究。引信发射过载是引信部位在弹丸发射时所受的过载，不等同于弹丸过载。它不是一个连续的过程，有很强的干扰存在，甚至在有些时候出现反向过载。由于引信发射过载的这种特性，将可能导致某些部件的运动特性与常规连续过载作为引信工作设计依据时有差异［11］。在发射时，弹丸轴向质心过载需要采用一种设计简单、成本较低、易于工程实现的方法进行测试［12］，使用MEMS加速度传感器能够满足使用要求。在发射过程中，身管火炮发射加速度为数百g至数万g，火箭筒低于无后座炮，可达数百甚至上千g，而火箭炮一般只有几十g，导弹一般只有几g，火炮加速度时间只有10ms，而火箭炮一般在1s左右，导弹甚至可达几十秒［13］。火炮发射的加速度曲线如图1所示。

2.2 阈值+时间窗识别方法

单阈值+时间窗的发射过载识别方法:设加速度阈值为a0，那么发射过载曲线上升和下落过程中有两点到达值a0；A1、A2它们对应的时间分别为T和T′，时间窗ΔT=T′-T，只需要判断ΔT是否在预定要求的范围内，就可以得到是否解除保险的信号。具体如图2所示［8］。

图2 单阈值+时间窗示意图

图3 双阈值+时间窗示意图

双阈值+时间窗的发射过载识别方法在原理上与单阈值一样，如图3所示，区别在于设定的阈值数量和时间窗数量增加到2个。阈值分别设为a1，a2，对应的时间窗分别为ΔT1、ΔT2，其中ΔT1=T1′-T1、ΔT2=T2′-T2，每一个环境条件阈值所对应的时间窗应同时满足预定的要求，才认为解除保险的条件得到满足［9～10］。

3 “阈值+滑动时间窗”的发射过载识别方法

“阈值+滑动时间窗”是一种算法，采用软件编程进行实现，即以周期性采样发射过载为基准，每次最新采集的过载值替换时间窗T内最旧采集的过载值，产生滑动时间窗，在滑动时间窗内，最新采集的过载值Δ=|Δ采集-Δ基准|，大于设定的阈值，则过载有效，且过载有效的维持时间大于等于过载有效的设定时间，则识别到发射过载。其中Δ采集为发射后每次采集的过载，Δ基准为发射前采集的过载。

假设过载的采样频率为1/T1，过载基准值为Δ基准，过载实际采集值为Δn采集，滑动窗为T，过载有效时间t=kT（k取值范围为:0.6～1）。则过载值Δn=|Δn采集-Δ基准|，在整个滑动窗T=nT1内，当过载值Δn＞G（设定的过载阈值）的有效点数D=t/T1，则认为识别到过载信号。

滑动时间窗内采集n个点为一个采集周期，保存过载值:Δ1、Δ2、……Δn，Δn新表示第n次新的过载值，Δn旧表示滑动时间窗内上一个周期的第n次的旧过载值。

采集的过载值Δn新＞G时，过载有效点数D=D+1，且若Δn旧＞G时，过载有效点数D=D-1，同时Δn的数据由Δn旧替换为Δn新。如此，以一个采集周期为基准进行循环，当过载有效点数D≥t/T1，则认为识别到过载信号。其工作原理如图4所示。

图4 阈值+滑动时间窗原理图

由图2可知:根据引信发射过载的实际情况，调节系数k，能够提高对发射过载识别过程中异常干扰的容错能力；调节滑动时间窗T，能够剔除周期性的异常过载；调节过载值Δn=|Δn采集-Δ基准|，能够有效识别正向过载和反向过载。

资产规模在一定程度上决定了银行的市场竞争能力、盈利能力和抗风险能力，而银行的盈利能力也是其资产规模扩张的关键。2007年底，银行业总资产只有53万亿元，但到了2011年末，这一数字已快速增长到113万亿元，短短4年翻了一番还多[2]。目前，中国银行的发展主要是依靠规模的扩张，而规模的扩张有利于银行业实现规模经济，降低成本。而且，在我国当前利差相对稳定的情况下，银行收入水平与存贷款规模高度相关，所以，有理由认为，高的规模扩张为银行业高利润提供了有利保障。

4 试验验证

为了验证该方法的可行性，采用软件编程对“阈值+滑动时间窗”的发射过载识别方法进行算法实现，然后将软件灌装入单片机中，通过静态模拟过载和动态离心转台进行测试。

在测试过程中，若单片机测试端口输出高电平信号，则表示识别到发射过载；若单片机测试端口没有输出高电平信号，则表示没有识别到发射过载。静态模拟过载测试框图见图5，动态离心转台测试框图见图6。

图5 静态模拟过载测试框图

图6 动态离心转台测试框图

4.1 静态模拟过载测试

图7 模拟的过载信号

选用AD公司的MEMS加速度传感器AD22035，灵敏度 100mv/g，工作电压 5V，工作范围±18g，作为发射过载的识别器件。当识别到发射过载为0g时，加速度传感器AD22035输出2.5V的基准值；当识别到ESAD的发射过载不为0g时，根据灵敏度，按比例输出相应的电压值。因此，在静态模拟过载测试中，采用任意波形发生器输出不同的电压值模拟发射过程中的正向过载、反向过载和异常过载。

当识别到发射过载为正向6.5g时，模拟过载输出电压值为 3.15V，则过载值Δ＝|Δ采集-Δ基准|＝|3.15V-2.5V|=0.65V；当识别到发射过载为反向6.5g时，模拟过载输出电压值为1.85V，则过载值Δ＝|Δ采集-Δ基准|＝|1.85V-2.5V|=0.65V。

试验选取滑动时间窗T=1s，过载阈值G=0.65V（对应过载为6.5g），发射过载的采样频率为100Hz（T1=10ms），调节系数k=0.8，即过载有效时间t=0.8s。模拟的过载输入信号如图7所示。

模拟单向过载，调节过载维持时间t1，当单片机测试端口输出信号为高电平时，表示识别到发射过载；当单片机测试端口输出信号为低电平时，表示没有识别到发射过载。图6（a）模拟识别到正向过载，图6（b）模拟识别到反向过载，测试结果见表1。

表1 正向过载和反向过载测试结果

说明1）:当t1=0.8s，与判断的有效时间相等，因此为了可靠的测试输出信号，最好给出的过载时间t1=0.8+T1。

由表1的测试过程可以看出，当过载阈值G=6.5g、滑动时间窗T=1s、过载有效维持时间t=0.8s时，周期性输入图6（a）、图6（b）所示的模拟过载信号，当模拟过载维持的时间＜过载有效时间t时，作为异常过载信号输入，可以被有效剔除，不能有效识别到发射过载信号；当模拟过载维持的时间≥过载有效时间t时，作为正向过载或反向过载输入，可以有效识别到发射过载信号。

模拟正向过载、反向过载同时存在，调节过载维持时间t1，当单片机输出信号为高电平时，表示识别到发射过载；当单片机输出信号为低电平时，表示没有识别到发射过载。图6（c）模拟识别到双向过载。测试结果见表2和图8。

表2 正向过载、反向过载同时存在测试结果

说明2）:输入激励信号采用Agilent的任意波形发生器33220A产生，波形的时间精度能够达到ns级，示波器采用泰克的TPS2014B对输入的激励和输出信号进行测试。示波器的通道1表示模拟输入的过载信号，通道2为单片机测试端口输出信号。图8（a）中显示的t1宽度为352ms，为示波器的测试误差，不影响测试结果。第一条曲线表示模拟过载输入信号，第二条曲线表示识别到过载输出信号。图8（b）和图8（c）同理。

图8 双向过载测试图

由表2和图8的测试过程可以看出，当过载阈值G=6.5g、滑动时间窗T=1s、过载有效维持时间t=0.8s时，周期性输入正向过载和反向过载，且过载维持的时间≥过载有效时间t时，作为有效过载输入，可以识别到发射过载信号；过载维持的时间＜过载有效时间t时，作为异常过载输入，能够有效剔除，不能识别到发射过载信号。

4.2 动态离心转台测试

在动态离心转台测试中，将MEMS加速度传感器ADXL22035安装在LJ-6型转臂式离心机上，通过识别离心机产生的实际过载，对“阈值+滑动时间窗”的发射过载识别方法进行验证。

试验选取滑动时间窗T=1s，过载阈值G=0.65V（对应过载值6.5g），发射过载的采样频率为100Hz（T1=10ms），调节系数k=0.8，即过载有效时间t=0.8s。

由于LJ-6型转臂式离心机的过载产生是一个缓变的过程，加速度传感器在离心机上的安装位置对过载有一定的影响，并且其过载维持的有效时间最小为1s。因此，在测试过程中选择过载阈值为5g和7g，有效维持时间t=1s，进行测试。具体测试结果见表3，测试过载曲线见图9。

图9 离心转台过载曲线图

通过LJ-6型转臂式离心机实际测试可以看出，当识别到的过载值Δn＜过载阈值G=6.5g时，离心机连续转动，加速度传感器感受到周期性的正向过载、反向过载，单片机测试端口没有输出高电平信号，周期性异常过载可以有效剔除；当识别到的过载值Δn＞过载阈值G=6.5g时，加速度传感器感受到正向过载、反向过载，可以有效识别，单片机测试端口输出高电平信号。

5 结语

本文提出了“阈值+滑动时间窗”的发射过载识别方法。该方法以周期性采样发射过载为基准，每次最新采集的过载值替换时间窗T内最旧采集的过载值，产生滑动时间窗，在滑动时间窗内，最新采集的过载值Δ=|Δ采集-Δ基准|，大于设定的阈值，则过载有效；且过载有效的维持时间大于等于过载有效的设定时间，则识别到发射过载。调节系数k，能够提高对发射过载识别过程中异常干扰的容错能力；调节滑动时间窗T，能够剔除周期性的异常过载；调节过载值Δn=|Δn采集-Δ基准|，能够有效识别发射过载。验证试验表明:当设定过载阈值为G=6.5g，滑动时间窗为T=1s，有效过载维持时间大于等于0.8s（k=0.8）时，能够有效剔除周期性的异常过载信号，正确识别反向过载。