本發(fā)明涉及液位測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及非穩(wěn)態(tài)液面高度測量值濾波方法。

背景技術(shù)：

在運(yùn)行過程中，航空、航天器、車輛受動態(tài)環(huán)境影響，內(nèi)部液體儲箱中的油液在慣性力作用下液面難以達(dá)到穩(wěn)定，這給以液面高度測量為基礎(chǔ)的油液指示系統(tǒng)帶入了額外的誤差，使得運(yùn)行中準(zhǔn)確指示油液量成為一項技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種非穩(wěn)態(tài)液面高度測量值濾波方法，包括如下步驟：

步驟一，建立儲箱液面高度測量物理模型，根據(jù)該物理模型建立液位測量系統(tǒng)狀態(tài)方程和傳感器系統(tǒng)量測方程，液位測量系統(tǒng)狀態(tài)方程如公式(1)及公式(2)所示：

傳感器系統(tǒng)量測方程如公式(3)所示：

y(n)＝x(n)+v(n)(3)；

公式(1)至(3)中，t表示采樣周期，n表示采樣周期計數(shù)，n＝0,1,2,3……,(n∈n)，h(n)為n*t時刻的液面高度，為n*t時刻的變化速度，y(n)為n*t時刻的傳感器觀測值，x(n)為狀態(tài)變量且ν(n)為傳感器測量噪聲，ω(n)為液位變化速度噪聲，ω(n)和ν(n)均為零均值且方差為的白噪聲；

步驟二，將步驟一中的公式(1)至(3)轉(zhuǎn)換為卡爾曼狀態(tài)方程、量測方程，其中卡爾曼狀態(tài)方程如公式(4)所示：

x(n+1)＝φx(n)+γω(n)(4)；

卡爾曼觀測方程如公式(5)所示：

y(n)＝ωx(n)+v(n)(5)；

根據(jù)公式(1)至(5)得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣φ、噪聲輸入矩陣γ和觀測矩陣ω：

其中t為采樣周期；

步驟三，由初始t＝0時刻的液面高度h(0)和變化速度通過公式(6)計算t＝0時刻的狀態(tài)變量估計值

并通過公式(7)計算t＝0時刻的預(yù)測誤差方差矩陣p(0)：

通過公式(8)推算下一步狀態(tài)變量：

并通過公式(9)推算下一步誤差方差矩陣：

通過公式(10)計算卡爾曼濾波器增益：

并通過公式(11)和(12)更新狀態(tài)估計：

其中代表新息序列；

通過公式(13)更新誤差方差陣：

步驟四，通過改變n的取值(t＝0,1,2,3……,(t∈n))，重復(fù)執(zhí)行步驟二和步驟三，實現(xiàn)卡爾曼濾波器迭代循環(huán)，最后得到x(n)，進(jìn)而得到液面高度h(n)。

優(yōu)選的，視非穩(wěn)態(tài)液面高度測量系統(tǒng)為隨機(jī)線性離散系統(tǒng)，液位運(yùn)動過程噪聲與傳感器量測噪聲是互不相關(guān)或者相關(guān)的高斯白噪聲，根據(jù)公式(14)計算傳感器量測噪聲ν(n)的正定方差矩陣r以及過程噪聲ω(n)的非負(fù)定方差矩陣q：

公式(7)中，δ(nj)是kronecker-δ函數(shù)，

本發(fā)明提供的非穩(wěn)態(tài)液面高度測量值濾波方法，具有如下有益效果：

1、數(shù)據(jù)曲線平滑、穩(wěn)定：采用本發(fā)明的技術(shù)方法處理液位傳感器采樣信號，與采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)平均方法相比，可以獲得更平穩(wěn)的液面高度輸出值，圖2展示了采用這兩種方法的仿真結(jié)果，通過對比顯現(xiàn)了本發(fā)明方法的技術(shù)優(yōu)勢；

2、非穩(wěn)態(tài)液面測量更準(zhǔn)確：航空器、航天器、車輛在運(yùn)動過程中受外力作用，內(nèi)部儲箱中的液體在慣性力作用下達(dá)到新的穩(wěn)定往往需要一至數(shù)十秒時間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液位測量系統(tǒng)采樣周期，且在此期間所受外力早已發(fā)生變化，因此，在這種非穩(wěn)態(tài)情況下傳感器采樣值嚴(yán)重偏離真實值，采用本發(fā)明的技術(shù)方法可以有效抑制液面高度變化幅度，從而提高了非穩(wěn)態(tài)液面測量值的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1是儲箱液面高度測量物理模型示意圖；

圖2是采樣數(shù)據(jù)濾波前與使用本發(fā)明提供的方法濾波后的結(jié)果對比曲線圖；

圖3是采樣數(shù)據(jù)使用現(xiàn)有方法濾波后與使用本發(fā)明提供的方法濾波后的結(jié)果對比曲線圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。

需要說明的是：下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在附圖中，自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，均僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

本發(fā)明提供一種非穩(wěn)態(tài)液面高度測量值濾波方法，可以解決航空器、航天器、車輛在運(yùn)動過程中內(nèi)部儲箱油液難以準(zhǔn)確測量問題，具體步驟如下：

步驟一，如圖1所示，建立液位測量過程的抽象數(shù)學(xué)模型，用方程描述液位本身的運(yùn)動與液位傳感器測量過程：建立儲箱液面高度測量物理模型，根據(jù)該物理模型建立液位測量系統(tǒng)狀態(tài)方程和傳感器系統(tǒng)量測方程，液位測量系統(tǒng)狀態(tài)方程如公式(1)及公式(2)所示：

傳感器系統(tǒng)量測方程如公式(3)所示：

y(n)＝x(n)+v(n)(3)；

公式(1)至(3)中，t表示采樣周期，n表示采樣周期計數(shù)，n＝0,1,2,3……,(n∈n)，h(n)為n*t時刻的液面高度，為n*t時刻的變化速度，y(n)為n*t時刻的傳感器觀測值，x(n)為狀態(tài)變量且ν(n)為傳感器測量噪聲，ω(n)為液位變化速度噪聲，ω(n)和ν(n)均為零均值且方差為的白噪聲。

步驟二，將步驟一中的公式(1)至(3)轉(zhuǎn)換為經(jīng)典卡爾曼狀態(tài)方程、量測方程，明確狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣φ、噪聲輸入矩陣γ和觀測矩陣ω，其中卡爾曼狀態(tài)方程如公式(4)所示：

x(n+1)＝φx(n)+γω(n)(4)；

卡爾曼觀測方程如公式(5)所示：

y(n)＝ωx(n)+v(n)(5)；

根據(jù)公式(1)至(5)得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣φ、噪聲輸入矩陣γ和觀測矩陣ω：

其中t為采樣周期。

由試驗獲得液位傳感器離線測量值，計算傳感器量測噪聲方差矩陣；判斷儲箱中液位升降趨勢，初步計算液面高度變化速度均值，按該均值估計液位運(yùn)動過程噪聲幅值，用于計算過程噪聲方差矩陣，實現(xiàn)過程包括如下步驟：

視非穩(wěn)態(tài)液面高度測量系統(tǒng)為隨機(jī)線性離散系統(tǒng)，液位運(yùn)動過程噪聲與傳感器量測噪聲是互不相關(guān)或者相關(guān)的高斯白噪聲，根據(jù)公式(14)計算傳感器量測噪聲ν(n)的正定方差矩陣r以及過程噪聲ω(n)的非負(fù)定方差矩陣q：

公式(7)中，δ(nj)是kronecker-δ函數(shù)，

由液位傳感器離線測量標(biāo)準(zhǔn)油液，計算測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之差，根據(jù)儲箱中液位升降的物理過程，估算液面高度變化速度均值，將液位運(yùn)動過程噪聲ω(n)視為該均值中的一個分量，按特定比例估算確定過程噪聲ω(n)的幅值。

步驟三，液面高度測量系統(tǒng)采樣值的卡爾曼濾波器迭代循環(huán)過程包括如下步驟：由初始t＝0時刻的液面高度h(0)和變化速度通過公式(6)計算t＝0時刻的狀態(tài)變量估計值

并通過公式(7)計算t＝0時刻的預(yù)測誤差方差矩陣p(0)：

由、取值，通過公式(8)推算下一步狀態(tài)變量：

通過公式(9)推算下一步誤差方差矩陣：

通過公式(10)計算卡爾曼濾波器增益：

通過公式(11)和(12)更新狀態(tài)估計：

其中代表新息序列；

由ω、p(n+1)|n、k(n+1)，通過公式(13)更新誤差方差陣：

步驟四，通過改變n的取值(t＝0,1,2,3……,(t∈n))，重復(fù)執(zhí)行步驟二和步驟三，實現(xiàn)卡爾曼濾波器迭代循環(huán)，最后得到x(n)，進(jìn)而得到液面高度h(n)。

濾波結(jié)果如圖2及圖3所示，圖2中可看出未經(jīng)濾波處理的數(shù)據(jù)很不平穩(wěn)，圖3中可看出使用現(xiàn)有方法濾波后的數(shù)據(jù)雖較為濾波時平穩(wěn)，但依舊較曲折，結(jié)合圖2及圖3可看出，使用本發(fā)明提供的方法進(jìn)行濾波后，數(shù)據(jù)曲線的平穩(wěn)度較未濾波時以及使用現(xiàn)有方法濾波時均有提高。

下面以某儲箱液面高度測量系統(tǒng)為例，描述其中一個傳感器液面高度采樣值完成本方法濾波的過程：

已知采樣周期t＝0.03s，儲箱中初始液面高度為400mm，初始變化速度為0.1mm/s，即：

獲得狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣φ、噪聲輸入矩陣γ、觀測矩陣ω、及狀態(tài)方程和觀測方程：

通過對同一穩(wěn)態(tài)液位多次測量，計算量測噪聲v(n)的正定方差矩陣

儲箱中液位在2000s內(nèi)從400mm下降到200mm，液面平均變化速率為0.1mm/s，假設(shè)過程噪聲ω(n)幅值是液面平均變化率的20％，計算過程噪聲方差矩陣q為：

當(dāng)t＝0時，計算p(0)：

將p(0)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣φ、噪聲輸入矩陣γ、觀測矩陣ω、量測噪聲ν(t)的正定方差矩陣r、過程噪聲方差矩陣q代入公式，y(1)代表t＝1*t＝0.03s時刻傳感器采樣值，假設(shè)由此得到：

計算液位變化速度將t＝0時的液面高度變化速度視為t＝2*t＝0.06s時刻y(2)中的液位變化測量值；

當(dāng)t＝1時，將p(1)、φ、γ、ω、r、q代入公式，用y(2)代表t＝2*t＝0.06s時刻傳感器采樣值作為輸入，可以得到p(2)；

n＝2,3……,(n∈n)，濾波器遞推循環(huán)計算，實現(xiàn)儲箱液面高度測量采樣值的卡爾曼濾波。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。