基于特征提取的飛機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重程度識(shí)別分析的論文
1引言
飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下飛行時(shí)，飛機(jī)的機(jī)翼、尾翼、玻璃、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、空速管等部件的表面容易結(jié)冰，結(jié)冰會(huì)造成飛機(jī)的飛行重量增加，破壞飛機(jī)的氣動(dòng)外形，影響飛機(jī)的氣動(dòng)特性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)劤娠w行事故。西方國(guó)家很早便開(kāi)始對(duì)飛機(jī)結(jié)冰進(jìn)行了深入研究，中國(guó)近年來(lái)也逐步意識(shí)到此項(xiàng)研究的重要性并開(kāi)展了一系列的研究，但到目前為比，大多數(shù)傳感器只能給出關(guān)于結(jié)冰厚度的單一信息，少數(shù)可以得到結(jié)冰速率，無(wú)法獲得對(duì)評(píng)定飛機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)所需要的其他更細(xì)微和更全而的信息。本文發(fā)展了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的新思路，通過(guò)研究多個(gè)結(jié)冰傳感器和溫度傳感器所集成的模式識(shí)別型飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)新技術(shù)，研究對(duì)探測(cè)器輸出測(cè)量空間進(jìn)行特征選擇和提取的基本方法，建立結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)特征空間，利用支持向量機(jī)，解決飛機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)分類(lèi)問(wèn)題。
2結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)特征空間
2. 1飛機(jī)的結(jié)冰參數(shù)飛機(jī)結(jié)冰是指飛機(jī)表面某些部位聚集了冰層的現(xiàn)象。當(dāng)飛機(jī)在具有結(jié)冰條件的環(huán)境中飛行時(shí)，機(jī)體表面、前緣等部位都可能產(chǎn)生不同程度的結(jié)冰。通過(guò)總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)冰量大小、結(jié)冰范圍和結(jié)冰形狀結(jié)冰主要與大氣中液態(tài)水含量、環(huán)境溫度、水滴直徑、云層范圍等氣象參數(shù)有關(guān)。除氣象因素外，飛機(jī)的結(jié)冰機(jī)理還主要受過(guò)冷卻水、機(jī)體表面溫度、飛行時(shí)間、速度以及迎角的影響�？梢�(jiàn)飛機(jī)結(jié)冰是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程。
通�？梢杂媒Y(jié)冰強(qiáng)度和結(jié)冰程度來(lái)衡量結(jié)冰的危險(xiǎn)性。同時(shí)，飛機(jī)的結(jié)冰冰型也是影響飛機(jī)飛行性能的重要結(jié)冰參數(shù)。
2. 2結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能的影響
飛機(jī)結(jié)冰會(huì)嚴(yán)重破壞機(jī)翼和尾翼的流譜平滑度。機(jī)翼流譜平滑度的破壞會(huì)致使升力系數(shù)Cl減小，阻力系數(shù)CD增大，升阻比急劇下降;尾部結(jié)冰會(huì)使臨界迎角減小，操縱效率下降，俯仰力矩系數(shù)CM減小。所以飛機(jī)結(jié)冰后，速度范圍、爬升率和升限都會(huì)減小。飛機(jī)結(jié)冰還會(huì)不同程度地影響飛機(jī)的穩(wěn)定性、發(fā)動(dòng)機(jī)性能以及續(xù)航性能等。
2. 3多維信號(hào)的測(cè)量空間的特征選擇和提取
在飛機(jī)上的關(guān)鍵位置選擇若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)(圖中為13個(gè)測(cè)量點(diǎn))，選擇不同類(lèi)型的傳感器獲測(cè)量點(diǎn)處的信息，傳感器輸出信息為電壓信號(hào)V1 ,V2 ,Vs , ... Vn。利用這一組電壓信號(hào)構(gòu)成原始的測(cè)量空間為巨[V1,V2,V3]T.
由所得到的原始的測(cè)量空間經(jīng)過(guò)運(yùn)算，可以得到飛機(jī)結(jié)冰測(cè)量的特征空間:
矩陣八的值由具體的傳感器決定，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出。華中科技大學(xué)自主研發(fā)的平頭光纖式結(jié)冰傳感器對(duì)冰厚的響應(yīng)曲線圖，冰厚信息可以通過(guò)傳感器測(cè)量曲線標(biāo)定擬合后測(cè)出。結(jié)冰冰型可由華中科技大學(xué)自主研發(fā)的楔形光纖式傳感器分辨困。結(jié)冰位置信息由傳感器的安裝位置決定，n個(gè)傳感器共有(2N-1)種可能的結(jié)冰位置。溫度信息可由現(xiàn)今已非常成熟的測(cè)溫技術(shù)獲取。可知，轉(zhuǎn)換矩陣八完全由傳感器的種類(lèi)、特性、安裝位置決定且可以計(jì)算得出。
2. 4建立結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)特征空間
現(xiàn)有結(jié)冰強(qiáng)度的定義是指，冰在飛機(jī)部件表面上形成的速度。
為了在實(shí)際應(yīng)用中可行，可采用新的思路:結(jié)冰嚴(yán)重程度可以決定飛機(jī)飛行的安全狀況，因此我們將飛機(jī)飛行的參數(shù)作為結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)特征空間。飛機(jī)飛行安全由許多因素決定，這里選取幾個(gè)主要的參數(shù)，包括升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)CD、俯仰力矩系數(shù)CM，建立結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)特征空間巨.
該結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)特征空間，可以由飛機(jī)結(jié)冰測(cè)量的特征空間求解:
由于不同機(jī)型的流體外形不同，結(jié)冰對(duì)不同機(jī)型的'影響也不盡相同，因此轉(zhuǎn)換矩陣B的求解需要有針對(duì)某一機(jī)型進(jìn)行的大量飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，得出完備的經(jīng)驗(yàn)公式，就能用計(jì)算機(jī)快速計(jì)算得出。
3支持向量機(jī)
3. 1支持向量機(jī)原理
支持向量機(jī)是Come和Vapnik于1995年首先提出的，它在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢(shì)。
3. 2多類(lèi)分類(lèi)問(wèn)題
最初支撐向量機(jī)是針對(duì)兩類(lèi)分類(lèi)問(wèn)題提出的，而實(shí)際上人們經(jīng)常遇到的是多類(lèi)問(wèn)題。本文采用的方法是:通過(guò)某種方式構(gòu)造一系列的兩類(lèi)分類(lèi)器并將它們組合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)多類(lèi)分類(lèi)，即每次將多類(lèi)問(wèn)題分解為“一類(lèi)對(duì)其余”，每次仍然解一個(gè)兩類(lèi)分類(lèi)問(wèn)題，這樣只需要訓(xùn)練。二值分類(lèi)器就可以得到分類(lèi)結(jié)果，分類(lèi)速度相對(duì)較快。
4利用結(jié)冰嚴(yán)重程度向量識(shí)別飛機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重程度
4. 1飛機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重程度分類(lèi)與識(shí)別
美國(guó)等西方國(guó)家對(duì)結(jié)冰嚴(yán)重性分類(lèi)有各自的標(biāo)準(zhǔn)，本文依據(jù)飛機(jī)結(jié)冰對(duì)飛機(jī)性能的影響將結(jié)冰嚴(yán)重程度劃分為末結(jié)冰狀態(tài)、輕度結(jié)冰狀態(tài)、中度結(jié)冰狀態(tài)、重度結(jié)冰狀態(tài)共4個(gè)嚴(yán)重程度。
4. 2構(gòu)建飛行安全函數(shù)
利用前文所得到的結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)特征空間構(gòu)建飛行安全函數(shù)來(lái)判斷飛機(jī)飛行的安全狀況。 首先利用式(1)、式(2)將實(shí)驗(yàn)所得的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)特征空間。
5結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)提取飛機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)特征空間信息，采用基于支持向量機(jī)的方法解決了飛機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重程度的識(shí)別問(wèn)題�？梢钥闯鲲w機(jī)結(jié)冰嚴(yán)重狀態(tài)特征向量的建立將傳感器測(cè)量向量與實(shí)際飛行安全狀況聯(lián)系起來(lái)，并能方便地構(gòu)造出飛行安全函數(shù)對(duì)結(jié)冰嚴(yán)重程度進(jìn)行識(shí)別。本文理論在實(shí)際應(yīng)用中還需要大量的飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，若本文思路得到后續(xù)研究，將有助于研制更及時(shí)、準(zhǔn)確、全而和可靠的飛機(jī)結(jié)冰探測(cè)器，提高我國(guó)飛行器(飛機(jī))結(jié)冰安全防護(hù)技術(shù)水平。
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