CN108120566A - 基于小型超声传感器阵列无人机的空间站气体泄漏检测定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小型超声传感器阵列无人机的空间站气体泄漏检测定位方法，用于解决现有空间站气体泄漏检测方法检测强度高的技术问题。技术方案是利用路径规划算法对小型阵列无人机的飞行轨迹进行规划，小型阵列无人机在飞行过程中沿空间站内舱壁进行巡检；当发现有超声信号时，小型阵列无人机对超声信号进行判断，确定有泄漏后，小型阵列无人机悬停在泄漏源附近；小型阵列无人机对泄漏源区域进行拍照；利用压缩感知或波束成形声源定位算法对泄漏源定位；最后，小型阵列无人机将定位结果通过无线网络传输或蓝牙传输的方式传输至空间站中的监控设备。本发明解决了现有空间站气体泄漏检测方法耗时耗力以及容易漏检的技术问题。

Description

基于小型超声传感器阵列无人机的空间站气体泄漏检测定位 方法

技术领域

本发明涉及一种空间站气体泄漏检测方法，特别涉及一种基于小型超声传感器阵列无人机的空间站气体泄漏检测定位方法。

背景技术

空间站在轨运行时，由于太空垃圾碎片的撞击以及密封材料的老化，会导致空间站中的气体发生泄漏。空间站气体发生泄漏后，会导致空间站舱体内压强降低，氧气含量减少，对航天员的生命造成严重威胁。为了及时发现和处理泄漏源，各国科学家展开了对空间站气体泄漏检测定位的技术研究。

文献“便携式舱内超声检测仪的研制[J].中国空间科学技术,2015(3)：58-65.”公开了一种空间站气体泄漏检测方法。该方法利用手持式超声检测仪来对空间站的气体泄漏进行检测定位，需要航天员通过手持超声检测仪来对整个空间站舱体进行检测。但是该方法检测强度高，同时还存在漏检的可能性。

发明内容

为了克服现有空间站气体泄漏检测方法检测强度高、易漏检的不足，本发明提供一种基于小型超声传感器阵列无人机的空间站气体泄漏检测定位方法。该方法利用路径规划算法对小型阵列无人机的飞行轨迹进行规划，小型阵列无人机在飞行过程中沿空间站内舱壁进行巡检；当发现有超声信号时，小型阵列无人机对超声信号进行判断，确定有泄漏后，小型阵列无人机悬停在泄漏源附近；小型阵列无人机对泄漏源区域进行拍照；利用压缩感知或波束成形声源定位算法对泄漏源定位；最后，小型阵列无人机将定位结果通过无线网络传输或蓝牙传输的方式传输至空间站中的监控设备。本发明解决了现有空间站气体泄漏检测方法检测强度高以及容易漏检的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于小型超声传感器阵列无人机的空间站气体泄漏检测定位方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、采用路径规划算法规划小型阵列无人机的飞行轨迹，使小型阵列无人机遍历整个空间站舱体，实现对整个空间站舱体内表面的全覆盖巡检。

步骤二、小型阵列无人机按规划的飞行轨迹飞行，沿着空间站舱体内壁面巡检，检测空间站舱体壁面上是否存在泄漏源。

步骤三、当检测到有泄漏源存在时，小型阵列无人机悬停在泄漏源附近。通过安装在小型阵列无人机上的摄像头对空间站舱体壁面拍照，确定泄漏源区域。用安装在小型阵列无人机上测距仪测量空间站舱体内壁面与小型阵列无人机之间的距离。

步骤四、通过超声传感器阵列采集时域信号，并通过数据处理方法获得频域测量值。

步骤五、对小型阵列无人机的拍照区域进行网格划分，以每个网格节点作为潜在泄漏源的位置。

步骤六、建立声源定位稀疏表达模型y＝Ax+e或计算互谱矩阵G＝yy^H。其中，y为超声传感器阵列获得的频域测量值，y^H为y的共轭转置，A为超声传感器阵列到网格节点的测量矩阵，x为未知泄漏源信号，e为噪声信号。

步骤七、通过压缩感知重构算法或波束成形算法对泄漏源进行定位，确定泄漏源的位置。

步骤八、小型阵列无人机将泄漏源定位结果传输至空间站中的监控设备。

所述的路径规划算法是人工势场法、栅格法或者人工智能法的任一种。

本发明的有益效果是：该方法利用路径规划算法对小型阵列无人机的飞行轨迹进行规划，小型阵列无人机在飞行过程中沿空间站内舱壁进行巡检；当发现有超声信号时，小型阵列无人机对超声信号进行判断，确定有泄漏后，小型阵列无人机悬停在泄漏源附近；小型阵列无人机对泄漏源区域进行拍照；利用压缩感知或波束成形声源定位算法对泄漏源定位；最后，小型阵列无人机将定位结果通过无线网络传输或蓝牙传输的方式传输至空间站中的监控设备。本发明解决了现有空间站气体泄漏检测方法检测强度高以及容易漏检的技术问题。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于小型超声传感器阵列无人机的空间站气体泄漏检测定位方法的流程图。

具体实施方式

参照图1。本发明基于小型超声传感器阵列无人机的空间站气体泄漏检测定位方法具体步骤如下：

步骤一、规划小型阵列无人机的飞行轨迹。采用人工势场法、栅格法、人工智能法等方法规划小型阵列无人机的飞行轨迹，使小型阵列无人机的飞行轨迹能够遍历整个空间站舱体，实现对舱体内表面的全覆盖检测。

步骤二、让小型阵列无人机从空间站舱体内某一点开始飞行，按照规划的路径沿着舱体内壁面开始巡检。通过超声传感器阵列检测舱体内壁面上是否存在超声。检测到超声信号后，对超声信号进行快速傅里叶变换，分析超声信号的频谱。若超声信号的幅值超过阈值，则有泄漏发生。

步骤三、检测到有泄漏后，小型阵列无人机悬停在泄漏源附近。通过小型阵列无人机中心的摄像头对当前检测区域进行拍照，确定泄漏源区域。用安装在小型阵列无人机前端的测距仪测量小型阵列无人机与舱壁的距离。

步骤四、通过超声传感器阵列对信号进行采集，获得时域的测量数据，并对测量数据进行分块、加窗及快速傅立叶变换处理，获得频域测量数据y。

步骤五、对摄像头拍摄的泄漏源区域进行网格划分。以每个网格节点为潜在泄漏源，构建未知泄漏源信号x。未知泄漏源信号x由各网格节点处的声源强度组成。

步骤六、建立声源定位稀疏表达模型或计算互谱矩阵。

声源定位稀疏表达模型建立如下：

根据自由场格林函数的Helmoltz方程建立网格节点与超声传感器阵列之间的测量矩阵A。公式如下：

式中j为虚数单位，f为频率，c为声速，r_mn为第m个传声器与第n个网格节点间的距离。

获得声源定位的稀疏表达模型y＝Ax+e。

计算互谱矩阵G。公式如下：

G＝yy^H (2)

步骤七、通过压缩感知重构算法中的凸优化类算法或贪婪算法求解表达模型。通过波束成形算法中的常规波束成形算法或高级波束成形算法获得各网格节点的声源强度，定位泄漏源的位置。

步骤八、定位泄漏源位置后，小型阵列无人机通过蓝牙传输、无线网络传输等方式，将泄漏源位置传输至空间站中的监控设备。

Claims (2)

1.一种基于小型超声传感器阵列无人机的空间站气体泄漏检测定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、采用路径规划算法规划小型阵列无人机的飞行轨迹，使小型阵列无人机遍历整个空间站舱体，实现对整个空间站舱体内表面的全覆盖巡检；

步骤二、小型阵列无人机按规划的飞行轨迹飞行，沿着空间站舱体内壁面巡检，检测空间站舱体壁面上是否存在泄漏源；

步骤三、当检测到有泄漏源存在时，小型阵列无人机悬停在泄漏源附近；通过安装在小型阵列无人机上的摄像头对空间站舱体壁面拍照，确定泄漏源区域；用安装在小型阵列无人机上测距仪测量空间站舱体内壁面与小型阵列无人机之间的距离；

步骤四、通过超声传感器阵列采集时域信号，并通过数据处理方法获得频域测量值；

步骤五、对小型阵列无人机的拍照区域进行网格划分，以每个网格节点作为潜在泄漏源的位置；

步骤六、建立声源定位稀疏表达模型y＝Ax+e或计算互谱矩阵G＝yy^H；其中，y为超声传感器阵列获得的频域测量值，y^H为y的共轭转置，A为超声传感器阵列到网格节点的测量矩阵，x为未知泄漏源信号，e为噪声信号；

步骤七、通过压缩感知重构算法或波束成形算法对泄漏源进行定位，确定泄漏源的位置；

步骤八、小型阵列无人机将泄漏源定位结果传输至空间站中的监控设备。

2.根据权利要求1所述的基于小型超声传感器阵列无人机的空间站气体泄漏检测定位方法，其特征在于：所述的路径规划算法是人工势场法、栅格法或者人工智能法的任一种。