航空絞車組件測試中扭矩信號采集的去噪研究

丁嵐 劉廣順 周民 張?zhí)锾?/p>

摘 要：電動救生絞車在直升機(jī)飛行救援中占有不可取代的位置，正是因為其具有安全性高、重量輕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療救護(hù)、搶險救援、反恐維和第一線。文中針對救生絞車驅(qū)動組件的測試信息采集展開研究，對敏感信號進(jìn)行隔離處理，以及對易受干擾部位進(jìn)行屏蔽接地是核心的硬件處理方式;基于貝葉斯閾值的自適應(yīng)小波去噪算法，濾除高次諧波干擾，捕獲信息更準(zhǔn)確，可靠地反映出被測組件的力矩信息是軟件的核心。

關(guān)鍵詞：絞車組件測試;伺服系統(tǒng);信息采集;隔離;屏蔽接地;小波閾值去噪

中圖分類號：TP202文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-03

0 引 言

早在1945年，美國西科斯基公司首次在使用直升機(jī)的救援任務(wù)中引入了絞車。在直升機(jī)的發(fā)展過程中，絞車也同樣經(jīng)歷了機(jī)械驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動這三個發(fā)展階段。由此，絞車體系在技術(shù)的不斷發(fā)展中形成。市面上大致存在機(jī)械絞車、液壓絞車和電動絞車三種類型。其中，電動絞車表現(xiàn)出更加完美的特性，主要特點為體積小、重量輕、設(shè)備安全性高，進(jìn)行機(jī)械控制的同時也可采用電力進(jìn)行控制，適用范圍更廣。

直升機(jī)電動絞車在災(zāi)害救援中的表現(xiàn)非常突出[1]，并在眾多領(lǐng)域中都能看見電動絞車的身影。隨著電動救生絞車的發(fā)展，人們對它的要求也在逐步提升，為更好地提升直升機(jī)在救援任務(wù)中的表現(xiàn)，本文對電動救生絞車及其組件進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，提出了一系列優(yōu)化方案。

電動救生絞車及其組件的相關(guān)檢測技術(shù)并不是完美的，仍存在許多問題。本文提出關(guān)于如何改善伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波對采集系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的解決方案。驅(qū)動伺服驅(qū)動器后，驅(qū)動電流傳遞到伺服驅(qū)動器，由于伺服系統(tǒng)的非線性特質(zhì)，高次諧波將耦合到電流信號中。最常見的耦合方式為傳導(dǎo)、電磁輻射和感應(yīng)耦合等方式，高次諧波會串?dāng)_到電源以及一些敏感信號[2]。扭矩信號的本質(zhì)特征在高次諧波的串?dāng)_作用下會失真，甚至?xí)杉藉e誤信息，無法準(zhǔn)確控制絞車工作，導(dǎo)致絞車在工作過程中出現(xiàn)失控的情況。本文主要研究如何在軟件測控系統(tǒng)中利用算法改善噪聲對采集扭矩信號的影響。

1 基于貝葉斯閾值的自適應(yīng)小波去噪算法

在實際應(yīng)用中，采用隔離和屏蔽等方式能較大程度地減弱耦合干擾和高次諧波對信號采集的影響;為了準(zhǔn)確地采集扭矩信號，引用去噪算法對信號進(jìn)行預(yù)處理，從而使得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更好，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

近年來，小波理論發(fā)展迅速，在小波變換的基礎(chǔ)上，對噪聲的處理也趨向于多樣化[3-4]。從方法上進(jìn)行區(qū)分，小波去噪可分為模極大值法[5]、相關(guān)性法[6]、小波閾值法[7]三類。其中，小波閾值法是最常用的一種方法。

1.1 問題描述

小波去噪流程如圖1所示，具體步驟如下：

（1）利用小波分解，提取含噪信號X的特征信息;

（2）選取合適的閾值與閾值函數(shù)處理小波系數(shù)，置零小波系數(shù)，原理類似于低通濾波;

（3）重構(gòu)經(jīng)過處理的小波系數(shù)，最終得到去噪信號S'。

在小波系數(shù)降噪過程中，扭矩信號采集的準(zhǔn)確程度直接取決于λ。若λ值過大則會導(dǎo)致本應(yīng)為有用信號的小波系數(shù)在計算過程中被丟掉;若λ值過小則無法完全濾除有用信號中的噪聲，直接影響扭矩信號，導(dǎo)致信號失真，不能達(dá)到去噪的目的[9]。

因此，如何選取合適的閾值與閾值函數(shù)成為小波去噪算法中的核心問題。具有自適應(yīng)能力的貝葉斯閾值與本文中的閾值函數(shù)相結(jié)合，能夠減弱電動絞車組件測試臺中高次諧波對采集信號的干擾，并配合改進(jìn)的閾值函數(shù)，能夠更好地進(jìn)行小波去噪處理。

1.2 基于貝葉斯理論的小波去噪算法

1.2.1 選取閾值

如何選取閾值是決定小波系數(shù)能否完美濾噪的重要內(nèi)容。在信號被分解為不同層次后，現(xiàn)階段的算法無法為每一層次的小波系數(shù)分配不同的閾值，固定的閾值則會導(dǎo)致小波系數(shù)的去噪能力下降。為了能夠為每一層次的小波系數(shù)匹配不同的閾值，本文采用貝葉斯閾值，該閾值根據(jù)貝葉斯統(tǒng)計理論推導(dǎo)得出，能夠適應(yīng)不同的小波系數(shù)，準(zhǔn)確匹配不同的閾值。

2.2 測試臺性能優(yōu)化后結(jié)果展示

為了改善高次諧波對絞車組件試驗臺造成的影響，硬件主要使用的方法是對敏感信號進(jìn)行隔離處理，以及對易受干擾部位進(jìn)行屏蔽接地;軟件主要采用基于貝葉斯閾值的自適應(yīng)小波去噪算法濾除高次諧波的干擾，使得捕獲的信息更準(zhǔn)確，能夠可靠地反映被測組件的力矩信息。

圖6所示為硬件電路保持原始狀態(tài)，且不采用任何去噪算法時所獲取的采集系統(tǒng)傳輸過來的實時扭矩信號。圖7所示為采用本文提出的優(yōu)化方法，且在測控系統(tǒng)中使用基于貝葉斯閾值的自適應(yīng)小波去噪算法時，所獲取的采集系統(tǒng)傳輸?shù)膶崟r扭矩信號。

從圖6中可以看出，未優(yōu)化測試試驗臺時，采集系統(tǒng)傳輸?shù)呐ぞ夭ㄐ未嬖诜浅６嗟拿膛c尖峰，穩(wěn)定性很差，扭矩信息無法被準(zhǔn)確地反映出來。而從圖7可以看出，優(yōu)化改進(jìn)后采集到的扭矩波形一直穩(wěn)定在0 N·m附近，并且不存在較大的毛刺與尖峰，效果對比顯著。

3 結(jié) 語

本文基于某型直升機(jī)救生絞車測試系統(tǒng)做出優(yōu)化處理方案，主要研究救生絞車中驅(qū)動裝置的性能測試問題，圍繞如何在軟件測控系統(tǒng)中對系統(tǒng)傳輸過來的扭矩信號進(jìn)行去噪處理展開。由于伺服系統(tǒng)中高次諧波的存在對采集系統(tǒng)采集到的信號造成嚴(yán)重干擾，因此，本文從硬件電路與測控軟件系統(tǒng)兩個方向提出了相應(yīng)的有效的改善方案，使得高次諧波的干擾問題得到了明顯改善，采集信息更為準(zhǔn)確，時效性更強(qiáng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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