Атестаційна робота пояснювальна записка



бет19/41
Дата17.05.2020
өлшемі5.97 Mb.
1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   ...   41

На рис. 1.22 наведено графік спектру акустичного сигналу БПЛА в діапазоні частот від 0 до 2 кГц. З нього видно, що основна гармоніка акустичного сигналу (Fас) зосереджена на частоті 374 Гц, наступна - на 774 Гц. Частота 374 Гц може бути обумовлена обертанням ротора двигуна з урахуванням гвинта з двома лопатями імовірно з частотою Fдвигуна = Fас/2 = 187 Гц.

1.4 Огляд і аналіз існуючих шляхів і засобів організації і проведення досліджень у рамках поставленої наукової задачі

Натурні вимірювання рівня шуму авіаційного двигуна звичайно проводять в дальньому полі з кроком 10° в точках горизонтальної площини на колі розміром 100 м (іноді 50 або 150 м). Для зменшення погрішності вимірювань, пов'язаних з віддзеркаленням звукових хвиль від землі і подальшою їх інтерференцією, в кожній точці використовується 2 мікрофони, розташованих на різній висоті від землі: один встановлюється на висоті осі двигуна, другої – на відстані 0,5 м від поверхні землі. Низькочастотна область (f < 1250 Гц) спектру шуму двигуна фіксується мікрофоном, розташованим на висоті 0,5 м, високочастотна – на рівні осі двигуна. Рівень шуму двигуна на відкритому стенді виміряють за атмосферних умов, що виключають опади і сильний вітер, при температурі від – 10 до + 30° С та вологості повітря 40…90 %.

Для зниження впливу вітру вимірювальні мікрофони оснащені вітрозахисними пристроями, що не вносять помітних спотворень в звукове поле двигуна. Для підвищення точності вимірювання запис шуму проводиться в межах 1...3 хвилин з подальшим усереднюванням свідчень. При обробці отримані результати корегуються за допомогою поправок, враховуються нерівномірність власної характеристики і ослаблення шуму при його розповсюдженні в атмосфері. Як правило результати приводяться до стандартних умов: t = 15° С, атмосферний тиск Р = 101,325 кПа (760 мм рт.ст), відносна вологість 70 %.

1.5 Постановка задачі на проведення досліджень акустичного випромінювання малорозмірніх безпілотних літальних апаратів.

Задачею представленої атестаційної роботи є дослідження характеристик акустичного випромінювання малорозмірніх безпілотних літальних апаратів та їх особливостей, розробка методів експериментального дослідження акустичного випромінювання.

В цьому розділі були розглянуті та проаналізовані різні методи вирішення задачі з їх перевагами та недоліками та різні методи організації експерименту. Для виконання поставленої задачі вирішено провести більш детальні дослідження методів спектрального аналізу (в тому числі з використанням вейвлет-спектрів) та провести власний експеримент.

Об’єктом дослідження будуть виступати безпілотні апарати мультикоптерного типу з електродвигуном DJI Phantom 3, та макети мультикоптера з електродвигуном та набором повітряних гвинтів різного розміру для отримання більш повного уявлення про можливі впливи цих факторів на акустичний сигнал.

Для ідентифікації БПЛА існує достатньо багато методів, таких як метод мел-частотних кепстральних коефіцієнтів, метод аналізу спектральної щільності потужності, аналіз фазових портретів, але не всі вони достатньо ефективні і абсолютно надійні. Тому необхідний розвиток існуючих методів і доповнення їх іншими методами.

Для дослідження ефективності аналізу акустичних характеристик БПЛА необхідно в ході досліджень сформувати фонотеку тестових акустичних сигналів з різними режимами та умовами польоту БПЛА в умовах міста, в студії, провести дослідження польоту БПЛА на різних висотах та дистанціях. Зробити записи різноманітних акустичних завад: шум міського транспорту, залізничного транспорту, дощу, вітру, розмовної мови тощо.

Результатом дослідження поставленої задачі повинен стати вектор ознак досліджуваних акустичних сигналів на основі якого можна реалізувати ефективний алгоритм ідентифікації та розпізнання БПЛА.

2 РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ У РАМКАХ НАУКОВОЇ ЗАДАЧІ


Традиційно, акустичні вимірювання при випробуваннях маломасштабних гвинтів діаметром до 400 мм проводяться в заглушених камерах, але такі вимірювання дають обмежену інформацію, так як механізми генерації шуму гвинтів у польоті і при відсутності поступального руху відрізняються між собою.

Для розрахунку акустичних характеристик гвинтів застосовуються аналітичні і емпіричні методи розрахунку. Для інженерного розрахунку шуму гвинта найбільш раціонально використовувати емпіричних методів, заснованих на узагальненні результатів вимірювання шуму натурних і модельних гвинтів.

Таким чином, визначення реальних шумових характеристик БПЛА є складною науково-технічною задачею, рішення якої при обмеженості статистичних даних і недосконалості існуючих методик розрахунку шумових характеристик стикається з непереборними труднощами.

У зв'язку з складністю процесів утворення шуму, рішення проблем авіаційної акустики тільки теоретичним шляхом не представляється можливим. Необхідно проводити великий круг експериментальних досліджень в лабораторних і натурних умовах.

2.1 Загальний формальний опис об’єкта дослідження

Згідно з завданням представленої роботи, необхідно дослідити характеристики акустичного випромінювання БПЛА. В якості БПЛА був досліджений малорозмірний БПЛА з електричним двигуном DJI Phantom 3, який представлений на рис. 2.1.



Даний безпілотний апарат має чотири дволопатевих повітряних гвинта з електродвигуном, відеокамеру, акумулятор, гіроскоп та акселерометром. Супутникові системи позиціонування здійснюються GPS-навігацією. Стабілізація виконується чотирьох осевим гіроскопом.

Рисунок 2.1 - Зовнішній вигляд БПЛА DJI Phantom 3


Основні технічні характеристики даного БПЛА наведено нижче[27]:

  • Маса БПЛА: 1216 гр.;

  • Ємність акумулятора: 4480 мАг.;

  • Напруга акумулятора: 15.2 В;

  • Потужність двигунів: 68 Вт/г;

  • Максимальна швидкість підйому: 5 м/с;

  • Максимальна швидкість зниження: 3 м/с;

  • Максимальна горизонтальна швидкість польоту: 16 м/с;

  • Тривалість польоту приблизно 25 хв.;

  • Висота польоту: 120 м;

  • Радіус дії апаратури 1 км;

  • Максимальна кутова швидкість: 150°/с;

  • Максимальний кут нахилу: 35°.

Проведенні експерименти не дають досить детального уявлення про акустичне випромінювання під час окремих режимів роботи двигуна та його характеристик на різних частотах обертання повітряних гвинтів. Тому було проведено додаткові дослідження акустичних характеристик електродвигуна та повітряних гвинтів розмірів 8 дюймів та 8 дюймів в лабораторних умовах на макеті електродвигуна з набором лопатей різного розміру та з можливістю регулювати частоту їх обертів за домогою сервотестера.

Результатом дослідження акустичних характеристик даного лабораторного макету повинні стати більш широкі уявлення про вплив на акустичний портрет швидкості обертання ротору двигуна та розмір повітряного гвинта.

2.2. Математичні й інформаційні методи дослідження в рамках вирішення розв’язуваної задачі

Науковою задачею представленої атестаційної роботи є дослідження методів ідентифікації малорозмірних БПЛА за акустичним випромінюванням. В рамках огляду і аналізу існуючих методів ідентифікації були розглянуті декілька методів (методи спектрального аналізу, корреляційного аналізу). При аналізі цих методів не було знайдено такого, який може однозначно виявити БПЛА по акустичному випромінюванню, тому потрібно шукати інші методи або більш детально досліджувати вже опрацьовані.



В рамках вирішення задачі з дослідження методів ідентифікації БПЛА було прийнято рішення провести наступні дослідження: дослідження спектральних складових акустичного випромінювання на характерні ознаки БПЛА, огляд і дослідження акустичних сигналів методом вейвлет-аналізу та у випадку необхідності застосувати інші доступні методи і моделі дослідження.
В основі безперервного вейвлет-перетворення [28-30] сигналу s(t) лежить співвідношення
 (2.1)

де ψ(t) - вейвлет-утворююча функція, з якої за допомогою переносів (b - параметр зсуву) і масштабних перетворень (а - параметр масштабування) будується базис вейвлетів, по якому і розкладається сигнал s(t) .

Основними властивостями вейвлетів є локалізація, нульове середнє і автомодельність базису [28, 29, 31]. Вейвлет повинен бути локалізован як у часі, так і по частоті.

Вейвлет має нульове середнє:


 (2.2)
де m=1, 2, … .

Залежно від величини m вейвлет прийнято називати вейвлетом m -го порядку. При m = 0 виходить так звана умова осциляцій або знакозмінних.

Вейвлет повинен мати властивість обмеженості:
 (2.3)
Характерною ознакою базису вейвлет-перетворення є його автомодельність, так як всі базисні функції отримані за допомогою масштабних перетворень і зрушень з одного і того ж вихідного вейвлета.

Функція W(a, b) називається вейвлет-спектром сигналу s(t). Аналіз


W(a, b) дозволяє судити про частотно-часові особливості сигналу. На відміну від динамічного перетворення Фур'є, вейвлет-перетворення має адаптивне частотно-часове вікно, яке виявляється досить вузьким в часі (по параметру b) для малих а (що відповідає великим частотам ω) і широким - для великих а (що відповідає малим ω) Завдяки цій властивості вейвлет-перетворення іноді називають «математичним мікроскопом» [30-32]. Між параметрами а, b і ω, τ є простий зв'язок: b = τ, а = kТ = 2πk/ω, де
k> 0 - коефіцієнт пропорційності, що залежить від обраної функції ψ(t).

Крім аналізу вейвлет-спектрів W (a, b), корисним виявляється розгляд скелетонів та скалограмм [28-30, 32, 33]. Скелетоном називається двовимірна картина ліній, що з'єднують окремо локальні максимуми і локальні мінімуми вейвлет-спектра W (a, b). Деякі дослідники [32] вважають, що в скелетоні укладена вся інформація про досліджуваний сигнал.

Скалограммой називається інтеграл виду:
 (2.4)
Локальні максимуми на скалограммі відповідають коливанням, що вносить найбільший вклад в процесс, що досліджується. Як правило, вивчення скалограм ми доповнює інформацію, що міститься в
вейвлет-спектрі W (a, b) [32].

Вейвлет-аналіз відкриває унікальні можливості при вивченні фрактальної поведінки часових рядів. Обчисливши вищі моменти Zq на різних масштабах a:


 (2.5)
можна визначити фрактальні властивості досліджуваного процесу. У співвідношенні (2.5) сумується максимальне значення |W (a, b)| при фіксованому а. Для фрактального процессу
 (2.6)
Необхідною умовою фрактальності процесу є лінійна залежність log2Zq від параметра масштабування а. Якщо ця вимога виконується, то залежність τ(q) визначає, чи є даний процес монофрактальним або мультифрактальним. Монофрактальні процеси характеризуються одним значенням розмірності, а мультифрактальні - цілим їх набором, а в загальному випадку - безперервним спектром таких розмірностей, званих узагальненими фрактальними розмірностями. Функція τ(q) дозволяє визначити узагальнені фрактальні розмірності dq:
 (2.7)



Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   ...   41


©netref.ru 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет