一种适用于无人机平台的混合式结冰探测方法
阅读说明：本技术 一种适用于无人机平台的混合式结冰探测方法 (Hybrid icing detection method suitable for unmanned aerial vehicle platform ) 是由 成昊 屠敏 吴戈 潘忠 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于航空飞行器结冰探测技术领域,公开了一种结冰探测的方法,该方法包括以下步骤：-获取结冰传感器谐振频率；-解析结冰传感器谐振频率；-获取无人机的结冰告警和结冰速率特征；-获取结冰厚度指示器图像数据；-解析冰层视觉信息；-获取无人机的结冰厚度特征；-综合结冰速率与结冰厚度信息获取无人机结冰状况。该探测方法结构简单可靠,可以给出结冰强度信息和结冰程度信息,从而显著提高结冰探测的准确度和全面性,并且视觉信号的拾取也可以无人机表面结冰情况得到直观的观察。(The invention belongs to the technical field of icing detection of an aviation aircraft, and discloses an icing detection method, which comprises the following steps: -acquiring an icing sensor resonant frequency; -resolving the icing sensor resonant frequency; -obtaining an icing alert and an icing rate characteristic for the drone; -acquiring icing thickness indicator image data; -resolving ice layer visual information; -obtaining an icing thickness characteristic of the drone; and integrating the icing rate and the icing thickness information to obtain the icing condition of the unmanned aerial vehicle. The detection method is simple and reliable in structure, and can give icing strength information and icing degree information, so that the accuracy and comprehensiveness of icing detection are remarkably improved, and the icing condition on the surface of the unmanned aerial vehicle can be visually observed by picking up visual signals.)
技术领域
本发明属于航空飞行器设计结冰探测技术领域，涉及一种适用于无人机平台的混合式结冰探测方法。
背景技术
飞机结冰是指在飞机机体表面聚集冰层的现象，主要由云中或雨中的过冷水滴碰撞机体后冻结形成，或由大气中的水蒸汽在机体表面凝华而来，飞机结冰是一种严重危害飞行安全的现象：机翼以及机体表面结冰会严重破坏飞机流场，降低气动效率，增大飞机气动阻力，影响飞机操稳，增加失速风险。
根据统计，易发生结冰的云层主要分为层云和积云，主要易形成的冰层包括霜冰、明冰和混合冰三种。根据不同气象条件下的结冰特性，一般情况下，采用结冰强度和结冰程度两种参数来衡量不同结冰特性。其中，结冰强度是结冰对飞行安全危害程度的度量，通常以冰在机体表面形成的速度作为度量依据。根据单位面积上的结冰速率，可以将结冰强度划分为弱结冰、轻度结冰、中度结冰和强结冰，如表1所示。
表1结冰强度
由于结冰强度不能反应飞机在结冰环境中的飞行时间，因此无法全面的衡量飞机结冰的严重程度。为了解决这个问题，引入结冰程度的概念。所谓结冰程度是指飞机在结冰环境飞行总时间中，机体表面结冰的厚度。类似于结冰强度，结冰程度同样可以划分为弱结冰、轻度结冰、中度结冰和强结冰四个等级，如表2所示。
表2结冰程度
为了降低结冰对飞机的维护，提高飞机的生存能力，除了在飞机上布置防/除冰装置外，通过结冰探测方法探测飞机所处环境的结冰情况也是一种主要的辅助防冰手段。目前在飞行器平台上常用的结冰探测方法主要包括：放射线式结冰探测方法、压差式结冰探测方法、磁致伸缩振动筒式结冰探测方法、压电膜片式结冰探测方法以及光纤式结冰探测方法。
从目前多种无人机平台的使用情况来看，上述方法或多或少都存在一定的缺陷：
1.放射线式结冰探测方法会给无人机操作人员和地勤维护人员带来健康危害；
2.压差式结冰探测方法体积较大不适用于无人机平台，且其响应速度比较缓慢；
3.磁致伸缩振动筒式结冰探测方法的装置结构复杂、生产工艺要求高并且校准较为困难；
4.压电膜片式结冰探测方法的装置敏感材料要求高、生产工艺复杂并且装配较为困难；
5.光纤式结冰探测方法是近几年提出的新型结冰探测手段之一，虽然具有探测灵敏度高、结构简单、可靠性高等优点，但是其受外界光线影响较大、只能实现点探测，无法全面的反应无人机表面结冰情况。
发明内容
发明目的：提出一种适用于无人机平台的混合式结冰探测方法，该方法综合了电子监测和视觉观测两种结冰探测手段，能够利用简单式谐振回路实现结冰速率特征解析，能够利用简单式图像处理技术实现结冰厚度特征解析，能够通过与结冰数据库参数的综合比对给出结冰强度和结冰程度信息，并且可以为地面操作人员提供无人机结冰状况影像数据。
一种适用于无人机平台的混合式结冰探测方法，所述方法通过混合式结冰探测装置实现，所述装置包括：结冰速率电测模块1、结冰视觉观测模块4和上位机7，所述结冰速率电测模块包括：结冰传感器2和结冰解算器3，所述结冰传感器布置在机翼前缘，并与布置在机翼后舱的结冰解算器电气连接，结冰解算器与上位机电气连接；结冰视觉观测模块包括：结冰厚度指示器5和光学观测装置6，结冰厚度指示器布置在机翼下方，为一代用测量标尺的翼面结构，光学观测装置布置在机头，光学观测装置用于观测结冰厚度指示器，光学观测装置与上位机电气连接；
所述方法包括以下步骤：
步骤一：结冰速率电测模块获取结冰传感器谐振信号；
步骤二：结冰速率电测模块解析结冰传感器谐振信号；
步骤三：上位机根据结冰传感器谐振信号解析结果获取结冰速率特征；
步骤四：上位机通过结冰视觉观测模块获取结冰厚度指示器图像数据；
步骤五：上位机基于结冰厚度指示器图像数据解析冰层视觉信息，并获取无人机的结冰厚度特征；
步骤六：上位机综合结冰速率特征与结冰厚度特征判断无人机结冰状况。
进一步，所述的谐振频率信号包括结冰传感器基频信号和频率-结冰厚度对比信号。
进一步，所述的结冰传感器谐振频率解析过程包括：
谐振回路将结冰传感器谐振信号的频率信息转换为电压信息，并根据电压信息解算结冰速率信号并将结冰速率信号传至上位机；上位机根据结冰速率信号解算结冰速率特征；
所述上位机还设有结冰告警频率门限，若结冰传感器谐振信号频率超过结冰告警频率门限则进行结冰告警。
进一步，所述谐振回路包括：起振电路和谐振电路；所述起振电路和谐振电路集成于结冰传感器内，以避免寄生电容影响。
进一步，结冰传感器谐振信号触发结冰告警时刻作为图像数据解析的起始时刻；
上位机根据结冰速率调节结冰厚度指示器图像数据刷新频率。
进一步，所述的图像数据解析过程包括：根据未结冰时的基础图像数据和不断刷新的结冰图像数据差值获取冰层视觉信息。
进一步，所述的冰层视觉信息包括：特征信息与指示器标尺信息，通过对比冰层特征信息与指示器标尺信息来获取冰层厚度视觉特征，并根据冰层厚度视觉特征获取结冰厚度特征。
进一步，上位机通过将采集的结冰速率特征和结冰厚度特征与采用统计法获取的结冰数据库信息对比，给出环境的结冰强度与结冰程度信息。
进一步，所述结冰数据库信息包括：结冰强度划分等级、结冰程度划分等级、结冰速率—结冰强度等级对应关系以及结冰厚度—结冰程度等级对应关系数据。
有益效果
1.基于谐振回路的结冰速率探测，结构简单，体积小，能耗低，探测结果精确，可靠性高；
2.基于结冰厚度指示器的结冰图像处理，算法简单，数据直观；
3.混合式结冰探测方法，综合给出结冰强度与结冰程度参数信息，更加全面科学，进一步提升结冰探测准确性、可靠性以及探测余度；
4.电测信号与视觉信号综合判断，有助于飞机操纵人员作出最准确的判断，更利于在结冰环境下飞行器的操控。
附图说明
图1为适用于无人机平台的混合式结冰探测方法原理框图；
图2为一种适用于无人机平台的混合式结冰探测方法的实施图例；
图3为一种适用于无人机平台的混合式结冰探测方法流程图；
其中：1-结冰速率电测模块、2-结冰传感器、3-结冰解算器、4-结冰视觉观测模块、5-结冰厚度指示器、6-光学观测装置、7-上位机、8-地面指挥系统。
具体实施方式
本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。
本发明是一种适用于无人机平台的混合式结冰探测方法，其基本构架框图如图1所示。其中，结冰速率电测模块1由结冰传感器2和结冰解算器3构成，结冰传感器谐振信号的解析由结冰速率电测模块1进行，上位机7根据结冰传感器谐振信号解析结果获取结冰告警与结冰速率特征；结冰视觉观测模块4由结冰厚度指示器5与光学观测装置6构成，未结冰时的基础图像数据和不断刷新的结冰图像数据等视觉信息由结冰视觉观测模块4进行采集。结冰速率电测模块1、结冰视觉观测模块4分别与上位机7连接，将结冰速率信号与结冰厚度指示器5的图像数据传递给上位机7,结冰数据库信息集成在上位机7中，上位机解析结冰速率特征与结冰厚度特征，并据此判断无人机结冰状况，最后通过链路下传到地面指挥系统8中。
下面结合附图2说明本发明的另一个实施例。
基于本发明所使用的无人机的类型，无人机需要在7500m高空(含)之下进行长时间巡航。根据GJB2195《飞机表面热气加热型防冰系统通用规范》以及HB7171《飞机热力防冰系统通用规范》中有关结冰气象条件的定义(高度为0～6100m))，7500m的高度(含)之下正是最易遭遇结冰气象，最需要对结冰环境进行探测的区间。
如图2，适用于无人机平台的混合式结冰探测方法实施装置包括结冰速率电测模块1、结冰视觉观测模块4、上位机7；结冰速率电测模块包括：结冰传感器2和结冰解算器3；结冰视觉观测模块包括：结冰厚度指示器5和光学观测装置6。结冰传感器2布置在机翼前缘，通过机上线束与布置在机翼后舱的结冰解算器3相连，而结冰解算器3再通过线束与上位机7相连；结冰厚度指示器5布置在机翼下方，为一种带有结冰厚度测量标尺的翼面结构，光学观测装置6可以布置在任一可以清晰观测到结冰指示器5的位置，本例中光学观测装置6布置在机头，集成在无人机平台地面监视系统中，采用CCD图像传感元件，具备可见光与红外观测能力，通过线束与上位机,7相连。上位机7则负责解析结冰速率特征和结冰厚度特征，综合解算后给出结冰强度和结冰程度信息，并进一步通过机载链路下传到地面指挥系统中。
下面基于本实例，结合图3详细介绍一下该种适用于无人机平台的基于电子监测与视觉观测的混合式结冰探测方法的具体实现；
第一步，拾取基础数据；基础数据主要包括：结冰传感器基础频率信息和结冰指示器基础图像数据，分别由结冰电测模块与结冰视觉模块采集，并传递给上位机；
第二步，解算结冰告警，并将告警上传上位机；
第三步，解算结冰速率：若结冰速率＞0mm/min,则将速率信息上传上位机，并进行下一步。若结冰速率＝0mm/min，则跳过图像数据解析，直接下传结冰状态；
第四步，确定刷新图像数据的频率。本例中图像数据的刷新频率谱通过试验数据确定，在其他应用中不局限于试验法来获取；
第五步，刷新图像数据，上位机根据刷新频率采集图像数据；
第六步，拾取冰层视觉信息，上位机通过对比刷新图像数据与基础图像数据来实现：冰层视觉信息包括：冰层外形以及对应的指示器刻度信息，上位机可根据指示器刻度信息直观的读取结冰厚度信号；
第七步，解析结冰状态，上位机综合结冰速率信号、结冰厚度信号以及结冰数据库信息，给出结冰强度、结冰程度数据；
第八步，下传结冰影像及信息：上位机将指示器影像数据与结冰状态信息通过数据链下传，便于地面指挥系统决策。
通过本实施例，该种适用于无人机平台的基于电子监测与视觉观测的混合式结冰探测方法，结构简单、多余度、可靠性高，避免了传统结冰探测方法余度低、工艺复杂、点监测等缺点，可以有效、直观的进行结冰探测，适用于体积小、功耗低的无人机平台，能够提供科学、全面的无人机飞行环境结冰状况数据。
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