導(dǎo)語：如何才能寫好一篇空間飛行器總體設(shè)計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：臨近空間飛行器；虛擬試驗；高層體系結(jié)構(gòu)；多物理場耦合；異構(gòu)仿真模型

引言i

臨近空間（Near space）通常是指20～100km的高空，由于技術(shù)和認識上的原因，臨近空間的政治、經(jīng)濟和軍事價值直到最近才引起各國的重視，并成為美國、俄羅斯、歐洲等國家和地區(qū)近期飛行器技術(shù)研究的熱點。與其他飛行器不同，臨近空間飛行器高速在相當(dāng)高度的大氣層內(nèi)飛行，各物理場耦合作用特性較強。

臨近空間飛行器具有重要政治、經(jīng)濟價值，是一類典型的復(fù)雜產(chǎn)品,其研究雖然剛剛起步，但對于我國航天、航空領(lǐng)域建設(shè)具有重要意義和深遠影響，也是未來幾十年內(nèi)最重要的航天、航空飛行器研究之一。受政治、經(jīng)濟等方面因素的影響，臨近空間飛行器的飛行試驗不能進行全程驗證，難以全面評估飛行性能。虛擬飛行試驗在一定的精度下，能夠替代真實試驗對臨近空間飛行器進行性能分析，對真實飛行試驗進行預(yù)示，并指導(dǎo)方案設(shè)計。從而為提升系統(tǒng)的總體設(shè)計水平，提高飛行試驗成功率，縮短研制周期，降低研制成本和風(fēng)險等提供技術(shù)保障。

與傳統(tǒng)航天航空飛行器系統(tǒng)研究中主要進行基于HLA的航天航空體系仿真及導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制閉路的協(xié)同仿真不同，臨近空間飛行器需要開展多學(xué)科、全系統(tǒng)、多物理場耦合過程的協(xié)同仿真研究。學(xué)科領(lǐng)域的仿真，功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高，領(lǐng)域間存在著大量的耦合與交互關(guān)系，其中一些涉及領(lǐng)域間交互的復(fù)雜仿真問題需要多個學(xué)科領(lǐng)域的仿真模型、軟件相互協(xié)作共同完成。協(xié)同仿真不需要拆散一個系統(tǒng)，應(yīng)保持其全貌，使得對系統(tǒng)的分析、設(shè)計和評價過程盡可能地接近人們認識系統(tǒng)的方法和習(xí)慣；使得分析、設(shè)計、實現(xiàn)系統(tǒng)的方法學(xué)（原理）與人們認識客觀世界的過程盡可能一致。

本文結(jié)合臨近空間飛行器的各領(lǐng)域模型研究成果，開發(fā)了一套能夠綜合考慮各學(xué)科子系統(tǒng)多場耦合作用的跨學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)同建模與仿真的平臺，實現(xiàn)基于HLA的臨近空間高超聲速虛擬飛行仿真試驗，為系統(tǒng)總體性能分析與驗證提供有效的技術(shù)途徑。

1臨近空間飛行器虛擬試驗系統(tǒng)

如圖1所示，本文開發(fā)的臨近空間飛行器虛擬試驗軟件系統(tǒng)針對結(jié)構(gòu)、強度、控制系統(tǒng)、載荷、熱環(huán)境、氣動力等幾個領(lǐng)域的模型，提供其與協(xié)同仿真支撐環(huán)境相鏈接的高層模型轉(zhuǎn)換方法來建立起聯(lián)邦對象模型，并結(jié)合上述模型仿真計算所基于的ABAQUS、MSC、ANSYS、MATLAB/SIMULINK、FORTRAN等計算工具研制的仿真軟件，并提供仿真適配器與領(lǐng)域模型仿真工具的聯(lián)結(jié)，提供各組成邦員之間數(shù)據(jù)交換的約定，統(tǒng)一各邦員之間可見的仿真對象及屬性，定義交互類，按照對象模型模版格式創(chuàng)建，描述邦員間互操作的約定。

圖1  臨近空間飛行器虛擬試驗系統(tǒng)及異構(gòu)仿真模型集成方法

各領(lǐng)域仿真模型與應(yīng)用軟件通過異構(gòu)仿真模型的協(xié)同集成軟件系統(tǒng)與仿真運行平臺相鏈接。協(xié)同集成軟件系統(tǒng)與仿真運行平臺均按照高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture, HLA）接口規(guī)范建立的，是HLA協(xié)同仿真系統(tǒng)進行分層管理控制的工具，也是進行臨近空間仿真技術(shù)研究的立足點。HLA期望通過提供一個采用標準的方法解決聯(lián)邦模式仿真中存在的固有問題，支持對應(yīng)用系統(tǒng)的即插即用；支持對未來新技術(shù)的充分兼容與應(yīng)用；支持對不同仿真應(yīng)用的重用，實現(xiàn)聯(lián)邦的快速組合與重新配置；支持用戶協(xié)同地開發(fā)復(fù)雜仿真應(yīng)用系統(tǒng)，并最終降低開發(fā)新應(yīng)用系統(tǒng)的成本和時間?；贖LA的軟總線式協(xié)同仿真模式克服了其它協(xié)同仿真模式的不足，在開放性、靈活性和通用性上都具有很大的優(yōu)勢。

2 協(xié)同仿真運行平臺

為便于描述飛行器系統(tǒng)仿真內(nèi)部邏輯，明確多學(xué)科協(xié)同仿真運行平臺的規(guī)劃、設(shè)計、實施和運行，并提供一個完整通用的參考結(jié)構(gòu)，需要首先從系統(tǒng)的角度對其進行分析和描述。如圖2所示的仿真運行框架中，三層體系結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)、服務(wù)與應(yīng)用分離開來，便于各種應(yīng)用軟件，包括商用仿真軟件的集成，保證了整個系統(tǒng)的靈活性和開放性。

仿真運行服務(wù)主要需解決：互操作問題，如何由最高層的應(yīng)用互操作映射到最底層的網(wǎng)絡(luò)互操作，以保證整個運行過程的可行性；時間同步問題，如何保證多學(xué)科協(xié)同仿真系統(tǒng)能夠正確的順利的向前推進，并提供相應(yīng)的容錯機制；運行管理問題，如何實現(xiàn)對協(xié)同仿真運行過程進行有效的監(jiān)視和控制，以增強整個系統(tǒng)的可操作性，實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試、自動優(yōu)化、用戶交互等復(fù)雜操作。

圖2  虛擬飛行仿真運行平臺

協(xié)同仿真運行管理器符合HLA1516標準規(guī)范，從整體角度對協(xié)同仿真系統(tǒng)進行運行管理，包括仿真運行支撐軟件的啟動/停止，協(xié)同仿真聯(lián)邦的創(chuàng)建/撤銷、仿真進程的啟動/暫停/恢復(fù)/完成等等。協(xié)同仿真運行管理器基于交互類通信機制，對協(xié)同仿真系統(tǒng)的運行過程進行管理。主要用戶界面。仿真運行監(jiān)控器提供對聯(lián)邦成員的行為的實時監(jiān)控功能，實現(xiàn)仿真過程的可視化并反饋給網(wǎng)絡(luò)中的各個設(shè)計節(jié)點，使得仿真過程更加直觀，實時顯示仿真聯(lián)邦的狀態(tài)，便于用戶進行監(jiān)視，與仿真運行管理器共同通過相應(yīng)的權(quán)限管理機制來保證系統(tǒng)的安全性。

仿真運行服務(wù)集的核心是仿真引擎，動態(tài)載入不同仿真任務(wù)相關(guān)的仿真模型后，形成相應(yīng)的仿真應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)行為調(diào)度的形式化和可視化。支持模型的直接連接與快速運行，非編譯模式構(gòu)建系統(tǒng)。仿真引擎基于有限狀態(tài)機算法實現(xiàn)了系統(tǒng)對模型行為的形式化調(diào)度。

3 虛擬飛行試驗

基于本文虛擬試驗軟件平臺進行臨近空間飛行器虛擬飛行試驗過程如圖3所示。

圖3 飛行段每幀的仿真時序和數(shù)據(jù)流

在全系統(tǒng)的協(xié)同仿真試驗階段，所有的模型都參與了仿真試驗，能夠充分反映臨近空間飛行器飛行過程 中各學(xué)科的相互耦合關(guān)系，能夠完成全程虛擬飛行，具備實現(xiàn)驗證總體參數(shù)的合理性，驗證各學(xué)科模型與虛擬試驗系統(tǒng)的匹配性，對真實飛行試驗進行預(yù)示，并指導(dǎo)飛行決策和飛行試驗方案設(shè)計。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)航天飛行器系統(tǒng)不同，臨近空間飛行器全程飛行的總體性能分析與驗證問題非常復(fù)雜，進行各相關(guān)學(xué)科、領(lǐng)域的一體化協(xié)同仿真來完成虛擬飛行試驗是必要的途徑。本文開發(fā)了基于HLA的臨近空間飛行器虛擬試驗系統(tǒng)軟件并建立了虛擬飛行試驗方法，基于協(xié)同仿真適配器和高層模型轉(zhuǎn)換算法提出實現(xiàn)異構(gòu)模型協(xié)同集成的技術(shù)，介紹了所提出體系中仿真運行平臺和支撐平臺的構(gòu)建方法，所提虛擬飛行試驗方法既可體現(xiàn)該復(fù)雜系統(tǒng)的整體性，又有效地重用了現(xiàn)有的信息資源，完成臨近空間飛行器全程飛行的總體性能驗證，符合目前尖端飛行器系統(tǒng)虛擬驗證的發(fā)展趨勢。

篇2

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；除塵；系統(tǒng)

1 引言

紡織工業(yè)是我國的傳統(tǒng)工業(yè)，我國是世界最大的紡織品、服裝生產(chǎn)國，又是最大的出口國，擁有近1300萬噸纖維資源和占世界1/4的纖維加工體系。進入21世紀以來，我國紡織工業(yè)發(fā)展很快，主要技術(shù)經(jīng)濟指標連年以兩位數(shù)增長。我國紡織工纖維加工量達2000萬噸，占世界纖維加工總量的30%。中國紡織服裝業(yè)己成為全球紡織服裝供應(yīng)鏈中的重要環(huán)節(jié)。

紡織工藝是將紡織纖維加工成紗、線和紡織品的過程。棉紡在紡織工業(yè)中占有重要地位。紡紗過程的流程為：開清―梳棉―并條―粗紗―細紗―后加工工程，根據(jù)紗線產(chǎn)品的要求不同可能還要增加條卷、精梳等工藝過程。其中生產(chǎn)中的細紗車間是紡紗過程的成品車間，此處紗線的物理特性及結(jié)構(gòu)不再發(fā)生根本性的變化，對整個紡織生產(chǎn)和產(chǎn)品的質(zhì)量起著承前啟后的作用。

隨著工業(yè)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，我國大氣污染嚴重，空氣中分布著很多微細的油煙和碳黑顆粒。當(dāng)這些微細顆粒物在細紗車間的空氣中達到一定濃度時，就會使細紗表面呈現(xiàn)灰黑色，出現(xiàn)了不同程度的“煤灰紗”現(xiàn)象。其中尤以細支紗、化纖紗比較嚴重。嚴重困擾著紡織企業(yè)的生產(chǎn)，給紡織企業(yè)造成了很大的經(jīng)濟損失，成為困繞紡織廠產(chǎn)品質(zhì)量的一人生產(chǎn)難題。

國內(nèi)紡織行業(yè)多年來對此進行了大量研究，采取了相應(yīng)的治理措施，但都不能同時滿足高效、經(jīng)濟，又使用維護方便的要求，故仍未得到徹底解決。

基于上述背景，設(shè)計了“紡織廠物聯(lián)網(wǎng)格智能除塵系統(tǒng)”，旨在降低紡織廠維護成本和工人患職業(yè)病的概率。

2 總體設(shè)計

如圖1所示，為紡織廠物聯(lián)網(wǎng)格智能除塵系統(tǒng)工作原理圖：

除塵系統(tǒng)采用“地車-空飛”模式。采用三個四軸飛行器對空中單位空間濃度超標的地方進行定位工作，具體實施是將整個生產(chǎn)車間進行立體網(wǎng)格劃分，等分成若干個小空間，建立空間坐標系，而三個飛行器則通過相應(yīng)傳感器進行空間坐標系中X、Y、Z三軸定位，如果判斷出該空間雜塵濃度超標，則確定該單位網(wǎng)格的具體空間位置，如果未超標則繼續(xù)確定一下個網(wǎng)格。確定位置后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬷悄苄≤?，小車依?jù)坐標數(shù)據(jù)，確定優(yōu)化路線，而后達到指定位置展開吸塵工作，當(dāng)被處理的網(wǎng)格雜塵濃度合格后，則停止并等待一個待處理坐標數(shù)據(jù)。

3 基本功能

紡織廠物聯(lián)網(wǎng)格智能除塵系統(tǒng)的基本功能在于定向清除紡織廠中由于生產(chǎn)作業(yè)而產(chǎn)生的雜塵。該系統(tǒng)主要由空中四軸飛行器和地面智能小車構(gòu)成。形成“地車-空飛”模式下的“定位-清理”雜塵處理系統(tǒng)。

空中選用三個四軸飛行器，飛行于紡織廠機器設(shè)備上部空間，從而形成立體空間網(wǎng)格下三點定位格局，通過飛行器上攜帶的異質(zhì)傳感器來分析判斷三個飛行器所定位的網(wǎng)格中雜塵的濃度是否超過所設(shè)定的閾值，如果所定位的空間網(wǎng)格中雜塵的濃度超標，則通過三個飛行器的定位功能，將網(wǎng)格的坐標數(shù)據(jù)發(fā)送至地面智能小車，從而引導(dǎo)小車定向清理空中雜塵。飛行器及吸塵小車示意圖如圖2所示。

4.總結(jié)

“煤灰紗”的產(chǎn)生嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，在織造工藝中使用“煤灰紗”會在自坯布表面形成很多不規(guī)則的密集性、連續(xù)性黑色條紋，較難洗凈。因此坯布不能用于漂白或進行淺色加工，給棉紡廠和后加工企業(yè)造成很大的經(jīng)濟損失。經(jīng)粗略統(tǒng)計，有廠家每年由此造成的損失近百萬元之多。由于“煤灰紗”對坯布的質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影響，在空氣污染嚴重時，落半紗甚至更少，有的紡紗廠被迫停產(chǎn)，以避免“煤灰紗”造成更大的損失?！懊夯壹啞毕拗屏似髽I(yè)的生產(chǎn)能力，降低了產(chǎn)品的市場競爭力。

隨著紡織工業(yè)的發(fā)展，人們對紡織紡織品的質(zhì)量要求越來越來高。紡織廠對車間環(huán)境空氣質(zhì)量提出了更高的要求，本創(chuàng)作從系統(tǒng)角度探索了解決細紗車間“煤灰紗”的控制問題，對改進車間的工作環(huán)境和提高產(chǎn)品質(zhì)量有著很大的指導(dǎo)意義。

參考文獻

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篇3

關(guān)鍵詞：空氣動力學(xué)；教學(xué)方法；引導(dǎo)式教學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）23-0170-02

一、“空氣動力學(xué)”課程的特點

“空氣動力學(xué)”是飛行器設(shè)計與工程專業(yè)的一門專業(yè)主干課程。主要介紹飛行器在空氣中的受力規(guī)律、理論方法和分析方法，是飛行器總體設(shè)計和飛行力學(xué)等專業(yè)課程的前導(dǎo)課；另一方面，在學(xué)校相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計劃中，該門課程開設(shè)于第5學(xué)期（大三上學(xué)期），學(xué)生首次進行專業(yè)課學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)成效也決定了后續(xù)學(xué)習(xí)的興趣和動力。除了上述重要意義外，課程還具有如下兩個主要特點：

1.抽象性強?？諝饪床灰娨裁恢瑑H僅依靠定性方法來描述是遠遠不夠的，因此該門課程中引入了大量的定量分析方法和概念，如全微分、偏微分、旋度、散度、渦、熵、焓等，由于要和實際問題掛鉤，其難度應(yīng)該說要遠大于大一和大二學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)和物理課程。學(xué)生容易出現(xiàn)畏難、不知如何入手的問題。

2.與航空發(fā)展史密切相關(guān)。自萊特兄弟1903年發(fā)明飛機以來，航空發(fā)展歷史僅百年有余，空氣動力學(xué)和飛行器設(shè)計聯(lián)系非常密切，因此其實質(zhì)的發(fā)展幾乎與航空發(fā)展步伐一致。大多數(shù)教材都是根據(jù)航空發(fā)展歷程，逐步引入空氣動力學(xué)研究方法。學(xué)生盡管在前期學(xué)習(xí)過《航空航天技術(shù)基礎(chǔ)》，但限于學(xué)時和課程的概述性質(zhì)，很難建立起航空史各個階段的全貌，可能出現(xiàn)的一個問題是：知識容易被碎片化處理，學(xué)習(xí)不得要領(lǐng)。要從技術(shù)發(fā)展史上去理解，需要對原有知識做適當(dāng)回顧，并給出更具體的技術(shù)理解。

二、引導(dǎo)式教學(xué)方法及應(yīng)用策略

引導(dǎo)式教學(xué)是指通過課堂上的討論，通過設(shè)定問題引出需要講解的內(nèi)容、方法和知識點，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使教師和學(xué)生面對面地交換信息、想法和意見，與單向傳授式教學(xué)方法相比，可給學(xué)生提供另一種接受知識和深入理解知識的途徑[1]。目前已在大學(xué)工科課程中得到了較多的應(yīng)用[2-4]，但應(yīng)用于空氣動力學(xué)課程的相對很少[5]。

引導(dǎo)式教學(xué)還具有發(fā)揮空間大、互動性強的特點。由于問題本身是開放式的，學(xué)生不必拘泥于具體的公式模型去討論問題，而是可以選擇適合自己特點的語境。教師在引導(dǎo)過程中可以了解到學(xué)生的認知程度和知識儲備情況，從而更有針對性地講解。

教師在課堂講授時，常采用自由表達式和案例式兩種引導(dǎo)式教學(xué)方法，即或者要求學(xué)生針對抽象概念，用自己的語言給出描述；或者以航空史上某一案例出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識與實際應(yīng)用建立聯(lián)系，并解釋出公式或者概念的來龍去脈。

三、應(yīng)用舉例

1.當(dāng)?shù)丶铀俣群瓦w移加速度。在使用歐拉法表示流體微團的加速度時，有如下公式[6]：

其中等式右端第一項為當(dāng)?shù)丶铀俣?，而后?項均稱為遷移加速度。教科書上對當(dāng)?shù)丶铀俣群瓦w移加速度的解釋是：當(dāng)?shù)丶铀俣葹榱黧w微團在空間點（x，y，z）處，其速度隨時間的變化率，而遷移加速度是由于流體微團流向速度不相同的鄰點而出現(xiàn)的速度變化率。由上述表達式和解釋可見，概念的抽象性較強，對學(xué)生的理解能力要求較高。因此，在課堂上，教師提出一個引導(dǎo)式問題：用自己的語言說說對當(dāng)?shù)丶铀俣群瓦w移加速度的理解。學(xué)生們進行了熱烈的討論，其中有一位同學(xué)給出的理解是：流體微團就像是一塊大的積木組合，可以將積木的“體積”理解為速度u，若運動時積木個數(shù)不變，變化的是組合方式，則在A點是個正方體，在B點就變成了底部面積增大而高度減小的長方體，“體積”的變化引發(fā)的三個坐標軸方向上的速度變化就對應(yīng)遷移加速度；若在流場某點，如C處，在積木組合上又人為放置了一塊積木，導(dǎo)致總“體積”增大，此時積木“體積”的變化率與運動變化無關(guān)，與空間點C點的位置有關(guān)，因此稱為當(dāng)?shù)丶铀俣?。?dāng)?shù)丶铀俣热舨粸榱悖瑒t流體為非定長流，這在自然界也有實例，比如均勻的河流中出現(xiàn)一處噴泉，則噴泉所在點即可產(chǎn)生當(dāng)?shù)丶铀俣鹊男?yīng)。

2.激波阻力。阻力是空氣動力學(xué)研究的一個重點問題，也是飛行器設(shè)計時的一個難點。圖1上給出了典型飛機的阻力系數(shù)隨飛行馬赫數(shù)的變化曲線，由圖可見，在跨聲速階段（Ma=1左右）阻力將出現(xiàn)最大值。然而，若僅僅給出這一結(jié)論，學(xué)生由于沒有設(shè)計經(jīng)驗，理解效果一般。為此，在講授這一知識點時，給出了朝鮮戰(zhàn)爭時期作戰(zhàn)雙方的兩個主力機種：美國的F-86和前蘇聯(lián)的米格-15（如圖2所示），引導(dǎo)學(xué)生從專業(yè)的角度去分析兩架飛機的優(yōu)缺點。

這是一個開放式的問題，學(xué)生給出的答案五花八門，其中與性能聯(lián)系最緊密的有兩個：①機翼的后掠角：米格15大于F-86；②平尾與機翼的相對高度：米格15的平尾位置明顯高于F-86。后掠角可以減小臨界馬赫數(shù)，平尾位置對飛機性能又有什么影響呢？同時也給出了提示：米格15在沖刺加速時容易出現(xiàn)機頭上仰，甚至導(dǎo)致墜機事件。學(xué)生們展開了熱烈的討論，最后給出的結(jié)論是：平尾位置過高，則跨聲速時阻力劇增；與機翼不同的是，平尾阻力的作用線與質(zhì)心位置較遠，產(chǎn)生了較大的抬頭力矩，若飛行員處置不當(dāng)，有可能會引起機頭上仰。接著教師又拋出第二個問題：米格15在朝鮮戰(zhàn)爭期間的綜合表現(xiàn)應(yīng)該是超出，或者至少不低于F-86的性能，既然米格15存在平尾位置較高的缺點，它又在哪一方面存在明顯的優(yōu)勢？學(xué)生很快給出了答案：米格15的后掠角大于F-86，這也意味著較小的跨聲速和超聲速激波阻力。

經(jīng)過這些討論，學(xué)生們結(jié)合飛機實例，不僅對理論知識點有了較為深刻的認識，也認識到飛機設(shè)計沒有最佳答案，從空氣動力學(xué)的角度看都存在很多需要權(quán)衡的地方。這也為他們進行課外制作，以及后續(xù)的“飛行器總體設(shè)計”課程學(xué)習(xí)打下了一定基礎(chǔ)。

四、結(jié)論和展望

為了解到學(xué)生對于引導(dǎo)式教學(xué)方法的接受程度，除課堂互動和期末考試外，主要通過兩種方式獲取學(xué)生反饋――面談、課堂作業(yè)（涉及到重要的抽象概念時，均要求學(xué)生用自己的語言給出理解和解釋，并提出對課程的建議意見）。學(xué)生的總體反饋較好，絕大多數(shù)學(xué)生克服了畏難心理，對知識點的理解不再是摘錄教科書上的文字和答案，而是結(jié)合生活實踐或者飛機實例（學(xué)校景觀區(qū)有4架退役飛機）給出理解。為了檢驗教學(xué)效果，在期末考試時，設(shè)置的試題也有開放式的，例如給出一架典型的飛機，要求學(xué)生用所學(xué)知識分析其空氣動力學(xué)設(shè)計的特點。由于此類題目并無固定答案，只能靠平時的積累，學(xué)生的答案都不盡相同，但均是基于所學(xué)知識的發(fā)揮，這說明學(xué)生不僅掌握了相關(guān)概念，更重要的是，將書本知識和飛機設(shè)計聯(lián)系起來，初步具備了面向?qū)嵺`的航空工程師意識。

空氣動力學(xué)課程還設(shè)置有一定的實驗學(xué)時，實驗項目具有直觀、易懂的特點，不僅可印證理論，還可與理論抽象、嚴謹?shù)奶攸c進行互補。因此，除了在課堂上采用引導(dǎo)式教學(xué)方法外，還可嘗試合理設(shè)置和優(yōu)化實驗項目，進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和能動性。此項工作正在進行中。

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篇4

關(guān)鍵詞：安全避障 紅外 毫米波雷達 吊艙 直升機

中圖分類號：TN958.98 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0056-04

隨著輸電高壓等級的不斷提高，輸電線路的巡線作業(yè)的安全、穩(wěn)定、高效運行越來越重要。隨著我國電網(wǎng)工程的不斷發(fā)展，超高壓、特高壓輸電線路將覆蓋全國，輸電線路距離長、沿線地形復(fù)雜、輸電線路塔體很高，傳統(tǒng)人工巡線方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對山區(qū)和跨越大江大河的輸電線路的巡查，以及在冰災(zāi)、水災(zāi)、地震、滑坡、夜晚期間巡線檢查，所花時間長、人力成本高、困難大，某些線路區(qū)域和某些巡檢項目人工巡查方法目前還難以完成。

針對上述問題，國內(nèi)外已開始轉(zhuǎn)向基于直升機或無人機的網(wǎng)巡作業(yè)方式，效率是地面人工巡視的20～30倍，為提升輸電線路巡視效率，推進輸電設(shè)備精益化管理，全網(wǎng)輸電線路直升機巡視的作業(yè)需求日益迫切，該方式可及時發(fā)現(xiàn)人工巡視肉眼難以發(fā)現(xiàn)的缺陷，有力保障輸電線路運行安全水平。直升機在行進過程中主要靠人工識別飛機周邊障礙物情況，但在特殊情況或角度下，例如雨、霧、煙塵或其它復(fù)雜環(huán)境時，地面操控人員或機上駕駛?cè)藛T很難判別周邊環(huán)境，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)生多起飛行器碰撞墜毀事故，因此，飛行器避撞技術(shù)是直升機網(wǎng)巡作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。為此，該文介紹一種基于紅外視頻與雷達一體化吊艙的直升機安全避障系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的具體設(shè)計方案及其主要性能指標，可為其它用途直升機或無人機的安全避障系統(tǒng)設(shè)計提供參考意義。

1 安全避障系統(tǒng)方案分析及總體設(shè)計

1.1 方案分析

紅外成像和毫米波雷達測距技術(shù)均是常見的兩種避障手段，但具有各自的優(yōu)缺點：（1）紅外成像技術(shù)是基于物體表面熱輻射的原理進行無接觸溫度測量、熱狀態(tài)分析、熱輪廓描述，可在夜間及惡劣氣候條件下進行目標監(jiān)控、溫度感知監(jiān)控、偽裝及隱蔽目標識別、物體距離及輪廓描述，但由于探測效果不隨周圍光照條件的變化而變化，紅外成像技術(shù)無法實現(xiàn)較遠距離的監(jiān)控；（2）毫米波雷達測距技術(shù)可進行遠距離測距，且具有抗干擾能力強、指向性強、測量精度較高、小型化等優(yōu)點，適合作為直升機的自主避障系統(tǒng)傳感器，但由于毫米波雷達只能探測平行距離，無法描述目標對象的輪廓和對象在視場中的角度。

基于紅外成像和毫米波雷達測距技術(shù)的特性分析，本文將紅外成像技術(shù)和毫米波測距雷達技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建紅外視頻與雷達一體化安全避障系統(tǒng)，充分發(fā)揮紅外輪廓成像和雷達遠距離測距的優(yōu)勢。其中機載紅外吊艙作為避障系統(tǒng)的主傳感器，毫米波雷達測距系統(tǒng)作為安全避障系統(tǒng)的輔助傳感器。

1.2 方案總體設(shè)計

直升機紅外巡線吊艙安全避障系統(tǒng)主要由紅外巡線吊艙、5路毫米波雷達空間測距、主控計算機、駕駛員指示屏及專用電纜等組成，如圖1所示。其中，毫米波雷達測障系統(tǒng)安裝在機體四周，紅外吊艙安裝于機體下方，主控計算機安裝于駕駛室或由艙內(nèi)人員攜帶。

當(dāng)直升機進行巡邏時，空間毫米波雷達測障系統(tǒng)負責(zé)實時監(jiān)測前、后、左、右及地面高度五個方向的空間障礙物信息，并將數(shù)據(jù)傳輸至主控計算機；此外主控計算機在采集紅外視頻信息的同時接收測障系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過角度計算確認包絡(luò)紅外吊艙當(dāng)前指向的測距子系統(tǒng)并將其測距數(shù)據(jù)疊加至視頻圖像輸出。系統(tǒng)通過結(jié)合5路毫米波雷達測距子系統(tǒng)組成的測距傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)空間測障功能，同時采集機載紅外吊艙的視頻信號，以“圖形+數(shù)據(jù)”方式實時展示當(dāng)前5方向的空間障礙物狀態(tài)。當(dāng)直升機與障礙物距離過近時，以聲、光告警的方式提醒飛行員注意避讓。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

紅外視頻與雷達一體化安全避障系統(tǒng)如圖2所示。

2.1 毫米波雷達空間測距系統(tǒng)設(shè)計

毫米波防撞測距系統(tǒng)可顯示各障礙物離飛行器的距離、方位、角度，可對各類障礙物的類別進行評估，完成飛行器的合理避障。系統(tǒng)包含有五路毫米波防撞測距子系統(tǒng)，分別監(jiān)測前、后、左、右及高度五個方向的障礙物狀況，實時輸出動態(tài)條件下飛行器與四周環(huán)境障礙物之間的距離，如圖3所示。

5路毫米波防撞測距子系統(tǒng)作為從傳感器節(jié)點通過RS422/RS485總線與計算機組網(wǎng)，由計算機點名實現(xiàn)測距數(shù)據(jù)輪詢輸出實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。組網(wǎng)方式為一主+多從，即主控計算機為總線主設(shè)備，其余測距子系統(tǒng)為從設(shè)備。毫米波雷達測距系統(tǒng)不主動向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，主控計算機向總線廣播數(shù)據(jù)請求指令，指令中包含對應(yīng)請求對象傳感器的地址，當(dāng)測距子系統(tǒng)檢測到廣播指令中的地址與自身地址匹配一致后，向總線發(fā)出自身的測量數(shù)據(jù)，否則不回應(yīng)廣播數(shù)據(jù)請求指令，以此實現(xiàn)主控計算機對網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)輪詢。

2.2 紅外巡線吊艙信號處理系統(tǒng)設(shè)計

由于系統(tǒng)需要接入PCI/PCI-E擴展的視頻卡及數(shù)據(jù)通訊卡，普通筆記本電腦無法滿足要求，一般工控機體積過于龐大且需外部供電。綜合兩方面考慮，主控計算機采用通用X86架構(gòu)的便攜式加固工作站并外擴擴展塢及PCI接口功能板卡的方式實現(xiàn)。加固型工作站具有很好的防水、防摔及抗震性，可靠性高，適合野外或機載條件下的使用。紅外巡線吊艙信號處理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)及接口數(shù)據(jù)流如圖4所示。

2.3 視頻采集卡

視頻采集卡采用?？低旸S-4300系列高清編碼卡，暫選型號為DS-4304HFH-E。性能特點及部分指標如下：PCI-E接口，更高數(shù)據(jù)帶寬；產(chǎn)品運行可靠穩(wěn)定；高性能低功耗；實時完成視頻和音頻壓縮，不丟幀；可設(shè)置編碼的幀格式；可設(shè)置圖像質(zhì)量和碼率；支持OSD、LOGO疊加和區(qū)域屏蔽提供完整SDK開發(fā)包；支持Windows XP、Linux操作系統(tǒng)。

2.4 數(shù)據(jù)通訊卡

數(shù)據(jù)通訊卡選型為宇泰UT-712 485/422光電隔離轉(zhuǎn)換卡，PCI轉(zhuǎn)2路RS-485/422。性能指標如下：PCI總線：32位；傳輸速率：高達115.2kbps；流控制：RTS/CTS XON/XOFF；工作溫度：0℃～70℃；光電隔離：隔離電壓2500 Vrms；接口保護：600 W浪涌保護、±15 kV靜電保護；傳輸距離：高達1200 m；支持系統(tǒng)：Windows XP、Linux驅(qū)動。

2.5 紅外視頻與雷達數(shù)據(jù)聯(lián)動設(shè)計

系統(tǒng)軟件集成紅外吊艙的控制接口及指令，用于同紅外吊艙的通訊及雙向控制，在某些設(shè)定條件下用戶可通過系統(tǒng)軟件對紅外吊艙的進行手動或自動控制，亦可由紅外吊艙的某些狀態(tài)自動觸發(fā)系統(tǒng)軟件的特定功能，如自動啟動視頻錄像。

紅外視頻與雷達數(shù)據(jù)聯(lián)動數(shù)據(jù)流示意圖如圖5所示。以主控計算機及系統(tǒng)軟件為中心實現(xiàn)子系統(tǒng)之間的通訊數(shù)據(jù)往來；以機載紅外吊艙俯仰角及方位角輸出信息為參考動態(tài)切換與當(dāng)前紅外攝像頭指向?qū)?yīng)的某一臺毫米波雷達測距系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)疊加進視頻窗口；通過選定某一指向的毫米波雷達測距系統(tǒng)，控制機載紅外吊艙調(diào)整攝像頭的俯仰角及方位角使二者法向一致；以某一距離最小值為告警閾值，由毫米波雷達測距系統(tǒng)輸出值通過系統(tǒng)軟件自動觸發(fā)紅外吊艙收回鏡頭，防止設(shè)備受損；以某一距離最小值為工作閾值，由毫米波雷達測距系統(tǒng)輸出值通過系統(tǒng)軟件自動觸發(fā)紅外視頻錄像及拍照。

2.6 主控計算機選型

便攜式加固工作站選型為神基科技GETAC X500，部分技術(shù)指標如下：全鎂鋁合金機殼，可防水、防塵、抗震耐摔；英特爾高性能處理器（酷睿i5-520M）；15寸陽光下可讀的多點觸控顯示屏；離散圖形控制器NVIDIA GeForce GT330M；整機可夜視功能，可插拔防震硬盤、多媒體擴展艙和PCI/PCIe擴充槽；電池板續(xù)航時間大于10 h。

2.7 電磁兼容性設(shè)計

結(jié)合直升機及其電子系統(tǒng)的電磁環(huán)境的特點，按照技術(shù)規(guī)范對電磁環(huán)境適應(yīng)性的要求，從系統(tǒng)布局、內(nèi)部布線、電磁屏蔽加固、電路板設(shè)計、元器件選擇等方面進行電磁兼容設(shè)計。采取的措施有：在電源輸入端加EMC電源濾波器；輸入、輸出插頭座采用電磁屏蔽插頭座；采取強度弱信號相互隔離，避免強信號對弱小信號的干擾；產(chǎn)品布線時，對于如電機電源等高頻、強信號，工藝上采取正負級絞接地方法布線；在PCB設(shè)計時，采用多層板，設(shè)計專門電源層，吸收板上器件的電磁輻射；所有分系統(tǒng)內(nèi)部的干擾源或敏感器進行電磁屏蔽設(shè)計。作為屏蔽體的外殼選用導(dǎo)電性能良好的金屬材料，接口處的表面處理采用導(dǎo)電氧化處理，保證各屏蔽體良好連接，消除漏磁縫隙，以提高屏蔽效能。嚴格控制屏蔽體開口、孔洞、縫隙的數(shù)量、位置和大小，盡量避免降低屏蔽效能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 工作模式

基于紅外視頻與雷達一體化吊艙的安全避障系統(tǒng)工作狀態(tài)分為自檢階段和工作階段：

（1）自檢階段。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進行初始化并自檢，自檢內(nèi)容有：通過數(shù)據(jù)通訊端口接收紅外吊艙系統(tǒng)狀態(tài)信息，判斷吊艙是否進入正常工作狀態(tài)；通過對5路毫米波雷達測距系統(tǒng)分別進行點名及數(shù)據(jù)讀取，判斷各個雷達測距系統(tǒng)是否進入正常工作狀態(tài)；視頻采集卡檢測，判斷視頻采集卡通道是否正常打開，對應(yīng)視頻信號接入正常；錄像區(qū)硬盤空間檢測，確認錄像區(qū)硬盤剩余空間充足。

（2）工作階段。工作階段系統(tǒng)啟動如下功能有：實時接收各方向測距信息，動態(tài)展示空間障礙物狀態(tài)；響應(yīng)使用人員的操作；直升機進入與障礙物的危險距離后系統(tǒng)自動進行聲光告警；觸發(fā)自動錄像及拍照，觸發(fā)條件需與用戶進一步協(xié)商。

3.2 軟件開發(fā)設(shè)計

軟件采用可視化集成開發(fā)環(huán)境Visual Studio開發(fā)，語言為C++；調(diào)用單機數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Microsoft Access進行后臺數(shù)據(jù)維護，數(shù)據(jù)庫查詢控制語言為SQL，并集成調(diào)用視頻采集卡、數(shù)據(jù)通信卡等硬件設(shè)備的底層SDK，軟件開發(fā)層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

系統(tǒng)軟件運行環(huán)境即操作系統(tǒng)為微軟Windows 7或Windows xp，軟件運行兼容32位和64位操作系統(tǒng)。軟件主界面基于Microsoft MFC單文檔應(yīng)用程序模板SDI開發(fā)，基本界面示意圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)性能測試及性能指標

4.1 環(huán)境適應(yīng)性測試

（1）高溫工作：將系統(tǒng)放入溫度試驗箱，當(dāng)溫度上升到+55℃溫度時，保持2 h后，對系統(tǒng)進行功能檢查，檢測結(jié)果為：工作正常。

（2）高溫存儲：將系統(tǒng)放入溫度試驗箱，當(dāng)溫度上升到+65℃溫度時，保持2 h后，待系統(tǒng)恢復(fù)到常溫進行功能檢查，檢測結(jié)果為：工作正常。

（3）低溫工作：將系統(tǒng)放入溫度試驗箱，當(dāng)溫度上升到-20℃溫度時，保持2 h后，對系統(tǒng)進行功能檢查，檢測結(jié)果為：工作正常。

（4）低溫存儲：將系統(tǒng)放入溫度試驗箱，當(dāng)溫度上升到-40 ℃溫度時，保持2 h后，待系統(tǒng)恢復(fù)到常溫進行功能檢查，檢測結(jié)果為：工作正常。

（5）溫度沖擊檢驗：將系統(tǒng)置入溫度沖擊試驗箱的低溫箱內(nèi)將箱內(nèi)溫度降到-40 ℃保持2 h，然后在1 min的時間內(nèi)將系統(tǒng)移入溫度為+55 ℃的高溫箱內(nèi)保持2 h，然后將溫度恢復(fù)到常溫進行功能檢查，檢測結(jié)果為：工作正常。

（6）溫度-高度檢驗：將系統(tǒng)放置在試驗箱內(nèi)，將試驗箱內(nèi)的大氣壓力降到75.2 kPa，同時將試驗箱內(nèi)溫度在低溫-20 ℃和高溫+50 ℃進行循環(huán)（在低溫-20 ℃和高溫+55 ℃的保持時間分別為1 h），進行1個周期的循環(huán)。試驗后進行功能檢查，檢測結(jié)果為：工作正常。

（7）電磁兼容檢驗：按《GB/T17626.2 電磁兼容靜電放電抗擾度試驗》和《GB/T17626.6電磁兼容工頻磁場抗擾度》進行試驗，檢測結(jié)果為：工作正常。

4.2 系統(tǒng)性能指標

系統(tǒng)性能指標如表1所示。

5 結(jié)論

為解決智能電網(wǎng)直升機網(wǎng)巡作業(yè)在復(fù)雜環(huán)境下的安全避障問題，該文提出了一種基于紅外和雷達一體化吊艙的飛行器避障技術(shù)，充分結(jié)合紅外成像和毫米波雷達分別在目標對象輪廓及視場角度感知和遠距離監(jiān)控探測方面的優(yōu)勢；完成了基于紅外和5路毫米波雷達空間測距的吊艙系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件系統(tǒng)開發(fā)。通過對各種環(huán)境適應(yīng)性試驗結(jié)果分析，避障系統(tǒng)的測距范圍可覆蓋10～1000 m，測距精度可滿足±（1+0.03H） m，距離分辨率不大于1 m，工作頻率在Ku或mm波段，波束寬度為6×6度，輻射功率不小于23 dBm，數(shù)據(jù)更新率為20 ms。飛行試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可滿足直升機電力巡線的避障需求，同時還可對其它用途的直升機/無人機安全避障系統(tǒng)設(shè)計提供參考意義。

參考文獻

[1]徐艷國.直升機防撞雷達關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代雷達，2011（33）：9-13.

篇5

“核動力航天器”這個關(guān)鍵詞，顯示了中國人對于航天探索的更遠大計劃。

中國空間技術(shù)研究院研究員、“嫦娥三號”總設(shè)計師孫澤洲對《望東方周刊》說：“從技術(shù)發(fā)展上來講，如果以后要對比如木星這些距離太陽更遠的行星進行探測，完全依靠太陽能不太現(xiàn)實，這時對空間核動力的應(yīng)用就會有比較大的需求?！?/p>

中國的核動力航天器研發(fā)計劃，自上世紀70年代至今已超過30年。如今，它正在進行對應(yīng)用的最后準備。

中國需要核動力飛船

此前在2013年12月初發(fā)射的“嫦娥三號”，并沒有像早前人們預(yù)料的那樣使用核電池。

孫澤洲說，在“嫦娥三號”的論證過程中，也對是否使用核電池進行過詳細分析和論證，但最終沒有使用，“只是使用了同位素?zé)嵩矗簿褪呛藷嵩??！?/p>

所謂核電池又叫“放射性同位素電池”，它主要通過半導(dǎo)體換能器將同位素在衰變過程中不斷放出的具有熱能的射線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。而熱源只提供熱能?/p>

核電池體積小，硬幣大小就可以具有比普通化學(xué)電池上百萬倍的效能。自上世紀60年代開始，美國在“阿波羅”等計劃中就使用了核電池，2012年抵達火星的“好奇號”火星車上的核電池，據(jù)稱可以使用14年。

2004年，中國原子能科學(xué)研究院正式啟動航天用同位素電池研發(fā)，2006年研制出中國第一顆同位素電池。

不過，與真正的空間核反應(yīng)堆相比，核電池?zé)o論從技術(shù)還是應(yīng)用來講，都已經(jīng)比較成熟。

目前對于中國研發(fā)空間核反應(yīng)堆的最權(quán)威消息，來自2009年國家能源局能源節(jié)約和科技裝備司的信息：中國于20世紀70年代開始空間核反應(yīng)堆的研究工作，后一度中止。

“九五”期間，空間核反應(yīng)堆研究被列入總裝備部預(yù)先研究項目，由原子能院和空間技術(shù)研究院共同承擔(dān)，完成了空間核反應(yīng)堆概念設(shè)計。

“十五”起，中國人開始了空間核反應(yīng)堆初步設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在設(shè)計技術(shù)、制造技術(shù)、試驗技術(shù)以及安全研究等方面均取得一定突破。目前項目處于從技術(shù)設(shè)計到施工設(shè)計的過渡階段，正進行設(shè)備和部件的研制和單項試驗。

當(dāng)時公布的計劃是“2015年完成地面試驗，2020年定型，2025年發(fā)射百千瓦級核反應(yīng)堆試驗星”，進行在軌演示驗證，掌握超大功率空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)。

2014年12月，作為一項公開的科研成果，在中國空間技術(shù)研究院502所和北京空間飛行器總體設(shè)計部合作的“863”課題“核動力航天器總體技術(shù)和安全研究”中，順利完成了“空間大功率核電推進方案”研究工作。

這個課題組提出了載人火星飛船的核動力系統(tǒng)方案，并對核動力飛船在火星的起降進行了設(shè)計與優(yōu)化。

孫澤洲稱，中國目前完全具備火星探測能力，包括運載火箭發(fā)射能力、測控能力等多個方面。

他進一步分析說，即將研制成功的“五號”可以勝任近地小行星、金星、木星的環(huán)繞探測；可以支撐火星的無人著陸探測，但對于火星的采樣返回，則需要比“五號”運載能力更大的火箭。

孫澤洲認為，未來15年內(nèi)中國會有對木星的探測規(guī)劃。而在未來10年內(nèi)，對核動力航天技術(shù)的需求會更加迫切。

同時，他強調(diào)，空間核應(yīng)用的安全性應(yīng)排在第一位?！耙坏┌l(fā)射任務(wù)出現(xiàn)問題，要確保不出現(xiàn)核泄漏?！?/p>

核科學(xué)與技術(shù)專家、中科院院士陳達同樣認為，空間核應(yīng)用安全問題非常重要?！疤K聯(lián)的核能航天器就曾掉下來過，人們就遭殃了?！彼麑Α锻麞|方周刊》說。

諸多難題待解

美國、蘇聯(lián)的核動力航天器曾多次發(fā)生意外，尤為著名的是蘇聯(lián)的核動力衛(wèi)星“宇宙―954”、“宇宙―1402”的核反應(yīng)堆與母體脫離后，助推級發(fā)生故障，沒能把反應(yīng)堆送入預(yù)定軌道。

1978年1月24日，“宇宙―954”的放射性殘骸散落在加拿大北部的無人凍土帶，放射性物質(zhì)污染了地表，加拿大政府評估損失達1200萬美元。

攜帶核動力裝置的蘇聯(lián)雷達偵察衛(wèi)星“宇宙―1402”在1982年12月28日失去控制，好在核動力部分后來在南大西洋中間阿森松島西南上空進入稠密層時燒毀。

陳達說：“國際上一些國家在做空間核動力應(yīng)用方面的研究，也不是一帆風(fēng)順的，這比較復(fù)雜?！?/p>

空間核反應(yīng)堆帶來的大問題體現(xiàn)在核反應(yīng)、核輻射對航天器啟動、調(diào)控、剎車等方面的影響。

尤其對于未來的核動力飛船而言，需要解決核反應(yīng)堆的設(shè)計、制造、控制、冷卻、輻射屏蔽、排氣污染、高效率熱電轉(zhuǎn)換等一系列技術(shù)難題。

特別是核反應(yīng)堆產(chǎn)生的輻射對宇航員的健康會構(gòu)成很大威脅，這就需要飛船必須對核輻射進行屏蔽保護，確保宇航員和船載貨物不受輻射以及來自反應(yīng)堆高熱的影響，但這樣將大大增加探測器的重量。

陳達說，空間核應(yīng)用過程中，核反應(yīng)衰變不存在問題，但在真空、超低溫的環(huán)境下，對核反應(yīng)材料、能量輸送材料有很高的要求。

中國已經(jīng)進行了幾十年的核能研究，為航天核動力研究作了不少鋪墊，“太空中核動力應(yīng)用比地面上復(fù)雜很多，問題是多方面的，主要包括材料問題、技術(shù)問題、轉(zhuǎn)換方式問題、新的組建的問題等多方面問題。具體表現(xiàn)在比如怎樣把核能轉(zhuǎn)換為電能?！彼f。

孫澤洲則認為，從實際應(yīng)用來講，核能的效率、核能的熱排散等方面會有很大挑戰(zhàn)。在地面上核反應(yīng)冷卻較為容易解決，空間核反應(yīng)堆面臨現(xiàn)實的散熱冷卻難題。

而在繞月探測工程、“嫦娥一號”系統(tǒng)總指揮兼總設(shè)計、中國工程院院士葉培建看來，空間核動力的研發(fā)和使用有很多困難。

“地面上使用核能，可以不考慮體積、能耗，冷卻也比較好辦。太空中各種條件都受限制，因此，把核能用到太空中，必須克服空間所帶來的一些問題，比如核元素的體積、功耗等方面。要找出和地面上不同的獲取核動力的方法?！比~培建告訴本刊，中國空間技術(shù)研究院的相關(guān)課題組正在研究這方面的問題。

篇6

NASA對太陽能無人機的研究

用太陽能作為飛機的能源，這種想法由來已久，也有人嘗試過，但真正開始進行型號研制并取得進展卻是近年來的事。美國航空航天局（NASA）經(jīng)過多年的研究之后，提出了一個稱為ERAST（即環(huán)境研究飛機和傳感器技術(shù)）的計劃，實際上就是美國的發(fā)展太陽能無人駕駛飛機計劃。這個計劃一直在秘密實施，直到近來才先后向外界透露了一些情況。

據(jù)介紹，目前這項計劃進展得比較順利，已經(jīng)有四種型號的太陽能無人機樣機先后問世。最早的型號是“探索者”（Pathfinder），其后是稱為“探索者＋”（PathfinderPlus）的改進型，第三種型號叫“百人隊長”（Centurion），最新的型號是“太陽神”（Helios）。

這四種型號的太陽能無人機，都是位于加里福尼亞州的大氣環(huán)境公司所制造，并且先后開始試飛。在試飛中，它們曾創(chuàng)造了兩個方面的記錄：一是首次實現(xiàn)了太陽能動力飛行；二是創(chuàng)造了螺旋槳無人機飛行高度達到20000米以上。這兩項記錄的每一項都意味著太陽能無人機向成功和實用邁出了非常重要的一步。特別是實現(xiàn)了太陽能動力飛行，標志著這種飛行器長時間、長距離的不著陸飛行將成為可能。在理論上，只要不出現(xiàn)機件損壞，它的續(xù)航時間和航程都是無限的。

最先打破這兩項記錄的是“探索者”太陽能無人機。它不但成功地使用了太陽能作為飛機的動力能源，而且能在20000米以上的高空正常使用。在此之前，飛行高度達到20000米以上仍能保持正常飛行的只有為數(shù)不多的幾種飛機，其中包括美國的U－2高空偵察機、前蘇聯(lián)的M－55高空偵察機、美國的SR－71偵察機和最近因失事而全部停飛的法英合作研制的“協(xié)和”號運輸機。況且這些都是噴氣式飛機，而螺旋槳飛機至今無人企及。這主要是因為在這個高度上空氣比較稀薄，只相當(dāng)于火星表面的空氣條件，飛機長時間飛行很困難，也很危險。飛行員要穿著性能非?？煽康目购煞?，發(fā)動機要有良好的高空工作性能，螺旋槳要有在高空使用的能力。對于太陽能無人機來說，由于無人駕駛，因此無須考慮飛行員的生存和工作條件。

要想使飛機能在20000米以上的高空條件下飛行，必須提供足夠的升力。解決這個問題，對于低速飛機來說通常的辦法是選擇合適的翼型、加長翼展、加大機翼面積，以盡可能地增大飛機的升力，同時也要千方百計地減輕飛機重量。因此，我們從本文的插圖中可以看到，這些太陽能無人機的翼展都很長，翼面積非常大，而且主要是采用比較輕的新型材料制作的。

現(xiàn)在研制的幾種太陽能無人機的翼載荷都很小，如“太陽神”太陽能無人機，其翼載荷還不到3公斤/平方米。為了作到這一點，生產(chǎn)廠家不得不在機翼上全部采用新型的復(fù)合材料，如卡夫拉、碳纖維、奧美絲等，以及用優(yōu)質(zhì)的膠卷膜片作為機翼蒙皮。這樣的機翼，不但重量輕、翼載荷小，而且具有良好的柔韌性，可防止機翼在飛行中折斷。為了減輕這種飛機的重量，還不能象傳統(tǒng)飛機那樣裝很多設(shè)備，只能裝必須裝備的設(shè)備。

太陽能飛機雖然不重，但翼展很長，因此其機動性肯定比不上小型飛機。為了盡可能地提高它的機動特性，所以安裝了很多操縱面，如“百人隊長”無人機就在機翼后緣裝了60個可操縱的舵面，而“太陽神”則更多，一共有72個舵面，可算得上是舵面最多的飛機。它們主要用于操縱飛機的俯仰和滾轉(zhuǎn)運動。光有這么多舵面還不夠，有時還需要用發(fā)動機進行不對稱操縱來幫忙。

由于采取了這些技術(shù)措施，盡管太陽能無人機的翼展很大，但飛機的機動性還是不錯的。據(jù)介紹，“太陽神”太陽能無人機的轉(zhuǎn)彎角速度可達到5度/秒，其盤旋半徑只比它的翼展長度大一點。

由于是無人駕駛飛機，所以沒有供飛行員使用的駕駛艙。從現(xiàn)有四種太陽能無人機的總體設(shè)計來看，翼下都設(shè)有多個流線形的扁平吊艙。它們至少有三個作用，一是在其內(nèi)安裝設(shè)備；二是在其下安裝輪子，作起落架使用；三是可起方向穩(wěn)定作用，相當(dāng)于一般飛機的垂直尾翼。此外，由于太陽能無人機的翼展很長，飛行時因為受載荷的影響兩翼外側(cè)會往上翹，這有益于提高飛機的穩(wěn)定性，相當(dāng)于機翼上后角的作用。

太陽能無人機的關(guān)鍵技術(shù)

研制太陽能無人機主要有兩個關(guān)鍵技術(shù)問題要解決：一是要能有效地將太陽能收聚起來，二是如何解決夜間和陽光微弱時的能源問題。

眾所周知，利用太陽能作為動力能源早在航天器（如衛(wèi)星）上就已經(jīng)應(yīng)用。不過航天器一般都是在離地球幾百公里以上的外層空間飛行，而太陽能無人機只能在二三十公里的大氣層內(nèi)飛行，兩者的條件有很大差別。外層空間的空氣非常非常稀薄，離太陽近，陽光非常強，收聚自然容易。太陽能無人機飛行高度雖然比一般飛機要高，但仍然屬于大氣層內(nèi)，由于受大氣的影響，陽光要弱得多，而且有時還會受到云的遮擋。要想在這種條件下有效地收聚太陽能，必須有高效的太陽能電池。據(jù)介紹，他們在“探索者＋”型無人機上使用了一種由加理福尼亞太陽能動力公司研制的新型光學(xué)導(dǎo)電體。采用這種導(dǎo)電體制作的太陽能電池，可比原“探索者”無人機上使用的太陽能電池提高能量14％。

將太陽能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動飛機前進的動力，則是由電動發(fā)動機來實現(xiàn)的。美國的太陽能無人機上裝的發(fā)動機，是由大氣環(huán)境公司生產(chǎn)的無電刷電動發(fā)動機。每個發(fā)動機重5公斤。在地面上，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分；而在最大高度時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速可達2000轉(zhuǎn)/分。為保證飛機高空飛行的可靠性，發(fā)動機采用了固定式的螺旋槳。

由于從地面起飛，陽光相對較弱，飛機的爬升速度很小，只有100米/秒左右，飛機要爬升到巡航高度通常需要3個多小時。而且起飛時間，一般要安排到早上，才能達到最高飛行高度。起飛時要選擇風(fēng)小、晴朗的天氣，使太陽能發(fā)動機能產(chǎn)生足夠的推力。如果要在有云的天氣里安排起飛，就要靠電瓶的供電來維持，直到飛機穿出云層。這種飛機的起飛速度和著陸速度都很小，基本上與運動員騎自行車的速度差不多。

按設(shè)計要求，將來投入實用的太陽能無人機需要在天上飛行幾個星期，甚至數(shù)月。這時必然經(jīng)過夜間飛行，即使是在白天，如果飛行高度不夠高的話，也可能遇到有云遮擋，陽光較弱的情況。如何解決在夜間和陽光微弱條件下的能源，是太陽能無人機必須解決的又一個技術(shù)問題。NASA采用的是一種稱為“頭盒”的技術(shù)使這一問題得到解決。經(jīng)過研究表明，現(xiàn)有的鋰鋁電池還不能滿足飛機整個夜間飛行的能源需要，必須有一種能提供200瓦/小時的高能電池。于是，NASA了解到其它無人機采用的一項技術(shù)，即一種長效燃料電池。這種電池的工作原理是通過氧和氫來發(fā)電的，并已被航天器和汽車所廣泛應(yīng)用。為了滿足太陽能無人機的需要，美國大氣環(huán)境公司對這種電池進行了進一步地改進。改進后的燃料電池具有可還原性。也就是說，使用后可還原，還原后再使用。只要飛機攜帶有液態(tài)氫和氧氣儲存器，存儲器不斷地向燃料電池輸出液態(tài)燃料，就可為飛機的夜間飛行提供電能。掌握這種技術(shù)的除美國外，法國也能制造這種可還原性燃料電池。據(jù)說，美國大氣環(huán)境公司在研制這種可還原性燃料電池時，還采用了特制的電解材料，用這種材料產(chǎn)生電能可使可還原性燃料電池達到前所未有的水平。不過，目前這種電池的穩(wěn)定性不好，尤其是在高空低 溫條件下有工作不正常的情況，以及高空條件下結(jié)冰等問題，有待進一步完善。NASA認為，這些問題估計要到2003年才能全部解決。到那時，太陽能無人機就可以在20000米以上高空連續(xù)飛行近百小時。

另外值得一提的是太陽能無人機的飛行控制問題。由于它飛得高，且連續(xù)飛行時間非常長，因此地面控制相對比一般無人機的難度要大。好在大多數(shù)情況太陽能無人機是靠預(yù)先輸入的程序控制飛行的，只有在起飛和著陸時才需要地面操縱者進行遙控。不僅如此，如果太陽能無人機與地面控制中心失去聯(lián)絡(luò)，飛機有能力自行返航著陸。它還裝有一個傘降系統(tǒng)和一個定位信標系統(tǒng)，以備應(yīng)急情況下使用。

正在試飛的四種太陽能無人機

花了近十年的時間，美國NASA研制了四種太陽能無人機原型機，目前正在進行第一階段的試飛計劃。這四種太陽能無人機有類似的之處，但又各有不同，下面分別作一簡要介紹。

第一種型號“探索者”是于1993年首飛的。它采用平直翼和雙吊艙設(shè)計，是四個型號中最小的一種。翼展29.5米，展弦比12，機長3.6米，翼面積71平方米。共裝6臺發(fā)動機，單臺功率1.5千瓦。起飛重量252公斤，有效載荷45公斤。飛行速度30公里/小時，升限21000米，續(xù)航時間14～15小時。1995年，“探索者”太陽能無人機曾創(chuàng)造過15530米的飛行距離和19970米的飛行高度記錄。后來，在夏威夷上空，又創(chuàng)造飛行高度21600米的記錄。

第二種型號“探索者＋”太陽能無人機，是在“探索者”基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，1998年出廠，同年首次試飛。該機仍然采用平直翼、雙吊艙設(shè)計，但尺寸更大。翼展36.3米，展弦比15，機長3.6米，翼面積87平方米。共裝8臺發(fā)動機，單臺功率仍然為1.5千瓦。起飛重量315公斤，有效載荷67.5公斤。飛行速度為30公里/小時，升限為24000米，續(xù)航時間白天可達到14～15小時、夜間為2～5小時。改進型“探索者＋”有許多新特點，不管是在氣動特性，還是動力系統(tǒng)上都有所突破。飛機采用的翼型也更適合高空飛行。特別是在機翼上表面安裝了新型的太陽能電池板。這種電池板采用了由加里福尼亞太陽能動力公司研制的新型光學(xué)導(dǎo)電體。采用這種導(dǎo)電體制作的太陽能電池，其能量比在“探索者”上用的太陽能電池提高了14％。使“探索者＋”獲得的能量，從8千瓦提高到12.5千瓦。這個能量足可以供兩臺發(fā)動機工作使用。另外，在操縱系統(tǒng)方面也進行了改進。由于采取了這些改進措施，在1998年的試飛中，使它的飛行高度達到了24800米。

第三種型號是“百人隊長”，已經(jīng)開始試飛。這種太陽能無人機尺寸更大，飛高度更高，航程也更遠。該機采用了由五段矩形翼組成的大展弦比機翼，底下有4個吊艙，機翼前安裝了14臺發(fā)動機。其翼展達到了61.8米，是“探索者”太陽能無人機翼展的兩倍。為了避免飛機在起飛、著陸以及轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生翼尖失速，外段機翼設(shè)計了10度左右的上反角。由于“百人隊長”采用了4個翼下吊艙，內(nèi)部可攜更多的有效載荷或設(shè)備。在30000米高度飛行時，它的有效載荷為50公斤；在24000米高度時，有效載荷則可達到600公斤。目前，“百人隊長”還沒有裝太陽能電池板。在1998年的試飛中，爬升到24800米高度的能量是用機載鋰鋁電池所提供的。未裝太陽能電池就進行試飛，主要為了檢驗加大翼展后的機翼結(jié)構(gòu)和采用各種新系統(tǒng)后的工作情況?，F(xiàn)在生產(chǎn)廠家已經(jīng)接到太陽能電池板，正在安裝過程中。預(yù)計裝太陽能電池的“百人隊長”太陽能無人機，將要到2001初才能試飛。

第四種型號“太陽神”太陽能無人機，是1999年出廠的。它的外形與“百人隊長”差不多，但尺寸達到了創(chuàng)記錄的水平，翼展達75米，比美國目前最大的兩種大型運輸機C－5和波音747的翼展還要大。翼下吊艙也由4個增加到5個。與“百人隊長”相比，“太陽神”的機翼長了13.2米，多了一個機艙和一個起落架。據(jù)設(shè)計人員介紹，它集中了前幾種太陽能無人機的優(yōu)點。飛機的結(jié)構(gòu)全部采用碳纖維復(fù)合材料制造。碳纖維材料的柔韌性比較好，使機翼在飛行過程中能保持良好的狀態(tài)，適應(yīng)飛機向上或向下的飛行。翼盒還用奧美絲、卡夫拉和環(huán)氧樹脂等材料進行了加強，機翼前緣內(nèi)用泡沫填充，整個飛機外表用一層堅固的塑料膠片加固。在1999年夏天，“太陽神”無人機進行了6次超過500米的低空飛行試驗。它和“百人隊長”一樣，這些試飛都使用的是鋰鋁電池供電，要等到2001年才能使用太陽能電池。全機系統(tǒng)試驗，估計要到2003年才能實施。那時，將進行續(xù)航時間達96小時的遠距離飛行試驗。按設(shè)計者要求，這種太陽能無人機可經(jīng)常在15000米左右的高度上執(zhí)行任務(wù)。飛機上共裝14臺發(fā)動機，但現(xiàn)在的試飛只有8臺可以工作，其余6臺只是擺樣子的。據(jù)說，這主要是為了節(jié)約能量。

太陽能無人機的應(yīng)用前景

NASA認為，太陽能無人機的用途廣泛，發(fā)展前景樂觀。由于這種無人機主要利用太陽能提供能源，具有飛得高、續(xù)航時間長和飛行距離遠的特點，是一個理想的空中飛行平臺。完全可以用于科學(xué)觀測，作為人造地球衛(wèi)星的補充，也能執(zhí)行監(jiān)視空中目標、探測風(fēng)暴、探測水下珊瑚礁（為海上航行掃除障礙）和尋找成片油田等任務(wù)。

NASA研制的第一種太陽能無人機“探索者”，目前正在夏威夷上空進行試驗飛行。上面帶有兩個阿摩斯研究中心研制的傳感器，一個是數(shù)字式高分辨率的頻譜干涉儀，另一個是能實時傳輸?shù)母叻直媛士臻g圖象系統(tǒng)，試飛完成后就可以投入應(yīng)用。

篇7

關(guān)鍵詞:電磁兼容性;系統(tǒng);綜合

中圖分類號:O44

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)15-0340-01

隨著電子技術(shù)在航天飛行器、飛機、艦艇中的廣泛應(yīng)用,這些設(shè)備在工作的同時往往要產(chǎn)生一些有用或無用的電磁能量,這些能量將影響到其它設(shè)備的工作,從而形成了電磁干擾,尤其在軍用飛機上,大量的電子設(shè)備密集在狹小的空間內(nèi),相互間的電磁干擾非常嚴重,同時還要攜帶大量的作戰(zhàn)設(shè)備和武器系統(tǒng),很容易就使飛機不能處于正常狀態(tài),從而發(fā)生災(zāi)難性的后果。因此在復(fù)雜的電磁環(huán)境中,如何減少相互間的電磁干擾,使各電氣電子系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備和元件能正常工作互不干擾,達到能兼容工作的狀態(tài),已成為當(dāng)前機載電氣電子設(shè)備設(shè)計一個不可回避的課題。而電磁兼容學(xué)正是為解決這類問題而迅速發(fā)展起來的一門科學(xué)。

眾所周知,電磁兼容學(xué)是近年來發(fā)展起來的一門新興科學(xué)。它主要研究的是如何使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電氣電子系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備和元器件都能正常工作,互不干擾,達到兼容狀態(tài)。從某種程度上也可以說成是研究干擾與抗干擾的問題。而隨著電磁兼容技術(shù)不斷的發(fā)展,研究和分析電磁兼容性的方法也逐步得到提高和完善,按其發(fā)展過程,通常分為三種方法:問題解決法、規(guī)范法和系統(tǒng)綜合法。

問題解決法是解決電磁兼容問題的早期方法,首先按常規(guī)設(shè)計建立系統(tǒng),然后再對實驗中出現(xiàn)的電磁兼容問題予以解決。由于系統(tǒng)已安裝完工,要解決電磁兼容問題比較困難,為了解決問題可能要進行大量的拆卸,甚至要重新設(shè)計,對于大規(guī)模集成電路要嚴重地破壞其版圖。因此問題解決法是一種非常冒險的方法,而且這種頭疼醫(yī)頭,腳疼醫(yī)腳的方法是不可能從根本上解決電磁兼容問題的。這種方法在設(shè)計階段節(jié)省了電磁兼容設(shè)計所增加的成本,但在成品的最后階段解決電磁兼容問題不僅困難大,而且成本高。所以這種方法只適合比較簡單的設(shè)備。規(guī)范法是比問題解決法較為合理的一種方法,該方法是按照現(xiàn)行電磁兼容標準所規(guī)定的極限值來進行計算,使組成系統(tǒng)的每個分系統(tǒng)均符合所規(guī)定的標準,并按標準所規(guī)定的實驗設(shè)備和實驗方法核實它們與標準所規(guī)定的極限值的一致性。該方法可在系統(tǒng)實驗前對系統(tǒng)的電磁兼容提供一些預(yù)見性。但該方法也存在可能引起過儲備的設(shè)計,或謀求解決的問題不一定真實存在的問題,從而影響系統(tǒng)本身的性能指標,又增大本身不存在的設(shè)計成本。系統(tǒng)綜合法是最近幾年興起的一種先進的電磁兼容設(shè)計方法,它集中了電磁兼容方面的研究成就,根據(jù)電磁兼容的要求給出最佳工程設(shè)計的方法。系統(tǒng)綜合法從設(shè)計開始就預(yù)測和分析電磁兼容性,并在系統(tǒng)設(shè)計、制造、組裝和實驗過程中不斷對其電磁兼容性進行預(yù)測和分析。由于在設(shè)計階段采取電磁兼容措施,因此可以采取電路與結(jié)構(gòu)相結(jié)合的技術(shù)措施。這種方法通常在正式產(chǎn)品完成之前就解決90%的電磁兼容問題。

下面結(jié)合某型飛機機載通信設(shè)備的設(shè)計為例,討論一下如何用系統(tǒng)綜合法的思路進行機載設(shè)備整機的電磁兼容設(shè)計。

1 首先要明確電磁兼容設(shè)計的目的

對于新研制的機載通信設(shè)備,從一開始首先要明確其使用環(huán)境和將要通過的電磁兼容性指標,這是綜合權(quán)衡電磁兼容性與功能特性設(shè)計的起點,再此基礎(chǔ)上同時考慮研制周期和經(jīng)費需求,確定整機系統(tǒng)總體設(shè)計的電磁兼容性的控制等級和控制方案。一般來說,是依據(jù)電磁兼容標準規(guī)范,以設(shè)計為重點,以電磁兼容試驗為保障,來保證電磁兼容性設(shè)計的有效性,同時在制定研制計劃時要充分意識到系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計工作將貫穿于系統(tǒng)研制的全過程。

2 整機系統(tǒng)的電磁兼容分析和溝通

首先,整機系統(tǒng)設(shè)計師在設(shè)計時要充分理解其各分系統(tǒng)主要功能及關(guān)聯(lián)性,這樣才能對其進行合理的電磁兼容分析,例如該新型飛機機載通信設(shè)備,其系統(tǒng)主要由供電分系統(tǒng),信號處理與控制分系統(tǒng),接收分系統(tǒng)和發(fā)射分系統(tǒng)組成,分析各個預(yù)期的電磁環(huán)境,根據(jù)功能和性能的要求規(guī)定安裝的位置和線纜的走向,對于可以調(diào)整位置的模塊,要充分利用空間隔離,使其遠離干擾源;像高靈敏度的接受機不但要做好屏蔽工作,還要使其遠離大功率發(fā)射機。另外,對于各個分系統(tǒng)安裝位置的地電位可能產(chǎn)生的干擾也要早期控制,像信號處理與控制分系統(tǒng)一般大都是數(shù)字電路,而接收機和發(fā)射機一般大都是模擬電路,所以數(shù)字電路的信號地,摸擬電路的地電位和供電模塊的安全地三者的規(guī)劃必須引起高度重視,選用適合的接地方法盡量避免因為地電流而引起的干擾。

其次就是整機各個分系統(tǒng)之間設(shè)計的匹配性與合理性,例如頻譜的使用率,分系統(tǒng)之間的隔離措施,接口設(shè)計,互聯(lián)電纜之間的電磁干擾以及系統(tǒng)與外部設(shè)備的連接控制等,都需要綜合考慮。這里要著重強調(diào)頻譜的使用率,電磁波頻譜是有限的,但不是消耗性的,因為它在各頻段的傳播特性是不同的,如果不充分和合理地使用,不但會造成本身利用率的下降,還會干擾和影響其他分系統(tǒng)正常工作,因此,頻譜的使用率是否合理在電磁兼容的設(shè)計中是相當(dāng)重要的一項內(nèi)容。

再次就是分析各種干擾源的特性和技術(shù)參數(shù),確定干擾的源頭,干擾的路徑以及其耦合的方式,然后再確定采用的控制方案和各種抑制干擾的措施。一般來說,電源線傳導(dǎo)發(fā)射與輻射,信號線傳導(dǎo)發(fā)射與輻射,大功率發(fā)射機的諧波帶來的輻射,空間耦合,地線耦合是主要的干擾途徑。而新型設(shè)備中其使用的開關(guān)電源,高性能的DSP數(shù)字處理器,高增益的微波放大器等為干擾產(chǎn)生比較集中的地方,由于這些問題所引起的異常工作需要特別關(guān)注,設(shè)計時需要全面考慮。

3 整機電磁兼容性設(shè)計的系統(tǒng)性和綜合性

電磁兼容本身就是一門綜合性科學(xué),而用系統(tǒng)綜合法的思路從設(shè)計開始就預(yù)測和分析了整機及其各模塊的電磁

兼容性?？梢赃@么認為,電磁兼容是設(shè)計出來的。因為單個元件的電磁兼容控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟 ,并且被廣泛的應(yīng)用,而目前問題比較多的是缺乏系統(tǒng)綜合設(shè)計,這樣就出現(xiàn)了單個元件滿足要求,而系統(tǒng)聯(lián)起來后不滿足要求;或者無限擴大化的采用電磁兼容控制措施,造成成本的成倍上漲,經(jīng)驗表明,對于復(fù)雜系統(tǒng)而言,只有進行系統(tǒng)級的綜合設(shè)計,才有可能達到滿意效果及合理的費效比?？梢詮囊韵路矫婢C合考慮。

3.1 設(shè)計約束

電磁兼容設(shè)計約束的優(yōu)先級并不比設(shè)計中的其他方面高,然而一些電磁兼容約束必須要盡可能清晰的同設(shè)計師系統(tǒng)和設(shè)計者溝通。如電源去耦,路徑分離,襯墊使用,殼體結(jié)構(gòu)等。

3.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

從電磁兼容的觀點來考慮機械設(shè)計方面的事項是相當(dāng)重要的。

首先設(shè)計殼體結(jié)構(gòu)時就必須知道它的屏蔽效能,這樣有助于其他區(qū)域的設(shè)計,這也會在很大程度上決定電磁兼容措施的應(yīng)用等級。如果需要在各模塊接觸面使用襯墊,那么設(shè)計者需要保證在應(yīng)用中具有最佳的屏蔽效能,考慮交界面,材料,壓縮和接觸面區(qū)域等。

其次要從電磁兼容的觀點來考慮系統(tǒng)的分割,將噪聲較大的電纜分離出來,電纜的分離對耦合路徑和電磁干擾性能有很大的影響,電纜的選擇包括是否需要屏蔽、雙絞等;在電路設(shè)計中根據(jù)電路功能和噪聲電平的不同分離電路,例如模擬電路,數(shù)字電路,電源電路都是要盡可能在物理上分離開來。

再次要注意系統(tǒng)布局,減少空間耦合。高靈敏度設(shè)備遠離產(chǎn)生大功率干擾的設(shè)備,充分利用空間衰減特性;高靈敏設(shè)備與產(chǎn)生大功率干擾的設(shè)備利用結(jié)構(gòu)進行屏蔽。

3.3 提高電源供電質(zhì)量

必要的精化設(shè)置電網(wǎng),實行分網(wǎng)供電,減少電源的傳導(dǎo)耦合,加強電網(wǎng)的控制,合理使用電源,這樣可以有效的控制電源干擾;加強電源濾波,控制傳導(dǎo)干擾,一般情況一個系統(tǒng)是統(tǒng)一供電的,那么在什么地方濾波,采用何種方式濾波,幾級濾波需要綜合考慮。

3.4 地線網(wǎng)絡(luò)和接地設(shè)計

在整個系統(tǒng)中要保證一致接地的方針,統(tǒng)一設(shè)計合理采用各種接地方式,考慮潛在的地環(huán)路和靜電放電路徑,有利于增加系統(tǒng)的抗干擾性;系統(tǒng)一定要進行綜合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,盡可能設(shè)置電源地,信號地;盡可能減小地電阻,要特別注重接地點的防松動,防氧化功能的設(shè)計;高靈敏設(shè)備的接地點要遠離大功率設(shè)備的接地點,消除地電流耦合。

3.5 可制造性

在設(shè)計之初應(yīng)該充分考慮產(chǎn)品的可制造和可控制性,必須保證設(shè)計中的電磁兼容控制措施易于操作,可制造且成本較低。

參考文獻

篇8

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；跑道入侵；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

近年來，隨著經(jīng)濟全球化，航空自由化趨勢的加強，民用航空運輸業(yè)取得了前所未有的繁榮態(tài)勢，用戶對航空安全的期望越來越高，社會媒體也更加關(guān)注航空安全。根據(jù)加拿大運輸部的一項研究表明：一個機場交通量增加20%，將使跑道侵人可能性增加140%。

跑道入侵在航空案例問題中已經(jīng)成為一個典型問題，如何有效地提高民航運行的安全性、穩(wěn)定性已經(jīng)成為各航空機構(gòu)研究的熱點問題。物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）技術(shù)被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，它通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出與研究的深入開展，特別是李家祥局長在2010年的全國民航工作會議上作了《中國民航人要為建設(shè)民航強國而努力奮斗》的重要講話，首次全面闡述了民航強國建設(shè)的意義、作用、目標、戰(zhàn)略、途徑和保障措施。他提出“我們民航要抓住當(dāng)前國家有利的產(chǎn)業(yè)政策機遇，加快物聯(lián)網(wǎng)在民航領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，促進物聯(lián)網(wǎng)在民航業(yè)的快速發(fā)展，真正利用物聯(lián)網(wǎng)帶來的科技創(chuàng)新為民航強國建設(shè)提供強有力的支撐。本文結(jié)合中小型機場航班量、運營成本及設(shè)備維護等特點，采用基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵傳感器技術(shù)用于跑道保護區(qū)域航空器和人員活動的監(jiān)測，研究一套能提供地面保護區(qū)實時狀態(tài)和告警功能的跑道防入侵系統(tǒng)，能有效地彌補管制員在極端的天氣條件下，對場道的監(jiān)控的缺失，從而保障跑道的安全運行。

1.國內(nèi)外跑道防侵入方法

據(jù)統(tǒng)計，空中交通管理中68%的事故發(fā)生在地面階段，2003至2006年度美國NAS內(nèi)的500多家機場共計發(fā)生了1306次跑道侵入事件，其中有4次導(dǎo)致了相撞事故，雖然沒有造成人員傷亡，但極大影響了機場的正常運行，造成了巨大的經(jīng)濟損失，據(jù)ICAD針對跑道侵入的統(tǒng)計顯示，截止到2008年，全球航空業(yè)由于跑道侵入而造成的損失平均每年超過1億美元。針對跑道防侵入的方法，國內(nèi)外對其進行了深人的研究，并提出了幾種方法來防止跑道侵入事件的發(fā)生。

在國外，尤其是美國在這方面投入大量的科研經(jīng)費，其主要的研究成果包括：Steven Young等結(jié)合NASA和其他的合作伙伴開發(fā)一款高級平面器件運動指引和監(jiān)控系統(tǒng)（ASMGCS），用來解決跑道侵入和提高操作的可能性；Rick cassell等提出跑道侵入勸告及預(yù)警系統(tǒng)（RIAAs），該系統(tǒng)利用航天器的位置進行監(jiān)控，RIAAS原型系統(tǒng)采用ADS-B和TIS的數(shù)據(jù)來分析跑道侵入的可能性，基于一些既定的規(guī)則進行判斷，從而做出預(yù)警；Denise Jones針對防跑道侵入系統(tǒng)的評估，采用NASA研究中心的數(shù)據(jù)采用模擬仿真的方法對跑道侵入事件進行防范，以提高操作性和避免跑道侵入事件的發(fā)生；Sharma等通過探測物體的位置采用一系列的控制器，如導(dǎo)航控制器、交通信息控制器等收集到的信息集成到一個監(jiān)控系統(tǒng)，對跑道侵入可能性進行分析，從而為塔臺工作人員提供有用的決策信息及支持。

我國相關(guān)的研究及技術(shù)還處在起步發(fā)展階段，王宇等基于計算機視覺原理，針對機場跑道異物檢測和識別系統(tǒng)，提出一種基于邊緣特征的異物檢測方法，采用Gabor紋理的異物特征提取方法，通過模擬實驗表明該方法的可行性，但這方面的研究還處于實驗室階段，沒有真正應(yīng)用于實際，而且該方法沒有考慮實際機場環(huán)境下天氣、塵粒等干擾因素的影響；目前的主要措施包括采用先進的機場地面檢測設(shè)備和機場活動區(qū)域案例系統(tǒng)等高度自動化的計算機系統(tǒng)，防范跑道侵入，一旦發(fā)生，立即做出響應(yīng)和警報，以此給管制員以足夠的時間和空間來避免和解決跑道侵入；機場跑道區(qū)域，以及機場航空器、車輛等運行區(qū)域，尤其在跑道入侵發(fā)生概率高的區(qū)域，將所有的標記、信號燈等M行規(guī)范化便與飛行員與管制員之間的協(xié)調(diào)；并在此區(qū)域建設(shè)隔離欄，防止車輛和行人在未經(jīng)許可下，進行到此區(qū)域，而影響到管制員的控制與管理；跑道入侵中30%的原因來源于管制員的失誤與偏差，而管制員的失誤與偏差主要來源于管制員的責(zé)任意識不強相關(guān)安全意識不夠，管制員使用的機場用語不標準，因此要不斷加強管制員的專業(yè)知識和職業(yè)責(zé)任意識的培訓(xùn)。管制員是保障跑道安全的最重要因素，羅定宇從塔臺工作人手，參考FAA的先進經(jīng)驗，提出全面掃視的工作模式，幫助塔臺管制員更好地了解運行錯誤產(chǎn)生的原因，建立良好情景意識，建立正確的工作模式，緩解工作壓力，從而減少錯誤的產(chǎn)生。但是目前大多數(shù)的中小型機場主要采用視頻監(jiān)控、人員巡查、對講機通訊等傳統(tǒng)的“目視化”管理模式對跑道侵入問題進行管理，這些傳統(tǒng)的方式極易受到天氣、人為因素的影響，從而造成大量人力、物力、財力的資源開銷，但是投入與產(chǎn)出卻遠遠達不到預(yù)期值，表現(xiàn)為監(jiān)視效率低、結(jié)果不明顯、容易出錯等。

2.系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

針對中小型機場跑道侵入問題，遵循“加強資源整合、完善功能定位、擴大服務(wù)范圍、優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)、最小化投入成本”的原則，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)一套物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動模式下的跑道防侵入實時監(jiān)控系統(tǒng)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)共包括四層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層和決策層。感知層采用光纖傳感器、紅外傳感器、微波和激光探測器、射頻傳感器等感知設(shè)備實時采集機場跑道及周圍環(huán)境的多維數(shù)據(jù)，通過傳感器的主動式采集傳輸，為決策層提供準確及時的數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層采用光纖網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)（如zigbee等）把感知設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳送到控制層；控制層采用路由器、數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換設(shè)備和其他控制器，把收集到的數(shù)據(jù)信號進行過濾、清洗、分類、加密、傳輸?shù)炔僮?，把完整、實時、準確的數(shù)據(jù)傳輸?shù)經(jīng)Q策層系統(tǒng)，用于輔助決策的制定；決策層包括一個集實時監(jiān)控模塊、可視化管理模塊、調(diào)度輔助模塊等主要功能于一體的軟件系統(tǒng)，配合硬件感知設(shè)備的運作，為塔臺管制員、調(diào)度員、機場巡查員等用戶提供多種監(jiān)控方法。

3.系統(tǒng)實現(xiàn)

本文圍繞“物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動模式下的跑道防侵入實時監(jiān)控系統(tǒng)”的框架設(shè)計、主要功能模塊開發(fā)和集成，完成一套適應(yīng)于中小型機場的跑道侵入事件的防范系統(tǒng)，該系統(tǒng)集傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)和決策支持模型于一身，系統(tǒng)總體設(shè)計如圖2所示，各個數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)通過交換機傳輸至綜合數(shù)據(jù)處理器中進行系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的提取和加工，并存儲在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中等待用戶終端調(diào)用。為了保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽亢蛯崟r性，在對單網(wǎng)通信進行可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用了雙冗余結(jié)構(gòu)，在其中一網(wǎng)失效時，能自動無縫切換到另一網(wǎng)，不影響管制員的正常工作。

4.關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1跑道沖突區(qū)域的探測模型

針對跑道侵入主要因素（人、車輛和航空器等）實時監(jiān)控的需求，采用多傳感器結(jié)合的多維數(shù)據(jù)采集策略，對跑道分為三級區(qū)域進行集中監(jiān)控，如圖3所示。在跑道保護區(qū)域和跑道樞紐區(qū)直線上按一定的間隔連續(xù)架設(shè)激光探測頭和zigbee人體紅外探測器，通過激光束形成的閉環(huán)路激光探測網(wǎng)，對進入?yún)^(qū)域內(nèi)的航空器和車輛進行監(jiān)測，同時利用zigbee探測器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對跑到內(nèi)人員活動進行監(jiān)控。在滑行道鋪設(shè)zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用zigbee節(jié)點的身份標識，為載有zigbee設(shè)備的車輛和航空器實現(xiàn)在滑行道內(nèi)精確的位置定位，從而避免滑行道內(nèi)的車輛和航空器的沖突。

為了滿足系統(tǒng)中各部門的主要功能，系統(tǒng)關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)主要包括以下幾個部分：

1）充分利用地面（特別是跑道及其周圍環(huán)境）多維數(shù)據(jù)，采用物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵傳感技術(shù)對多維數(shù)據(jù)進行采集

針對跑道侵入主要因素（人、車輛等）實時監(jiān)控的需求，在復(fù)雜天氣，如濃霧，雷暴等情況下異常物體的檢測變得十分困難，采用傳統(tǒng)的手段，如視頻、現(xiàn)場人員安排等無法實現(xiàn)安全、可靠、準確、實時的現(xiàn)成跑道及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，因此，本文提出一種多傳感器結(jié)合的多維數(shù)據(jù)采集策略，分別采用光纖傳感器、微波和激光探測器、紅外傳感器等物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，對侵入跑道的異常物體進行實時感知，把溫度等數(shù)據(jù)對應(yīng)于異常物體探測的種類，實現(xiàn)實時異常情況的監(jiān)控。

2）利用機場動態(tài)環(huán)境下集成光纖及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)傳輸機制及集成技術(shù)，實現(xiàn)多場數(shù)據(jù)的穩(wěn)定與可靠傳輸

研究機場動態(tài)環(huán)境下感知數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸機制，以實現(xiàn)傳感器節(jié)點感知數(shù)據(jù)在光纖及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸、交互等互操作方法，建立動態(tài)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)集成模型，以實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)、光纖探測數(shù)據(jù)的可靠傳輸，提出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成機制，以實現(xiàn)多場數(shù)據(jù)穩(wěn)定性傳輸。

3）采用異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理、表征、加密和管理方法，綜合考慮涉及跑道侵入的各種數(shù)據(jù)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式

研究動態(tài)環(huán)境下的感知數(shù)據(jù)控制及管理方法，提出感知數(shù)據(jù)的信息表達、資源描述、信息處理及加密方法，以適應(yīng)機場背景下的感知數(shù)據(jù)應(yīng)用，提出數(shù)據(jù)統(tǒng)一標準模型，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表征格式，為支持決策提供準確無誤的數(shù)據(jù)支撐。

4）針對不同用戶群體開發(fā)適用的模塊，以協(xié)助其日常工作

該研究內(nèi)容主要包括以下三個主要功能模塊：

實時監(jiān)控模塊：該模塊針對機場異常物體探測的實時眭要求，通過實時控制技術(shù)實現(xiàn)感知設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)及控制層設(shè)備的管理，如系統(tǒng)參數(shù)配置、設(shè)備注冊及工作狀態(tài)監(jiān)控，該模塊采用socket技術(shù)對設(shè)備端口進行實時管理，以保證設(shè)備的正常運行。

可視化管理模塊：針對感知數(shù)據(jù)抽象、離散等特點，利用可視化技術(shù)把感知數(shù)據(jù)還原成現(xiàn)實數(shù)據(jù)，通過三維模型表達的方面呈現(xiàn)給用戶，從而把傳統(tǒng)的目視化管理變成可視化管理，用戶可以通過該模塊對跑道侵入進行實時監(jiān)控，通過調(diào)控機制杜絕此類事故的發(fā)生，同時，如果系統(tǒng)檢測可能發(fā)生航天器異常事件，系統(tǒng)將自動發(fā)送預(yù)警信號給塔臺管制員及駕駛員，以避免事故的發(fā)生。

調(diào)度輔助模塊：該模塊把感知設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進行清洗、分類、挖掘，得到有意義的數(shù)據(jù)用來分析航天器的調(diào)度，通過異常數(shù)據(jù)實時對調(diào)度結(jié)果進行修正，實現(xiàn)基于可靠性感知數(shù)據(jù)的調(diào)度決策，把機場跑道資源、航天器資源等有限資源進行統(tǒng)一整合，通過最優(yōu)化算法實現(xiàn)資源利用率最大化。

5.實驗結(jié)果

為測試系統(tǒng)的實際效果，模擬在某機場搭建一個基于激光探測器簡易測試平臺，其監(jiān)控席位的軟件界面如圖4所示。激光探測器被成對的放置于跑道和滑行道入口的兩側(cè)形成一個閉環(huán)，只要跑道被指定為起飛或降落狀態(tài)，任何飛行器、車輛企圖進入滑行道都將觸發(fā)告警，同時提供聲光告警提示。只要管制員不手動解除告警，系統(tǒng)將以3秒的周期持續(xù)告警。實驗證明該系統(tǒng)能提供跑道保護區(qū)實時狀態(tài)和告警預(yù)測，能有效地彌補管制員對場道監(jiān)控的缺失，從而保障跑道的安全運行。

篇9

【關(guān)鍵詞】視頻識別技術(shù) 客運車輛 超載 遠程核查

隨著生活水平的不斷提高，人們外出打工、探親、旅游的人數(shù)越來越多，尤其是節(jié)假日，而與此相關(guān)的公路客運（長途客車，旅游客車等）的運力卻沒有相應(yīng)增加，致使超員現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)。客車超載對國家的公路設(shè)施和客運市場造成了不良影響，也影響車輛本事和車輛的駕駛、控制，容易引發(fā)事故，給國家和百姓帶來重大的經(jīng)濟損失和感情傷害。為更好地適應(yīng)寧波市社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展的步伐，防止超載現(xiàn)象的發(fā)生，保證客運安全，開展客運車輛實時載客人數(shù)智能識別及遠程核查研究。

1 研究價值

在采取行政監(jiān)督管理的同時，通過科學(xué)技術(shù)的手段來消除客車超載的現(xiàn)象也有著極其重要的意義和實用性。通過基于視頻識別技術(shù)的客運車輛超載遠程核查應(yīng)用研究，實現(xiàn)長途客流的動態(tài)監(jiān)管，為長途客運應(yīng)急預(yù)案管理、應(yīng)急資源配置與調(diào)度，應(yīng)急處置與保障提供重要支撐作用，同時為長途客車超載、超員治理及執(zhí)法提供依據(jù)，并有效遏制超載，超員，提升客運安全。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Opencv

OpenCV的全稱是：Open Source Computer Vision Library。OpenCV是一個基于（開源）發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫，可以運行在Linux、Windows和Mac OS操作系統(tǒng)上。它輕量級而且高效――由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。

OpenCV 用C++語言編寫，它的主要接口也是C++語言，但是依然保留了大量的C語言接口。該庫也有大量的Python， Java and MATLAB/OCTAVE （版本2.5）的接口。這些語言的API接口函數(shù)可以通過在線文檔獲得。如今也提供對于C#，Ch， Ruby的支持。

自從OpenCV在1999年1月alpha版本開始，它就被廣泛用在許多應(yīng)用領(lǐng)域、產(chǎn)品和研究成果中。相關(guān)應(yīng)用包括衛(wèi)星地圖和電子地圖的拼接，掃描圖像的對齊，醫(yī)學(xué)圖像去噪（消噪或濾波），圖像中的物體分析，安全和入侵檢測系統(tǒng)，自動監(jiān)視和安全系統(tǒng)，制造業(yè)中的產(chǎn)品質(zhì)量檢測系統(tǒng)，攝像機標定，軍事應(yīng)用，無人飛行器，無人汽車和無人水下機器人。

2.2 人臉檢測

人臉檢測從整體來看分為四個部分：

（1）Face detection 人臉識別，即識別出這是人的臉，而不管他是誰的。

（2）Face preprocessing 面部預(yù)處理，即提取出臉部圖像。

（3）Collect and learn faces 臉部的特征采集和學(xué)習(xí)

（4）Face recognition 臉部識別，找出最相近的相近臉部圖像。

“基于知識的方法主要利用先驗知識將人臉看作器官特征的組合，根據(jù)眼睛、眉毛、嘴巴、鼻子等器官的特征以及相互之間的幾何位置關(guān)系來檢測人臉?；诮y(tǒng)計的方法則將人臉看作一個整體的模式――二維像素矩陣，從統(tǒng)計的觀點通過大量人臉圖像樣本構(gòu)造人臉模式空間，根據(jù)相似度量來判斷人臉是否存在。在這兩種框架之下，發(fā)展了許多方法。目前隨著各種方法的不斷提出和應(yīng)用條件的變化，將知識模型與統(tǒng)計模型相結(jié)合的綜合系統(tǒng)將成為未來的研究趨勢?！保▉碜哉撐摹痘贏daboost的人臉檢測方法及眼睛定位算法研究》）

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包括車載視頻終端、視頻平臺及遠程核查平臺三部分

3.1.1 車載視頻終端

安裝于車輛頭部；

根據(jù)指令采集車輛圖片信息；

通過DVR自帶3G/4G傳輸模塊將照片傳回視頻平臺。

3.1.2 視頻平臺

下發(fā)拍照指令給車載終端；

接收車載終端拍照照片；

將照片傳給核查平臺。

3.1.3 核查平臺

接收視頻平臺傳回車載照片；

針對車載照片進行分析，判定其是否超載。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計分為四層，由下至上是數(shù)據(jù)采集層，基礎(chǔ)資源層，統(tǒng)一支撐層和系統(tǒng)應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)采集層實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集。通過車載智能終端采集GPS信息、車輛上下客人數(shù)信息以及車內(nèi)載客照片信息、車內(nèi)視頻信息。

基礎(chǔ)資源層實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、管理和維護。包括GPS信息、車輛上下客人數(shù)信息以及車內(nèi)載客照片信息、車內(nèi)視頻信息、車輛信息、車輛車內(nèi)空載照片信息等。

統(tǒng)一支撐層實現(xiàn)車輛載客信息與空載信息的對比分析，超載預(yù)警計算等。

應(yīng)用系統(tǒng)層是配合實際管理需求的應(yīng)用系統(tǒng)的集合。

3.3 系統(tǒng)功能

客運車輛乘載人員數(shù)量智能識別與遠程核查系統(tǒng)經(jīng)過分析包含以下功能：

3.3.1 車載人數(shù)統(tǒng)計查詢

核查平臺接收各客車車載視頻終端傳回照片，利用人臉識別技術(shù)，識別車輛實載人數(shù)。

3.3.2 載客車輛照片查詢

核查平臺接收車載視頻終端傳回車輛載客照片，提供用戶查詢，考慮到系統(tǒng)存儲問題，系統(tǒng)進提供15天內(nèi)照片查詢。

3.3.3 車輛信息管理

通過與運政系統(tǒng)對接，獲取車輛相關(guān)基本信息，包括車型、荷載率，經(jīng)營單位等。

3.3.4 車輛載客圖片對比分析

由于車內(nèi)人員的坐姿比較多，低頭、側(cè)臉、戴帽或者批衣的情況比較復(fù)雜，難以通過單一的人臉檢測手段進行車載人數(shù)識別，通過思路轉(zhuǎn)換，由于車內(nèi)的空間比較固定，桌椅安排有規(guī)律，一般情況下超載客車里的超載人員主要分布在過道里，座位多坐人的可能性不是很大（抱小孩的情況除外），故系統(tǒng)先行檢測過道，再對過道和空載的情況做對比，最后進行人臉檢測，將輪廓檢測、圖像對比分析和人臉檢測相結(jié)合以提高識別率。

圖2所示即為檢測的過程，首先對車內(nèi)的過道進行檢測，智能分析出過道位置，為了更準確的識別，可以將過道內(nèi)的圖片進行編碼，和空載的過道內(nèi)的編碼進行比較，如果有異常，則再進行人臉檢測，查看是否有人在過道內(nèi)或者是其他物體在過道內(nèi)。

（1）過道檢測。過道檢測算法，是根據(jù)opencv的輪廓檢測算法，提取座椅的輪廓來獲得的。

首先將圖像灰度化，然后對圖像進行降噪處理，再對圖像進行腐蝕和膨脹操作，最后根據(jù)設(shè)置輪廓檢測的閥值，進行邊緣檢測。對邊緣檢測后的圖片再次進行線段檢測，線段的長度根據(jù)座椅在照片中所占的比例大致設(shè)置。

在得到所有檢測到的線段后，得到所有事豎線的線段。既在坐標系中x坐標相同的點。排除占圖片三分之一左右的車內(nèi)上部線段，因為上部分是車廂上體，不可能是座椅；同時，自動找到照片的中間點，以此為中心向左右尋找豎線，當(dāng)在某一側(cè)找到三個或以上的平行的豎線時，既認為找到座椅的邊緣，將此平行線的最靠近地點的且與中心點最接近的做為過道的一側(cè)的線段。同理，另外的一側(cè)也按此劃分。這樣就將過道區(qū)域劃分出來。

（2）圖像對比。圖像對比方法很多：如哈希對比，峰值信噪比對，特征點分析等。

將上述切分出的過道圖片與靜態(tài)下切分出的過道圖片進行對比，即可了解是否有差異，超過差異允許的范圍，則過道中有可疑物體或人員。

哈希圖像對比分析的詳細過程：

a.縮小尺寸：將圖像縮小到8*8的尺寸，總共64個像素。

b.簡化色彩：將縮小后的圖像，轉(zhuǎn)為64級灰度，即所有像素點總共只有64種顏色；

c.計算平均值：計算所有64個像素的灰度平均值；

d.比較像素的灰度：將每個像素的灰度，與平均值進行比較，大于或等于平均值記為1，小于平均值記為0；

e.計算哈希值：將上一步的比較結(jié)果，組合在一起，就構(gòu)成了這張圖像的指紋。

f.得到指紋以后，看看64位中有多少位是不一樣的。設(shè)置不同的權(quán)重，分析是否相同或不同。

通過比較，對有問題的圖片進行下一步操作，既人臉檢測。

（3）人臉檢測。檢測上述的過道區(qū)域，采用opencv中的人臉識別算法，OpenCV已經(jīng)提供了不同種類的人臉檢測的訓(xùn)練文件。因此我們可以方便的通過載入這些訓(xùn)練好的級聯(lián)分類器XML文件來實現(xiàn)人臉、眼睛、鼻子等檢測，這些基于Haar和LBP特征的人臉檢測可以自動的對大量數(shù)據(jù)圖片進行訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)果存儲在XML文件中以供使用。

3.4 超載預(yù)警處置

系統(tǒng)將通過圖像比對分析后疑似超載車輛信息反饋到該功能，平臺監(jiān)管人員可針對系統(tǒng)預(yù)警結(jié)果進行處置，并可調(diào)取車輛實時視頻進行驗證。

4 結(jié)論

基于視頻識別技術(shù)的客運車輛超載遠程核查應(yīng)用技術(shù)的研究作為寧波智慧運管的重要部分，具有廣闊的社會經(jīng)濟效益。通過基于視頻識別技術(shù)的客運車輛超載遠程核查應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用推廣，充分利用交通信息化技術(shù)和成果，實現(xiàn)對長途客車、旅游包車超載的智能監(jiān)控，從而防止超載現(xiàn)象的發(fā)生，進而保證客運安全。

參考文獻

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