一种悬臂式冲量摆的数据处理方法及装置与流程

本发明涉及太空推进、流场控制及材料处理等领域，特别地，涉及一种机械轴承悬臂式冲量摆的数据处理方法及装置。

背景技术：

太空飞行器的喷气推进、流场的射流调制、材料的束流加工等领域技术开发中，均存在测量某一瞬态过程产生的微小冲量的需求。悬臂式冲量摆是一种通过测量摆杆的摆动角度间接得到微小冲量值的测量装置，如图1所示。其原理为：摆杆转轴水平，重心位于转轴下方，初始时刻摆杆处于自由悬垂且静止状态；某一时刻摆杆下端受到一近乎瞬间作用的水平方向微小冲量，作用线与转轴垂直，使摆杆偏离初始位置一定角度后回摆，绕初始静止位置作往复摆动；若无转轴摩擦和其它阻尼，根据能量守恒，冲量摆达到的最大摆角表征了初始角速度，据此可反算其受到的冲量值。由以上可知，准确获得理想最大摆角是精确测量这一微小冲量的关键。

采用机械轴承时，由于不可避免的转轴摩擦的存在，即使其它非理想因素都被消除，冲量摆也将做往复阻尼摆动，直至停止。其原始摆角-时间曲线类似一条幅值逐渐衰减的正弦曲线，如图2所示。

目前，获取冲量摆原始摆角-时间曲线的方法分为：

方法1、采用高速相机记录摆杆摆动过程的时间序列图像，在后期图像处理中通过与图像中参照物(如标有角度刻度的量角器)比较得到摆角-时间曲线。

方法2、采用某种原理的线位移传感器，测定摆杆上固定点或者固定方向上的线位移-时间曲线，再将之换算为摆角-时间曲线。

方法3、通过固联于冲量摆转轴的角位移传感器(如旋转编码器)直接敏感其转角的实时变化，从而获得摆角-时间曲线。

其中，对方法1而言，由于冲量摆到达最大摆角时刻是未知的，所采用相机的帧速、分辨率越高则捕捉到最大摆角的时刻越精确。对方法2而言，线位移的测量及向角位移换算，使测量系统复杂度较大。

相比之下，方法3简单可靠，可以相对直接地获得摆角-时间信息，应用更加广泛。该方法的关键技术问题是如何根据原始摆角—时间曲线确定冲量摆的理想最大摆角，即消除转轴机械阻尼等干扰因素后的最大摆角。

然而，方法3中仍存在以下技术难题：

1、原始摆角-时间曲线上脉冲干扰量的剔除：在某些实验测量场合，产生脉冲冲量的瞬态过程可能伴随强烈的电磁脉冲干扰因素(例如，采用高压电容放电的脉冲气体激光器对固体材料进行烧蚀而产生脉冲冲量的场合)，这些干扰耦合到角位移传感器的输出中，使摆角-时间曲线在初始阶段产生随机跳变。不剔除干扰量直接进行后续计算会得到错误结果；若每次人工观察并校正则较为繁琐。

2、转轴摩擦与空气阻尼因素的剔除：冲量摆的摆杆由竖直静止位置运动至最大摆角位置时，由于受到来自转轴、空气等摩擦阻尼等影响，实测的摆角最大幅值不代表冲量摆在所受冲量作用下无阻尼的最大摆角，据此计算获得的冲量值将小于真实值。上述阻尼往往是转角位置和速度的非线性函数，剔除方法不当也将引起冲量估测值比实际值偏大或者偏小的误差。

迄今未见对上述两个技术难题的高质量解决方案。

技术实现要素：

本发明提供了一种采用编码器测角的机械轴承悬臂式冲量摆的数据处理方法及装置，以解决现有的冲量摆数据处理方法中未对原始摆角-时间信息中的脉冲干扰加以预处理，也未对冲量摆运动过程中受到的阻尼加以剔除所造成的冲量误差的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种数据处理方法，应用于基于编码器测角的机械轴承悬臂式冲量摆测冲量，包括步骤：

获取原始摆角—时间曲线；

对原始摆角—时间曲线中出现的初始阶段跳变数据进行预处理，获取新的摆角—时间曲线；

对新的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理，获取消除阻尼影响的理想最大摆角值；

根据获取的理想最大摆角值，计算出作用于冲量摆的待测冲量。

进一步地，对原始摆角—时间曲线中出现的初始阶段跳变数据进行预处理，获取新的摆角—时间曲线的步骤包括：

按照原始摆角—时间曲线中随机出现的初始阶段跳变中的跳动方向和摆动方向，对原始摆角—时间曲线进行分类划分，将原始摆角-时间曲线分类划分为初始正向跳变—正向摆动曲线、初始正向跳变—负向摆动曲线、初始负向跳变—负向摆动曲线、初始负向跳变—正向摆动曲线；

对于初始正向跳变—正向摆动曲线或初始正向跳变—负向摆动曲线，保持曲线的原始摆角数值不变；对于初始负向跳变—负向摆动曲线或初始负向跳变—正向摆动曲线，对原始跳变曲线的摆角数值取相反数，将初始负向跳变—负向摆动曲线变换为新的初始正向跳变—正向摆动曲线，将初始负向跳变—正向摆动曲线变换为新的初始正向跳变—负向摆动曲线；

以冲量摆的实际摆动中心为新的零位，对新的初始正向跳变—正向摆动曲线或新的初始正向跳变—负向摆动曲线进行归零操作，获取归零后的摆角—时间曲线；

对归零后的摆角—时间曲线中的摆角数值取绝对值，得到摆角绝对值—时间曲线，并从摆角绝对值—时间曲线中建立摆角峰值与对应时刻的有序数对集。

进一步地，对新的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理，获取消除阻尼影响的理想最大摆角值的步骤包括：

以摆角峰值与对应时刻的有序数对集为数据点集，做出摆角-时间关系的拟合曲线；

根据拟合的曲线，获取消除阻尼影响的理想最大摆角值。

进一步地，以摆角峰值与对应时刻的有序数对集为数据点集，做出摆角-时间关系的拟合曲线的步骤包括：

用指数函数拟合摆角-时间关系。

进一步地，根据获取的理想最大摆角值，计算出作用于冲量摆的待测冲量的步骤包括：

获取冲量摆中所有转动部件的总质量、转动惯量、质心位置和冲量摆的臂长；

根据获取的冲量摆中所有转动部件的总质量、转动惯量、质心位置、冲量摆的臂长和理想最大摆角值，计算出冲量摆的待测冲量。

进一步地，作用于冲量摆的待测冲量为：

其中，L为冲量摆的臂长，m为所有转动部件的总质量，J为转动惯量，l_c为质心到转轴中心的距离，g为地球表面标准重力加速度值，θ₀为理想最大摆角值。

根据本发明的另一方面，还提供一种数据处理装置，应用于基于编码器测角的机械轴承悬臂式冲量摆测冲量，包括：

摆角获取模块，用于获取原始摆角—时间曲线；

跳变处理模块，用于对原始摆角—时间曲线中出现的初始阶段跳变数据进行预处理，获取新的摆角—时间曲线；

阻尼消除模块，用于对新的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理，获取消除阻尼影响的理想最大摆角值；

冲量计算模块，用于根据获取的理想最大摆角值，计算出作用于冲量摆的待测冲量。

进一步地，跳变处理模块包括：

分类单元，用于按照所述摆角-时间曲线分类方法实现对原始摆角—时间曲线的分类操作；

处理单元，用于按照所述摆角变换方法实现对摆角数值的变换；

归零单元，用于按照所述摆角-时间曲线归零方法实现对经过摆角变换后的摆角-时间曲线的归零操作；

取值单元，用于按照所述取值方法实现建立摆角峰值与对应时刻的有序数对集得操作。

进一步地，阻尼消除模块包括：

拟合单元，用于按照所述拟合方法实现根据摆角峰值与对应时刻的有序数对集的摆角-时间关系的曲线拟合；

理想摆角获取单元，用于按照所述取值方法实现对理想最大摆角值的获取操作。

进一步地，计算模块包括：

参数获取单元，用于按照所述参数获取方法实现对冲量摆中所有转动部件的总质量、转动惯量、质心位置和冲量摆臂长的获取操作；

冲量计算单元，用于按照所述冲量计算方法实现对待测冲量的计算操作。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的采用编码器测角的机械轴承悬臂式冲量摆数据处理方法及装置，通过对原始摆角—时间曲线中出现的初始阶段跳变数据进行预处理，克服了电磁脉冲干扰等因素造成的初始跳变，避免了繁琐的人工观察和干预，使数据能够统一、批量地得到自动处理；通过对预处理后的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理获得理想的无阻尼最大摆角，使得冲量测量更加准确。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是冲量摆优选实施例的结构示意图；

图2是无干扰时典型的摆角—时间曲线；

图3是本发明基于冲量摆的数据处理方法第一实施例的流程示意图；

图4是图3中对初始摆角—时间曲线中出现的初始跳变数据进行预处理，获取新的摆角—时间曲线的步骤的细化流程示意图；

图5是本发明中初始正向跳变—正向摆动曲线示意图；

图6是本发明中初始正向跳变—负向摆动曲线示意图；

图7是本发明中初始负向跳变—负向摆动曲线示意图；

图8是本发明中初始负向跳变—正向摆动曲线示意图；

图9是对正向跳变—正向摆动曲线归零后的摆角—时间曲线示意图；

图10是对初始正向跳变—负向摆动曲线归零后的摆角—时间曲线示意图；

图11是摆角绝对值摆角—时间曲线示意图；

图12是对多个摆角峰值进行曲线拟合得到理想最大摆角值示意图；

图13是图3中对新的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理，获取消除阻尼影响的理想最大摆角值的步骤的细化流程示意图；

图14是图3中根据获取的理想最大摆角值，计算出冲量摆的待测冲量的步骤的细化流程示意图；

图15本发明基于冲量摆的数据处理装置的功能框图；

图16是图15中跳变处理模块的功能模块示意图；

图17是图15中阻尼消除模块的功能模块示意图；

图18是图15中冲量计算模块的功能模块示意图。

附图标号说明：

10、摆角获取模块；20、跳变处理模块；30、阻尼消除模块；40、冲量计算模块；21、分类单元；22、处理单元；23、归零单元；24、取值单元；31、拟合单元；32、理想摆角获取单元；41、参数获取单元；42、冲量计算单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图3，本发明的优选实施例提供了一种基于冲量摆的数据处理方法，应用于冲量摆中，包括步骤：

步骤S100、获取初始摆角—时间曲线。

对旋转编码器的输出数据解码后，获得初始摆角—时间曲线。

步骤S200、对初始摆角—时间曲线中出现的初始跳变数据进行预处理，获取新的摆角—时间曲线。

对初始摆角—时间曲线中出现的初始跳变数据进行预处理，获取新的摆角—时间曲线，从而克服电磁干扰等因素造成的初始跳变的问题，使测量数据的处理无须人为干预，自动批量处理。

步骤S300、对新的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理，获取消除阻尼影响的理想最大摆角值。

充分利用对新的摆角—时间曲线所包含的信息，对获取的新的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理，消除空气、机械等带来的阻尼问题，获取无阻尼下的理想最大摆角值。

步骤S400、根据获取的理想最大摆角值，计算出冲量摆的待测冲量。

根据获取的理想最大摆角值，通过对应的公式计算出冲量摆的待测冲量。

本实施例提供的基于冲量摆的数据处理方法，通过对初始摆角—时间曲线中出现的初始跳变数据进行预处理，克服了电磁干扰等因素造成的初始跳变，避免了繁琐的人工观察和干预，使数据能够统一、批量地得到自动处理；对于计算量所需要的理想最大摆角，采用对新的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理，使得冲量测量更加准确。本发明排除干扰因素和阻尼的影响，使计算出来的待测冲量更加准确，且自动化程度高。

如图4所示，图4是图3中步骤S200的细化流程示意图，在本实施中，步骤S200包括：

步骤S210、按照初始摆角—时间曲线中随机出现的初始跳变中的初始跳动方向和初始摆动方向，对初始摆角—时间曲线进行分类划分，将初始跳变曲线分类划分为初始正向跳变—正向摆动曲线、初始正向跳变—负向摆动曲线、初始负向跳变—负向摆动曲线和初始负向跳变—正向摆动曲线。

由于干扰因素的影响，初始摆角—时间曲线中将随机出现初始跳变，按照初始跳动方向和初始摆动方向，如图5至图8所示，将呈现如下四种情况。

步骤S220、若初始跳变曲线为初始正向跳变—正向摆动曲线或初始正向跳变—负向摆动曲线，则保持初始跳变曲线的初始摆角数值不变；若初始跳变曲线为初始负向跳变—负向摆动曲线或初始负向跳变—正向摆动曲线，则对初始跳变曲线的摆角数值取反，将初始负向跳变—负向摆动曲线变换为新的初始正向跳变—正向摆动曲线，将初始负向跳变—正向摆动曲线变换为新的初始正向跳变—负向摆动曲线。

步骤S230、以冲量摆的实际摆动中心为新的零位，对新的初始正向跳变—正向摆动曲线或新的初始正向跳变—负向摆动曲线进行归零操作，获取归零后的摆角—时间曲线。

以冲量摆的实际摆动中心为新的零位，如图9所示，对新的初始正向跳变—正向摆动曲线进行归零操作。如图10所示，对新的初始正向跳变—负向摆动曲线进行归零操作，从而获取归零后的摆角—时间曲线。

步骤S240、对归零后的摆角—时间曲线中的摆角数值取绝对值，得到摆角绝对值—时间曲线，并在摆角绝对值—时间曲线中建立摆角峰值与对应时刻两者之间的关联关系。

对归零位的摆角—时间曲线中的摆角数值取绝对值，如图11所示，得到摆角绝对值—时间曲线，其中摆角的一系列峰值分别记为θ₁、θ₂、θ₃…，对应时刻记为t₁、t₂、t₃…。

本实施例提供的基于冲量摆的数据处理方法，对于获得的初始摆角-时间曲线进行了预处理，克服了电磁干扰等因素造成的初始跳变，避免了繁琐的人工观察和干预，使数据能够统一、批量地得到自动处理。

如图13所示，图13是图3中步骤S300的细化流程示意图，在本实施中，步骤S300包括：

步骤S310、以摆角峰值为数据点，对多个摆角峰值进行曲线拟合。

根据动力学方程，阻尼作用下摆角幅值将以底数为自然常数e的指数函数形式下降。因此，在本实施例中，以摆角峰值θ₁、θ₂、θ₃…和对应时刻t₁、t₂、t₃…为数据点，进行形式的拟合，如图11所示。

步骤S320、根据拟合的曲线，获取消除阻尼影响的理想最大摆角值。

参见图11，根据拟合的曲线，得到参数θ₀和C，其中θ₀即为消除阻尼影响的理想最大摆角值。

本实施例提供的基于冲量摆的数据处理方法，对于计算冲量所需要的理想最大摆角，采用对摆角峰值-时间曲线中多个摆角峰值进行拟合的方法，充分利用了初始摆角-时间曲线所包含的信息，消除了空气、机械等带来的阻尼问题，使得冲量测量更加准确。

如图14所示，图14是图3中步骤S400的细化流程示意图，在本实施中，步骤S400包括：

步骤S410、获取冲量摆中所有转动部件的总质量、转动惯量、质心位置和冲量摆的臂长。

对冲量摆的基本参数进行测量，获取冲量摆中所有转动部件的总质量m、转动惯量J、质心位置l_c和冲量摆的臂长L，其中，冲量摆的臂长L的作用点以转轴中心开始起算。

步骤S420、根据获取的冲量摆中所有转动部件的总质量、转动惯量、质心位置、冲量摆的臂长和理想最大摆角值，计算出冲量摆的待测冲量。

根据以下公式，计算出冲量摆的待测冲量：

其中，L为冲量摆的臂长，m为所有转动部件的总质量，J为转动惯量，l_c为质心位置，g为标准重力加速度，θ₀为理想最大摆角值。

本实施例提供的基于冲量摆的数据处理方法，只需预选获取冲量摆设定的参数数值，即可根据公式即可自动计算出理想最大摆角值，快捷方便且自动化程度高。

如图15所示，本实施例还提供一种基于冲量摆的数据处理装置，应用于冲量摆中，包括：

摆角获取模块10，用于获取初始摆角—时间曲线；跳变处理模块20，用于对初始摆角—时间曲线中出现的初始跳变数据进行预处理，获取新的摆角—时间曲线；阻尼消除模块30，用于对新的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理，获取消除阻尼影响的理想最大摆角值；冲量计算模块40，用于根据获取的理想最大摆角值，计算出冲量摆的待测冲量。

摆角获取模块10通过对旋转编码器的输出数据解码后，获得初始摆角—时间曲线；跳变处理模块20对初始摆角—时间曲线中出现的初始跳变数据进行预处理，获取新的摆角—时间曲线，从而克服电磁干扰等因素造成的初始跳变的问题，使测量数据的处理无须人为干预，自动批量处理。阻尼消除模块30充分利用对新的摆角—时间曲线所包含的信息，对获取的新的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理，消除空气、机械等带来的阻尼问题，获取无阻尼下的理想最大摆角值。冲量计算模块40根据获取的理想最大摆角值，通过对应的公式计算出冲量摆的待测冲量。

本实施例提供的基于冲量摆的数据处理装置，通过对初始摆角—时间曲线中出现的初始跳变数据进行预处理，克服了电磁干扰等因素造成的初始跳变，避免了繁琐的人工观察和干预，使数据能够统一、批量地得到自动处理；对于计算量所需要的理想最大摆角，采用对新的摆角—时间曲线进行阻尼消除处理，使得冲量测量更加准确。本发明排除干扰因素和阻尼的影响，使计算出来的待测冲量更加准确，且自动化程度高。

如图15所示，本实施例提供的基于冲量摆的数据处理装置，跳变处理模块20包括：

分类单元21，用于按照初始摆角—时间曲线中随机出现的初始跳变中的初始跳动方向和初始摆动方向，对初始摆角—时间曲线进行分类划分，将初始跳变曲线分类划分为初始正向跳变—正向摆动曲线、初始正向跳变—负向摆动曲线、初始负向跳变—负向摆动曲线和初始负向跳变—正向摆动曲线；处理单元22，用于若初始跳变曲线为初始正向跳变—正向摆动曲线或初始正向跳变—负向摆动曲线，则保持初始跳变曲线的初始摆角数值不变；若初始跳变曲线为初始负向跳变—负向摆动曲线或初始负向跳变—正向摆动曲线，则对初始跳变曲线的摆角数值取反，将初始负向跳变—负向摆动曲线变换为新的初始正向跳变—正向摆动曲线，将初始负向跳变—正向摆动曲线变换为新的初始正向跳变—负向摆动曲线；归零单元23，用于以冲量摆的实际摆动中心为新的零位，对新的初始正向跳变—正向摆动曲线或新的初始正向跳变—负向摆动曲线进行归零操作，获取归零后的摆角—时间曲线；取值单元24，用于对归零后的摆角—时间曲线中的摆角数值取绝对值，得到摆角绝对值—时间曲线，并在摆角绝对值—时间曲线中建立摆角峰值与对应时刻两者之间的关联关系。

由于干扰因素的影响，初始摆角—时间曲线中将随机出现初始跳变，按照初始跳动方向和初始摆动方向，如图5至图8所示，将呈现如下四种情况，分别为初始正向跳变—正向摆动曲线、初始正向跳变—负向摆动曲线、初始负向跳变—负向摆动曲线和初始负向跳变—正向摆动曲线。处理单元22若识别到初始跳变曲线为初始正向跳变—正向摆动曲线或初始正向跳变—负向摆动曲线，则保持初始跳变曲线的初始摆角数值不变；若识别到初始跳变曲线为初始负向跳变—负向摆动曲线或初始负向跳变—正向摆动曲线，则对初始跳变曲线的摆角数值取反，相应地，将初始负向跳变—负向摆动曲线变换为新的初始正向跳变—正向摆动曲线，将初始负向跳变—正向摆动曲线变换为新的初始正向跳变—负向摆动曲线。归零单元23以冲量摆的实际摆动中心为新的零位，如图9所示，对新的初始正向跳变—正向摆动曲线进行归零操作。如图10所示，对新的初始正向跳变—负向摆动曲线进行归零操作，从而获取归零后的摆角—时间曲线。取值单元24对归零后的摆角—时间曲线中的摆角数值取绝对值，如图11所示，得到摆角绝对值—时间曲线，其中摆角的一系列峰值分别记为θ₁、θ₂、θ₃…，对应时刻记为t₁、t₂、t₃…。

本实施例提供的基于冲量摆的数据处理装置，对于获得的初始摆角-时间曲线进行了预处理，克服了电磁干扰等因素造成的初始跳变，避免了繁琐的人工观察和干预，使数据能够统一、批量地得到自动处理。

如图17所示，本实施例提供的基于冲量摆的数据处理装置，阻尼消除模块30包括：

拟合单元31，用于以摆角峰值为数据点，对多个摆角峰值进行曲线拟合；摆角值获取单元32，用于根据拟合的曲线，获取消除阻尼影响的理想最大摆角值。

根据动力学方程，阻尼作用下摆角幅值将以底数为自然常数e的指数函数形式下降。因此，在本实施例中，拟合单元31以摆角峰值θ₁、θ₂、θ₃…和对应时刻t₁、t₂、t₃…为数据点，进行形式的拟合，如图11所示，理想摆角获取单元32根据拟合的曲线，得到参数θ₀和C，其中θ₀即为消除阻尼影响的理想最大摆角值。

本实施例提供的基于冲量摆的数据处理装置，对于计算冲量所需要的理想最大摆角，采用对摆角峰值-时间曲线中多个摆角峰值进行拟合的方法，充分利用了初始摆角-时间曲线所包含的信息，消除了空气、机械等带来的阻尼问题，使得冲量测量更加准确。

如图18所示，本实施例提供的基于冲量摆的数据处理装置，冲量计算模块40包括：

参数获取单元41，用于获取冲量摆中所有转动部件的总质量、转动惯量、质心位置和冲量摆的臂长；冲量计算单元42，用于根据获取的冲量摆中所有转动部件的总质量、转动惯量、质心位置、冲量摆的臂长和理想最大摆角值，计算出冲量摆的待测冲量。

对冲量摆的参数进行测量，参数获取单元41获取冲量摆中所有转动部件的总质量m、转动惯量J、质心位置l_c和冲量摆的臂长L，其中，冲量摆的臂长L的作用点以转轴中心开始起算。

冲量计算单元42根据以下公式，计算出冲量摆的待测冲量：

其中，L为冲量摆的臂长，m为所有转动部件的总质量，J为转动惯量，l_c为质心位置，g为标准重力加速度，θ₀为理想最大摆角值。

本实施例提供的基于冲量摆的数据处理装置，只需预选获取冲量摆设定的参数数值，即可根据公式即可自动计算出理想最大摆角值，快捷方便且自动化程度高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。