一种自适应航天器碎片碰撞的定位方法与流程

文档序号：19688428发布日期：2020-01-14 18:31阅读：238来源：国知局

本发明属于航空航天技术领域，涉及一种自适应航天器碎片碰撞的定位方法。

背景技术：

随着各国航天事业的发展，空间碎片数量日益增多，在轨航天器的安全运行受到严重威胁。虽然在载人航天器密封舱外表面设有蜂窝板进行防护，但高速空间碎片会穿过防护层撞击密封舱外表面。为了保证航天器的气压平衡及运行安全，在碎片碰撞发生的第一时刻对其感知并定位尤为重要。

碰撞信号在板中以兰姆波的形式存在，目前对于平板结构中兰姆波的传播规律及碰撞定位技术研究已相对成熟。为保证航天器，尤其是大型载人航天器具有足够的机械强度又不使质量过大，在航天器密封舱外表面通常设有周期性加强筋。兰姆波在经过加强筋或缺陷等结构时时会发生衰减、透射、反射、散射及模态转换等现象，增加了碰撞源定位的难度，应用于平板中的碰撞源定位传统方法难以直接应用于加筋板中。

对于板状结构中的碰撞源定位，基于pvdf薄膜法，光纤光栅法以及声发射法等方法的研究已相对成熟。然而，基于pvdf薄膜和光纤光栅方法的系统通常比较复杂，在航天领域应用时，要求使用尽可能少的传感器进行精确碰撞定位，同时，尽可能降低系统体积、质量、成本及能量消耗，减少不必要的布线。

声发射具有实时、在线、技术成熟、资源占用率低、系统相对简单和环境适应性强等特点，是一种十分有效的碰撞感知与定位方法。基于阈值的定位算法具有原理简单，易于实现和定位速度快等优点，同时采用三角形法只需少量传感器，可以进一步减少资源占用，但也存在一些问题，例如：信号到达时差和兰姆波波速对定位的结果会产生较大影响，并且，传统阈值法定位误差大并且不稳定。根据前人研究，对于高加强筋加筋板，兰姆波信号非常复杂，不同传感器接收信号相差极大，进一步增加了定位难度，尤其是处于三角形法顶点附近的碰撞点定位。

为了解决以上问题，本发明提出了一种自适应能量补偿阈值滤波法，可以实现对航天器高加筋板状结构的撞击源进行精确快速的大范围定位。

通过对公开专利文献的检索，并未发现与本专利申请相同的公开专利文献。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于自适应能量补偿阈值滤波的方法，对不同位置的碰撞点，根据信号的能量特征确定阈值，从而实现自适应定位，避免由于阈值选取过大或过小而产生定位误差。本方法能够及早发现并确定碰撞的位置，避免因未及时发现碰撞的存在而引发的安全事故。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种自适应航天器碎片碰撞的定位方法，其特征在于：所述方法的步骤为：

1)搭建加筋板碰撞检测实验系统：该系统包括发射器、加筋板、弹丸、传感器、放大器、声发射仪及计算机，所述加筋板上粘结设置有呈三角分布的传感器，所述传感器均通过放大器连接至所述声发射仪，所述声发射仪连接至所述计算机；所述发射器发射弹丸，弹丸撞击加筋板产生碰撞信号；

2)在呈三角分布的传感器构成的三角形区域内以一定间隔选取碰撞点进行碰撞定位实验；

3)采用自适应能量补偿阈值滤波法进行碰撞定位；

4)对定位算法进行评定。

而且，所述步骤1)中的加筋板为载人航天器密封舱壁结构，板厚为3mm，加强筋筋宽为4mm，高度为22mm，加筋板为圆弧形状，采用极坐标系进行坐标记录。

而且，所述步骤2)中呈三角分布的传感器的坐标分别为(450，29)、(100，19)及(450，9)，在呈三角分布的传感器构成的三角形区域内等间隔选取d1-d32共32个碰撞点，依次在碰撞点进行撞击实验，采用传感器接收碰撞信号，声发射仪进行存储数据，计算机进行分析。

而且，所述步骤3)中自适应能量补偿阈值滤波法的步骤如下：

i)假设实验使用传感器数量为n，碰撞信号为s0，则第i号传感器接收信号s(i)表达式为：

s(i)＝gr(i)gs(i)s0

其中：

gr(i)表示碰撞信号到第i号传感器过程中传播路径对信号作用的传递函数；gs(i)为第i号传感器对信号作用的传递函数；

ii)选取适当频段：采用iir数字滤波器对传感器接收到的信号进行带通滤波，确保信号为同一频段下的兰姆波并去除干扰，滤波后的信号表达式为：

sf(i)＝s(i)gf

其中：gf为滤波器的传递函数；

iii)基于噪声确定门限基准：在滤波后信号的噪声段，每隔1ms取0.33ms时长的噪声信号，共取10段；对每段噪声信号的包络极值点取绝对值后降序排列，去除序列头部部分点，防止突发型电磁干扰，将序列1/7-3/7段点的幅值平均值为该段噪声的门限基准，计算10段门限基准的平均值作为该通道的门限基准：

其中：

为第i号通道的门限基准；

tp(j)为第j段噪声的门限基准；

nj为第j段噪声信号包络极值点绝对值的降序排列；

m为nj序列的点数；

k为用于计算门限基准的点的序号；

iv)确定门限放大倍数：将信号幅值绝对值降序排列中的11-20点的平均值作为能量基准，则可得到各通道能量基准的比例关系，将能量基准最小的通道的门限放大倍数设置为25，其余通道的门限放大倍数依据能量基准比例关系进行计算：

其中：

t(i)为第i通道的门限；

k(i)为第i通道的门限放大倍数；

e(i)为第i通道的能量基准；

sf·i为第i通道滤波后的信号绝对值的降序排列；

l为用于计算能量基准的点的序号。

v)确定信号到达时刻：将门限基准与门限放大系数的乘积作为门限，当从某时刻起，连续300点电压绝对值均值大于门限，则认为此时为第i号传感器信号到达时刻t(i)；

在获取到信号到达时刻后，在极坐标系下，利用双曲线法进行快速定位：传感器坐标分别为(ρ1,θ1)，(ρ2,θ2)，(ρ3,θ3)，li为第i个传感器到碰撞源(ρx,θx)的距离，根据几何关系可知：

则碰撞源到第一、二信号激励传感器的距离差δl1,2为：

δl1,2＝l1-l2＝c·(t1-t2)

其中：

t1、t2分别为采用能量补偿阈值法获取的1和2通道信号到达时刻；

c为s0模态兰姆波群速度；

联立方程可知：

该方程为关于ρx，θx的极坐标下双曲线隐函数方程，由t1，t2的大小，可以确定双曲线的分支，每两只传感器可绘制一条双曲线，由于误差的存在，三条双曲线交于三点，以三点构成的三角形重心作为碰撞定位点。

而且，所述步骤4)中，冲击实验依次在每个冲击点中进行，并且通过aectf方法进行定位，将撞击点的坐标记录为实际坐标，并将通过自适应能量补偿阈值滤波法计算的坐标记录为计算坐标。将实际坐标与计算坐标之间的直线距离作为绝对误差，将绝对误差与传感器形成的三角形的最大边长的比值作为相对误差。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明搭建了航天器碎片碰撞模拟系统，提出了一种自适应能量补偿阈值滤波法对碰撞源进行定位，各通道放大倍数不固定，根据能量进行缩放补偿，具有较强的自适应性。

2、本发明能够保证各通道用于定位的信号为同一频段下s0模态兰姆波。

3、本发明基于多段噪声计算的门限基准具有一般性，可真实反映多种影响因素综合作用下的传感器响应，门限基准不易受噪声起始时刻选择的影响，具有稳定性。

4、本发明对过门限信号进行条件识别，可排除突发干扰的影响。

5、本发明涉及科学合理，对不同位置的碰撞点，根据信号的能量特征确定阈值，从而实现自适应定位，避免由于阈值选取过大或过小而产生定位误差。本方法能够及早发现并确定碰撞的位置，避免因未及时发现碰撞的存在而引发的安全事故。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明加筋板碰撞检测实验系统的结构示意图；

图3为本发明碰撞点分布示意图；

图4为本发明的极坐标定位原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种自适应航天器碎片碰撞的定位方法，其创新之处在于：该方法的步骤为：

2)在呈三角分布的传感器构成的三角形区域内以一定间隔选取碰撞点进行碰撞定位实验；

3)采用自适应能量补偿阈值滤波法进行碰撞定位；

4)对定位算法进行评定。

步骤1)中的加筋板为载人航天器密封舱壁结构，板厚为3mm，加强筋筋宽为4mm，高度为22mm，加筋板为圆弧形状，采用极坐标系进行坐标记录。

步骤2)中呈三角分布的传感器的坐标分别为(450，29)、(100，19)及(450，9)，在呈三角分布的传感器构成的三角形区域内等间隔选取d1-d32共32个碰撞点，依次在碰撞点进行撞击实验，采用传感器接收碰撞信号，声发射仪进行存储数据，计算机进行分析。

步骤3)中自适应能量补偿阈值滤波法的步骤如下：

i)假设实验使用传感器数量为n，碰撞信号为s0，则第i号传感器接收信号s(i)