空间飞行器总体设计范文

导语：如何才能写好一篇空间飞行器总体设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：临近空间飞行器；虚拟试验；高层体系结构；多物理场耦合；异构仿真模型

引言i

临近空间（Near space）通常是指20～100km的高空，由于技术和认识上的原因，临近空间的政治、经济和军事价值直到最近才引起各国的重视，并成为美国、俄罗斯、欧洲等国家和地区近期飞行器技术研究的热点。与其他飞行器不同，临近空间飞行器高速在相当高度的大气层内飞行，各物理场耦合作用特性较强。

临近空间飞行器具有重要政治、经济价值，是一类典型的复杂产品,其研究虽然刚刚起步，但对于我国航天、航空领域建设具有重要意义和深远影响，也是未来几十年内最重要的航天、航空飞行器研究之一。受政治、经济等方面因素的影响，临近空间飞行器的飞行试验不能进行全程验证，难以全面评估飞行性能。虚拟飞行试验在一定的精度下，能够替代真实试验对临近空间飞行器进行性能分析，对真实飞行试验进行预示，并指导方案设计。从而为提升系统的总体设计水平，提高飞行试验成功率，缩短研制周期，降低研制成本和风险等提供技术保障。

与传统航天航空飞行器系统研究中主要进行基于HLA的航天航空体系仿真及导航、制导与控制闭路的协同仿真不同，临近空间飞行器需要开展多学科、全系统、多物理场耦合过程的协同仿真研究。学科领域的仿真，功能结构复杂，技术含量高，领域间存在着大量的耦合与交互关系，其中一些涉及领域间交互的复杂仿真问题需要多个学科领域的仿真模型、软件相互协作共同完成。协同仿真不需要拆散一个系统，应保持其全貌，使得对系统的分析、设计和评价过程尽可能地接近人们认识系统的方法和习惯；使得分析、设计、实现系统的方法学（原理）与人们认识客观世界的过程尽可能一致。

本文结合临近空间飞行器的各领域模型研究成果，开发了一套能够综合考虑各学科子系统多场耦合作用的跨学科领域的协同建模与仿真的平台，实现基于HLA的临近空间高超声速虚拟飞行仿真试验，为系统总体性能分析与验证提供有效的技术途径。

1临近空间飞行器虚拟试验系统

如图1所示，本文开发的临近空间飞行器虚拟试验软件系统针对结构、强度、控制系统、载荷、热环境、气动力等几个领域的模型，提供其与协同仿真支撑环境相链接的高层模型转换方法来建立起联邦对象模型，并结合上述模型仿真计算所基于的ABAQUS、MSC、ANSYS、MATLAB/SIMULINK、FORTRAN等计算工具研制的仿真软件，并提供仿真适配器与领域模型仿真工具的联结，提供各组成邦员之间数据交换的约定，统一各邦员之间可见的仿真对象及属性，定义交互类，按照对象模型模版格式创建，描述邦员间互操作的约定。

图1  临近空间飞行器虚拟试验系统及异构仿真模型集成方法

各领域仿真模型与应用软件通过异构仿真模型的协同集成软件系统与仿真运行平台相链接。协同集成软件系统与仿真运行平台均按照高层体系结构（High Level Architecture, HLA）接口规范建立的，是HLA协同仿真系统进行分层管理控制的工具，也是进行临近空间仿真技术研究的立足点。HLA期望通过提供一个采用标准的方法解决联邦模式仿真中存在的固有问题，支持对应用系统的即插即用；支持对未来新技术的充分兼容与应用；支持对不同仿真应用的重用，实现联邦的快速组合与重新配置；支持用户协同地开发复杂仿真应用系统，并最终降低开发新应用系统的成本和时间。基于HLA的软总线式协同仿真模式克服了其它协同仿真模式的不足，在开放性、灵活性和通用性上都具有很大的优势。

2 协同仿真运行平台

为便于描述飞行器系统仿真内部逻辑，明确多学科协同仿真运行平台的规划、设计、实施和运行，并提供一个完整通用的参考结构，需要首先从系统的角度对其进行分析和描述。如图2所示的仿真运行框架中，三层体系结构将数据、服务与应用分离开来，便于各种应用软件，包括商用仿真软件的集成，保证了整个系统的灵活性和开放性。

仿真运行服务主要需解决：互操作问题，如何由最高层的应用互操作映射到最底层的网络互操作，以保证整个运行过程的可行性；时间同步问题，如何保证多学科协同仿真系统能够正确的顺利的向前推进，并提供相应的容错机制；运行管理问题，如何实现对协同仿真运行过程进行有效的监视和控制，以增强整个系统的可操作性，实现系统调试、自动优化、用户交互等复杂操作。

图2  虚拟飞行仿真运行平台

协同仿真运行管理器符合HLA1516标准规范，从整体角度对协同仿真系统进行运行管理，包括仿真运行支撑软件的启动/停止，协同仿真联邦的创建/撤销、仿真进程的启动/暂停/恢复/完成等等。协同仿真运行管理器基于交互类通信机制，对协同仿真系统的运行过程进行管理。主要用户界面。仿真运行监控器提供对联邦成员的行为的实时监控功能，实现仿真过程的可视化并反馈给网络中的各个设计节点，使得仿真过程更加直观，实时显示仿真联邦的状态，便于用户进行监视，与仿真运行管理器共同通过相应的权限管理机制来保证系统的安全性。

仿真运行服务集的核心是仿真引擎，动态载入不同仿真任务相关的仿真模型后，形成相应的仿真应用系统，实现系统行为调度的形式化和可视化。支持模型的直接连接与快速运行，非编译模式构建系统。仿真引擎基于有限状态机算法实现了系统对模型行为的形式化调度。

3 虚拟飞行试验

基于本文虚拟试验软件平台进行临近空间飞行器虚拟飞行试验过程如图3所示。

图3 飞行段每帧的仿真时序和数据流

在全系统的协同仿真试验阶段，所有的模型都参与了仿真试验，能够充分反映临近空间飞行器飞行过程 中各学科的相互耦合关系，能够完成全程虚拟飞行，具备实现验证总体参数的合理性，验证各学科模型与虚拟试验系统的匹配性，对真实飞行试验进行预示，并指导飞行决策和飞行试验方案设计。

4 结论

与传统航天飞行器系统不同，临近空间飞行器全程飞行的总体性能分析与验证问题非常复杂，进行各相关学科、领域的一体化协同仿真来完成虚拟飞行试验是必要的途径。本文开发了基于HLA的临近空间飞行器虚拟试验系统软件并建立了虚拟飞行试验方法，基于协同仿真适配器和高层模型转换算法提出实现异构模型协同集成的技术，介绍了所提出体系中仿真运行平台和支撑平台的构建方法，所提虚拟飞行试验方法既可体现该复杂系统的整体性，又有效地重用了现有的信息资源，完成临近空间飞行器全程飞行的总体性能验证，符合目前尖端飞行器系统虚拟验证的发展趋势。

篇2

关键词：物联网；除尘；系统

1 引言

纺织工业是我国的传统工业，我国是世界最大的纺织品、服装生产国，又是最大的出口国，拥有近1300万吨纤维资源和占世界1/4的纤维加工体系。进入21世纪以来，我国纺织工业发展很快，主要技术经济指标连年以两位数增长。我国纺织工纤维加工量达2000万吨，占世界纤维加工总量的30%。中国纺织服装业己成为全球纺织服装供应链中的重要环节。

纺织工艺是将纺织纤维加工成纱、线和纺织品的过程。棉纺在纺织工业中占有重要地位。纺纱过程的流程为：开清―梳棉―并条―粗纱―细纱―后加工工程，根据纱线产品的要求不同可能还要增加条卷、精梳等工艺过程。其中生产中的细纱车间是纺纱过程的成品车间，此处纱线的物理特性及结构不再发生根本性的变化，对整个纺织生产和产品的质量起着承前启后的作用。

随着工业和城市建设的快速发展，我国大气污染严重，空气中分布着很多微细的油烟和碳黑颗粒。当这些微细颗粒物在细纱车间的空气中达到一定浓度时，就会使细纱表面呈现灰黑色，出现了不同程度的“煤灰纱”现象。其中尤以细支纱、化纤纱比较严重。严重困扰着纺织企业的生产，给纺织企业造成了很大的经济损失，成为困绕纺织厂产品质量的一人生产难题。

国内纺织行业多年来对此进行了大量研究，采取了相应的治理措施，但都不能同时满足高效、经济，又使用维护方便的要求，故仍未得到彻底解决。

基于上述背景，设计了“纺织厂物联网格智能除尘系统”，旨在降低纺织厂维护成本和工人患职业病的概率。

2 总体设计

如图1所示，为纺织厂物联网格智能除尘系统工作原理图：

除尘系统采用“地车-空飞”模式。采用三个四轴飞行器对空中单位空间浓度超标的地方进行定位工作，具体实施是将整个生产车间进行立体网格划分，等分成若干个小空间，建立空间坐标系，而三个飞行器则通过相应传感器进行空间坐标系中X、Y、Z三轴定位，如果判断出该空间杂尘浓度超标，则确定该单位网格的具体空间位置，如果未超标则继续确定一下个网格。确定位置后将数据传输到地面智能小车，小车依据坐标数据，确定优化路线，而后达到指定位置展开吸尘工作，当被处理的网格杂尘浓度合格后，则停止并等待一个待处理坐标数据。

3 基本功能

纺织厂物联网格智能除尘系统的基本功能在于定向清除纺织厂中由于生产作业而产生的杂尘。该系统主要由空中四轴飞行器和地面智能小车构成。形成“地车-空飞”模式下的“定位-清理”杂尘处理系统。

空中选用三个四轴飞行器，飞行于纺织厂机器设备上部空间，从而形成立体空间网格下三点定位格局，通过飞行器上携带的异质传感器来分析判断三个飞行器所定位的网格中杂尘的浓度是否超过所设定的阈值，如果所定位的空间网格中杂尘的浓度超标，则通过三个飞行器的定位功能，将网格的坐标数据发送至地面智能小车，从而引导小车定向清理空中杂尘。飞行器及吸尘小车示意图如图2所示。

4.总结

“煤灰纱”的产生严重影响产品的质量，在织造工艺中使用“煤灰纱”会在自坯布表面形成很多不规则的密集性、连续性黑色条纹，较难洗净。因此坯布不能用于漂白或进行浅色加工，给棉纺厂和后加工企业造成很大的经济损失。经粗略统计，有厂家每年由此造成的损失近百万元之多。由于“煤灰纱”对坯布的质量产生严重影响，在空气污染严重时，落半纱甚至更少，有的纺纱厂被迫停产，以避免“煤灰纱”造成更大的损失。“煤灰纱”限制了企业的生产能力，降低了产品的市场竞争力。

随着纺织工业的发展，人们对纺织纺织品的质量要求越来越来高。纺织厂对车间环境空气质量提出了更高的要求，本创作从系统角度探索了解决细纱车间“煤灰纱”的控制问题，对改进车间的工作环境和提高产品质量有着很大的指导意义。

参考文献

[1] 蒋亚军，贺平，赵会群，曾仕元；基于EPC的物联网研究综述[J]；广东通信技术；2005年08期.

[2] 孔宁.物联网资源寻址关键技术研究.北京：中国科学院研究生院，2008.

[3] 潘林.基于网格技术的Savant中间件的设计和实现.北京：北方工业大学，2007.

[4] 潘金生；基于物联网的物流信息增值服务[J]；经济师；2007年09期.

篇3

关键词：空气动力学；教学方法；引导式教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）23-0170-02

一、“空气动力学”课程的特点

“空气动力学”是飞行器设计与工程专业的一门专业主干课程。主要介绍飞行器在空气中的受力规律、理论方法和分析方法，是飞行器总体设计和飞行力学等专业课程的前导课；另一方面，在学校相关专业培养计划中，该门课程开设于第5学期（大三上学期），学生首次进行专业课学习，学习成效也决定了后续学习的兴趣和动力。除了上述重要意义外，课程还具有如下两个主要特点：

1.抽象性强。空气看不见也摸不着，仅仅依靠定性方法来描述是远远不够的，因此该门课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、涡、熵、焓等，由于要和实际问题挂钩，其难度应该说要远大于大一和大二学习的数学和物理课程。学生容易出现畏难、不知如何入手的问题。

2.与航空发展史密切相关。自莱特兄弟1903年发明飞机以来，航空发展历史仅百年有余，空气动力学和飞行器设计联系非常密切，因此其实质的发展几乎与航空发展步伐一致。大多数教材都是根据航空发展历程，逐步引入空气动力学研究方法。学生尽管在前期学习过《航空航天技术基础》，但限于学时和课程的概述性质，很难建立起航空史各个阶段的全貌，可能出现的一个问题是：知识容易被碎片化处理，学习不得要领。要从技术发展史上去理解，需要对原有知识做适当回顾，并给出更具体的技术理解。

二、引导式教学方法及应用策略

引导式教学是指通过课堂上的讨论，通过设定问题引出需要讲解的内容、方法和知识点，激发学生的学习兴趣，使教师和学生面对面地交换信息、想法和意见，与单向传授式教学方法相比，可给学生提供另一种接受知识和深入理解知识的途径[1]。目前已在大学工科课程中得到了较多的应用[2-4]，但应用于空气动力学课程的相对很少[5]。

引导式教学还具有发挥空间大、互动性强的特点。由于问题本身是开放式的，学生不必拘泥于具体的公式模型去讨论问题，而是可以选择适合自己特点的语境。教师在引导过程中可以了解到学生的认知程度和知识储备情况，从而更有针对性地讲解。

教师在课堂讲授时，常采用自由表达式和案例式两种引导式教学方法，即或者要求学生针对抽象概念，用自己的语言给出描述；或者以航空史上某一案例出发，引导学生将理论知识与实际应用建立联系，并解释出公式或者概念的来龙去脉。

三、应用举例

1.当地加速度和迁移加速度。在使用欧拉法表示流体微团的加速度时，有如下公式[6]：

其中等式右端第一项为当地加速度，而后面3项均称为迁移加速度。教科书上对当地加速度和迁移加速度的解释是：当地加速度为流体微团在空间点（x，y，z）处，其速度随时间的变化率，而迁移加速度是由于流体微团流向速度不相同的邻点而出现的速度变化率。由上述表达式和解释可见，概念的抽象性较强，对学生的理解能力要求较高。因此，在课堂上，教师提出一个引导式问题：用自己的语言说说对当地加速度和迁移加速度的理解。学生们进行了热烈的讨论，其中有一位同学给出的理解是：流体微团就像是一块大的积木组合，可以将积木的“体积”理解为速度u，若运动时积木个数不变，变化的是组合方式，则在A点是个正方体，在B点就变成了底部面积增大而高度减小的长方体，“体积”的变化引发的三个坐标轴方向上的速度变化就对应迁移加速度；若在流场某点，如C处，在积木组合上又人为放置了一块积木，导致总“体积”增大，此时积木“体积”的变化率与运动变化无关，与空间点C点的位置有关，因此称为当地加速度。当地加速度若不为零，则流体为非定长流，这在自然界也有实例，比如均匀的河流中出现一处喷泉，则喷泉所在点即可产生当地加速度的效应。

2.激波阻力。阻力是空气动力学研究的一个重点问题，也是飞行器设计时的一个难点。图1上给出了典型飞机的阻力系数随飞行马赫数的变化曲线，由图可见，在跨声速阶段（Ma=1左右）阻力将出现最大值。然而，若仅仅给出这一结论，学生由于没有设计经验，理解效果一般。为此，在讲授这一知识点时，给出了朝鲜战争时期作战双方的两个主力机种：美国的F-86和前苏联的米格-15（如图2所示），引导学生从专业的角度去分析两架飞机的优缺点。

这是一个开放式的问题，学生给出的答案五花八门，其中与性能联系最紧密的有两个：①机翼的后掠角：米格15大于F-86；②平尾与机翼的相对高度：米格15的平尾位置明显高于F-86。后掠角可以减小临界马赫数，平尾位置对飞机性能又有什么影响呢？同时也给出了提示：米格15在冲刺加速时容易出现机头上仰，甚至导致坠机事件。学生们展开了热烈的讨论，最后给出的结论是：平尾位置过高，则跨声速时阻力剧增；与机翼不同的是，平尾阻力的作用线与质心位置较远，产生了较大的抬头力矩，若飞行员处置不当，有可能会引起机头上仰。接着教师又抛出第二个问题：米格15在朝鲜战争期间的综合表现应该是超出，或者至少不低于F-86的性能，既然米格15存在平尾位置较高的缺点，它又在哪一方面存在明显的优势？学生很快给出了答案：米格15的后掠角大于F-86，这也意味着较小的跨声速和超声速激波阻力。

经过这些讨论，学生们结合飞机实例，不仅对理论知识点有了较为深刻的认识，也认识到飞机设计没有最佳答案，从空气动力学的角度看都存在很多需要权衡的地方。这也为他们进行课外制作，以及后续的“飞行器总体设计”课程学习打下了一定基础。

四、结论和展望

为了解到学生对于引导式教学方法的接受程度，除课堂互动和期末考试外，主要通过两种方式获取学生反馈――面谈、课堂作业（涉及到重要的抽象概念时，均要求学生用自己的语言给出理解和解释，并提出对课程的建议意见）。学生的总体反馈较好，绝大多数学生克服了畏难心理，对知识点的理解不再是摘录教科书上的文字和答案，而是结合生活实践或者飞机实例（学校景观区有4架退役飞机）给出理解。为了检验教学效果，在期末考试时，设置的试题也有开放式的，例如给出一架典型的飞机，要求学生用所学知识分析其空气动力学设计的特点。由于此类题目并无固定答案，只能靠平时的积累，学生的答案都不尽相同，但均是基于所学知识的发挥，这说明学生不仅掌握了相关概念，更重要的是，将书本知识和飞机设计联系起来，初步具备了面向实践的航空工程师意识。

空气动力学课程还设置有一定的实验学时，实验项目具有直观、易懂的特点，不仅可印证理论，还可与理论抽象、严谨的特点进行互补。因此，除了在课堂上采用引导式教学方法外，还可尝试合理设置和优化实验项目，进一步激发学生的学习兴趣和能动性。此项工作正在进行中。

参考文献：

[1]巴巴拉.格罗斯.戴维斯.国外大学教学与教改译丛：教学方法手册[M].严慧仙，译.杭州：浙江大学出版社，2006

[2]邓建新.C#课程一体化多层次问题引导式教学方法[J].计算机教育，2014，（11）：68-71.

[3]卢麟，朱勇，李建华.发现式教学法在工科专业课程中的探索与实践[J].高教论坛，2012，（4）：81-83.

[4]姜占平，廖智勇，谭逢友.产品综合训练课程问题引导式教学模式初探[J].教育与职业，2009，（11）：151-152.

篇4

关键词：安全避障 红外 毫米波雷达 吊舱 直升机

中图分类号：TN958.98 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0056-04

随着输电高压等级的不断提高，输电线路的巡线作业的安全、稳定、高效运行越来越重要。随着我国电网工程的不断发展，超高压、特高压输电线路将覆盖全国，输电线路距离长、沿线地形复杂、输电线路塔体很高，传统人工巡线方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的巡查，以及在冰灾、水灾、地震、滑坡、夜晚期间巡线检查，所花时间长、人力成本高、困难大，某些线路区域和某些巡检项目人工巡查方法目前还难以完成。

针对上述问题，国内外已开始转向基于直升机或无人机的网巡作业方式，效率是地面人工巡视的20～30倍，为提升输电线路巡视效率，推进输电设备精益化管理，全网输电线路直升机巡视的作业需求日益迫切，该方式可及时发现人工巡视肉眼难以发现的缺陷，有力保障输电线路运行安全水平。直升机在行进过程中主要靠人工识别飞机周边障碍物情况，但在特殊情况或角度下，例如雨、雾、烟尘或其它复杂环境时，地面操控人员或机上驾驶人员很难判别周边环境，国内外已经发生多起飞行器碰撞坠毁事故，因此，飞行器避撞技术是直升机网巡作业的关键技术。为此，该文介绍一种基于红外视频与雷达一体化吊舱的直升机安全避障系统，给出系统的具体设计方案及其主要性能指标，可为其它用途直升机或无人机的安全避障系统设计提供参考意义。

1 安全避障系统方案分析及总体设计

1.1 方案分析

红外成像和毫米波雷达测距技术均是常见的两种避障手段，但具有各自的优缺点：（1）红外成像技术是基于物体表面热辐射的原理进行无接触温度测量、热状态分析、热轮廓描述，可在夜间及恶劣气候条件下进行目标监控、温度感知监控、伪装及隐蔽目标识别、物体距离及轮廓描述，但由于探测效果不随周围光照条件的变化而变化，红外成像技术无法实现较远距离的监控；（2）毫米波雷达测距技术可进行远距离测距，且具有抗干扰能力强、指向性强、测量精度较高、小型化等优点，适合作为直升机的自主避障系统传感器，但由于毫米波雷达只能探测平行距离，无法描述目标对象的轮廓和对象在视场中的角度。

基于红外成像和毫米波雷达测距技术的特性分析，本文将红外成像技术和毫米波测距雷达技术相结合，构建红外视频与雷达一体化安全避障系统，充分发挥红外轮廓成像和雷达远距离测距的优势。其中机载红外吊舱作为避障系统的主传感器，毫米波雷达测距系统作为安全避障系统的辅助传感器。

1.2 方案总体设计

直升机红外巡线吊舱安全避障系统主要由红外巡线吊舱、5路毫米波雷达空间测距、主控计算机、驾驶员指示屏及专用电缆等组成，如图1所示。其中，毫米波雷达测障系统安装在机体四周，红外吊舱安装于机体下方，主控计算机安装于驾驶室或由舱内人员携带。

当直升机进行巡逻时，空间毫米波雷达测障系统负责实时监测前、后、左、右及地面高度五个方向的空间障碍物信息，并将数据传输至主控计算机；此外主控计算机在采集红外视频信息的同时接收测障系统数据，通过角度计算确认包络红外吊舱当前指向的测距子系统并将其测距数据叠加至视频图像输出。系统通过结合5路毫米波雷达测距子系统组成的测距传感器网络实现空间测障功能，同时采集机载红外吊舱的视频信号，以“图形+数据”方式实时展示当前5方向的空间障碍物状态。当直升机与障碍物距离过近时，以声、光告警的方式提醒飞行员注意避让。

2 系统硬件设计

红外视频与雷达一体化安全避障系统如图2所示。

2.1 毫米波雷达空间测距系统设计

毫米波防撞测距系统可显示各障碍物离飞行器的距离、方位、角度，可对各类障碍物的类别进行评估，完成飞行器的合理避障。系统包含有五路毫米波防撞测距子系统，分别监测前、后、左、右及高度五个方向的障碍物状况，实时输出动态条件下飞行器与四周环境障碍物之间的距离，如图3所示。

5路毫米波防撞测距子系统作为从传感器节点通过RS422/RS485总线与计算机组网，由计算机点名实现测距数据轮询输出实现数据采集。组网方式为一主+多从，即主控计算机为总线主设备，其余测距子系统为从设备。毫米波雷达测距系统不主动向总线发送数据，主控计算机向总线广播数据请求指令，指令中包含对应请求对象传感器的地址，当测距子系统检测到广播指令中的地址与自身地址匹配一致后，向总线发出自身的测量数据，否则不回应广播数据请求指令，以此实现主控计算机对网络中各传感器节点的数据轮询。

2.2 红外巡线吊舱信号处理系统设计

由于系统需要接入PCI/PCI-E扩展的视频卡及数据通讯卡，普通笔记本电脑无法满足要求，一般工控机体积过于庞大且需外部供电。综合两方面考虑，主控计算机采用通用X86架构的便携式加固工作站并外扩扩展坞及PCI接口功能板卡的方式实现。加固型工作站具有很好的防水、防摔及抗震性，可靠性高，适合野外或机载条件下的使用。红外巡线吊舱信号处理系统的硬件架构及接口数据流如图4所示。

2.3 视频采集卡

视频采集卡采用海康威视DS-4300系列高清编码卡，暂选型号为DS-4304HFH-E。性能特点及部分指标如下：PCI-E接口，更高数据带宽；产品运行可靠稳定；高性能低功耗；实时完成视频和音频压缩，不丢帧；可设置编码的帧格式；可设置图像质量和码率；支持OSD、LOGO叠加和区域屏蔽提供完整SDK开发包；支持Windows XP、Linux操作系统。

2.4 数据通讯卡

数据通讯卡选型为宇泰UT-712 485/422光电隔离转换卡，PCI转2路RS-485/422。性能指标如下：PCI总线：32位；传输速率：高达115.2kbps；流控制：RTS/CTS XON/XOFF；工作温度：0℃～70℃；光电隔离：隔离电压2500 Vrms；接口保护：600 W浪涌保护、±15 kV静电保护；传输距离：高达1200 m；支持系统：Windows XP、Linux驱动。

2.5 红外视频与雷达数据联动设计

系统软件集成红外吊舱的控制接口及指令，用于同红外吊舱的通讯及双向控制，在某些设定条件下用户可通过系统软件对红外吊舱的进行手动或自动控制，亦可由红外吊舱的某些状态自动触发系统软件的特定功能，如自动启动视频录像。

红外视频与雷达数据联动数据流示意图如图5所示。以主控计算机及系统软件为中心实现子系统之间的通讯数据往来；以机载红外吊舱俯仰角及方位角输出信息为参考动态切换与当前红外摄像头指向对应的某一台毫米波雷达测距系统的输出数据，并将数据叠加进视频窗口；通过选定某一指向的毫米波雷达测距系统，控制机载红外吊舱调整摄像头的俯仰角及方位角使二者法向一致；以某一距离最小值为告警阈值，由毫米波雷达测距系统输出值通过系统软件自动触发红外吊舱收回镜头，防止设备受损；以某一距离最小值为工作阈值，由毫米波雷达测距系统输出值通过系统软件自动触发红外视频录像及拍照。

2.6 主控计算机选型

便携式加固工作站选型为神基科技GETAC X500，部分技术指标如下：全镁铝合金机壳，可防水、防尘、抗震耐摔；英特尔高性能处理器（酷睿i5-520M）；15寸阳光下可读的多点触控显示屏；离散图形控制器NVIDIA GeForce GT330M；整机可夜视功能，可插拔防震硬盘、多媒体扩展舱和PCI/PCIe扩充槽；电池板续航时间大于10 h。

2.7 电磁兼容性设计

结合直升机及其电子系统的电磁环境的特点，按照技术规范对电磁环境适应性的要求，从系统布局、内部布线、电磁屏蔽加固、电路板设计、元器件选择等方面进行电磁兼容设计。采取的措施有：在电源输入端加EMC电源滤波器；输入、输出插头座采用电磁屏蔽插头座；采取强度弱信号相互隔离，避免强信号对弱小信号的干扰；产品布线时，对于如电机电源等高频、强信号，工艺上采取正负级绞接地方法布线；在PCB设计时，采用多层板，设计专门电源层，吸收板上器件的电磁辐射；所有分系统内部的干扰源或敏感器进行电磁屏蔽设计。作为屏蔽体的外壳选用导电性能良好的金属材料，接口处的表面处理采用导电氧化处理，保证各屏蔽体良好连接，消除漏磁缝隙，以提高屏蔽效能。严格控制屏蔽体开口、孔洞、缝隙的数量、位置和大小，尽量避免降低屏蔽效能。

3 系统软件设计

3.1 工作模式

基于红外视频与雷达一体化吊舱的安全避障系统工作状态分为自检阶段和工作阶段：

（1）自检阶段。系统上电后，系统进行初始化并自检，自检内容有：通过数据通讯端口接收红外吊舱系统状态信息，判断吊舱是否进入正常工作状态；通过对5路毫米波雷达测距系统分别进行点名及数据读取，判断各个雷达测距系统是否进入正常工作状态；视频采集卡检测，判断视频采集卡通道是否正常打开，对应视频信号接入正常；录像区硬盘空间检测，确认录像区硬盘剩余空间充足。

（2）工作阶段。工作阶段系统启动如下功能有：实时接收各方向测距信息，动态展示空间障碍物状态；响应使用人员的操作；直升机进入与障碍物的危险距离后系统自动进行声光告警；触发自动录像及拍照，触发条件需与用户进一步协商。

3.2 软件开发设计

软件采用可视化集成开发环境Visual Studio开发，语言为C++；调用单机数据库管理系统Microsoft Access进行后台数据维护，数据库查询控制语言为SQL，并集成调用视频采集卡、数据通信卡等硬件设备的底层SDK，软件开发层次结构示意图如图6所示。

系统软件运行环境即操作系统为微软Windows 7或Windows xp，软件运行兼容32位和64位操作系统。软件主界面基于Microsoft MFC单文档应用程序模板SDI开发，基本界面示意图如图7所示。

4 系统性能测试及性能指标

4.1 环境适应性测试

（1）高温工作：将系统放入温度试验箱，当温度上升到+55℃温度时，保持2 h后，对系统进行功能检查，检测结果为：工作正常。

（2）高温存储：将系统放入温度试验箱，当温度上升到+65℃温度时，保持2 h后，待系统恢复到常温进行功能检查，检测结果为：工作正常。

（3）低温工作：将系统放入温度试验箱，当温度上升到-20℃温度时，保持2 h后，对系统进行功能检查，检测结果为：工作正常。

（4）低温存储：将系统放入温度试验箱，当温度上升到-40 ℃温度时，保持2 h后，待系统恢复到常温进行功能检查，检测结果为：工作正常。

（5）温度冲击检验：将系统置入温度冲击试验箱的低温箱内将箱内温度降到-40 ℃保持2 h，然后在1 min的时间内将系统移入温度为+55 ℃的高温箱内保持2 h，然后将温度恢复到常温进行功能检查，检测结果为：工作正常。

（6）温度-高度检验：将系统放置在试验箱内，将试验箱内的大气压力降到75.2 kPa，同时将试验箱内温度在低温-20 ℃和高温+50 ℃进行循环（在低温-20 ℃和高温+55 ℃的保持时间分别为1 h），进行1个周期的循环。试验后进行功能检查，检测结果为：工作正常。

（7）电磁兼容检验：按《GB/T17626.2 电磁兼容静电放电抗扰度试验》和《GB/T17626.6电磁兼容工频磁场抗扰度》进行试验，检测结果为：工作正常。

4.2 系统性能指标

系统性能指标如表1所示。

5 结论

为解决智能电网直升机网巡作业在复杂环境下的安全避障问题，该文提出了一种基于红外和雷达一体化吊舱的飞行器避障技术，充分结合红外成像和毫米波雷达分别在目标对象轮廓及视场角度感知和远距离监控探测方面的优势；完成了基于红外和5路毫米波雷达空间测距的吊舱系统硬件设计和软件系统开发。通过对各种环境适应性试验结果分析，避障系统的测距范围可覆盖10～1000 m，测距精度可满足±（1+0.03H） m，距离分辨率不大于1 m，工作频率在Ku或mm波段，波束宽度为6×6度，辐射功率不小于23 dBm，数据更新率为20 ms。飞行试验结果表明，该系统可满足直升机电力巡线的避障需求，同时还可对其它用途的直升机/无人机安全避障系统设计提供参考意义。

参考文献

[1]徐艳国.直升机防撞雷达关键技术及发展趋势[J].现代雷达，2011（33）：9-13.

篇5

“核动力航天器”这个关键词，显示了中国人对于航天探索的更远大计划。

中国空间技术研究院研究员、“嫦娥三号”总设计师孙泽洲对《望东方周刊》说：“从技术发展上来讲，如果以后要对比如木星这些距离太阳更远的行星进行探测，完全依靠太阳能不太现实，这时对空间核动力的应用就会有比较大的需求。”

中国的核动力航天器研发计划，自上世纪70年代至今已超过30年。如今，它正在进行对应用的最后准备。

中国需要核动力飞船

此前在2013年12月初发射的“嫦娥三号”，并没有像早前人们预料的那样使用核电池。

孙泽洲说，在“嫦娥三号”的论证过程中，也对是否使用核电池进行过详细分析和论证，但最终没有使用，“只是使用了同位素热源，也就是核热源。”

所谓核电池又叫“放射性同位素电池”，它主要通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断放出的具有热能的射线转变为电能。而热源只提供热能。

核电池体积小，硬币大小就可以具有比普通化学电池上百万倍的效能。自上世纪60年代开始，美国在“阿波罗”等计划中就使用了核电池，2012年抵达火星的“好奇号”火星车上的核电池，据称可以使用14年。

2004年，中国原子能科学研究院正式启动航天用同位素电池研发，2006年研制出中国第一颗同位素电池。

不过，与真正的空间核反应堆相比，核电池无论从技术还是应用来讲，都已经比较成熟。

目前对于中国研发空间核反应堆的最权威消息，来自2009年国家能源局能源节约和科技装备司的信息：中国于20世纪70年代开始空间核反应堆的研究工作，后一度中止。

“九五”期间，空间核反应堆研究被列入总装备部预先研究项目，由原子能院和空间技术研究院共同承担，完成了空间核反应堆概念设计。

“十五”起，中国人开始了空间核反应堆初步设计和关键技术攻关，在设计技术、制造技术、试验技术以及安全研究等方面均取得一定突破。目前项目处于从技术设计到施工设计的过渡阶段，正进行设备和部件的研制和单项试验。

当时公布的计划是“2015年完成地面试验，2020年定型，2025年发射百千瓦级核反应堆试验星”，进行在轨演示验证，掌握超大功率空间核反应堆电源技术。

2014年12月，作为一项公开的科研成果，在中国空间技术研究院502所和北京空间飞行器总体设计部合作的“863”课题“核动力航天器总体技术和安全研究”中，顺利完成了“空间大功率核电推进方案”研究工作。

这个课题组提出了载人火星飞船的核动力系统方案，并对核动力飞船在火星的起降进行了设计与优化。

孙泽洲称，中国目前完全具备火星探测能力，包括运载火箭发射能力、测控能力等多个方面。

他进一步分析说，即将研制成功的“五号”可以胜任近地小行星、金星、木星的环绕探测；可以支撑火星的无人着陆探测，但对于火星的采样返回，则需要比“五号”运载能力更大的火箭。

孙泽洲认为，未来15年内中国会有对木星的探测规划。而在未来10年内，对核动力航天技术的需求会更加迫切。

同时，他强调，空间核应用的安全性应排在第一位。“一旦发射任务出现问题，要确保不出现核泄漏。”

核科学与技术专家、中科院院士陈达同样认为，空间核应用安全问题非常重要。“苏联的核能航天器就曾掉下来过，人们就遭殃了。”他对《望东方周刊》说。

诸多难题待解

美国、苏联的核动力航天器曾多次发生意外，尤为著名的是苏联的核动力卫星“宇宙―954”、“宇宙―1402”的核反应堆与母体脱离后，助推级发生故障，没能把反应堆送入预定轨道。

1978年1月24日，“宇宙―954”的放射性残骸散落在加拿大北部的无人冻土带，放射性物质污染了地表，加拿大政府评估损失达1200万美元。

携带核动力装置的苏联雷达侦察卫星“宇宙―1402”在1982年12月28日失去控制，好在核动力部分后来在南大西洋中间阿森松岛西南上空进入稠密层时烧毁。

陈达说：“国际上一些国家在做空间核动力应用方面的研究，也不是一帆风顺的，这比较复杂。”

空间核反应堆带来的大问题体现在核反应、核辐射对航天器启动、调控、刹车等方面的影响。

尤其对于未来的核动力飞船而言，需要解决核反应堆的设计、制造、控制、冷却、辐射屏蔽、排气污染、高效率热电转换等一系列技术难题。

特别是核反应堆产生的辐射对宇航员的健康会构成很大威胁，这就需要飞船必须对核辐射进行屏蔽保护，确保宇航员和船载货物不受辐射以及来自反应堆高热的影响，但这样将大大增加探测器的重量。

陈达说，空间核应用过程中，核反应衰变不存在问题，但在真空、超低温的环境下，对核反应材料、能量输送材料有很高的要求。

中国已经进行了几十年的核能研究，为航天核动力研究作了不少铺垫，“太空中核动力应用比地面上复杂很多，问题是多方面的，主要包括材料问题、技术问题、转换方式问题、新的组建的问题等多方面问题。具体表现在比如怎样把核能转换为电能。”他说。

孙泽洲则认为，从实际应用来讲，核能的效率、核能的热排散等方面会有很大挑战。在地面上核反应冷却较为容易解决，空间核反应堆面临现实的散热冷却难题。

而在绕月探测工程、“嫦娥一号”系统总指挥兼总设计、中国工程院院士叶培建看来，空间核动力的研发和使用有很多困难。

“地面上使用核能，可以不考虑体积、能耗，冷却也比较好办。太空中各种条件都受限制，因此，把核能用到太空中，必须克服空间所带来的一些问题，比如核元素的体积、功耗等方面。要找出和地面上不同的获取核动力的方法。”叶培建告诉本刊，中国空间技术研究院的相关课题组正在研究这方面的问题。

篇6

NASA对太阳能无人机的研究

用太阳能作为飞机的能源，这种想法由来已久，也有人尝试过，但真正开始进行型号研制并取得进展却是近年来的事。美国航空航天局（NASA）经过多年的研究之后，提出了一个称为ERAST（即环境研究飞机和传感器技术）的计划，实际上就是美国的发展太阳能无人驾驶飞机计划。这个计划一直在秘密实施，直到近来才先后向外界透露了一些情况。

据介绍，目前这项计划进展得比较顺利，已经有四种型号的太阳能无人机样机先后问世。最早的型号是“探索者”（Pathfinder），其后是称为“探索者＋”（PathfinderPlus）的改进型，第三种型号叫“百人队长”（Centurion），最新的型号是“太阳神”（Helios）。

这四种型号的太阳能无人机，都是位于加里福尼亚州的大气环境公司所制造，并且先后开始试飞。在试飞中，它们曾创造了两个方面的记录：一是首次实现了太阳能动力飞行；二是创造了螺旋桨无人机飞行高度达到20000米以上。这两项记录的每一项都意味着太阳能无人机向成功和实用迈出了非常重要的一步。特别是实现了太阳能动力飞行，标志着这种飞行器长时间、长距离的不着陆飞行将成为可能。在理论上，只要不出现机件损坏，它的续航时间和航程都是无限的。

最先打破这两项记录的是“探索者”太阳能无人机。它不但成功地使用了太阳能作为飞机的动力能源，而且能在20000米以上的高空正常使用。在此之前，飞行高度达到20000米以上仍能保持正常飞行的只有为数不多的几种飞机，其中包括美国的U－2高空侦察机、前苏联的M－55高空侦察机、美国的SR－71侦察机和最近因失事而全部停飞的法英合作研制的“协和”号运输机。况且这些都是喷气式飞机，而螺旋桨飞机至今无人企及。这主要是因为在这个高度上空气比较稀薄，只相当于火星表面的空气条件，飞机长时间飞行很困难，也很危险。飞行员要穿着性能非常可靠的抗荷服，发动机要有良好的高空工作性能，螺旋桨要有在高空使用的能力。对于太阳能无人机来说，由于无人驾驶，因此无须考虑飞行员的生存和工作条件。

要想使飞机能在20000米以上的高空条件下飞行，必须提供足够的升力。解决这个问题，对于低速飞机来说通常的办法是选择合适的翼型、加长翼展、加大机翼面积，以尽可能地增大飞机的升力，同时也要千方百计地减轻飞机重量。因此，我们从本文的插图中可以看到，这些太阳能无人机的翼展都很长，翼面积非常大，而且主要是采用比较轻的新型材料制作的。

现在研制的几种太阳能无人机的翼载荷都很小，如“太阳神”太阳能无人机，其翼载荷还不到3公斤/平方米。为了作到这一点，生产厂家不得不在机翼上全部采用新型的复合材料，如卡夫拉、碳纤维、奥美丝等，以及用优质的胶卷膜片作为机翼蒙皮。这样的机翼，不但重量轻、翼载荷小，而且具有良好的柔韧性，可防止机翼在飞行中折断。为了减轻这种飞机的重量，还不能象传统飞机那样装很多设备，只能装必须装备的设备。

太阳能飞机虽然不重，但翼展很长，因此其机动性肯定比不上小型飞机。为了尽可能地提高它的机动特性，所以安装了很多操纵面，如“百人队长”无人机就在机翼后缘装了60个可操纵的舵面，而“太阳神”则更多，一共有72个舵面，可算得上是舵面最多的飞机。它们主要用于操纵飞机的俯仰和滚转运动。光有这么多舵面还不够，有时还需要用发动机进行不对称操纵来帮忙。

由于采取了这些技术措施，尽管太阳能无人机的翼展很大，但飞机的机动性还是不错的。据介绍，“太阳神”太阳能无人机的转弯角速度可达到5度/秒，其盘旋半径只比它的翼展长度大一点。

由于是无人驾驶飞机，所以没有供飞行员使用的驾驶舱。从现有四种太阳能无人机的总体设计来看，翼下都设有多个流线形的扁平吊舱。它们至少有三个作用，一是在其内安装设备；二是在其下安装轮子，作起落架使用；三是可起方向稳定作用，相当于一般飞机的垂直尾翼。此外，由于太阳能无人机的翼展很长，飞行时因为受载荷的影响两翼外侧会往上翘，这有益于提高飞机的稳定性，相当于机翼上后角的作用。

太阳能无人机的关键技术

研制太阳能无人机主要有两个关键技术问题要解决：一是要能有效地将太阳能收聚起来，二是如何解决夜间和阳光微弱时的能源问题。

众所周知，利用太阳能作为动力能源早在航天器（如卫星）上就已经应用。不过航天器一般都是在离地球几百公里以上的外层空间飞行，而太阳能无人机只能在二三十公里的大气层内飞行，两者的条件有很大差别。外层空间的空气非常非常稀薄，离太阳近，阳光非常强，收聚自然容易。太阳能无人机飞行高度虽然比一般飞机要高，但仍然属于大气层内，由于受大气的影响，阳光要弱得多，而且有时还会受到云的遮挡。要想在这种条件下有效地收聚太阳能，必须有高效的太阳能电池。据介绍，他们在“探索者＋”型无人机上使用了一种由加理福尼亚太阳能动力公司研制的新型光学导电体。采用这种导电体制作的太阳能电池，可比原“探索者”无人机上使用的太阳能电池提高能量14％。

将太阳能转化为驱动飞机前进的动力，则是由电动发动机来实现的。美国的太阳能无人机上装的发动机，是由大气环境公司生产的无电刷电动发动机。每个发动机重5公斤。在地面上，发动机的转速为200转/分；而在最大高度时，发动机的转速可达2000转/分。为保证飞机高空飞行的可靠性，发动机采用了固定式的螺旋桨。

由于从地面起飞，阳光相对较弱，飞机的爬升速度很小，只有100米/秒左右，飞机要爬升到巡航高度通常需要3个多小时。而且起飞时间，一般要安排到早上，才能达到最高飞行高度。起飞时要选择风小、晴朗的天气，使太阳能发动机能产生足够的推力。如果要在有云的天气里安排起飞，就要靠电瓶的供电来维持，直到飞机穿出云层。这种飞机的起飞速度和着陆速度都很小，基本上与运动员骑自行车的速度差不多。

按设计要求，将来投入实用的太阳能无人机需要在天上飞行几个星期，甚至数月。这时必然经过夜间飞行，即使是在白天，如果飞行高度不够高的话，也可能遇到有云遮挡，阳光较弱的情况。如何解决在夜间和阳光微弱条件下的能源，是太阳能无人机必须解决的又一个技术问题。NASA采用的是一种称为“头盒”的技术使这一问题得到解决。经过研究表明，现有的锂铝电池还不能满足飞机整个夜间飞行的能源需要，必须有一种能提供200瓦/小时的高能电池。于是，NASA了解到其它无人机采用的一项技术，即一种长效燃料电池。这种电池的工作原理是通过氧和氢来发电的，并已被航天器和汽车所广泛应用。为了满足太阳能无人机的需要，美国大气环境公司对这种电池进行了进一步地改进。改进后的燃料电池具有可还原性。也就是说，使用后可还原，还原后再使用。只要飞机携带有液态氢和氧气储存器，存储器不断地向燃料电池输出液态燃料，就可为飞机的夜间飞行提供电能。掌握这种技术的除美国外，法国也能制造这种可还原性燃料电池。据说，美国大气环境公司在研制这种可还原性燃料电池时，还采用了特制的电解材料，用这种材料产生电能可使可还原性燃料电池达到前所未有的水平。不过，目前这种电池的稳定性不好，尤其是在高空低 温条件下有工作不正常的情况，以及高空条件下结冰等问题，有待进一步完善。NASA认为，这些问题估计要到2003年才能全部解决。到那时，太阳能无人机就可以在20000米以上高空连续飞行近百小时。

另外值得一提的是太阳能无人机的飞行控制问题。由于它飞得高，且连续飞行时间非常长，因此地面控制相对比一般无人机的难度要大。好在大多数情况太阳能无人机是靠预先输入的程序控制飞行的，只有在起飞和着陆时才需要地面操纵者进行遥控。不仅如此，如果太阳能无人机与地面控制中心失去联络，飞机有能力自行返航着陆。它还装有一个伞降系统和一个定位信标系统，以备应急情况下使用。

正在试飞的四种太阳能无人机

花了近十年的时间，美国NASA研制了四种太阳能无人机原型机，目前正在进行第一阶段的试飞计划。这四种太阳能无人机有类似的之处，但又各有不同，下面分别作一简要介绍。

第一种型号“探索者”是于1993年首飞的。它采用平直翼和双吊舱设计，是四个型号中最小的一种。翼展29.5米，展弦比12，机长3.6米，翼面积71平方米。共装6台发动机，单台功率1.5千瓦。起飞重量252公斤，有效载荷45公斤。飞行速度30公里/小时，升限21000米，续航时间14～15小时。1995年，“探索者”太阳能无人机曾创造过15530米的飞行距离和19970米的飞行高度记录。后来，在夏威夷上空，又创造飞行高度21600米的记录。

第二种型号“探索者＋”太阳能无人机，是在“探索者”基础上发展而成的，1998年出厂，同年首次试飞。该机仍然采用平直翼、双吊舱设计，但尺寸更大。翼展36.3米，展弦比15，机长3.6米，翼面积87平方米。共装8台发动机，单台功率仍然为1.5千瓦。起飞重量315公斤，有效载荷67.5公斤。飞行速度为30公里/小时，升限为24000米，续航时间白天可达到14～15小时、夜间为2～5小时。改进型“探索者＋”有许多新特点，不管是在气动特性，还是动力系统上都有所突破。飞机采用的翼型也更适合高空飞行。特别是在机翼上表面安装了新型的太阳能电池板。这种电池板采用了由加里福尼亚太阳能动力公司研制的新型光学导电体。采用这种导电体制作的太阳能电池，其能量比在“探索者”上用的太阳能电池提高了14％。使“探索者＋”获得的能量，从8千瓦提高到12.5千瓦。这个能量足可以供两台发动机工作使用。另外，在操纵系统方面也进行了改进。由于采取了这些改进措施，在1998年的试飞中，使它的飞行高度达到了24800米。

第三种型号是“百人队长”，已经开始试飞。这种太阳能无人机尺寸更大，飞高度更高，航程也更远。该机采用了由五段矩形翼组成的大展弦比机翼，底下有4个吊舱，机翼前安装了14台发动机。其翼展达到了61.8米，是“探索者”太阳能无人机翼展的两倍。为了避免飞机在起飞、着陆以及转弯时产生翼尖失速，外段机翼设计了10度左右的上反角。由于“百人队长”采用了4个翼下吊舱，内部可携更多的有效载荷或设备。在30000米高度飞行时，它的有效载荷为50公斤；在24000米高度时，有效载荷则可达到600公斤。目前，“百人队长”还没有装太阳能电池板。在1998年的试飞中，爬升到24800米高度的能量是用机载锂铝电池所提供的。未装太阳能电池就进行试飞，主要为了检验加大翼展后的机翼结构和采用各种新系统后的工作情况。现在生产厂家已经接到太阳能电池板，正在安装过程中。预计装太阳能电池的“百人队长”太阳能无人机，将要到2001初才能试飞。

第四种型号“太阳神”太阳能无人机，是1999年出厂的。它的外形与“百人队长”差不多，但尺寸达到了创记录的水平，翼展达75米，比美国目前最大的两种大型运输机C－5和波音747的翼展还要大。翼下吊舱也由4个增加到5个。与“百人队长”相比，“太阳神”的机翼长了13.2米，多了一个机舱和一个起落架。据设计人员介绍，它集中了前几种太阳能无人机的优点。飞机的结构全部采用碳纤维复合材料制造。碳纤维材料的柔韧性比较好，使机翼在飞行过程中能保持良好的状态，适应飞机向上或向下的飞行。翼盒还用奥美丝、卡夫拉和环氧树脂等材料进行了加强，机翼前缘内用泡沫填充，整个飞机外表用一层坚固的塑料胶片加固。在1999年夏天，“太阳神”无人机进行了6次超过500米的低空飞行试验。它和“百人队长”一样，这些试飞都使用的是锂铝电池供电，要等到2001年才能使用太阳能电池。全机系统试验，估计要到2003年才能实施。那时，将进行续航时间达96小时的远距离飞行试验。按设计者要求，这种太阳能无人机可经常在15000米左右的高度上执行任务。飞机上共装14台发动机，但现在的试飞只有8台可以工作，其余6台只是摆样子的。据说，这主要是为了节约能量。

太阳能无人机的应用前景

NASA认为，太阳能无人机的用途广泛，发展前景乐观。由于这种无人机主要利用太阳能提供能源，具有飞得高、续航时间长和飞行距离远的特点，是一个理想的空中飞行平台。完全可以用于科学观测，作为人造地球卫星的补充，也能执行监视空中目标、探测风暴、探测水下珊瑚礁（为海上航行扫除障碍）和寻找成片油田等任务。

NASA研制的第一种太阳能无人机“探索者”，目前正在夏威夷上空进行试验飞行。上面带有两个阿摩斯研究中心研制的传感器，一个是数字式高分辨率的频谱干涉仪，另一个是能实时传输的高分辨率空间图象系统，试飞完成后就可以投入应用。

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关键词:电磁兼容性;系统;综合

中图分类号:O44

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)15-0340-01

随着电子技术在航天飞行器、飞机、舰艇中的广泛应用,这些设备在工作的同时往往要产生一些有用或无用的电磁能量,这些能量将影响到其它设备的工作,从而形成了电磁干扰,尤其在军用飞机上,大量的电子设备密集在狭小的空间内,相互间的电磁干扰非常严重,同时还要携带大量的作战设备和武器系统,很容易就使飞机不能处于正常状态,从而发生灾难性的后果。因此在复杂的电磁环境中,如何减少相互间的电磁干扰,使各电气电子系统、分系统、设备和元件能正常工作互不干扰,达到能兼容工作的状态,已成为当前机载电气电子设备设计一个不可回避的课题。而电磁兼容学正是为解决这类问题而迅速发展起来的一门科学。

众所周知,电磁兼容学是近年来发展起来的一门新兴科学。它主要研究的是如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子系统、分系统、设备和元器件都能正常工作,互不干扰,达到兼容状态。从某种程度上也可以说成是研究干扰与抗干扰的问题。而随着电磁兼容技术不断的发展,研究和分析电磁兼容性的方法也逐步得到提高和完善,按其发展过程,通常分为三种方法:问题解决法、规范法和系统综合法。

问题解决法是解决电磁兼容问题的早期方法,首先按常规设计建立系统,然后再对实验中出现的电磁兼容问题予以解决。由于系统已安装完工,要解决电磁兼容问题比较困难,为了解决问题可能要进行大量的拆卸,甚至要重新设计,对于大规模集成电路要严重地破坏其版图。因此问题解决法是一种非常冒险的方法,而且这种头疼医头,脚疼医脚的方法是不可能从根本上解决电磁兼容问题的。这种方法在设计阶段节省了电磁兼容设计所增加的成本,但在成品的最后阶段解决电磁兼容问题不仅困难大,而且成本高。所以这种方法只适合比较简单的设备。规范法是比问题解决法较为合理的一种方法,该方法是按照现行电磁兼容标准所规定的极限值来进行计算,使组成系统的每个分系统均符合所规定的标准,并按标准所规定的实验设备和实验方法核实它们与标准所规定的极限值的一致性。该方法可在系统实验前对系统的电磁兼容提供一些预见性。但该方法也存在可能引起过储备的设计,或谋求解决的问题不一定真实存在的问题,从而影响系统本身的性能指标,又增大本身不存在的设计成本。系统综合法是最近几年兴起的一种先进的电磁兼容设计方法,它集中了电磁兼容方面的研究成就,根据电磁兼容的要求给出最佳工程设计的方法。系统综合法从设计开始就预测和分析电磁兼容性,并在系统设计、制造、组装和实验过程中不断对其电磁兼容性进行预测和分析。由于在设计阶段采取电磁兼容措施,因此可以采取电路与结构相结合的技术措施。这种方法通常在正式产品完成之前就解决90%的电磁兼容问题。

下面结合某型飞机机载通信设备的设计为例,讨论一下如何用系统综合法的思路进行机载设备整机的电磁兼容设计。

1 首先要明确电磁兼容设计的目的

对于新研制的机载通信设备,从一开始首先要明确其使用环境和将要通过的电磁兼容性指标,这是综合权衡电磁兼容性与功能特性设计的起点,再此基础上同时考虑研制周期和经费需求,确定整机系统总体设计的电磁兼容性的控制等级和控制方案。一般来说,是依据电磁兼容标准规范,以设计为重点,以电磁兼容试验为保障,来保证电磁兼容性设计的有效性,同时在制定研制计划时要充分意识到系统电磁兼容性设计工作将贯穿于系统研制的全过程。

2 整机系统的电磁兼容分析和沟通

首先,整机系统设计师在设计时要充分理解其各分系统主要功能及关联性,这样才能对其进行合理的电磁兼容分析,例如该新型飞机机载通信设备,其系统主要由供电分系统,信号处理与控制分系统,接收分系统和发射分系统组成,分析各个预期的电磁环境,根据功能和性能的要求规定安装的位置和线缆的走向,对于可以调整位置的模块,要充分利用空间隔离,使其远离干扰源;像高灵敏度的接受机不但要做好屏蔽工作,还要使其远离大功率发射机。另外,对于各个分系统安装位置的地电位可能产生的干扰也要早期控制,像信号处理与控制分系统一般大都是数字电路,而接收机和发射机一般大都是模拟电路,所以数字电路的信号地,摸拟电路的地电位和供电模块的安全地三者的规划必须引起高度重视,选用适合的接地方法尽量避免因为地电流而引起的干扰。

其次就是整机各个分系统之间设计的匹配性与合理性,例如频谱的使用率,分系统之间的隔离措施,接口设计,互联电缆之间的电磁干扰以及系统与外部设备的连接控制等,都需要综合考虑。这里要着重强调频谱的使用率,电磁波频谱是有限的,但不是消耗性的,因为它在各频段的传播特性是不同的,如果不充分和合理地使用,不但会造成本身利用率的下降,还会干扰和影响其他分系统正常工作,因此,频谱的使用率是否合理在电磁兼容的设计中是相当重要的一项内容。

再次就是分析各种干扰源的特性和技术参数,确定干扰的源头,干扰的路径以及其耦合的方式,然后再确定采用的控制方案和各种抑制干扰的措施。一般来说,电源线传导发射与辐射,信号线传导发射与辐射,大功率发射机的谐波带来的辐射,空间耦合,地线耦合是主要的干扰途径。而新型设备中其使用的开关电源,高性能的DSP数字处理器,高增益的微波放大器等为干扰产生比较集中的地方,由于这些问题所引起的异常工作需要特别关注,设计时需要全面考虑。

3 整机电磁兼容性设计的系统性和综合性

电磁兼容本身就是一门综合性科学,而用系统综合法的思路从设计开始就预测和分析了整机及其各模块的电磁

兼容性。可以这么认为,电磁兼容是设计出来的。因为单个元件的电磁兼容控制技术已经比较成熟 ,并且被广泛的应用,而目前问题比较多的是缺乏系统综合设计,这样就出现了单个元件满足要求,而系统联起来后不满足要求;或者无限扩大化的采用电磁兼容控制措施,造成成本的成倍上涨,经验表明,对于复杂系统而言,只有进行系统级的综合设计,才有可能达到满意效果及合理的费效比。可以从以下方面综合考虑。

3.1 设计约束

电磁兼容设计约束的优先级并不比设计中的其他方面高,然而一些电磁兼容约束必须要尽可能清晰的同设计师系统和设计者沟通。如电源去耦,路径分离,衬垫使用,壳体结构等。

3.2 机械结构设计

从电磁兼容的观点来考虑机械设计方面的事项是相当重要的。

首先设计壳体结构时就必须知道它的屏蔽效能,这样有助于其他区域的设计,这也会在很大程度上决定电磁兼容措施的应用等级。如果需要在各模块接触面使用衬垫,那么设计者需要保证在应用中具有最佳的屏蔽效能,考虑交界面,材料,压缩和接触面区域等。

其次要从电磁兼容的观点来考虑系统的分割,将噪声较大的电缆分离出来,电缆的分离对耦合路径和电磁干扰性能有很大的影响,电缆的选择包括是否需要屏蔽、双绞等;在电路设计中根据电路功能和噪声电平的不同分离电路,例如模拟电路,数字电路,电源电路都是要尽可能在物理上分离开来。

再次要注意系统布局,减少空间耦合。高灵敏度设备远离产生大功率干扰的设备,充分利用空间衰减特性;高灵敏设备与产生大功率干扰的设备利用结构进行屏蔽。

3.3 提高电源供电质量

必要的精化设置电网,实行分网供电,减少电源的传导耦合,加强电网的控制,合理使用电源,这样可以有效的控制电源干扰;加强电源滤波,控制传导干扰,一般情况一个系统是统一供电的,那么在什么地方滤波,采用何种方式滤波,几级滤波需要综合考虑。

3.4 地线网络和接地设计

在整个系统中要保证一致接地的方针,统一设计合理采用各种接地方式,考虑潜在的地环路和静电放电路径,有利于增加系统的抗干扰性;系统一定要进行综合网络的设计,尽可能设置电源地,信号地;尽可能减小地电阻,要特别注重接地点的防松动,防氧化功能的设计;高灵敏设备的接地点要远离大功率设备的接地点,消除地电流耦合。

3.5 可制造性

在设计之初应该充分考虑产品的可制造和可控制性,必须保证设计中的电磁兼容控制措施易于操作,可制造且成本较低。

参考文献

篇8

关键词：物联网；跑道入侵；无线传感器网络

近年来，随着经济全球化，航空自由化趋势的加强，民用航空运输业取得了前所未有的繁荣态势，用户对航空安全的期望越来越高，社会媒体也更加关注航空安全。根据加拿大运输部的一项研究表明：一个机场交通量增加20%，将使跑道侵人可能性增加140%。

跑道入侵在航空案例问题中已经成为一个典型问题，如何有效地提高民航运行的安全性、稳定性已经成为各航空机构研究的热点问题。物联网（The Internet of things）技术被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，它通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。随着物联网技术的提出与研究的深入开展，特别是李家祥局长在2010年的全国民航工作会议上作了《中国民航人要为建设民航强国而努力奋斗》的重要讲话，首次全面阐述了民航强国建设的意义、作用、目标、战略、途径和保障措施。他提出“我们民航要抓住当前国家有利的产业政策机遇，加快物联网在民航领域中的应用研究，促进物联网在民航业的快速发展，真正利用物联网带来的科技创新为民航强国建设提供强有力的支撑。本文结合中小型机场航班量、运营成本及设备维护等特点，采用基于物联网关键传感器技术用于跑道保护区域航空器和人员活动的监测，研究一套能提供地面保护区实时状态和告警功能的跑道防入侵系统，能有效地弥补管制员在极端的天气条件下，对场道的监控的缺失，从而保障跑道的安全运行。

1.国内外跑道防侵入方法

据统计，空中交通管理中68%的事故发生在地面阶段，2003至2006年度美国NAS内的500多家机场共计发生了1306次跑道侵入事件，其中有4次导致了相撞事故，虽然没有造成人员伤亡，但极大影响了机场的正常运行，造成了巨大的经济损失，据ICAD针对跑道侵入的统计显示，截止到2008年，全球航空业由于跑道侵入而造成的损失平均每年超过1亿美元。针对跑道防侵入的方法，国内外对其进行了深人的研究，并提出了几种方法来防止跑道侵入事件的发生。

在国外，尤其是美国在这方面投入大量的科研经费，其主要的研究成果包括：Steven Young等结合NASA和其他的合作伙伴开发一款高级平面器件运动指引和监控系统（ASMGCS），用来解决跑道侵入和提高操作的可能性；Rick cassell等提出跑道侵入劝告及预警系统（RIAAs），该系统利用航天器的位置进行监控，RIAAS原型系统采用ADS-B和TIS的数据来分析跑道侵入的可能性，基于一些既定的规则进行判断，从而做出预警；Denise Jones针对防跑道侵入系统的评估，采用NASA研究中心的数据采用模拟仿真的方法对跑道侵入事件进行防范，以提高操作性和避免跑道侵入事件的发生；Sharma等通过探测物体的位置采用一系列的控制器，如导航控制器、交通信息控制器等收集到的信息集成到一个监控系统，对跑道侵入可能性进行分析，从而为塔台工作人员提供有用的决策信息及支持。

我国相关的研究及技术还处在起步发展阶段，王宇等基于计算机视觉原理，针对机场跑道异物检测和识别系统，提出一种基于边缘特征的异物检测方法，采用Gabor纹理的异物特征提取方法，通过模拟实验表明该方法的可行性，但这方面的研究还处于实验室阶段，没有真正应用于实际，而且该方法没有考虑实际机场环境下天气、尘粒等干扰因素的影响；目前的主要措施包括采用先进的机场地面检测设备和机场活动区域案例系统等高度自动化的计算机系统，防范跑道侵入，一旦发生，立即做出响应和警报，以此给管制员以足够的时间和空间来避免和解决跑道侵入；机场跑道区域，以及机场航空器、车辆等运行区域，尤其在跑道入侵发生概率高的区域，将所有的标记、信号灯等M行规范化便与飞行员与管制员之间的协调；并在此区域建设隔离栏，防止车辆和行人在未经许可下，进行到此区域，而影响到管制员的控制与管理；跑道入侵中30%的原因来源于管制员的失误与偏差，而管制员的失误与偏差主要来源于管制员的责任意识不强相关安全意识不够，管制员使用的机场用语不标准，因此要不断加强管制员的专业知识和职业责任意识的培训。管制员是保障跑道安全的最重要因素，罗定宇从塔台工作人手，参考FAA的先进经验，提出全面扫视的工作模式，帮助塔台管制员更好地了解运行错误产生的原因，建立良好情景意识，建立正确的工作模式，缓解工作压力，从而减少错误的产生。但是目前大多数的中小型机场主要采用视频监控、人员巡查、对讲机通讯等传统的“目视化”管理模式对跑道侵入问题进行管理，这些传统的方式极易受到天气、人为因素的影响，从而造成大量人力、物力、财力的资源开销，但是投入与产出却远远达不到预期值，表现为监视效率低、结果不明显、容易出错等。

2.系统总体架构设计

针对中小型机场跑道侵入问题，遵循“加强资源整合、完善功能定位、扩大服务范围、优化体系结构、最小化投入成本”的原则，利用物联网技术研发一套物联网驱动模式下的跑道防侵入实时监控系统。其系统架构如图1所示，系统共包括四层：感知层、网络层、控制层和决策层。感知层采用光纤传感器、红外传感器、微波和激光探测器、射频传感器等感知设备实时采集机场跑道及周围环境的多维数据，通过传感器的主动式采集传输，为决策层提供准确及时的数据；网络层采用光纤网络和无线传感网络（如zigbee等）把感知设备采集到的数据传送到控制层；控制层采用路由器、数据信号转换设备和其他控制器，把收集到的数据信号进行过滤、清洗、分类、加密、传输等操作，把完整、实时、准确的数据传输到决策层系统，用于辅助决策的制定；决策层包括一个集实时监控模块、可视化管理模块、调度辅助模块等主要功能于一体的软件系统，配合硬件感知设备的运作，为塔台管制员、调度员、机场巡查员等用户提供多种监控方法。

3.系统实现

本文围绕“物联网驱动模式下的跑道防侵入实时监控系统”的框架设计、主要功能模块开发和集成，完成一套适应于中小型机场的跑道侵入事件的防范系统，该系统集传感技术、网络技术、控制技术和决策支持模型于一身，系统总体设计如图2所示，各个数据接口将数据通过交换机传输至综合数据处理器中进行系统所需数据的提取和加工，并存储在服务器数据库中等待用户终端调用。为了保障数据传输的高可靠和实时性，在对单网通信进行可靠性设计的基础上，采用了双冗余结构，在其中一网失效时，能自动无缝切换到另一网，不影响管制员的正常工作。

4.关键技术分析

4.1跑道冲突区域的探测模型

针对跑道侵入主要因素（人、车辆和航空器等）实时监控的需求，采用多传感器结合的多维数据采集策略，对跑道分为三级区域进行集中监控，如图3所示。在跑道保护区域和跑道枢纽区直线上按一定的间隔连续架设激光探测头和zigbee人体红外探测器，通过激光束形成的闭环路激光探测网，对进入区域内的航空器和车辆进行监测，同时利用zigbee探测器组成的无线传感器网络对跑到内人员活动进行监控。在滑行道铺设zigbee无线传感网络，利用zigbee节点的身份标识，为载有zigbee设备的车辆和航空器实现在滑行道内精确的位置定位，从而避免滑行道内的车辆和航空器的冲突。

为了满足系统中各部门的主要功能，系统关键实现技术主要包括以下几个部分：

1）充分利用地面（特别是跑道及其周围环境）多维数据，采用物联网关键传感技术对多维数据进行采集

针对跑道侵入主要因素（人、车辆等）实时监控的需求，在复杂天气，如浓雾，雷暴等情况下异常物体的检测变得十分困难，采用传统的手段，如视频、现场人员安排等无法实现安全、可靠、准确、实时的现成跑道及周边环境数据的采集，因此，本文提出一种多传感器结合的多维数据采集策略，分别采用光纤传感器、微波和激光探测器、红外传感器等物联网感知设备，对侵入跑道的异常物体进行实时感知，把温度等数据对应于异常物体探测的种类，实现实时异常情况的监控。

2）利用机场动态环境下集成光纤及无线传感网络的网络传输机制及集成技术，实现多场数据的稳定与可靠传输

研究机场动态环境下感知数据的网络传输机制，以实现传感器节点感知数据在光纤及无线传感网络的传输、交互等互操作方法，建立动态环境下的网络集成模型，以实现温度数据、光纤探测数据的可靠传输，提出异构网络集成机制，以实现多场数据稳定性传输。

3）采用异构数据统一处理、表征、加密和管理方法，综合考虑涉及跑道侵入的各种数据，统一数据格式

研究动态环境下的感知数据控制及管理方法，提出感知数据的信息表达、资源描述、信息处理及加密方法，以适应机场背景下的感知数据应用，提出数据统一标准模型，采用统一的数据表征格式，为支持决策提供准确无误的数据支撑。

4）针对不同用户群体开发适用的模块，以协助其日常工作

该研究内容主要包括以下三个主要功能模块：

实时监控模块：该模块针对机场异常物体探测的实时眭要求，通过实时控制技术实现感知设备、传输网络及控制层设备的管理，如系统参数配置、设备注册及工作状态监控，该模块采用socket技术对设备端口进行实时管理，以保证设备的正常运行。

可视化管理模块：针对感知数据抽象、离散等特点，利用可视化技术把感知数据还原成现实数据，通过三维模型表达的方面呈现给用户，从而把传统的目视化管理变成可视化管理，用户可以通过该模块对跑道侵入进行实时监控，通过调控机制杜绝此类事故的发生，同时，如果系统检测可能发生航天器异常事件，系统将自动发送预警信号给塔台管制员及驾驶员，以避免事故的发生。

调度辅助模块：该模块把感知设备采集的数据进行清洗、分类、挖掘，得到有意义的数据用来分析航天器的调度，通过异常数据实时对调度结果进行修正，实现基于可靠性感知数据的调度决策，把机场跑道资源、航天器资源等有限资源进行统一整合，通过最优化算法实现资源利用率最大化。

5.实验结果

为测试系统的实际效果，模拟在某机场搭建一个基于激光探测器简易测试平台，其监控席位的软件界面如图4所示。激光探测器被成对的放置于跑道和滑行道入口的两侧形成一个闭环，只要跑道被指定为起飞或降落状态，任何飞行器、车辆企图进入滑行道都将触发告警，同时提供声光告警提示。只要管制员不手动解除告警，系统将以3秒的周期持续告警。实验证明该系统能提供跑道保护区实时状态和告警预测，能有效地弥补管制员对场道监控的缺失，从而保障跑道的安全运行。

篇9

【关键词】视频识别技术 客运车辆 超载 远程核查

随着生活水平的不断提高，人们外出打工、探亲、旅游的人数越来越多，尤其是节假日，而与此相关的公路客运（长途客车，旅游客车等）的运力却没有相应增加，致使超员现象频频出现。客车超载对国家的公路设施和客运市场造成了不良影响，也影响车辆本事和车辆的驾驶、控制，容易引发事故，给国家和百姓带来重大的经济损失和感情伤害。为更好地适应宁波市社会经济迅猛发展的步伐，防止超载现象的发生，保证客运安全，开展客运车辆实时载客人数智能识别及远程核查研究。

1 研究价值

在采取行政监督管理的同时，通过科学技术的手段来消除客车超载的现象也有着极其重要的意义和实用性。通过基于视频识别技术的客运车辆超载远程核查应用研究，实现长途客流的动态监管，为长途客运应急预案管理、应急资源配置与调度，应急处置与保障提供重要支撑作用，同时为长途客车超载、超员治理及执法提供依据，并有效遏制超载，超员，提升客运安全。

2 关键技术

2.1 Opencv

OpenCV的全称是：Open Source Computer Vision Library。OpenCV是一个基于（开源）发行的跨平台计算机视觉库，可以运行在Linux、Windows和Mac OS操作系统上。它轻量级而且高效――由一系列 C 函数和少量 C++ 类构成，同时提供了Python、Ruby、MATLAB等语言的接口，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。

OpenCV 用C++语言编写，它的主要接口也是C++语言，但是依然保留了大量的C语言接口。该库也有大量的Python， Java and MATLAB/OCTAVE （版本2.5）的接口。这些语言的API接口函数可以通过在线文档获得。如今也提供对于C#，Ch， Ruby的支持。

自从OpenCV在1999年1月alpha版本开始，它就被广泛用在许多应用领域、产品和研究成果中。相关应用包括卫星地图和电子地图的拼接，扫描图像的对齐，医学图像去噪（消噪或滤波），图像中的物体分析，安全和入侵检测系统，自动监视和安全系统，制造业中的产品质量检测系统，摄像机标定，军事应用，无人飞行器，无人汽车和无人水下机器人。

2.2 人脸检测

人脸检测从整体来看分为四个部分：

（1）Face detection 人脸识别，即识别出这是人的脸，而不管他是谁的。

（2）Face preprocessing 面部预处理，即提取出脸部图像。

（3）Collect and learn faces 脸部的特征采集和学习

（4）Face recognition 脸部识别，找出最相近的相近脸部图像。

“基于知识的方法主要利用先验知识将人脸看作器官特征的组合，根据眼睛、眉毛、嘴巴、鼻子等器官的特征以及相互之间的几何位置关系来检测人脸。基于统计的方法则将人脸看作一个整体的模式――二维像素矩阵，从统计的观点通过大量人脸图像样本构造人脸模式空间，根据相似度量来判断人脸是否存在。在这两种框架之下，发展了许多方法。目前随着各种方法的不断提出和应用条件的变化，将知识模型与统计模型相结合的综合系统将成为未来的研究趋势。”（来自论文《基于Adaboost的人脸检测方法及眼睛定位算法研究》）

3 系统设计

3.1 系统组成

系统包括车载视频终端、视频平台及远程核查平台三部分

3.1.1 车载视频终端

安装于车辆头部；

根据指令采集车辆图片信息；

通过DVR自带3G/4G传输模块将照片传回视频平台。

3.1.2 视频平台

下发拍照指令给车载终端；

接收车载终端拍照照片；

将照片传给核查平台。

3.1.3 核查平台

接收视频平台传回车载照片；

针对车载照片进行分析，判定其是否超载。

3.2 系统架构

系统的总体设计分为四层，由下至上是数据采集层，基础资源层，统一支撑层和系统应用层。

数据采集层实现基础数据的采集。通过车载智能终端采集GPS信息、车辆上下客人数信息以及车内载客照片信息、车内视频信息。

基础资源层实现对数据的统一存储、管理和维护。包括GPS信息、车辆上下客人数信息以及车内载客照片信息、车内视频信息、车辆信息、车辆车内空载照片信息等。

统一支撑层实现车辆载客信息与空载信息的对比分析，超载预警计算等。

应用系统层是配合实际管理需求的应用系统的集合。

3.3 系统功能

客运车辆乘载人员数量智能识别与远程核查系统经过分析包含以下功能：

3.3.1 车载人数统计查询

核查平台接收各客车车载视频终端传回照片，利用人脸识别技术，识别车辆实载人数。

3.3.2 载客车辆照片查询

核查平台接收车载视频终端传回车辆载客照片，提供用户查询，考虑到系统存储问题，系统进提供15天内照片查询。

3.3.3 车辆信息管理

通过与运政系统对接，获取车辆相关基本信息，包括车型、荷载率，经营单位等。

3.3.4 车辆载客图片对比分析

由于车内人员的坐姿比较多，低头、侧脸、戴帽或者批衣的情况比较复杂，难以通过单一的人脸检测手段进行车载人数识别，通过思路转换，由于车内的空间比较固定，桌椅安排有规律，一般情况下超载客车里的超载人员主要分布在过道里，座位多坐人的可能性不是很大（抱小孩的情况除外），故系统先行检测过道，再对过道和空载的情况做对比，最后进行人脸检测，将轮廓检测、图像对比分析和人脸检测相结合以提高识别率。

图2所示即为检测的过程，首先对车内的过道进行检测，智能分析出过道位置，为了更准确的识别，可以将过道内的图片进行编码，和空载的过道内的编码进行比较，如果有异常，则再进行人脸检测，查看是否有人在过道内或者是其他物体在过道内。

（1）过道检测。过道检测算法，是根据opencv的轮廓检测算法，提取座椅的轮廓来获得的。

首先将图像灰度化，然后对图像进行降噪处理，再对图像进行腐蚀和膨胀操作，最后根据设置轮廓检测的阀值，进行边缘检测。对边缘检测后的图片再次进行线段检测，线段的长度根据座椅在照片中所占的比例大致设置。

在得到所有检测到的线段后，得到所有事竖线的线段。既在坐标系中x坐标相同的点。排除占图片三分之一左右的车内上部线段，因为上部分是车厢上体，不可能是座椅；同时，自动找到照片的中间点，以此为中心向左右寻找竖线，当在某一侧找到三个或以上的平行的竖线时，既认为找到座椅的边缘，将此平行线的最靠近地点的且与中心点最接近的做为过道的一侧的线段。同理，另外的一侧也按此划分。这样就将过道区域划分出来。

（2）图像对比。图像对比方法很多：如哈希对比，峰值信噪比对，特征点分析等。

将上述切分出的过道图片与静态下切分出的过道图片进行对比，即可了解是否有差异，超过差异允许的范围，则过道中有可疑物体或人员。

哈希图像对比分析的详细过程：

a.缩小尺寸：将图像缩小到8*8的尺寸，总共64个像素。

b.简化色彩：将缩小后的图像，转为64级灰度，即所有像素点总共只有64种颜色；

c.计算平均值：计算所有64个像素的灰度平均值；

d.比较像素的灰度：将每个像素的灰度，与平均值进行比较，大于或等于平均值记为1，小于平均值记为0；

e.计算哈希值：将上一步的比较结果，组合在一起，就构成了这张图像的指纹。

f.得到指纹以后，看看64位中有多少位是不一样的。设置不同的权重，分析是否相同或不同。

通过比较，对有问题的图片进行下一步操作，既人脸检测。

（3）人脸检测。检测上述的过道区域，采用opencv中的人脸识别算法，OpenCV已经提供了不同种类的人脸检测的训练文件。因此我们可以方便的通过载入这些训练好的级联分类器XML文件来实现人脸、眼睛、鼻子等检测，这些基于Haar和LBP特征的人脸检测可以自动的对大量数据图片进行训练，训练结果存储在XML文件中以供使用。

3.4 超载预警处置

系统将通过图像比对分析后疑似超载车辆信息反馈到该功能，平台监管人员可针对系统预警结果进行处置，并可调取车辆实时视频进行验证。

4 结论

基于视频识别技术的客运车辆超载远程核查应用技术的研究作为宁波智慧运管的重要部分，具有广阔的社会经济效益。通过基于视频识别技术的客运车辆超载远程核查应用技术的应用推广，充分利用交通信息化技术和成果，实现对长途客车、旅游包车超载的智能监控，从而防止超载现象的发生，进而保证客运安全。

参考文献

[1]胡尚举，杨继章.基于图像侦测技术的客车超载监控的实现方法[J].科技资讯 2008（30）：16-16.

[2]王鸿，蒋文保.基于物联网技术的长途客运车安全管理 [J].系统信息安全与技术 2013（03）：61-64，85.

[3]北京卡尔视通科技有限公司，城市长途客运车辆远程监控系统解决方案[EB/OL].http：///2012/01/040814614522.shtml.

作者单位