導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫好一篇空間飛行器總體設(shè)計(jì)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，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(yàn)；高層體系結(jié)構(gòu)；多物理場(chǎng)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(rèn)識(shí)上的原因，臨近空間的政治、經(jīng)濟(jì)和軍事價(jià)值直到最近才引起各國(guó)的重視，并成為美國(guó)、俄羅斯、歐洲等國(guó)家和地區(qū)近期飛行器技術(shù)研究的熱點(diǎn)。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(chǎng)耦合作用特性較強(qiáng)。

臨近空間飛行器具有重要政治、經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是一類典型的復(fù)雜產(chǎn)品,其研究雖然剛剛起步，但對(duì)于我國(guó)航天、航空領(lǐng)域建設(shè)具有重要意義和深遠(yuǎn)影響，也是未來(lái)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(jì)等方面因素的影響，臨近空間飛行器的飛行試驗(yàn)不能進(jìn)行全程驗(yàn)證，難以全面評(píng)估飛行性能。虛擬飛行試驗(yàn)在一定的精度下，能夠替代真實(shí)試驗(yàn)對(duì)臨近空間飛行器進(jìn)行性能分析，對(duì)真實(shí)飛行試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)示，并指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)。從而為提升系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)水平，提高飛行試驗(yàn)成功率，縮短研制周期，降低研制成本和風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)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(chǎng)耦合過(guò)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(gè)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(gè)系統(tǒng)，應(yīng)保持其全貌，使得對(duì)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)過(guò)程盡可能地接近人們認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的方法和習(xí)慣；使得分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的方法學(xué)（原理）與人們認(rèn)識(shí)客觀世界的過(guò)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(chǎng)耦合作用的跨學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)同建模與仿真的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于HLA的臨近空間高超聲速虛擬飛行仿真試驗(yàn)，為系統(tǒng)總體性能分析與驗(yàn)證提供有效的技術(shù)途徑。

1臨近空間飛行器虛擬試驗(yàn)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(yàn)軟件系統(tǒng)針對(duì)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、控制系統(tǒng)、載荷、熱環(huán)境、氣動(dòng)力等幾個(gè)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(lái)建立起聯(lián)邦對(duì)象模型，并結(jié)合上述模型仿真計(jì)算所基于的ABAQUS、MSC、ANSYS、MATLAB/SIMULINK、FORTRAN等計(jì)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(duì)象及屬性，定義交互類，按照對(duì)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(yàn)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(guò)異構(gòu)仿真模型的協(xié)同集成軟件系統(tǒng)與仿真運(yùn)行平臺(tái)相鏈接。協(xié)同集成軟件系統(tǒng)與仿真運(yùn)行平臺(tái)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(jìn)行分層管理控制的工具，也是進(jìn)行臨近空間仿真技術(shù)研究的立足點(diǎn)。HLA期望通過(guò)提供一個(gè)采用標(biāo)準(zhǔn)的方法解決聯(lián)邦模式仿真中存在的固有問題，支持對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的即插即用；支持對(duì)未來(lái)新技術(shù)的充分兼容與應(yīng)用；支持對(duì)不同仿真應(yīng)用的重用，實(shí)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(shí)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(shì)。

2 協(xié)同仿真運(yùn)行平臺(tái)

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(yùn)行平臺(tái)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行，并提供一個(gè)完整通用的參考結(jié)構(gòu)，需要首先從系統(tǒng)的角度對(duì)其進(jìn)行分析和描述。如圖2所示的仿真運(yùn)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(lái)，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(gè)系統(tǒng)的靈活性和開放性。

仿真運(yùn)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(gè)運(yùn)行過(guò)程的可行性；時(shí)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(jìn)，并提供相應(yīng)的容錯(cuò)機(jī)制；運(yùn)行管理問題，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)同仿真運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)視和控制，以增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的可操作性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試、自動(dòng)優(yōu)化、用戶交互等復(fù)雜操作。

圖2  虛擬飛行仿真運(yùn)行平臺(tái)

協(xié)同仿真運(yùn)行管理器符合HLA1516標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從整體角度對(duì)協(xié)同仿真系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行管理，包括仿真運(yùn)行支撐軟件的啟動(dòng)/停止，協(xié)同仿真聯(lián)邦的創(chuàng)建/撤銷、仿真進(jìn)程的啟動(dòng)/暫停/恢復(fù)/完成等等。協(xié)同仿真運(yùn)行管理器基于交互類通信機(jī)制，對(duì)協(xié)同仿真系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行管理。主要用戶界面。仿真運(yùn)行監(jiān)控器提供對(duì)聯(lián)邦成員的行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程的可視化并反饋給網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，使得仿真過(guò)程更加直觀，實(shí)時(shí)顯示仿真聯(lián)邦的狀態(tài)，便于用戶進(jìn)行監(jiān)視，與仿真運(yùn)行管理器共同通過(guò)相應(yīng)的權(quán)限管理機(jī)制來(lái)保證系統(tǒng)的安全性。

仿真運(yùn)行服務(wù)集的核心是仿真引擎，動(dòng)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(shí)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(yùn)行，非編譯模式構(gòu)建系統(tǒng)。仿真引擎基于有限狀態(tài)機(jī)算法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)模型行為的形式化調(diào)度。

3 虛擬飛行試驗(yàn)

基于本文虛擬試驗(yàn)軟件平臺(tái)進(jìn)行臨近空間飛行器虛擬飛行試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 飛行段每幀的仿真時(shí)序和數(shù)據(jù)流

在全系統(tǒng)的協(xié)同仿真試驗(yàn)階段，所有的模型都參與了仿真試驗(yàn)，能夠充分反映臨近空間飛行器飛行過(guò)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(shí)現(xiàn)驗(yàn)證總體參數(shù)的合理性，驗(yàn)證各學(xué)科模型與虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的匹配性，對(duì)真實(shí)飛行試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)示，并指導(dǎo)飛行決策和飛行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

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(yàn)證問題非常復(fù)雜，進(jìn)行各相關(guān)學(xué)科、領(lǐng)域的一體化協(xié)同仿真來(lái)完成虛擬飛行試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)軟件并建立了虛擬飛行試驗(yàn)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(shí)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(yùn)行平臺(tái)和支撐平臺(tái)的構(gòu)建方法，所提虛擬飛行試驗(yàn)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(yàn)證，符合目前尖端飛行器系統(tǒng)虛擬驗(yàn)證的發(fā)展趨勢(shì)。

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(guó)的傳統(tǒng)工業(yè)，我國(guó)是世界最大的紡織品、服裝生產(chǎn)國(guó)，又是最大的出口國(guó)，擁有近1300萬(wàn)噸纖維資源和占世界1/4的纖維加工體系。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)紡織工業(yè)發(fā)展很快，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)連年以兩位數(shù)增長(zhǎng)。我國(guó)紡織工纖維加工量達(dá)2000萬(wàn)噸，占世界纖維加工總量的30%。中國(guó)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(guò)程。棉紡在紡織工業(yè)中占有重要地位。紡紗過(guò)程的流程為：開清―梳棉―并條―粗紗―細(xì)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(guò)程。其中生產(chǎn)中的細(xì)紗車間是紡紗過(guò)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(duì)整個(gè)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(guó)大氣污染嚴(yán)重，空氣中分布著很多微細(xì)的油煙和碳黑顆粒。當(dāng)這些微細(xì)顆粒物在細(xì)紗車間的空氣中達(dá)到一定濃度時(shí)，就會(huì)使細(xì)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(xì)支紗、化纖紗比較嚴(yán)重。嚴(yán)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(jì)損失，成為困繞紡織廠產(chǎn)品質(zhì)量的一人生產(chǎn)難題。

國(guó)內(nèi)紡織行業(yè)多年來(lái)對(duì)此進(jìn)行了大量研究，采取了相應(yīng)的治理措施，但都不能同時(shí)滿足高效、經(jīng)濟(jì)，又使用維護(hù)方便的要求，故仍未得到徹底解決。

基于上述背景，設(shè)計(jì)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(hù)成本和工人患職業(yè)病的概率。

2 總體設(shè)計(jì)

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(gè)四軸飛行器對(duì)空中單位空間濃度超標(biāo)的地方進(jìn)行定位工作，具體實(shí)施是將整個(gè)生產(chǎn)車間進(jìn)行立體網(wǎng)格劃分，等分成若干個(gè)小空間，建立空間坐標(biāo)系，而三個(gè)飛行器則通過(guò)相應(yīng)傳感器進(jìn)行空間坐標(biāo)系中X、Y、Z三軸定位，如果判斷出該空間雜塵濃度超標(biāo)，則確定該單位網(wǎng)格的具體空間位置，如果未超標(biāo)則繼續(xù)確定一下個(gè)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(biāo)數(shù)據(jù)，確定優(yōu)化路線，而后達(dá)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(gè)待處理坐標(biāo)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(gè)四軸飛行器，飛行于紡織廠機(jī)器設(shè)備上部空間，從而形成立體空間網(wǎng)格下三點(diǎn)定位格局，通過(guò)飛行器上攜帶的異質(zhì)傳感器來(lái)分析判斷三個(gè)飛行器所定位的網(wǎng)格中雜塵的濃度是否超過(guò)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(biāo)，則通過(guò)三個(gè)飛行器的定位功能，將網(wǎng)格的坐標(biāo)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(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，在織造工藝中使用“煤灰紗”會(huì)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(jìn)行淺色加工，給棉紡廠和后加工企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，有廠家每年由此造成的損失近百萬(wàn)元之多。由于“煤灰紗”對(duì)坯布的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，在空氣污染嚴(yán)重時(shí)，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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著紡織工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)紡織紡織品的質(zhì)量要求越來(lái)越來(lái)高。紡織廠對(duì)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(xì)紗車間“煤灰紗”的控制問題，對(duì)改進(jìn)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(xiàn)

[1] 蔣亞軍，賀平，趙會(huì)群，曾仕元；基于EPC的物聯(lián)網(wǎng)研究綜述[J]；廣東通信技術(shù)；2005年08期.

[2] 孔寧.物聯(lián)網(wǎng)資源尋址關(guān)鍵技術(shù)研究.北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2008.

[3] 潘林.基于網(wǎng)格技術(shù)的Savant中間件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).北京：北方工業(yè)大學(xué)，2007.

[4] 潘金生；基于物聯(lián)網(wǎng)的物流信息增值服務(wù)[J]；經(jīng)濟(jì)師；2007年09期.

篇3

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

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）23-0170-02

一、“空氣動(dòng)力學(xué)”課程的特點(diǎn)

“空氣動(dòng)力學(xué)”是飛行器設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jìn)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(dòng)力。除了上述重要意義外，課程還具有如下兩個(gè)主要特點(diǎn)：

1.抽象性強(qiáng)?？諝饪床灰娨裁恢瑑H僅依靠定性方法來(lái)描述是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)際問題掛鉤，其難度應(yīng)該說(shuō)要遠(yuǎn)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(jī)以來(lái)，航空發(fā)展歷史僅百年有余，空氣動(dòng)力學(xué)和飛行器設(shè)計(jì)聯(lián)系非常密切，因此其實(shí)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(dòng)力學(xué)研究方法。學(xué)生盡管在前期學(xué)習(xí)過(guò)《航空航天技術(shù)基礎(chǔ)》，但限于學(xué)時(shí)和課程的概述性質(zhì)，很難建立起航空史各個(gè)階段的全貌，可能出現(xiàn)的一個(gè)問題是：知識(shí)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(duì)原有知識(shí)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(guò)課堂上的討論，通過(guò)設(shè)定問題引出需要講解的內(nèi)容、方法和知識(shí)點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使教師和學(xué)生面對(duì)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(shí)和深入理解知識(shí)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(dòng)力學(xué)課程的相對(duì)很少[5]。

引導(dǎo)式教學(xué)還具有發(fā)揮空間大、互動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。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(diǎn)的語(yǔ)境。教師在引導(dǎo)過(guò)程中可以了解到學(xué)生的認(rèn)知程度和知識(shí)儲(chǔ)備情況，從而更有針對(duì)性地講解。

教師在課堂講授時(shí)，常采用自由表達(dá)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(duì)抽象概念，用自己的語(yǔ)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(shí)與實(shí)際應(yīng)用建立聯(lián)系，并解釋出公式或者概念的來(lái)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(tuán)的加速度時(shí)，有如下公式[6]：

其中等式右端第一項(xiàng)為當(dāng)?shù)丶铀俣?，而后?項(xiàng)均稱為遷移加速度。教科書上對(duì)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(tuán)在空間點(diǎn)（x，y，z）處，其速度隨時(shí)間的變化率，而遷移加速度是由于流體微團(tuán)流向速度不相同的鄰點(diǎn)而出現(xiàn)的速度變化率。由上述表達(dá)式和解釋可見，概念的抽象性較強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的理解能力要求較高。因此，在課堂上，教師提出一個(gè)引導(dǎo)式問題：用自己的語(yǔ)言說(shuō)說(shuō)對(duì)當(dāng)?shù)丶铀俣群瓦w移加速度的理解。學(xué)生們進(jìn)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(tuán)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(yùn)動(dòng)時(shí)積木個(gè)數(shù)不變，變化的是組合方式，則在A點(diǎn)是個(gè)正方體，在B點(diǎn)就變成了底部面積增大而高度減小的長(zhǎng)方體，“體積”的變化引發(fā)的三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的速度變化就對(duì)應(yīng)遷移加速度；若在流場(chǎng)某點(diǎn)，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(shí)積木“體積”的變化率與運(yùn)動(dòng)變化無(wú)關(guān)，與空間點(diǎn)C點(diǎn)的位置有關(guān)，因此稱為當(dāng)?shù)丶铀俣取．?dāng)?shù)丶铀俣热舨粸榱?，則流體為非定長(zhǎng)流，這在自然界也有實(shí)例，比如均勻的河流中出現(xiàn)一處噴泉，則噴泉所在點(diǎn)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(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重點(diǎn)問題，也是飛行器設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)難點(diǎn)。圖1上給出了典型飛機(jī)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(jì)經(jīng)驗(yàn)，理解效果一般。為此，在講授這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，給出了朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期作戰(zhàn)雙方的兩個(gè)主力機(jī)種：美國(guó)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(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。

這是一個(gè)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(gè)：①機(jī)翼的后掠角：米格15大于F-86；②平尾與機(jī)翼的相對(duì)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(duì)飛機(jī)性能又有什么影響呢？同時(shí)也給出了提示：米格15在沖刺加速時(shí)容易出現(xiàn)機(jī)頭上仰，甚至導(dǎo)致墜機(jī)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(guò)高，則跨聲速時(shí)阻力劇增；與機(jī)翼不同的是，平尾阻力的作用線與質(zhì)心位置較遠(yuǎn)，產(chǎn)生了較大的抬頭力矩，若飛行員處置不當(dāng)，有可能會(huì)引起機(jī)頭上仰。接著教師又拋出第二個(gè)問題：米格15在朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)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(diǎn)，它又在哪一方面存在明顯的優(yōu)勢(shì)？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(guò)這些討論，學(xué)生們結(jié)合飛機(jī)實(shí)例，不僅對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)有了較為深刻的認(rèn)識(shí)，也認(rèn)識(shí)到飛機(jī)設(shè)計(jì)沒有最佳答案，從空氣動(dòng)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(jìn)行課外制作，以及后續(xù)的“飛行器總體設(shè)計(jì)”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(duì)于引導(dǎo)式教學(xué)方法的接受程度，除課堂互動(dòng)和期末考試外，主要通過(guò)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(shí)，均要求學(xué)生用自己的語(yǔ)言給出理解和解釋，并提出對(duì)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(duì)知識(shí)點(diǎn)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(shí)踐或者飛機(jī)實(shí)例（學(xué)校景觀區(qū)有4架退役飛機(jī)）給出理解。為了檢驗(yàn)教學(xué)效果，在期末考試時(shí)，設(shè)置的試題也有開放式的，例如給出一架典型的飛機(jī)，要求學(xué)生用所學(xué)知識(shí)分析其空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。由于此類題目并無(wú)固定答案，只能靠平時(shí)的積累，學(xué)生的答案都不盡相同，但均是基于所學(xué)知識(shí)的發(fā)揮，這說(shuō)明學(xué)生不僅掌握了相關(guān)概念，更重要的是，將書本知識(shí)和飛機(jī)設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)，初步具備了面向?qū)嵺`的航空工程師意識(shí)。

空氣動(dòng)力學(xué)課程還設(shè)置有一定的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有直觀、易懂的特點(diǎn)，不僅可印證理論，還可與理論抽象、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶攸c(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)。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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和能動(dòng)性。此項(xiàng)工作正在進(jìn)行中。

參考文獻(xiàn)：

[1]巴巴拉.格羅斯.戴維斯.國(guó)外大學(xué)教學(xué)與教改譯叢：教學(xué)方法手冊(cè)[M].嚴(yán)慧仙，譯.杭州：浙江大學(xué)出版社，2006

[2]鄧建新.C#課程一體化多層次問題引導(dǎo)式教學(xué)方法[J].計(jì)算機(jī)教育，2014，（11）：68-71.

[3]盧麟，朱勇，李建華.發(fā)現(xiàn)式教學(xué)法在工科專業(yè)課程中的探索與實(shí)踐[J].高教論壇，2012，（4）：81-83.

[4]姜占平，廖智勇，譚逢友.產(chǎn)品綜合訓(xùn)練課程問題引導(dǎo)式教學(xué)模式初探[J].教育與職業(yè)，2009，（11）：151-152.

篇4

關(guān)鍵詞：安全避障 紅外 毫米波雷達(dá) 吊艙 直升機(jī)

中圖分類號(hào)：TN958.98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（b）-0056-04

隨著輸電高壓等級(jí)的不斷提高，輸電線路的巡線作業(yè)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行越來(lái)越重要。隨著我國(guó)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(guó)，輸電線路距離長(zhǎng)、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(duì)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(shí)間長(zhǎng)、人力成本高、困難大，某些線路區(qū)域和某些巡檢項(xiàng)目人工巡查方法目前還難以完成。

針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外已開始轉(zhuǎn)向基于直升機(jī)或無(wú)人機(jī)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(jìn)輸電設(shè)備精益化管理，全網(wǎng)輸電線路直升機(jī)巡視的作業(yè)需求日益迫切，該方式可及時(shí)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(yùn)行安全水平。直升機(jī)在行進(jìn)過(guò)程中主要靠人工識(shí)別飛機(jī)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(shí)，地面操控人員或機(jī)上駕駛?cè)藛T很難判別周邊環(huán)境，國(guó)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(jī)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(dá)一體化吊艙的直升機(jī)安全避障系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案及其主要性能指標(biāo)，可為其它用途直升機(jī)或無(wú)人機(jī)的安全避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考意義。

1 安全避障系統(tǒng)方案分析及總體設(shè)計(jì)

1.1 方案分析

紅外成像和毫米波雷達(dá)測(cè)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(diǎn)：（1）紅外成像技術(shù)是基于物體表面熱輻射的原理進(jìn)行無(wú)接觸溫度測(cè)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(jìn)行目標(biāo)監(jiān)控、溫度感知監(jiān)控、偽裝及隱蔽目標(biāo)識(shí)別、物體距離及輪廓描述，但由于探測(cè)效果不隨周圍光照條件的變化而變化，紅外成像技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的監(jiān)控；（2）毫米波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)距，且具有抗干擾能力強(qiáng)、指向性強(qiáng)、測(cè)量精度較高、小型化等優(yōu)點(diǎn)，適合作為直升機(jī)的自主避障系統(tǒng)傳感器，但由于毫米波雷達(dá)只能探測(cè)平行距離，無(wú)法描述目標(biāo)對(duì)象的輪廓和對(duì)象在視場(chǎng)中的角度。

基于紅外成像和毫米波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)的特性分析，本文將紅外成像技術(shù)和毫米波測(cè)距雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建紅外視頻與雷達(dá)一體化安全避障系統(tǒng)，充分發(fā)揮紅外輪廓成像和雷達(dá)遠(yuǎn)距離測(cè)距的優(yōu)勢(shì)。其中機(jī)載紅外吊艙作為避障系統(tǒng)的主傳感器，毫米波雷達(dá)測(cè)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(jì)

直升機(jī)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(dá)空間測(cè)距、主控計(jì)算機(jī)、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(dá)測(cè)障系統(tǒng)安裝在機(jī)體四周，紅外吊艙安裝于機(jī)體下方，主控計(jì)算機(jī)安裝于駕駛室或由艙內(nèi)人員攜帶。

當(dāng)直升機(jī)進(jìn)行巡邏時(shí)，空間毫米波雷達(dá)測(cè)障系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前、后、左、右及地面高度五個(gè)方向的空間障礙物信息，并將數(shù)據(jù)傳輸至主控計(jì)算機(jī)；此外主控計(jì)算機(jī)在采集紅外視頻信息的同時(shí)接收測(cè)障系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)角度計(jì)算確認(rèn)包絡(luò)紅外吊艙當(dāng)前指向的測(cè)距子系統(tǒng)并將其測(cè)距數(shù)據(jù)疊加至視頻圖像輸出。系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合5路毫米波雷達(dá)測(cè)距子系統(tǒng)組成的測(cè)距傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)空間測(cè)障功能，同時(shí)采集機(jī)載紅外吊艙的視頻信號(hào)，以“圖形+數(shù)據(jù)”方式實(shí)時(shí)展示當(dāng)前5方向的空間障礙物狀態(tài)。當(dāng)直升機(jī)與障礙物距離過(guò)近時(shí)，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(jì)

紅外視頻與雷達(dá)一體化安全避障系統(tǒng)如圖2所示。

2.1 毫米波雷達(dá)空間測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毫米波防撞測(cè)距系統(tǒng)可顯示各障礙物離飛行器的距離、方位、角度，可對(duì)各類障礙物的類別進(jìn)行評(píng)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(cè)距子系統(tǒng)，分別監(jiān)測(cè)前、后、左、右及高度五個(gè)方向的障礙物狀況，實(shí)時(shí)輸出動(dòng)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(cè)距子系統(tǒng)作為從傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS422/RS485總線與計(jì)算機(jī)組網(wǎng)，由計(jì)算機(jī)點(diǎn)名實(shí)現(xiàn)測(cè)距數(shù)據(jù)輪詢輸出實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。組網(wǎng)方式為一主+多從，即主控計(jì)算機(jī)為總線主設(shè)備，其余測(cè)距子系統(tǒng)為從設(shè)備。毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)不主動(dòng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，主控計(jì)算機(jī)向總線廣播數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，指令中包含對(duì)應(yīng)請(qǐng)求對(duì)象傳感器的地址，當(dāng)測(cè)距子系統(tǒng)檢測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)，否則不回應(yīng)廣播數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，以此實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)輪詢。

2.2 紅外巡線吊艙信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)需要接入PCI/PCI-E擴(kuò)展的視頻卡及數(shù)據(jù)通訊卡，普通筆記本電腦無(wú)法滿足要求，一般工控機(jī)體積過(guò)于龐大且需外部供電。綜合兩方面考慮，主控計(jì)算機(jī)采用通用X86架構(gòu)的便攜式加固工作站并外擴(kuò)擴(kuò)展塢及PCI接口功能板卡的方式實(shí)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(jī)載條件下的使用。紅外巡線吊艙信號(hào)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(hào)為DS-4304HFH-E。性能特點(diǎn)及部分指標(biāo)如下：PCI-E接口，更高數(shù)據(jù)帶寬；產(chǎn)品運(yùn)行可靠穩(wěn)定；高性能低功耗；實(shí)時(shí)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(biāo)如下：PCI總線：32位；傳輸速率：高達(dá)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(hù)：600 W浪涌保護(hù)、±15 kV靜電保護(hù)；傳輸距離：高達(dá)1200 m；支持系統(tǒng)：Windows XP、Linux驅(qū)動(dòng)。

2.5 紅外視頻與雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

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(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)紅外吊艙的進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制，亦可由紅外吊艙的某些狀態(tài)自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)軟件的特定功能，如自動(dòng)啟動(dòng)視頻錄像。

紅外視頻與雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)流示意圖如圖5所示。以主控計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件為中心實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的通訊數(shù)據(jù)往來(lái)；以機(jī)載紅外吊艙俯仰角及方位角輸出信息為參考動(dòng)態(tài)切換與當(dāng)前紅外攝像頭指向?qū)?yīng)的某一臺(tái)毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)疊加進(jìn)視頻窗口；通過(guò)選定某一指向的毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，控制機(jī)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(dá)測(cè)距系統(tǒng)輸出值通過(guò)系統(tǒng)軟件自動(dòng)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(dá)測(cè)距系統(tǒng)輸出值通過(guò)系統(tǒng)軟件自動(dòng)觸發(fā)紅外視頻錄像及拍照。

2.6 主控計(jì)算機(jī)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(biāo)如下：全鎂鋁合金機(jī)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(yáng)光下可讀的多點(diǎn)觸控顯示屏；離散圖形控制器NVIDIA GeForce GT330M；整機(jī)可夜視功能，可插拔防震硬盤、多媒體擴(kuò)展艙和PCI/PCIe擴(kuò)充槽；電池板續(xù)航時(shí)間大于10 h。

2.7 電磁兼容性設(shè)計(jì)

結(jié)合直升機(jī)及其電子系統(tǒng)的電磁環(huán)境的特點(diǎn)，按照技術(shù)規(guī)范對(duì)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(jì)、元器件選擇等方面進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。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(qiáng)度弱信號(hào)相互隔離，避免強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱小信號(hào)的干擾；產(chǎn)品布線時(shí)，對(duì)于如電機(jī)電源等高頻、強(qiáng)信號(hào)，工藝上采取正負(fù)級(jí)絞接地方法布線；在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，采用多層板，設(shè)計(jì)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(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計(jì)。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(yán)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(jì)

3.1 工作模式

基于紅外視頻與雷達(dá)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(jìn)行初始化并自檢，自檢內(nèi)容有：通過(guò)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(jìn)入正常工作狀態(tài)；通過(guò)對(duì)5路毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)分別進(jìn)行點(diǎn)名及數(shù)據(jù)讀取，判斷各個(gè)雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)；視頻采集卡檢測(cè)，判斷視頻采集卡通道是否正常打開，對(duì)應(yīng)視頻信號(hào)接入正常；錄像區(qū)硬盤空間檢測(cè)，確認(rèn)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(dòng)如下功能有：實(shí)時(shí)接收各方向測(cè)距信息，動(dòng)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(jī)進(jìn)入與障礙物的危險(xiǎn)距離后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行聲光告警；觸發(fā)自動(dòng)錄像及拍照，觸發(fā)條件需與用戶進(jìn)一步協(xié)商。

3.2 軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

軟件采用可視化集成開發(fā)環(huán)境Visual Studio開發(fā)，語(yǔ)言為C++；調(diào)用單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)Microsoft Access進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)，數(shù)據(jù)庫(kù)查詢控制語(yǔ)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(yùn)行環(huán)境即操作系統(tǒng)為微軟Windows 7或Windows xp，軟件運(yùn)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(cè)試及性能指標(biāo)

4.1 環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試

（1）高溫工作：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到+55℃溫度時(shí)，保持2 h后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

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

（3）低溫工作：將系統(tǒng)放入溫度試驗(yàn)箱，當(dāng)溫度上升到-20℃溫度時(shí)，保持2 h后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

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

（5）溫度沖擊檢驗(yàn)：將系統(tǒng)置入溫度沖擊試驗(yàn)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(shí)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(jìn)行功能檢查，檢測(cè)結(jié)果為：工作正常。

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

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

4.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。

5 結(jié)論

為解決智能電網(wǎng)直升機(jī)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(dá)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(dá)分別在目標(biāo)對(duì)象輪廓及視場(chǎng)角度感知和遠(yuǎn)距離監(jiān)控探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)；完成了基于紅外和5路毫米波雷達(dá)空間測(cè)距的吊艙系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)開發(fā)。通過(guò)對(duì)各種環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果分析，避障系統(tǒng)的測(cè)距范圍可覆蓋10～1000 m，測(cè)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(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可滿足直升機(jī)電力巡線的避障需求，同時(shí)還可對(duì)其它用途的直升機(jī)/無(wú)人機(jī)安全避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考意義。

參考文獻(xiàn)

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

篇5

“核動(dòng)力航天器”這個(gè)關(guān)鍵詞，顯示了中國(guó)人對(duì)于航天探索的更遠(yuǎn)大計(jì)劃。

中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員、“嫦娥三號(hào)”總設(shè)計(jì)師孫澤洲對(duì)《望東方周刊》說(shuō)：“從技術(shù)發(fā)展上來(lái)講，如果以后要對(duì)比如木星這些距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)的行星進(jìn)行探測(cè)，完全依靠太陽(yáng)能不太現(xiàn)實(shí)，這時(shí)對(duì)空間核動(dòng)力的應(yīng)用就會(huì)有比較大的需求。”

中國(guó)的核動(dòng)力航天器研發(fā)計(jì)劃，自上世紀(jì)70年代至今已超過(guò)30年。如今，它正在進(jìn)行對(duì)應(yīng)用的最后準(zhǔn)備。

中國(guó)需要核動(dòng)力飛船

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

孫澤洲說(shuō)，在“嫦娥三號(hào)”的論證過(guò)程中，也對(duì)是否使用核電池進(jìn)行過(guò)詳細(xì)分析和論證，但最終沒有使用，“只是使用了同位素?zé)嵩?，也就是核熱源。?/p>

所謂核電池又叫“放射性同位素電池”，它主要通過(guò)半導(dǎo)體換能器將同位素在衰變過(guò)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(wàn)倍的效能。自上世紀(jì)60年代開始，美國(guó)在“阿波羅”等計(jì)劃中就使用了核電池，2012年抵達(dá)火星的“好奇號(hào)”火星車上的核電池，據(jù)稱可以使用14年。

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

不過(guò)，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(lái)講，都已經(jīng)比較成熟。

目前對(duì)于中國(guó)研發(fā)空間核反應(yīng)堆的最權(quán)威消息，來(lái)自2009年國(guó)家能源局能源節(jié)約和科技裝備司的信息：中國(guó)于20世紀(jì)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(xiàng)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(jì)。

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

當(dāng)時(shí)公布的計(jì)劃是“2015年完成地面試驗(yàn)，2020年定型，2025年發(fā)射百千瓦級(jí)核反應(yīng)堆試驗(yàn)星”，進(jìn)行在軌演示驗(yàn)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(xiàng)公開的科研成果，在中國(guó)空間技術(shù)研究院502所和北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部合作的“863”課題“核動(dòng)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(jìn)方案”研究工作。

這個(gè)課題組提出了載人火星飛船的核動(dòng)力系統(tǒng)方案，并對(duì)核動(dòng)力飛船在火星的起降進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

孫澤洲稱，中國(guó)目前完全具備火星探測(cè)能力，包括運(yùn)載火箭發(fā)射能力、測(cè)控能力等多個(gè)方面。

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

孫澤洲認(rèn)為，未來(lái)15年內(nèi)中國(guó)會(huì)有對(duì)木星的探測(cè)規(guī)劃。而在未來(lái)10年內(nèi)，對(duì)核動(dòng)力航天技術(shù)的需求會(huì)更加迫切。

同時(shí)，他強(qiáng)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。”

核科學(xué)與技術(shù)專家、中科院院士陳達(dá)同樣認(rèn)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(lái)過(guò)，人們就遭殃了?！彼麑?duì)《望東方周刊》說(shuō)。

諸多難題待解

美國(guó)、蘇聯(lián)的核動(dòng)力航天器曾多次發(fā)生意外，尤為著名的是蘇聯(lián)的核動(dòng)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(jí)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(wú)人凍土帶，放射性物質(zhì)污染了地表，加拿大政府評(píng)估損失達(dá)1200萬(wàn)美元。

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

陳達(dá)說(shuō)：“國(guó)際上一些國(guó)家在做空間核動(dòng)力應(yīng)用方面的研究，也不是一帆風(fēng)順的，這比較復(fù)雜。”

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

尤其對(duì)于未來(lái)的核動(dòng)力飛船而言，需要解決核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、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(duì)宇航員的健康會(huì)構(gòu)成很大威脅，這就需要飛船必須對(duì)核輻射進(jìn)行屏蔽保護(hù)，確保宇航員和船載貨物不受輻射以及來(lái)自反應(yīng)堆高熱的影響，但這樣將大大增加探測(cè)器的重量。

陳達(dá)說(shuō)，空間核應(yīng)用過(guò)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(duì)核反應(yīng)材料、能量輸送材料有很高的要求。

中國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了幾十年的核能研究，為航天核動(dòng)力研究作了不少鋪墊，“太空中核動(dòng)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(shuō)。

孫澤洲則認(rèn)為，從實(shí)際應(yīng)用來(lái)講，核能的效率、核能的熱排散等方面會(huì)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(shí)的散熱冷卻難題。

而在繞月探測(cè)工程、“嫦娥一號(hào)”系統(tǒng)總指揮兼總設(shè)計(jì)、中國(guó)工程院院士葉培建看來(lái)，空間核動(dòng)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(lái)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(dòng)力的方法。”葉培建告訴本刊，中國(guó)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(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的研究

用太陽(yáng)能作為飛機(jī)的能源，這種想法由來(lái)已久，也有人嘗試過(guò)，但真正開始進(jìn)行型號(hào)研制并取得進(jìn)展卻是近年來(lái)的事。美國(guó)航空航天局（NASA）經(jīng)過(guò)多年的研究之后，提出了一個(gè)稱為ERAST（即環(huán)境研究飛機(jī)和傳感器技術(shù)）的計(jì)劃，實(shí)際上就是美國(guó)的發(fā)展太陽(yáng)能無(wú)人駕駛飛機(jī)計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃一直在秘密實(shí)施，直到近來(lái)才先后向外界透露了一些情況。

據(jù)介紹，目前這項(xiàng)計(jì)劃進(jìn)展得比較順利，已經(jīng)有四種型號(hào)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)樣機(jī)先后問世。最早的型號(hào)是“探索者”（Pathfinder），其后是稱為“探索者＋”（PathfinderPlus）的改進(jìn)型，第三種型號(hào)叫“百人隊(duì)長(zhǎng)”（Centurion），最新的型號(hào)是“太陽(yáng)神”（Helios）。

這四種型號(hào)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，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?cè)鴦?chuàng)造了兩個(gè)方面的記錄：一是首次實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能動(dòng)力飛行；二是創(chuàng)造了螺旋槳無(wú)人機(jī)飛行高度達(dá)到20000米以上。這兩項(xiàng)記錄的每一項(xiàng)都意味著太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)向成功和實(shí)用邁出了非常重要的一步。特別是實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能動(dòng)力飛行，標(biāo)志著這種飛行器長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的不著陸飛行將成為可能。在理論上，只要不出現(xiàn)機(jī)件損壞，它的續(xù)航時(shí)間和航程都是無(wú)限的。

最先打破這兩項(xiàng)記錄的是“探索者”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。它不但成功地使用了太陽(yáng)能作為飛機(jī)的動(dòng)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(dá)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(jī)，其中包括美國(guó)的U－2高空偵察機(jī)、前蘇聯(lián)的M－55高空偵察機(jī)、美國(guó)的SR－71偵察機(jī)和最近因失事而全部停飛的法英合作研制的“協(xié)和”號(hào)運(yùn)輸機(jī)。況且這些都是噴氣式飛機(jī)，而螺旋槳飛機(jī)至今無(wú)人企及。這主要是因?yàn)樵谶@個(gè)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(jī)長(zhǎng)時(shí)間飛行很困難，也很危險(xiǎn)。飛行員要穿著性能非?？煽康目购煞?，發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，由于無(wú)人駕駛，因此無(wú)須考慮飛行員的生存和工作條件。

要想使飛機(jī)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(gè)問題，對(duì)于低速飛機(jī)來(lái)說(shuō)通常的辦法是選擇合適的翼型、加長(zhǎng)翼展、加大機(jī)翼面積，以盡可能地增大飛機(jī)的升力，同時(shí)也要千方百計(jì)地減輕飛機(jī)重量。因此，我們從本文的插圖中可以看到，這些太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的翼展都很長(zhǎng)，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(yáng)能無(wú)人機(jī)的翼載荷都很小，如“太陽(yáng)神”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，其翼載荷還不到3公斤/平方米。為了作到這一點(diǎn)，生產(chǎn)廠家不得不在機(jī)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(jī)翼蒙皮。這樣的機(jī)翼，不但重量輕、翼載荷小，而且具有良好的柔韌性，可防止機(jī)翼在飛行中折斷。為了減輕這種飛機(jī)的重量，還不能象傳統(tǒng)飛機(jī)那樣裝很多設(shè)備，只能裝必須裝備的設(shè)備。

太陽(yáng)能飛機(jī)雖然不重，但翼展很長(zhǎng)，因此其機(jī)動(dòng)性肯定比不上小型飛機(jī)。為了盡可能地提高它的機(jī)動(dòng)特性，所以安裝了很多操縱面，如“百人隊(duì)長(zhǎng)”無(wú)人機(jī)就在機(jī)翼后緣裝了60個(gè)可操縱的舵面，而“太陽(yáng)神”則更多，一共有72個(gè)舵面，可算得上是舵面最多的飛機(jī)。它們主要用于操縱飛機(jī)的俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。光有這么多舵面還不夠，有時(shí)還需要用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行不對(duì)稱操縱來(lái)幫忙。

由于采取了這些技術(shù)措施，盡管太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的翼展很大，但飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性還是不錯(cuò)的。據(jù)介紹，“太陽(yáng)神”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)彎角速度可達(dá)到5度/秒，其盤旋半徑只比它的翼展長(zhǎng)度大一點(diǎn)。

由于是無(wú)人駕駛飛機(jī)，所以沒有供飛行員使用的駕駛艙。從現(xiàn)有四種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)來(lái)看，翼下都設(shè)有多個(gè)流線形的扁平吊艙。它們至少有三個(gè)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(jī)的垂直尾翼。此外，由于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的翼展很長(zhǎng)，飛行時(shí)因?yàn)槭茌d荷的影響兩翼外側(cè)會(huì)往上翹，這有益于提高飛機(jī)的穩(wěn)定性，相當(dāng)于機(jī)翼上后角的作用。

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

研制太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)主要有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題要解決：一是要能有效地將太陽(yáng)能收聚起來(lái)，二是如何解決夜間和陽(yáng)光微弱時(shí)的能源問題。

眾所周知，利用太陽(yáng)能作為動(dòng)力能源早在航天器（如衛(wèi)星）上就已經(jīng)應(yīng)用。不過(guò)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(yáng)能無(wú)人機(jī)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(yáng)近，陽(yáng)光非常強(qiáng)，收聚自然容易。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)飛行高度雖然比一般飛機(jī)要高，但仍然屬于大氣層內(nèi)，由于受大氣的影響，陽(yáng)光要弱得多，而且有時(shí)還會(huì)受到云的遮擋。要想在這種條件下有效地收聚太陽(yáng)能，必須有高效的太陽(yáng)能電池。據(jù)介紹，他們?cè)凇疤剿髡撸毙蜔o(wú)人機(jī)上使用了一種由加理福尼亞太陽(yáng)能動(dòng)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(yáng)能電池，可比原“探索者”無(wú)人機(jī)上使用的太陽(yáng)能電池提高能量14％。

將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)的動(dòng)力，則是由電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。美國(guó)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)上裝的發(fā)動(dòng)機(jī)，是由大氣環(huán)境公司生產(chǎn)的無(wú)電刷電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)重5公斤。在地面上，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分；而在最大高度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)2000轉(zhuǎn)/分。為保證飛機(jī)高空飛行的可靠性，發(fā)動(dòng)機(jī)采用了固定式的螺旋槳。

由于從地面起飛，陽(yáng)光相對(duì)較弱，飛機(jī)的爬升速度很小，只有100米/秒左右，飛機(jī)要爬升到巡航高度通常需要3個(gè)多小時(shí)。而且起飛時(shí)間，一般要安排到早上，才能達(dá)到最高飛行高度。起飛時(shí)要選擇風(fēng)小、晴朗的天氣，使太陽(yáng)能發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)維持，直到飛機(jī)穿出云層。這種飛機(jī)的起飛速度和著陸速度都很小，基本上與運(yùn)動(dòng)員騎自行車的速度差不多。

按設(shè)計(jì)要求，將來(lái)投入實(shí)用的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)需要在天上飛行幾個(gè)星期，甚至數(shù)月。這時(shí)必然經(jīng)過(guò)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(yáng)光較弱的情況。如何解決在夜間和陽(yáng)光微弱條件下的能源，是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)必須解決的又一個(gè)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(guò)研究表明，現(xiàn)有的鋰鋁電池還不能滿足飛機(jī)整個(gè)夜間飛行的能源需要，必須有一種能提供200瓦/小時(shí)的高能電池。于是，NASA了解到其它無(wú)人機(jī)采用的一項(xiàng)技術(shù)，即一種長(zhǎng)效燃料電池。這種電池的工作原理是通過(guò)氧和氫來(lái)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(yáng)能無(wú)人機(jī)的需要，美國(guó)大氣環(huán)境公司對(duì)這種電池進(jìn)行了進(jìn)一步地改進(jìn)。改進(jìn)后的燃料電池具有可還原性。也就是說(shuō)，使用后可還原，還原后再使用。只要飛機(jī)攜帶有液態(tài)氫和氧氣儲(chǔ)存器，存儲(chǔ)器不斷地向燃料電池輸出液態(tài)燃料，就可為飛機(jī)的夜間飛行提供電能。掌握這種技術(shù)的除美國(guó)外，法國(guó)也能制造這種可還原性燃料電池。據(jù)說(shuō)，美國(guó)大氣環(huán)境公司在研制這種可還原性燃料電池時(shí)，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(dá)到前所未有的水平。不過(guò)，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(jìn)一步完善。NASA認(rèn)為，這些問題估計(jì)要到2003年才能全部解決。到那時(shí)，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)就可以在20000米以上高空連續(xù)飛行近百小時(shí)。

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

正在試飛的四種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)

花了近十年的時(shí)間，美國(guó)NASA研制了四種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)原型機(jī)，目前正在進(jìn)行第一階段的試飛計(jì)劃。這四種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)有類似的之處，但又各有不同，下面分別作一簡(jiǎn)要介紹。

第一種型號(hào)“探索者”是于1993年首飛的。它采用平直翼和雙吊艙設(shè)計(jì)，是四個(gè)型號(hào)中最小的一種。翼展29.5米，展弦比12，機(jī)長(zhǎng)3.6米，翼面積71平方米。共裝6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)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(shí)，升限21000米，續(xù)航時(shí)間14～15小時(shí)。1995年，“探索者”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)曾創(chuàng)造過(guò)15530米的飛行距離和19970米的飛行高度記錄。后來(lái)，在夏威夷上空，又創(chuàng)造飛行高度21600米的記錄。

第二種型號(hào)“探索者＋”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，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(jī)仍然采用平直翼、雙吊艙設(shè)計(jì)，但尺寸更大。翼展36.3米，展弦比15，機(jī)長(zhǎng)3.6米，翼面積87平方米。共裝8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)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(shí)，升限為24000米，續(xù)航時(shí)間白天可達(dá)到14～15小時(shí)、夜間為2～5小時(shí)。改進(jìn)型“探索者＋”有許多新特點(diǎn)，不管是在氣動(dòng)特性，還是動(dòng)力系統(tǒng)上都有所突破。飛機(jī)采用的翼型也更適合高空飛行。特別是在機(jī)翼上表面安裝了新型的太陽(yáng)能電池板。這種電池板采用了由加里福尼亞太陽(yáng)能動(dòng)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(yáng)能電池，其能量比在“探索者”上用的太陽(yáng)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(gè)能量足可以供兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作使用。另外，在操縱系統(tǒng)方面也進(jìn)行了改進(jìn)。由于采取了這些改進(jìn)措施，在1998年的試飛中，使它的飛行高度達(dá)到了24800米。

第三種型號(hào)是“百人隊(duì)長(zhǎng)”，已經(jīng)開始試飛。這種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)尺寸更大，飛高度更高，航程也更遠(yuǎn)。該機(jī)采用了由五段矩形翼組成的大展弦比機(jī)翼，底下有4個(gè)吊艙，機(jī)翼前安裝了14臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。其翼展達(dá)到了61.8米，是“探索者”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)翼展的兩倍。為了避免飛機(jī)在起飛、著陸以及轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生翼尖失速，外段機(jī)翼設(shè)計(jì)了10度左右的上反角。由于“百人隊(duì)長(zhǎng)”采用了4個(gè)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(shí)，它的有效載荷為50公斤；在24000米高度時(shí)，有效載荷則可達(dá)到600公斤。目前，“百人隊(duì)長(zhǎng)”還沒有裝太陽(yáng)能電池板。在1998年的試飛中，爬升到24800米高度的能量是用機(jī)載鋰鋁電池所提供的。未裝太陽(yáng)能電池就進(jìn)行試飛，主要為了檢驗(yàn)加大翼展后的機(jī)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(yáng)能電池板，正在安裝過(guò)程中。預(yù)計(jì)裝太陽(yáng)能電池的“百人隊(duì)長(zhǎng)”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，將要到2001初才能試飛。

第四種型號(hào)“太陽(yáng)神”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，是1999年出廠的。它的外形與“百人隊(duì)長(zhǎng)”差不多，但尺寸達(dá)到了創(chuàng)記錄的水平，翼展達(dá)75米，比美國(guó)目前最大的兩種大型運(yùn)輸機(jī)C－5和波音747的翼展還要大。翼下吊艙也由4個(gè)增加到5個(gè)。與“百人隊(duì)長(zhǎng)”相比，“太陽(yáng)神”的機(jī)翼長(zhǎng)了13.2米，多了一個(gè)機(jī)艙和一個(gè)起落架。據(jù)設(shè)計(jì)人員介紹，它集中了前幾種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。飛機(jī)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(jī)翼在飛行過(guò)程中能保持良好的狀態(tài)，適應(yīng)飛機(jī)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(jìn)行了加強(qiáng)，機(jī)翼前緣內(nèi)用泡沫填充，整個(gè)飛機(jī)外表用一層堅(jiān)固的塑料膠片加固。在1999年夏天，“太陽(yáng)神”無(wú)人機(jī)進(jìn)行了6次超過(guò)500米的低空飛行試驗(yàn)。它和“百人隊(duì)長(zhǎng)”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(yáng)能電池。全機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)，估計(jì)要到2003年才能實(shí)施。那時(shí)，將進(jìn)行續(xù)航時(shí)間達(dá)96小時(shí)的遠(yuǎn)距離飛行試驗(yàn)。按設(shè)計(jì)者要求，這種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)可經(jīng)常在15000米左右的高度上執(zhí)行任務(wù)。飛機(jī)上共裝14臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但現(xiàn)在的試飛只有8臺(tái)可以工作，其余6臺(tái)只是擺樣子的。據(jù)說(shuō)，這主要是為了節(jié)約能量。

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的應(yīng)用前景

NASA認(rèn)為，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的用途廣泛，發(fā)展前景樂觀。由于這種無(wú)人機(jī)主要利用太陽(yáng)能提供能源，具有飛得高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)和飛行距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，是一個(gè)理想的空中飛行平臺(tái)。完全可以用于科學(xué)觀測(cè)，作為人造地球衛(wèi)星的補(bǔ)充，也能執(zhí)行監(jiān)視空中目標(biāo)、探測(cè)風(fēng)暴、探測(cè)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(yáng)能無(wú)人機(jī)“探索者”，目前正在夏威夷上空進(jìn)行試驗(yàn)飛行。上面帶有兩個(gè)阿摩斯研究中心研制的傳感器，一個(gè)是數(shù)字式高分辨率的頻譜干涉儀，另一個(gè)是能實(shí)時(shí)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(hào):O44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)15-0340-01

隨著電子技術(shù)在航天飛行器、飛機(jī)、艦艇中的廣泛應(yīng)用,這些設(shè)備在工作的同時(shí)往往要產(chǎn)生一些有用或無(wú)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(jī)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(yán)重,同時(shí)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(jī)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(dá)到能兼容工作的狀態(tài),已成為當(dāng)前機(jī)載電氣電子設(shè)備設(shè)計(jì)一個(gè)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(lái)的一門科學(xué)。

眾所周知,電磁兼容學(xué)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)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(dá)到兼容狀態(tài)。從某種程度上也可以說(shuō)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(guò)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(jì)建立系統(tǒng),然后再對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行大量的拆卸,甚至要重新設(shè)計(jì),對(duì)于大規(guī)模集成電路要嚴(yán)重地破壞其版圖。因此問題解決法是一種非常冒險(xiǎn)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(jì)階段節(jié)省了電磁兼容設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的極限值來(lái)進(jìn)行計(jì)算,使組成系統(tǒng)的每個(gè)分系統(tǒng)均符合所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),并按標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法核實(shí)它們與標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的極限值的一致性。該方法可在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前對(duì)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(guò)儲(chǔ)備的設(shè)計(jì),或謀求解決的問題不一定真實(shí)存在的問題,從而影響系統(tǒng)本身的性能指標(biāo),又增大本身不存在的設(shè)計(jì)成本。系統(tǒng)綜合法是最近幾年興起的一種先進(jìn)的電磁兼容設(shè)計(jì)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(jì)的方法。系統(tǒng)綜合法從設(shè)計(jì)開始就預(yù)測(cè)和分析電磁兼容性,并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、組裝和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷對(duì)其電磁兼容性進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。由于在設(shè)計(jì)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(jī)機(jī)載通信設(shè)備的設(shè)計(jì)為例,討論一下如何用系統(tǒng)綜合法的思路進(jìn)行機(jī)載設(shè)備整機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)。

1 首先要明確電磁兼容設(shè)計(jì)的目的

對(duì)于新研制的機(jī)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(guò)的電磁兼容性指標(biāo),這是綜合權(quán)衡電磁兼容性與功能特性設(shè)計(jì)的起點(diǎn),再此基礎(chǔ)上同時(shí)考慮研制周期和經(jīng)費(fèi)需求,確定整機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的電磁兼容性的控制等級(jí)和控制方案。一般來(lái)說(shuō),是依據(jù)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,以設(shè)計(jì)為重點(diǎn),以電磁兼容試驗(yàn)為保障,來(lái)保證電磁兼容性設(shè)計(jì)的有效性,同時(shí)在制定研制計(jì)劃時(shí)要充分意識(shí)到系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)工作將貫穿于系統(tǒng)研制的全過(guò)程。

2 整機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容分析和溝通

首先,整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)其進(jìn)行合理的電磁兼容分析,例如該新型飛機(jī)機(jī)載通信設(shè)備,其系統(tǒng)主要由供電分系統(tǒng),信號(hào)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(gè)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(duì)于可以調(diào)整位置的模塊,要充分利用空間隔離,使其遠(yuǎn)離干擾源;像高靈敏度的接受機(jī)不但要做好屏蔽工作,還要使其遠(yuǎn)離大功率發(fā)射機(jī)。另外,對(duì)于各個(gè)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(hào)處理與控制分系統(tǒng)一般大都是數(shù)字電路,而接收機(jī)和發(fā)射機(jī)一般大都是模擬電路,所以數(shù)字電路的信號(hào)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?yàn)榈仉娏鞫鸬母蓴_。

其次就是整機(jī)各個(gè)分系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)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(jì),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(qiáng)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?yàn)樗诟黝l段的傳播特性是不同的,如果不充分和合理地使用,不但會(huì)造成本身利用率的下降,還會(huì)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(jì)中是相當(dāng)重要的一項(xiàng)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(lái)說(shuō),電源線傳導(dǎo)發(fā)射與輻射,信號(hào)線傳導(dǎo)發(fā)射與輻射,大功率發(fā)射機(jī)的諧波帶來(lái)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(jì)時(shí)需要全面考慮。

3 整機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)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(jì)開始就預(yù)測(cè)和分析了整機(jī)及其各模塊的電磁

兼容性?？梢赃@么認(rèn)為,電磁兼容是設(shè)計(jì)出來(lái)的。因?yàn)閱蝹€(gè)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(jì),這樣就出現(xiàn)了單個(gè)元件滿足要求,而系統(tǒng)聯(lián)起來(lái)后不滿足要求;或者無(wú)限擴(kuò)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(yàn)表明,對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)而言,只有進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的綜合設(shè)計(jì),才有可能達(dá)到滿意效果及合理的費(fèi)效比?？梢詮囊韵路矫婢C合考慮。

3.1 設(shè)計(jì)約束

電磁兼容設(shè)計(jì)約束的優(yōu)先級(jí)并不比設(shè)計(jì)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(jì)師系統(tǒng)和設(shè)計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從電磁兼容的觀點(diǎn)來(lái)考慮機(jī)械設(shè)計(jì)方面的事項(xiàng)是相當(dāng)重要的。

首先設(shè)計(jì)殼體結(jié)構(gòu)時(shí)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(jì),這也會(huì)在很大程度上決定電磁兼容措施的應(yīng)用等級(jí)。如果需要在各模塊接觸面使用襯墊,那么設(shè)計(jì)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(diǎn)來(lái)考慮系統(tǒng)的分割,將噪聲較大的電纜分離出來(lái),電纜的分離對(duì)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(jì)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(lái)。

再次要注意系統(tǒng)布局,減少空間耦合。高靈敏度設(shè)備遠(yuǎn)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(jìn)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(shí)行分網(wǎng)供電,減少電源的傳導(dǎo)耦合,加強(qiáng)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(qiáng)電源濾波,控制傳導(dǎo)干擾,一般情況一個(gè)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(jí)濾波需要綜合考慮。

3.4 地線網(wǎng)絡(luò)和接地設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中要保證一致接地的方針,統(tǒng)一設(shè)計(jì)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(jìn)行綜合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),盡可能設(shè)置電源地,信號(hào)地;盡可能減小地電阻,要特別注重接地點(diǎn)的防松動(dòng),防氧化功能的設(shè)計(jì);高靈敏設(shè)備的接地點(diǎn)要遠(yuǎn)離大功率設(shè)備的接地點(diǎn),消除地電流耦合。

3.5 可制造性

在設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàn)

篇8

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

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)全球化，航空自由化趨勢(shì)的加強(qiáng)，民用航空運(yùn)輸業(yè)取得了前所未有的繁榮態(tài)勢(shì)，用戶對(duì)航空安全的期望越來(lái)越高，社會(huì)媒體也更加關(guān)注航空安全。根據(jù)加拿大運(yùn)輸部的一項(xiàng)研究表明：一個(gè)機(jī)場(chǎng)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(gè)典型問題，如何有效地提高民航運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性已經(jīng)成為各航空機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)問題。物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）技術(shù)被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，它通過(guò)射頻識(shí)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(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)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(zhǎng)在2010年的全國(guó)民航工作會(huì)議上作了《中國(guó)民航人要為建設(shè)民航強(qiáng)國(guó)而努力奮斗》的重要講話，首次全面闡述了民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)的意義、作用、目標(biāo)、戰(zhàn)略、途徑和保障措施。他提出“我們民航要抓住當(dāng)前國(guó)家有利的產(chǎn)業(yè)政策機(jī)遇，加快物聯(lián)網(wǎng)在民航領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，促進(jìn)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(lái)的科技創(chuàng)新為民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)提供強(qiáng)有力的支撐。本文結(jié)合中小型機(jī)場(chǎng)航班量、運(yùn)營(yíng)成本及設(shè)備維護(hù)等特點(diǎn)，采用基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵傳感器技術(shù)用于跑道保護(hù)區(qū)域航空器和人員活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，研究一套能提供地面保護(hù)區(qū)實(shí)時(shí)狀態(tài)和告警功能的跑道防入侵系統(tǒng)，能有效地彌補(bǔ)管制員在極端的天氣條件下，對(duì)場(chǎng)道的監(jiān)控的缺失，從而保障跑道的安全運(yùn)行。

1.國(guó)內(nèi)外跑道防侵入方法

據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guó)NAS內(nèi)的500多家機(jī)場(chǎng)共計(jì)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(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)行，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)ICAD針對(duì)跑道侵入的統(tǒng)計(jì)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(guò)1億美元。針對(duì)跑道防侵入的方法，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了深人的研究，并提出了幾種方法來(lái)防止跑道侵入事件的發(fā)生。

在國(guó)外，尤其是美國(guó)在這方面投入大量的科研經(jīng)費(fèi)，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(jí)平面器件運(yùn)動(dòng)指引和監(jiān)控系統(tǒng)（ASMGCS），用來(lái)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(jìn)行監(jiān)控，RIAAS原型系統(tǒng)采用ADS-B和TIS的數(shù)據(jù)來(lái)分析跑道侵入的可能性，基于一些既定的規(guī)則進(jìn)行判斷，從而做出預(yù)警；Denise Jones針對(duì)防跑道侵入系統(tǒng)的評(píng)估，采用NASA研究中心的數(shù)據(jù)采用模擬仿真的方法對(duì)跑道侵入事件進(jìn)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(guò)探測(cè)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(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)跑道侵入可能性進(jìn)行分析，從而為塔臺(tái)工作人員提供有用的決策信息及支持。

我國(guó)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(jì)算機(jī)視覺原理，針對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)和識(shí)別系統(tǒng)，提出一種基于邊緣特征的異物檢測(cè)方法，采用Gabor紋理的異物特征提取方法，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)表明該方法的可行性，但這方面的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，沒有真正應(yīng)用于實(shí)際，而且該方法沒有考慮實(shí)際機(jī)場(chǎng)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(jìn)的機(jī)場(chǎng)地面檢測(cè)設(shè)備和機(jī)場(chǎng)活動(dòng)區(qū)域案例系統(tǒng)等高度自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，防范跑道侵入，一旦發(fā)生，立即做出響應(yīng)和警報(bào)，以此給管制員以足夠的時(shí)間和空間來(lái)避免和解決跑道侵入；機(jī)場(chǎng)跑道區(qū)域，以及機(jī)場(chǎng)航空器、車輛等運(yùn)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(biāo)記、信號(hào)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(jìn)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(lái)源于管制員的失誤與偏差，而管制員的失誤與偏差主要來(lái)源于管制員的責(zé)任意識(shí)不強(qiáng)相關(guān)安全意識(shí)不夠，管制員使用的機(jī)場(chǎng)用語(yǔ)不標(biāo)準(zhǔn)，因此要不斷加強(qiáng)管制員的專業(yè)知識(shí)和職業(yè)責(zé)任意識(shí)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(tái)工作人手，參考FAA的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，提出全面掃視的工作模式，幫助塔臺(tái)管制員更好地了解運(yùn)行錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因，建立良好情景意識(shí)，建立正確的工作模式，緩解工作壓力，從而減少錯(cuò)誤的產(chǎn)生。但是目前大多數(shù)的中小型機(jī)場(chǎng)主要采用視頻監(jiān)控、人員巡查、對(duì)講機(jī)通訊等傳統(tǒng)的“目視化”管理模式對(duì)跑道侵入問題進(jìn)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(cái)力的資源開銷，但是投入與產(chǎn)出卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)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(cuò)等。

2.系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)中小型機(jī)場(chǎng)跑道侵入問題，遵循“加強(qiáng)資源整合、完善功能定位、擴(kuò)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(dòng)模式下的跑道防侵入實(shí)時(shí)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(cè)器、射頻傳感器等感知設(shè)備實(shí)時(shí)采集機(jī)場(chǎng)跑道及周圍環(huán)境的多維數(shù)據(jù)，通過(guò)傳感器的主動(dòng)式采集傳輸，為決策層提供準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層采用光纖網(wǎng)絡(luò)和無(wú)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(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備和其他控制器，把收集到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾、清洗、分類、加密、傳輸?shù)炔僮?，把完整、?shí)時(shí)、準(zhǔn)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(gè)集實(shí)時(shí)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(yùn)作，為塔臺(tái)管制員、調(diào)度員、機(jī)場(chǎng)巡查員等用戶提供多種監(jiān)控方法。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文圍繞“物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)模式下的跑道防侵入實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)”的框架設(shè)計(jì)、主要功能模塊開發(fā)和集成，完成一套適應(yīng)于中小型機(jī)場(chǎng)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(jì)如圖2所示，各個(gè)數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)通過(guò)交換機(jī)傳輸至綜合數(shù)據(jù)處理器中進(jìn)行系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的提取和加工，并存儲(chǔ)在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)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?shí)時(shí)性，在對(duì)單網(wǎng)通信進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用了雙冗余結(jié)構(gòu)，在其中一網(wǎng)失效時(shí)，能自動(dòng)無(wú)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(cè)模型

針對(duì)跑道侵入主要因素（人、車輛和航空器等）實(shí)時(shí)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(duì)跑道分為三級(jí)區(qū)域進(jìn)行集中監(jiān)控，如圖3所示。在跑道保護(hù)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(cè)頭和zigbee人體紅外探測(cè)器，通過(guò)激光束形成的閉環(huán)路激光探測(cè)網(wǎng)，對(duì)進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)的航空器和車輛進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用zigbee探測(cè)器組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)跑到內(nèi)人員活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控。在滑行道鋪設(shè)zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用zigbee節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識(shí)，為載有zigbee設(shè)備的車輛和航空器實(shí)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(shí)現(xiàn)技術(shù)主要包括以下幾個(gè)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(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行采集

針對(duì)跑道侵入主要因素（人、車輛等）實(shí)時(shí)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(cè)變得十分困難，采用傳統(tǒng)的手段，如視頻、現(xiàn)場(chǎng)人員安排等無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全、可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)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(cè)器、紅外傳感器等物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，對(duì)侵入跑道的異常物體進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，把溫度等數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于異常物體探測(cè)的種類，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)異常情況的監(jiān)控。

2）利用機(jī)場(chǎng)動(dòng)態(tài)環(huán)境下集成光纖及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制及集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定與可靠傳輸

研究機(jī)場(chǎng)動(dòng)態(tài)環(huán)境下感知數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)在光纖及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸、交互等互操作方法，建立動(dòng)態(tài)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)集成模型，以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)、光纖探測(cè)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，提出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)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(dòng)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(dá)、資源描述、信息處理及加密方法，以適應(yīng)機(jī)場(chǎng)背景下的感知數(shù)據(jù)應(yīng)用，提出數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)模型，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表征格式，為支持決策提供準(zhǔn)確無(wú)誤的數(shù)據(jù)支撐。

4）針對(duì)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?jī)?nèi)容主要包括以下三個(gè)主要功能模塊：

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊：該模塊針對(duì)機(jī)場(chǎng)異常物體探測(cè)的實(shí)時(shí)眭要求，通過(guò)實(shí)時(shí)控制技術(shù)實(shí)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(cè)及工作狀態(tài)監(jiān)控，該模塊采用socket技術(shù)對(duì)設(shè)備端口進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

可視化管理模塊：針對(duì)感知數(shù)據(jù)抽象、離散等特點(diǎn)，利用可視化技術(shù)把感知數(shù)據(jù)還原成現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)三維模型表達(dá)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(guò)該模塊對(duì)跑道侵入進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)調(diào)控機(jī)制杜絕此類事故的發(fā)生，同時(shí)，如果系統(tǒng)檢測(cè)可能發(fā)生航天器異常事件，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)送預(yù)警信號(hào)給塔臺(tái)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(jìn)行清洗、分類、挖掘，得到有意義的數(shù)據(jù)用來(lái)分析航天器的調(diào)度，通過(guò)異常數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)調(diào)度結(jié)果進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)基于可靠性感知數(shù)據(jù)的調(diào)度決策，把機(jī)場(chǎng)跑道資源、航天器資源等有限資源進(jìn)行統(tǒng)一整合，通過(guò)最優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)資源利用率最大化。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際效果，模擬在某機(jī)場(chǎng)搭建一個(gè)基于激光探測(cè)器簡(jiǎn)易測(cè)試平臺(tái)，其監(jiān)控席位的軟件界面如圖4所示。激光探測(cè)器被成對(duì)的放置于跑道和滑行道入口的兩側(cè)形成一個(gè)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(jìn)入滑行道都將觸發(fā)告警，同時(shí)提供聲光告警提示。只要管制員不手動(dòng)解除告警，系統(tǒng)將以3秒的周期持續(xù)告警。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能提供跑道保護(hù)區(qū)實(shí)時(shí)狀態(tài)和告警預(yù)測(cè)，能有效地彌補(bǔ)管制員對(duì)場(chǎng)道監(jiān)控的缺失，從而保障跑道的安全運(yùn)行。

篇9

【關(guān)鍵詞】視頻識(shí)別技術(shù) 客運(yùn)車輛 超載 遠(yuǎn)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(lái)越多，尤其是節(jié)假日，而與此相關(guān)的公路客運(yùn)（長(zhǎng)途客車，旅游客車等）的運(yùn)力卻沒有相應(yīng)增加，致使超員現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)?？蛙嚦d對(duì)國(guó)家的公路設(shè)施和客運(yùn)市場(chǎng)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(guó)家和百姓帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失和感情傷害。為更好地適應(yīng)寧波市社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的步伐，防止超載現(xiàn)象的發(fā)生，保證客運(yùn)安全，開展客運(yùn)車輛實(shí)時(shí)載客人數(shù)智能識(shí)別及遠(yuǎn)程核查研究。

1 研究?jī)r(jià)值

在采取行政監(jiān)督管理的同時(shí)，通過(guò)科學(xué)技術(shù)的手段來(lái)消除客車超載的現(xiàn)象也有著極其重要的意義和實(shí)用性。通過(guò)基于視頻識(shí)別技術(shù)的客運(yùn)車輛超載遠(yuǎn)程核查應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途客流的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，為長(zhǎng)途客運(yùn)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(shí)為長(zhǎng)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(yùn)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(gè)基于（開源）發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)，可以運(yùn)行在Linux、Windows和Mac OS操作系統(tǒng)上。它輕量級(jí)而且高效――由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時(shí)提供了Python、Ruby、MATLAB等語(yǔ)言的接口，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的很多通用算法。

OpenCV 用C++語(yǔ)言編寫，它的主要接口也是C++語(yǔ)言，但是依然保留了大量的C語(yǔ)言接口。該庫(kù)也有大量的Python， Java and MATLAB/OCTAVE （版本2.5）的接口。這些語(yǔ)言的API接口函數(shù)可以通過(guò)在線文檔獲得。如今也提供對(duì)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(duì)齊，醫(yī)學(xué)圖像去噪（消噪或?yàn)V波），圖像中的物體分析，安全和入侵檢測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)視和安全系統(tǒng)，制造業(yè)中的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，攝像機(jī)標(biāo)定，軍事應(yīng)用，無(wú)人飛行器，無(wú)人汽車和無(wú)人水下機(jī)器人。

2.2 人臉檢測(cè)

人臉檢測(cè)從整體來(lái)看分為四個(gè)部分：

（1）Face detection 人臉識(shí)別，即識(shí)別出這是人的臉，而不管他是誰(shuí)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(shí)別，找出最相近的相近臉部圖像。

“基于知識(shí)的方法主要利用先驗(yàn)知識(shí)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(lái)檢測(cè)人臉?；诮y(tǒng)計(jì)的方法則將人臉看作一個(gè)整體的模式――二維像素矩陣，從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)通過(guò)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(lái)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(shí)模型與統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合的綜合系統(tǒng)將成為未來(lái)的研究趨勢(shì)?！保▉?lái)自論文《基于Adaboost的人臉檢測(cè)方法及眼睛定位算法研究》）

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包括車載視頻終端、視頻平臺(tái)及遠(yuǎn)程核查平臺(tái)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(guò)DVR自帶3G/4G傳輸模塊將照片傳回視頻平臺(tái)。

3.1.2 視頻平臺(tái)

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(tái)。

3.1.3 核查平臺(tái)

接收視頻平臺(tái)傳回車載照片；

針對(duì)車載照片進(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集。通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理和維護(hù)。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(shí)現(xiàn)車輛載客信息與空載信息的對(duì)比分析，超載預(yù)警計(jì)算等。

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

3.3 系統(tǒng)功能

客運(yùn)車輛乘載人員數(shù)量智能識(shí)別與遠(yuǎn)程核查系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分析包含以下功能：

3.3.1 車載人數(shù)統(tǒng)計(jì)查詢

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

3.3.2 載客車輛照片查詢

核查平臺(tái)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(chǔ)問題，系統(tǒng)進(jìn)提供15天內(nèi)照片查詢。

3.3.3 車輛信息管理

通過(guò)與運(yùn)政系統(tǒng)對(duì)接，獲取車輛相關(guān)基本信息，包括車型、荷載率，經(jīng)營(yíng)單位等。

3.3.4 車輛載客圖片對(duì)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(guò)單一的人臉檢測(cè)手段進(jìn)行車載人數(shù)識(shí)別，通過(guò)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?yán)锏某d人員主要分布在過(guò)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(cè)過(guò)道，再對(duì)過(guò)道和空載的情況做對(duì)比，最后進(jìn)行人臉檢測(cè)，將輪廓檢測(cè)、圖像對(duì)比分析和人臉檢測(cè)相結(jié)合以提高識(shí)別率。

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

（1）過(guò)道檢測(cè)。過(guò)道檢測(cè)算法，是根據(jù)opencv的輪廓檢測(cè)算法，提取座椅的輪廓來(lái)獲得的。

首先將圖像灰度化，然后對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理，再對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕和膨脹操作，最后根據(jù)設(shè)置輪廓檢測(cè)的閥值，進(jìn)行邊緣檢測(cè)。對(duì)邊緣檢測(cè)后的圖片再次進(jìn)行線段檢測(cè)，線段的長(zhǎng)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(cè)到的線段后，得到所有事豎線的線段。既在坐標(biāo)系中x坐標(biāo)相同的點(diǎn)。排除占圖片三分之一左右的車內(nèi)上部線段，因?yàn)樯喜糠质擒噹象w，不可能是座椅；同時(shí)，自動(dòng)找到照片的中間點(diǎn)，以此為中心向左右尋找豎線，當(dāng)在某一側(cè)找到三個(gè)或以上的平行的豎線時(shí)，既認(rèn)為找到座椅的邊緣，將此平行線的最靠近地點(diǎn)的且與中心點(diǎn)最接近的做為過(guò)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(guò)道區(qū)域劃分出來(lái)。

（2）圖像對(duì)比。圖像對(duì)比方法很多：如哈希對(duì)比，峰值信噪比對(duì)，特征點(diǎn)分析等。

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

哈希圖像對(duì)比分析的詳細(xì)過(guò)程：

a.縮小尺寸：將圖像縮小到8*8的尺寸，總共64個(gè)像素。

b.簡(jiǎn)化色彩：將縮小后的圖像，轉(zhuǎn)為64級(jí)灰度，即所有像素點(diǎn)總共只有64種顏色；

c.計(jì)算平均值：計(jì)算所有64個(gè)像素的灰度平均值；

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

e.計(jì)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(guò)比較，對(duì)有問題的圖片進(jìn)行下一步操作，既人臉檢測(cè)。

（3）人臉檢測(cè)。檢測(cè)上述的過(guò)道區(qū)域，采用opencv中的人臉識(shí)別算法，OpenCV已經(jīng)提供了不同種類的人臉檢測(cè)的訓(xùn)練文件。因此我們可以方便的通過(guò)載入這些訓(xùn)練好的級(jí)聯(lián)分類器XML文件來(lái)實(shí)現(xiàn)人臉、眼睛、鼻子等檢測(cè)，這些基于Haar和LBP特征的人臉檢測(cè)可以自動(dòng)的對(duì)大量數(shù)據(jù)圖片進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)果存儲(chǔ)在XML文件中以供使用。

3.4 超載預(yù)警處置

系統(tǒng)將通過(guò)圖像比對(duì)分析后疑似超載車輛信息反饋到該功能，平臺(tái)監(jiān)管人員可針對(duì)系統(tǒng)預(yù)警結(jié)果進(jìn)行處置，并可調(diào)取車輛實(shí)時(shí)視頻進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

基于視頻識(shí)別技術(shù)的客運(yùn)車輛超載遠(yuǎn)程核查應(yīng)用技術(shù)的研究作為寧波智慧運(yùn)管的重要部分，具有廣闊的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)基于視頻識(shí)別技術(shù)的客運(yùn)車輛超載遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)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(jìn)而保證客運(yùn)安全。

參考文獻(xiàn)

[1]胡尚舉，楊繼章.基于圖像偵測(cè)技術(shù)的客車超載監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法[J].科技資訊 2008（30）：16-16.

[2]王鴻，蔣文保.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的長(zhǎng)途客運(yùn)車安全管理 [J].系統(tǒng)信息安全與技術(shù) 2013（03）：61-64，85.

[3]北京卡爾視通科技有限公司，城市長(zhǎng)途客運(yùn)車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)解決方案[EB/OL].http：///2012/01/040814614522.shtml.

作者單位