一种基于频域分析的组合式缓冲气囊试验数据分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于频域分析的组合式缓冲气囊试验数据分析方法，应用于航天器组合式着陆缓冲气囊的缓冲性能地面验证试验(即着陆缓冲试验)数据分析及处理。

背景技术

航天器地面着陆缓冲方法主要有可压缩材料缓冲、制动火箭或反推发动机缓冲、机械传动式缓冲(着陆腿式)以及气囊缓冲等。缓冲气囊以其较小的重量和包装体积、良好的折叠性能、低廉的成本、具有一定的抗侧翻能力等技术优势，在航空航天以及空投软着陆领域得到了广泛应用。在各类缓冲气囊中，组合式缓冲气囊除以上特点之外，还具备缓冲结束后对被缓冲体进行拖垫的能力，我国的新一代载人飞船即采用组合式缓冲气囊作为其返回舱无损回收的着陆缓冲装置。

组合式缓冲气囊由内外囊组成，外囊是排气式气囊，主要通过囊内气体受压缩运动排出来吸收返回舱着陆过程中的能量，达到着陆缓冲的目的，内囊为封闭式气囊，用于着陆缓冲过程结束后拖垫舱体以避免其触地。理想状态下组合式缓冲气囊的缓冲过程中只有外囊参与缓冲，在舱体速度降为0m/s时内囊受压，缓冲过程结束，但实际上由于多种因素影响，难以保证内囊受压时舱体恰好降速至0m/s，导致内囊参与到缓冲过程中使得最大过载超过指标，甚至有舱体撞击地面的风险。同时由于内囊在外囊内部，舱体底部也被气囊围绕遮挡，试验中难以直接观察和测量内囊参与缓冲情况和舱体触地情况。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于频域分析的组合式缓冲气囊试验数据分析方法，通过对过载传感器、压力传感器、高速摄像测量数据的结合处理分析，判断内囊参与缓冲导致的过载值增量和舱体是否触地的情况，以此验证组合式缓冲气囊的缓冲性能是否满足要求。

本发明的技术解决方案是：一种基于频域分析的组合式缓冲气囊试验数据分析方法，包括：

通过着陆缓冲试验中过载传感器测量的舱体过载数据和压力传感器测量的组合式气囊压力变化数据确定外囊缓冲作用力的频率范围；通过着陆缓冲试验中摄像测量的舱体运动特性数据确定内囊参与缓冲时间范围以及内囊缓冲作用力的频率范围；通过对舱体过载数据进行频域分析，将不同频率的缓冲作用力分离，并滤波处理得到外囊、内囊各自的过载峰值；

根据外囊、内囊缓冲作用力的频率范围和滤波后的过载峰值判断组合式缓冲气囊的缓冲性能，并通过将过载峰值与外囊、内囊缓冲作用力的频率范围进行比较来判断航天器在缓冲过程中的触地情况。

进一步地，所述确定外囊缓冲作用力的频率范围包括：将过载曲线和压力曲线脉宽作为半周期估算外囊缓冲作用力频率范围。

进一步地，所述确定内囊参与缓冲时间范围以及内囊缓冲作用力的频率范围包括：

根据组合式缓冲气囊在舱体上的安装位置和角度计算外囊底部到内囊底部高度差h

将所述摄像测量的舱体运动特性数据中摄像速度曲线斜率变化点作为起始点，确认此时时间t

根据内囊触地时位移h

根据内囊触地时间t

进一步地，所述判断航天器在缓冲过程中的触地情况包括：

对过载传感器测量得到的过载曲线进行傅里叶变换得到过载频域曲线；

根据外囊缓冲作用力频率范围和内囊缓冲作用力频率范围判断所述过载频域曲线中的峰值；若除内外囊频率峰值之外还存在高频峰值，则判断舱体触地。

进一步地，所述判断航天器在缓冲过程中的触地情况包括：

根据外囊参与缓冲、内囊参与缓冲、以及碰撞地面所处的频率间隔对过载传感器测量得到的过载时域曲线进行低通滤波，得到外囊、内囊、地面分别对于过载峰值的影响；

根据内囊触地时舱体剩余速度、外囊对应过载值、内囊对应过载值、是否存在触地，判断缓冲气囊的缓冲性能是否满足指标要求。

一种基于频域分析的组合式缓冲气囊试验数据分析系统，包括：

测量模块，通过着陆缓冲试验中过载传感器测量的舱体过载数据和压力传感器测量的组合式气囊压力变化数据确定外囊缓冲作用力的频率范围；通过着陆缓冲试验中摄像测量的舱体运动特性数据确定内囊参与缓冲时间范围以及内囊缓冲作用力的频率范围；通过对舱体过载数据进行频域分析，将不同频率的缓冲作用力分离，并滤波处理得到外囊、内囊各自的过载峰值；

判断模块，根据外囊、内囊缓冲作用力的频率范围和滤波后的过载峰值判断组合式缓冲气囊的缓冲性能，并通过将过载峰值与外囊、内囊缓冲作用力的频率范围进行比较来判断航天器在缓冲过程中的触地情况。

进一步地，所述确定内囊参与缓冲时间范围以及内囊缓冲作用力的频率范围包括：

根据组合式缓冲气囊在舱体上的安装位置和角度计算外囊底部到内囊底部高度差h

将所述摄像测量的舱体运动特性数据中摄像速度曲线斜率变化点作为起始点，确认此时时间t

根据内囊触地时位移h

根据内囊触地时间t

所述判断航天器在缓冲过程中的触地情况包括：

对过载传感器测量得到的过载曲线进行傅里叶变换得到过载频域曲线；

根据外囊缓冲作用力频率范围和内囊缓冲作用力频率范围判断所述过载频域曲线中的峰值；若除内外囊频率峰值之外还存在高频峰值，则判断舱体触地；

所述判断航天器在缓冲过程中的触地情况包括：

根据外囊参与缓冲、内囊参与缓冲、以及碰撞地面所处的频率间隔对过载传感器测量得到的过载时域曲线进行低通滤波，得到外囊、内囊、地面分别对于过载峰值的影响；

根据内囊触地时舱体剩余速度、外囊对应过载值、内囊对应过载值、是否存在触地，判断缓冲气囊的缓冲性能是否满足指标要求。

进一步地，所述确定外囊缓冲作用力的频率范围包括：将过载曲线和压力曲线脉宽作为半周期估算外囊缓冲作用力频率范围。

一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于频域分析的组合式缓冲气囊试验数据分析方法的步骤。

一种基于频域分析的组合式缓冲气囊试验数据分析设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述一种基于频域分析的组合式缓冲气囊试验数据分析方法的步骤。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)通过该方法分析得到的缓冲气囊性能可以较好的验证组合式缓冲气囊设计结果，直接得到内囊参与缓冲导致的过载峰值增量，解决了对于内囊在缓冲过程中状态不可知、难测量的问题，是一种可行有效的组合式缓冲气囊缓冲性能验证方法，对于各相关型号的验证工作均具有积极意义；

2)由过载数据的频域分析判断舱底触地情况，解决了视频观测困难并且视频观测无法测量触地程度的问题，为验证缓冲过程中的指标满足情况提供了依据，对于航天器无损回收具有积极意义。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明组合式缓冲气囊试验数据分析流程示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于频域分析的组合式缓冲气囊试验数据分析方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：在着陆缓冲试验中采用过载传感器测量舱体过载，采用压力传感器测量组合式气囊压力变化，采用高速摄像测量舱体运动特性，试验后通过过载传感器和压力传感器综合分析外囊缓冲作用力的频率范围，通过高速摄像分析内囊参与缓冲时间范围以及内囊缓冲作用力的频率范围，最后通过对过载数据进行频域分析将不同频率的缓冲作用力分离，采用低通滤波处理得到外囊、内囊各自的过载值，据此即可分析得到组合式缓冲气囊的缓冲性能，也可以判断航天器在缓冲过程中的触地情况。

其中具体包含以下几个方面内容：

1)过载曲线即可反映返回舱受到的缓冲力大小变化趋势。根据组合式缓冲气囊在舱体的安装形式以及组合式缓冲气囊“外囊排气内囊封闭”的特性，分别分析外囊、内囊、舱体与地面的缓冲作用力频率，从而确定外囊缓冲力的频率范围。

2)压力曲线反映的是外囊的压力变化情况，外囊缓冲力大小除了与外囊压力有关还与外囊和舱体底部接触面积有关，通过压力曲线反映外囊缓冲力的作用时间，其脉宽与过载曲线基本相同，用于判断外囊缓冲力的频率范围

3)高速摄像数据可以判断舱体在缓冲过程中的运动特性，在已知舱体与缓冲气囊安装位置关系以及内外囊安装位置关系的条件下，可以从高速摄像的舱体位移曲线中判断出内囊接触地面的时刻并通过速度曲线判断此时舱体的剩余速度，该剩余速度理论上应为0m/s，实际中此剩余速度也可作为外囊设计是否满足要求的依据，由此也可以得到内囊缓冲力的频率范围。

4)对过载曲线进行频域分析，可根据已经初步得到的内外囊缓冲力频率范围判断出属于内外囊作用的具体频域曲线峰值，并由此作为截止频率对过载曲线进行滤波处理即可分别得到外囊、内囊的缓冲力对于过载峰值的影响，并判断舱体底部是否触地。

根据以上技术方案，即可实现分析组合式缓冲气囊缓冲性能并判断舱体是否触地的目的。

在本申请实施例所提供的方案中，具体包括：

1)将过载曲线和压力曲线脉宽T

2)根据气囊安装位置关系计算外囊底部到内囊底部高度差h

3)将高速摄像速度曲线斜率变化点作为起始点，确认此时时间t

4)根据h

5)根据h

6)对过载曲线进行傅里叶变换得到过载频域曲线，根据外囊缓冲作用力频率范围f

7)根据上述外囊内囊以及地面所处的频率间隔对过载时域曲线进行低通滤波，得到外囊、内囊、地面分别对于过载峰值的影响；

8)根据内囊触地时舱体剩余速度v

基于与图1相同的发明构思，本发明还提供一种基于频域分析的组合式缓冲气囊试验数据分析系统，包括：

测量模块，通过着陆缓冲试验中过载传感器测量的舱体过载数据和压力传感器测量的组合式气囊压力变化数据确定外囊缓冲作用力的频率范围；通过着陆缓冲试验中摄像测量的舱体运动特性数据确定内囊参与缓冲时间范围以及内囊缓冲作用力的频率范围；通过对舱体过载数据进行频域分析，将不同频率的缓冲作用力分离，并滤波处理得到外囊、内囊各自的过载峰值；

判断模块，根据外囊、内囊缓冲作用力的频率范围和滤波后的过载峰值判断组合式缓冲气囊的缓冲性能，并通过将过载峰值与外囊、内囊缓冲作用力的频率范围进行比较来判断航天器在缓冲过程中的触地情况。

在一种可能实现的方式中，所述确定内囊参与缓冲时间范围以及内囊缓冲作用力的频率范围包括：

根据组合式缓冲气囊在舱体上的安装位置和角度计算外囊底部到内囊底部高度差h

将所述摄像测量的舱体运动特性数据中摄像速度曲线斜率变化点作为起始点，确认此时时间t

根据内囊触地时位移h

根据内囊触地时间t

所述判断航天器在缓冲过程中的触地情况包括：

对过载传感器测量得到的过载曲线进行傅里叶变换得到过载频域曲线；

根据外囊缓冲作用力频率范围和内囊缓冲作用力频率范围判断所述过载频域曲线中的峰值；若除内外囊频率峰值之外还存在高频峰值，则判断舱体触地；

所述判断航天器在缓冲过程中的触地情况包括：

根据外囊参与缓冲、内囊参与缓冲、以及碰撞地面所处的频率间隔对过载传感器测量得到的过载时域曲线进行低通滤波，得到外囊、内囊、地面分别对于过载峰值的影响；

根据内囊触地时舱体剩余速度、外囊对应过载值、内囊对应过载值、是否存在触地，判断缓冲气囊的缓冲性能是否满足指标要求。

进一步，在一种可能实现的方式中，所述确定外囊缓冲作用力的频率范围包括：将过载曲线和压力曲线脉宽作为半周期估算外囊缓冲作用力频率范围。

本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。