CN116908935B - 基于月震仪的月面绝对定标系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于月震仪的月面绝对定标系统及其方法，其中该系统包括：月震仪机箱，内部设置有月震仪；耦合底盘，通过转轴与月震仪机箱连接；传动机构，设置在所述月震仪机箱内部，用于带动所述月震仪机箱沿所述转轴上下运动，从而产生绝对定标的振动信号。本发明通过采用梯形振动信号，结合阶跃响应标定算法，实现了月面绝对定标功能，填补了月震仪在轨绝对定标技术的空白，并且由于梯形振动信号易于实现，所需控制参数少，因此提高了控制系统和传动机构的可靠性，并减小了控制算法的资源占用和功耗消耗。
Description
技术领域
本发明涉及月震仪技术领域，特别是涉及基于月震仪的月面绝对定标系统及其方法。
背景技术
为了提高地震数据的精度，在地震仪布台时需进行传递函数的定标，与地震仪的研制需求相同，月震仪在月面工作期间，需要对月震仪的传递函数进行定标。
现有的定标手段分为绝对标定和相对标定两类，绝对标定是将月震仪置于振动台上，向月震仪整机输入振动信号，能够标定月震仪整机的传递函数，标定结果精准，但无法应用于月面工作期间。
相对标定是将电信号加载在月震仪内部的月震计上，只对月震计电信号部分进行标定，对月震计的信号转换能力和月震计外围配套结构和电路的传递函数没有标定能力。
地震仪在地面工作期间，由于地表平均昼夜温差为10℃，对地震仪内部温度敏感元件的性能影响较小，且地震仪在地表的工作环境已充分研究，故采用布台现场相对标定与实验室绝对标定相结合的方式即可获得较高精度的传递函数。
而月震仪布设在月面，月表昼夜温差高达200℃，月震仪内部温度敏感元件的性能将发生较大变化，且随工作时长不断累积；另一方面，由于月球的重力加速度仅为地球的1/6，月震计的拾震能力将受到较大影响。因此，仅采用月面相对标定结合实验室绝对标定的方式无法获得月震仪在月面工作期间的整机传递函数。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供基于月震仪的月面绝对定标系统及其方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
基于月震仪的月面绝对定标系统，包括：
月震仪机箱，内部设置有月震计；
耦合底盘，通过转轴与月震仪机箱连接；
传动机构，设置在所述月震仪机箱内部，用于带动所述月震仪机箱沿所述转轴上下运动，从而产生绝对定标的振动信号。
优选的，还包括：
电机，所述电机的转轴输出端连接所述传动机构，所述传动机构带有内螺纹，与所述转轴的外螺纹紧配。
优选的，还包括：
穿舱接插件，设置在月震仪机箱顶盖上，用于连接供电和通信线缆；
耦合锥，设置在所述耦合底盘的底部。
本发明还提供了一种基于月震仪的月面绝对定标方法，包括：
利用传动机构产生振动信号；
月震计拾取振动信号的时域微分信号；所述振动信号为梯形振动信号；所述时域微分信号为阶跃信号；
使用月震计对所述阶跃信号进行处理得到月震仪运动方程和输出方程；
对所述月震仪运动方程和输出方程进行拉氏变换得到月震计的阶跃响应表达式；
基于所述月震计的阶跃响应表达式中的峰值点得到阻尼系数目标方程；
对所述阻尼系数目标方程进行求解得到最优阻尼系数；
利用所述最优阻尼系数完成月震仪传递函数的定标。
优选的，所述月震仪运动方程和输出方程为：
其中，m是月震计的动圈质量，ε(-t)是单位阶跃函数，c是月震计的动圈系统机械阻尼，k是月震计的动圈等效悬挂刚度，Cme是月震计的灵敏度，x是月震计的动圈位移，I0是月震计输出端的电流值，e(t)是月震计对阶跃函数的响应。
优选的，所述月震计的阶跃响应表达式为：
其中，ω0是月震计的自然角频率，Bt是月震计的阻尼系数。
优选的，所述阻尼系数目标方程为：
其中，e(T0)是月震计的阶跃响应表达式上的峰值点。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于月震仪的月面绝对定标方法中的步骤。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了基于月震仪的月面绝对定标系统及其方法，与现有技术相比，本发明通过采用梯形振动信号，结合阶跃响应标定算法，实现了月面绝对定标功能，填补了月震仪在轨绝对定标技术的空白，并且由于梯形振动信号易于实现，所需控制参数少，因此提高了控制系统和传动机构的可靠性，并减小了控制算法的资源占用和功耗消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于月震仪的月面绝对定标系统整体结构图；
图2为本发明的基于月震仪的月面绝对定标系统爆炸图；
图3为本发明的月震仪机箱振动示意图；
图4为本发明的基于月震仪的月面绝对定标系统整体结构图；
图5为本发明的基于月震仪的月面绝对定标系统的内部结构图；
图6为本发明的基于月震仪的月面绝对定标系统的硬件系统原理图；
图7为本发明的梯形振动信号；
图8为本发明的阶跃信号示意图；
图9为本发明的月震计阶跃响应曲线；
图10为本发明在Tr＝200ms时的梯形振动信号；
图11为本发明在Tr＝200ms时月震计输出的阶跃信号；
图12为本发明的阶跃响应曲线拟合原理图。
符号说明：
1、耦合底盘；2、月震仪机箱底板；3、月震仪机箱外壁；4、月震仪机箱顶盖；5、耦合锥；6、电机；7、电路板；8、穿舱接插件；9、转轴；10、月震计；11、传动机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
请一并参阅图1-5，基于月震仪的月面绝对定标系统，包括：月震仪机箱、耦合底盘1、传动机构11、电机6、穿舱接插件8和耦合锥5。
月震仪机箱，内部设置有月震计10；耦合底盘1，通过转轴9与月震仪机箱连接；耦合锥5，设置在所述耦合底盘1的底部。月震仪整机落月工作时，所述耦合底盘1的底面与月壤接触，底部耦合锥5插入月壤中，增强月震仪整机与月壤的耦合性能。传动机构11，设置在所述月震仪机箱内部，用于带动所述月震仪机箱沿所述转轴9上下运动，从而产生绝对定标的振动信号。电机6，所述电机6的转轴输出端连接所述传动机构11，所述传动机构11带有内螺纹，与所述转轴9的外螺纹紧配。
在实际应用中，电机6通过固定板和螺钉安装在月震仪机箱底板2上，电机6随控制信号转动时，传动机构11带动月震仪机箱沿转轴9上下运动，从而产生绝对定标的振动信号，如图3所示。定标结束后，电机运动至转轴底部，与耦合底盘1压紧。
进一步的，所述月震仪机箱由月震仪机箱底板2、月震仪机箱外壁3和月震仪机箱顶盖4组成，三者密封组装，内部装载月震计10、电机6和电路板7等月震仪必要部组件。月震仪机箱顶盖4安装穿舱接插件8，用于连接供电和通信线缆。月震仪机箱底板2中心处有通孔，转轴9从通孔处穿入月震仪机箱内部。所述月震计10通过固定板和螺钉安装在月震仪机箱底板上，用于采集月震信号。所述电路板7用螺钉安装在月震仪机箱外壁3内侧凸起的凸台上。
本发明的电路板上包含基于月震仪的月面绝对定标系统的硬件结构。请参阅图6，基于月震仪的月面绝对定标系统的硬件原理图，其主要包括：
1)核心处理器FPGA
作为月震仪的核心器件，主要完成指令控制和通讯，通过操作DAC完成对月震仪的控制；通过操作ADC完成数据采集，返回定标数据；通过生成PWM信号控制电机，完成振动信号的输出。
FPGA选用的是XILINX公司的Virtex UltraScale+VU19P,其主要性能参数如下：
a)逻辑门数890万；
b)标准模式下最大工作时钟400MHz；
c)内置累加器(48位)和加法器/减法器；
d)可实现与外部信号高速连接的高性能RAM接口。
2)前放与采集电路：
前放与采集电路主要功能是将月震计采集的速度信号经过月震传感器转换为电压值，传输至前放电路中，经过前放电路的放大作用，再通过模数转换器将其转换为数字信号，传输至FPGA进行处理。前放与采集电路主要包括模数转换器ADC芯片和具备运算放大功能的结型场效应管。
模数转换器ADC芯片采用AD公司的AD976ASD，主要性能参数如下：
a)转换位数为16位；
b)输入量程为-10V～+10V；
c)最大采样率为1MSPS；
前放电路的放大倍数为4，选用2222A型JFET，输入量程为-12V～+12V，单端放大倍数为2。
3)月震计：
月震计用于将月震仪拾取的振动信号转换为电压信号，以便进行高灵敏度模拟记录和数据采集。根据月震信号分析和处理的需求，月震仪配备竖直轴向一通道、水平轴向两通道月震计，即X向、Y向、Z向传感器。本实施例选用中地装集团的电容换能型月震计，其工作原理是将摆的运动转换成电容量的变化，该种变间距差动电容换能器灵敏度较高；再经检波与反馈将电容量进一步转换成电压量。
4)电机控制电路：
由驱动电路产生的PWM脉宽调制单元输出信号控制电机转动，电机输出端连接传动机构，传动机构通过内螺纹在定导轨上转动，从而带动月震仪整机振动，完成梯形振动信号的输入。在本发明实施例中，电机的驱动芯片选用美国国家半导体公司的LMD18201。
本发明还提供了一种基于月震仪的月面绝对定标方法，包括：
步骤1：利用传动机构产生振动信号，月震计采集振动信号的时域微分信号，即振动信号的速度量；所述速度量为阶跃信号；
使用月震计对所述阶跃信号进行处理得到月震仪运动方程和输出方程；所述月震仪运动方程和输出方程为：
其中，m是月震计的动圈质量，ε(-t)是单位阶跃函数，c是月震计的动圈系统机械阻尼，k是月震计的动圈等效悬挂刚度，Cme是月震计的灵敏度，x是月震计的动圈位移，I0是月震计输出端的电流值，e(t)是月震计对阶跃函数的响应。
步骤2：对所述月震仪运动方程和输出方程进行拉氏变换得到月震计的阶跃响应表达式；所述月震计的阶跃响应表达式为：
其中，ω0是月震计的自然角频率，Bt是月震计的阻尼系数。
步骤3：基于所述月震计的阶跃响应表达式中的峰值点得到阻尼系数目标方程；所述阻尼系数目标方程为：
其中，e(T0)是月震计的阶跃响应表达式上的峰值点。
步骤4：对所述阻尼系数目标方程进行求解得到最优阻尼系数；
步骤5：利用所述最优阻尼系数完成月震仪传递函数的定标。
下面结合具体的实施例对本发明的基于月震仪的月面绝对定标方法做进一步的说明：
1)产生振动信号
FPGA通过控制电机使月震仪机箱产生振动，月震仪机箱振动信号的表达式如下：
其中，T是一个完整梯形信号周期的时间长度，Tr是上升和下降时间，振动波形如图7所示。
本发明可以根据以上振动信号，控制PWM波形的频率和占空比，生成驱动电机转动的PWM波形。
2)绝对定标算法
①将拾取的振动信号进行时域微分
宽频带月震计其工作原理与宽频带地震计相同，在频带高于360s的范围内为速度换能型月震计，即月震计输出的电信号是地振动的速度量。所以对于第1步中的振动信号，月震计输出的电信号为其时域微分，表达式如下：
由上式可见，微分后的信号是阶跃信号，幅值为如图8所示。
②阶跃响应表达式
在阶跃信号作用下，月震计及其反馈电路的运动方程和输出方程为：
式中，m是月震计的动圈质量；
ε(-t)是单位阶跃函数，c是月震计的动圈系统机械阻尼；k是月震计的动圈等效悬挂刚度；Cme是月震计的灵敏度；x是月震计的动圈位移；I0是月震计输出端的电流值；e(t)是月震计对阶跃函数的响应。
对式(1)两端微分，并令有
将式(3)改写成二阶振动系统的一般形式
式中，是月震计的自然角频率，/>是月震计的阻尼。
对式(4)取Laplace变换，得
经整理有
根据式(2)有
Bt＞1时，对式(6)取拉氏逆变换，并代入式(7)，可得
③测定传递函数
对式(8)进行求导，并令e′(t)＝0，经整理有：
其次，如图9所示，读取峰值点e(T0)，同时将式(9)和T0代入式(8)，得灵敏度
将式(9)、式(10)与e(T0)和T0的值代入式(8)，得
将阻尼系数Bt，通常在(1，10)之间取值，代入式(11)，与实测响应曲线进行拟合，用拟合法求出最优解Bt。
将Bt与T0的值代入式(9)和式(10)求取ω0和Cme，将Bt、ω0和Cme代入式(6)，即为定标完成的月震计的传递函数。
请一并参阅图10-12，为了更好的理解本发明的月面绝对定标方法，本发明还基于具体的应用场景，对定标算法做了详细说明：
1)产生振动信号
FPGA通过控制电机使月震仪机箱产生振动，月震仪机箱振动信号的表达式如下：
其中，Tr＝200ms,即上升时长200ms，峰值时长200ms，下降时长200ms，零值时长200ms，振动波形如图10所示。
根据以上振动信号，控制PWM波形的频率和占空比，生成驱动电机转动的PWM波形。
2)绝对定标算法
①将拾取的振动信号进行时域微分(参考图11)
对于第1步中的振动信号，月震计输出的电信号为其时域微分，表达式如下：
②阶跃响应曲线
在该阶跃信号作用下，月震计的阶跃响应表达式为：
取单个响应波形，读取波形的e(T0)和T0。
③测定传递函数
在matlab中，将阻尼系数Bt，在(1，10)之间取值，与e(T0)和T0的值一起代入式(11)：
得到每个Bt值对应的e(t)曲线，用最小二乘法，求e(t)与实测波形(如图12)差值的最小值，从而求出最优解Bt值。
将Bt与T0的值代入式(9)和式(10)求取ω0和Cme，将Bt、ω0和Cme代入式(6)，即为月震计的传递函数。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于月震仪的月面绝对定标方法中的步骤。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了基于月震仪的月面绝对定标系统及其方法，与现有技术相比，本发明通过采用梯形振动信号，结合阶跃响应标定算法，实现了月面绝对定标功能，填补了月震仪在轨绝对定标技术的空白，并且由于梯形振动信号易于实现，所需控制参数少，因此提高了控制系统和传动机构的可靠性，并减小了控制算法的资源占用和功耗消耗。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.基于月震仪的月面绝对定标系统，其特征在于，包括：
月震仪机箱，内部设置有月震计；
耦合底盘，通过转轴与月震仪机箱连接；
传动机构，设置在所述月震仪机箱内部，用于带动所述月震仪机箱沿所述转轴上下运动，从而产生绝对定标的振动信号。
2.根据权利要求1所述的基于月震仪的月面绝对定标系统，其特征在于，还包括：
电机，所述电机的转轴输出端连接所述传动机构，所述传动机构带有内螺纹，与所述转轴的外螺纹紧配。
3.根据权利要求1所述的基于月震仪的月面绝对定标系统，其特征在于，还包括：
穿舱接插件，设置在月震仪机箱顶盖上，用于连接供电和通信线缆；
耦合锥，设置在所述耦合底盘的底部。
4.基于月震仪的月面绝对定标方法，其特征在于，包括：
利用传动机构产生振动信号；
月震计拾取振动信号的时域微分信号；所述振动信号为梯形振动信号；所述时域微分信号为阶跃信号；
使用月震仪对所述阶跃信号进行处理得到月震仪运动方程和输出方程；
对所述月震仪运动方程和输出方程进行拉氏变换得到月震计的阶跃响应表达式；
基于所述月震计的阶跃响应表达式中的峰值点得到阻尼系数目标方程；
对所述阻尼系数目标方程进行求解得到最优阻尼系数；
利用所述最优阻尼系数完成月震仪传递函数的定标。
5.根据权利要求4所述的基于月震仪的月面绝对定标方法，其特征在于，所述月震仪运动方程和输出方程为：
其中，m是月震计的动圈质量，ε(-t)是单位阶跃函数，c是月震计的动圈系统机械阻尼，k是月震计的动圈等效悬挂刚度，Cme是月震计的灵敏度，x是月震计的动圈位移，I0是月震计输出端的电流值，e(t)是月震计对阶跃函数的响应。
6.根据权利要求5所述的基于月震仪的月面绝对定标方法，其特征在于，所述月震计的阶跃响应表达式为：
其中，ω0是月震计的自然角频率，Bt是月震计的阻尼系数。
7.根据权利要求6所述的基于月震仪的月面绝对定标方法，其特征在于，所述阻尼系数目标方程为：
其中，e(T0)是月震计的阶跃响应表达式上的峰值点。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求4-7中任一项所述的基于月震仪的月面绝对定标方法中的步骤。
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| CN114674414A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-06-28 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于微像素形心定位的低频振动传感器及其工作方法 |
-
2023
- 2023-07-18 CN CN202310881163.4A patent/CN116908935B/zh active Active
Patent Citations (5)
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| Title |
|---|
| 八轮扭杆摇臂式可展开月球车振动分析;邓宗全;邱雪松;胡明;于卫真;;机器人;20071115(第06期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116908935A (zh) | 2023-10-20 |
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