基于特征提取的飛機結(jié)冰嚴重程度識別分析的論文
1引言
飛機在結(jié)冰氣象條件下飛行時，飛機的機翼、尾翼、玻璃、發(fā)動機進氣道、空速管等部件的表面容易結(jié)冰，結(jié)冰會造成飛機的飛行重量增加，破壞飛機的氣動外形，影響飛機的氣動特性，嚴重時甚至會釀成飛行事故。西方國家很早便開始對飛機結(jié)冰進行了深入研究，中國近年來也逐步意識到此項研究的重要性并開展了一系列的研究，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，無法獲得對評定飛機結(jié)冰嚴重狀態(tài)所需要的其他更細微和更全而的信息。本文發(fā)展了一種簡單實用的新思路，通過研究多個結(jié)冰傳感器和溫度傳感器所集成的模式識別型飛機結(jié)冰探測新技術(shù)，研究對探測器輸出測量空間進行特征選擇和提取的基本方法，建立結(jié)冰嚴重狀態(tài)特征空間，利用支持向量機，解決飛機結(jié)冰嚴重狀態(tài)分類問題。
2結(jié)冰嚴重狀態(tài)特征空間
2. 1飛機的結(jié)冰參數(shù)飛機結(jié)冰是指飛機表面某些部位聚集了冰層的現(xiàn)象。當飛機在具有結(jié)冰條件的環(huán)境中飛行時，機體表面、前緣等部位都可能產(chǎn)生不同程度的結(jié)冰。通過總結(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，飛機的結(jié)冰機理還主要受過冷卻水、機體表面溫度、飛行時間、速度以及迎角的影響�？梢婏w機結(jié)冰是一個相當復雜的過程。
通常可以用結(jié)冰強度和結(jié)冰程度來衡量結(jié)冰的危險性。同時，飛機的結(jié)冰冰型也是影響飛機飛行性能的重要結(jié)冰參數(shù)。
2. 2結(jié)冰對飛機性能的影響
飛機結(jié)冰會嚴重破壞機翼和尾翼的流譜平滑度。機翼流譜平滑度的破壞會致使升力系數(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。所以飛機結(jié)冰后，速度范圍、爬升率和升限都會減小。飛機結(jié)冰還會不同程度地影響飛機的穩(wěn)定性、發(fā)動機性能以及續(xù)航性能等。
2. 3多維信號的測量空間的特征選擇和提取
在飛機上的關(guān)鍵位置選擇若干個測量點(圖中為13個測量點)，選擇不同類型的傳感器獲測量點處的信息，傳感器輸出信息為電壓信號V1 ,V2 ,Vs , ... Vn。利用這一組電壓信號構(gòu)成原始的測量空間為巨[V1,V2,V3]T.
由所得到的原始的測量空間經(jīng)過運算，可以得到飛機結(jié)冰測量的特征空間:
矩陣八的值由具體的傳感器決定，可以通過實驗數(shù)據(jù)得出。華中科技大學自主研發(fā)的平頭光纖式結(jié)冰傳感器對冰厚的響應曲線圖，冰厚信息可以通過傳感器測量曲線標定擬合后測出。結(jié)冰冰型可由華中科技大學自主研發(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)今已非常成熟的測溫技術(shù)獲取�？芍D(zhuǎn)換矩陣八完全由傳感器的種類、特性、安裝位置決定且可以計算得出。
2. 4建立結(jié)冰嚴重狀態(tài)特征空間
現(xiàn)有結(jié)冰強度的定義是指，冰在飛機部件表面上形成的速度。
為了在實際應用中可行，可采用新的思路:結(jié)冰嚴重程度可以決定飛機飛行的安全狀況，因此我們將飛機飛行的參數(shù)作為結(jié)冰嚴重狀態(tài)特征空間。飛機飛行安全由許多因素決定，這里選取幾個主要的參數(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)冰嚴重狀態(tài)特征空間巨.
該結(jié)冰嚴重狀態(tài)特征空間，可以由飛機結(jié)冰測量的特征空間求解:
由于不同機型的流體外形不同，結(jié)冰對不同機型的'影響也不盡相同，因此轉(zhuǎn)換矩陣B的求解需要有針對某一機型進行的大量飛行實驗數(shù)據(jù)的支持，得出完備的經(jīng)驗公式，就能用計算機快速計算得出。
3支持向量機
3. 1支持向量機原理
支持向量機是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別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢。
3. 2多類分類問題
最初支撐向量機是針對兩類分類問題提出的，而實際上人們經(jīng)常遇到的是多類問題。本文采用的方法是:通過某種方式構(gòu)造一系列的兩類分類器并將它們組合在一起來實現(xiàn)多類分類，即每次將多類問題分解為“一類對其余”，每次仍然解一個兩類分類問題，這樣只需要訓練。二值分類器就可以得到分類結(jié)果，分類速度相對較快。
4利用結(jié)冰嚴重程度向量識別飛機結(jié)冰嚴重程度
4. 1飛機結(jié)冰嚴重程度分類與識別
美國等西方國家對結(jié)冰嚴重性分類有各自的標準，本文依據(jù)飛機結(jié)冰對飛機性能的影響將結(jié)冰嚴重程度劃分為末結(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個嚴重程度。
4. 2構(gòu)建飛行安全函數(shù)
利用前文所得到的結(jié)冰嚴重狀態(tài)特征空間構(gòu)建飛行安全函數(shù)來判斷飛機飛行的安全狀況。 首先利用式(1)、式(2)將實驗所得的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)冰嚴重狀態(tài)特征空間。
5結(jié)語
本文通過提取飛機結(jié)冰嚴重狀態(tài)特征空間信息，采用基于支持向量機的方法解決了飛機結(jié)冰嚴重程度的識別問題�？梢钥闯鲲w機結(jié)冰嚴重狀態(tài)特征向量的建立將傳感器測量向量與實際飛行安全狀況聯(lián)系起來，并能方便地構(gòu)造出飛行安全函數(shù)對結(jié)冰嚴重程度進行識別。本文理論在實際應用中還需要大量的飛行實驗數(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、準確、全而和可靠的飛機結(jié)冰探測器，提高我國飛行器(飛機)結(jié)冰安全防護技術(shù)水平。
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