CN116106705A - 无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置和方法，属于飞行器流动控制技术领域，装置包括机载红外相机和数据处理装置；机载红外相机布置在等离子体激励器侧面，其镜头斜向下对准所述等离子体激励器工作区域；机载红外相机获取等离子体激励器工作区域的表面温度分布并将其传输到数据处理装置；数据处理装置从表面温度分布矩阵中提取得到等离子体激励器工作区域的表面温度极值，并根据表面温度极值进行实时预警控制。本发明通过实时监控飞行过程中等离子体激励器工作区域的表面温度，能够快速评估并判断等离子体激励器的绝缘介质层是否有击穿风险，从而提前预防等离子体激励器由于击穿短路导致的安全隐患，保证了飞行安全。

Description

无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置和方法

技术领域

本发明属于飞行器流动控制技术领域，具体涉及一种无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置和方法。

背景技术

介质阻挡放电等离子体流动控制技术是基于等离子体激励的主动流动控制技术，具有响应时间短、结构简单、能耗低、不需要额外气源装置等优点，在飞行器增升减阻、抑振降噪、助燃防冰等方面具有广阔的应用前景。

介质阻挡放电等离子体激励器（以下简称激励器）由裸露电极、掩埋电极、绝缘介质及高压激励电源组成；裸露电极暴露在空气中，掩埋电极被绝缘介质覆盖；两层电极与高压电源的两端相连。在高压电的激励下，裸露电极周围的空气被电离，从而形成等离子体。等离子体激励器在工作时会产生准定常的辉光，并诱导产生一股准定常的射流。

在等离子体激励器工作过程中，由于等离子体中的带电粒子具有强烈的化学活性，能够腐蚀加速激励器绝缘介质的老化，因此，在工作一定时间后，激励器容易出现击穿现象，从而失效。评估等离子体激励器绝缘介质的老化程度是确保激励器稳定可靠的关键。在地面实验或风洞实验过程中，主要通过经常性观察绝缘介质的情况来判断绝缘介质层状态的方式，对等离子体激励器实现预警监控。然而该监测技术主要依靠研究人员的经验，且具有时间滞后性，无法实现快速准确的监控预警。

无人机飞行验证是在真实大气环境下考核等离子体激励器控制效果、提升等离子体流动控制技术成熟度的重要手段。然而在飞行验证过程中，无法采用地面观察的方式监测绝缘介质层的状态。为此，亟需研究一种快速准确实现等离子体激励器预警监测技术，是等离子体激励器实现稳定控制效果，确保飞行安全的重要基础。

发明内容

为了解决现有地面监测实时性较低、准确性较差的问题，以及地面监测技术无法适用于无人机飞行验证过程中的等离子体激励器监测的问题，本发明提供了一种无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置和方法，本发明通过使用机载红外相机监控等离子体激励器表面的红外辐射变化，并通过图像处理模块将红外图像的灰度值转变为温度值，最后根据温度值对绝缘介质层进行实时监测并预警。

本发明通过下述技术方案实现：

无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置，所述等离子体激励器实时监控装置包括机载红外相机和数据处理装置；

所述机载红外相机布置在位于无人机表面的等离子体激励器侧面，所述机载红外相机的镜头斜向下对准所述等离子体激励器工作区域；

所述机载红外相机获取所述等离子体激励器工作区域的表面温度分布矩阵；

所述数据处理装置获取所述机载红外相机输出的表面温度分布矩阵并从所述表面温度分布矩阵中提取得到所述等离子体激励器工作区域的表面温度分布极值，并根据所述表面温度极值进行实时预警控制。

相较于传统的地面观测方式实现等离子体激励器监测，本发明通过实时监控飞行过程中等离子体激励器工作区域的表面温度，能够快速评估并判断等离子体激励器的绝缘介质层是否有击穿风险，当存在击穿风险时，向等离子体激励器的供电电源发送控制信号，关闭供电电源，从而等离子体激励器停止工作，提前预防等离子体激励器由于击穿短路导致的安全隐患，保证了等离子体流动控制飞行器的飞行安全。

作为优选实施方式，本发明的数据处理装置包括计算单元和预警单元；

其中，所述计算单元用于从获取的所述等离子体激励器工作区域表面的温度分布矩阵中提取得到所述等离子体激励器工作区域的表面温度极值；

所述预警单元根据所述等离子体激励器工作区域的表面温度极值进行阈值判断：如果所述等离子体激励器工作区域的表面温度极值超过阈值，则判断所述等离子体激励器的绝缘介质层存在击穿风险。

作为优选实施方式，本发明的预警单元在检测到所述等离子体激励器的绝缘介质层存在击穿风险时，向所述等离子体激励器的高压电源发出控制信号，关闭高压电源。

作为优选实施方式，本发明的等离子体激励器包括裸露电极、绝缘介质层和掩埋电极；

所述裸露电极和掩埋电极采用非对称方式布置于绝缘介质层两侧；

所述裸露电极和掩埋电极分别与高压电源的两输出端连接。

作为优选实施方式，本发明的裸露电极和掩埋电极采用铜箔制成；

所述绝缘介质层采用柔性聚酰亚胺制成。

作为优选实施方式，本发明的高压电源为所述等离子体激励器提供高压激励；

所述高压电源的高压输出端与所述裸露电极相连，所述高压电源的低压输出端与所述掩埋电极相连并接地。

作为优选实施方式，本发明的高压电源为交流电源或脉冲电源。

作为优选实施方式，本发明的高压电源的工作电压为5~20kV。

另一方面，本发明提出了一种无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控方法，该方法基于本发明上述等离子体激励器实时监控装置实现，包括以下步骤：

通过机载红外相机实时获取位于无人机表面的等离子体激励器工作区域的表面温度分布矩阵；

从所述表面温度分布矩阵中提取得到等离子体激励器工作区域的表面温度极值，当检测到等离子体激励器工作区域的表面温度极值超过阈值后，则判定等离子体激励器存在击穿风险。

作为优选实施方式，本发明的方法还包括：

当等离子体激励器存在击穿风险时，向所述等离子体激励器的供电用高压电源发送控制信号，关闭高压电源。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

相较于现有的地面观察的等离子体监测技术，本发明提出的等离子体激励器实时监控装置和方法，利用机载红外相机监控等离子体激励器表面的温度变化，通过数据处理模块获取温度极值，当检测到等离子体激励器局部出现异常高温时，则判定绝缘介质层老化，此时数据处理模块向高压电源输出控制信号，关闭等离子体激励器，从而实现对等离子体激励器实时准确监测，提前预防高压电场击穿介质层，保证等离子体流动控制飞行器的飞行安全。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的监控装置结构示意图。

图2为本发明实施例的方法流程示意图。

附图标记及对应的零部件名称：

1-裸露电极，2-绝缘介质层，3-掩埋电极，4-机载红外相机，5-数据处理装置，6-高压电源。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

现有等离子体激励器绝缘介质层的老化监测主要是通过地面观测的方式实现，该方法具有时间滞后性，无法实时对等离子体激励器进行预警监控，且监测结果受相关人员的经验影响较大，准确性和可靠性较低；同时针对无人机飞行验证过程中，地面观测的方式无法用于等离子体激励器的预警监控。基于此，本实施例提出了一种无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置，本实施例提出的实时监控装置采用机载红外相机监控等离子体激励器表面的温度分布，基于等离子体激励器表面的温度分布实现等离子体激励器的实时可靠监测和预警，提前预防高压电场击穿介质层，保证了等离子体流动控制飞行器的飞行安全。

具体如图1所示，本实施例提出的实时监控装置包括机载红外相机4和数据处理装置5。

其中，机载红外相机4布置在位于无人机表面的等离子体激励器的侧面，机载红外相机4的镜头斜向下对准等离子体激励器工作区域。机载红外相机4获取等离子体激励器表面温度分布矩阵并将其传输到数据处理装置5进行分析处理。具体的，机载红外相机4可采用能够输出温度分布矩阵的红外相机。

数据处理装置5获取机载红外相机4输出的等离子体激励器表面温度分布矩阵，并从温度分布矩阵中提取得到等离子体激励器工作区域的表面温度极值，之后根据等离子体激励器工作区域的表面温度极值进行实时预警控制。

等离子体激励器布置在无人机表面，包括裸露电极1、绝缘介质层2和掩埋电极3，裸露电极1和掩埋电极3采用非对称的方式布置于绝缘介质层两侧，其中裸露电极1和掩埋电极3采用铜箔制成，绝缘介质层2由柔性聚酰亚胺制成。

裸露电极1和掩埋电极3与高压电源6的两输出端连接。在高电压的激励下，裸露电极1周围的空气被电离，从而产生诱导射流。

高压电源6为等离子体激励器提供高压激励，可以为但不限于交流电源或脉冲电源，工作电压为5~20kV，高压电源6的高压输出端与裸露电极1相连，高压电源6的低压输出端与掩埋电极3相连并接地。

一种可选的实施方式，数据处理装置包括计算单元和预警单元。其中，计算单元用于获取等离子体激励器工作区域的表面温度极值；预警单元用于根据表面温度极值进行阈值判断，如果等离子体激励器工作区域的表面温度极值超过阈值，则判断等离子体激励器的绝缘介质层老化严重，有被击穿的风险，此时预警单元向等离子体激励器的高压电源发出控制信号，关闭高压电源，从而提前预防等离子体击穿短路导致的安全隐患，保证了等离子体流动控制飞行器的飞行安全。

本实施例提出的等离子体激励器实时监控装置的工作原理为：

在无人机飞行验证过程中，需要在等离子体激励器的裸露电极和掩埋电极之间加载高电压，通过高压电场击穿空气产生等离子体射流，从而影响无人机近壁面流场结构，实现增升减阻功能。等离子体激励器结构中，绝缘介质层是影响流动控制性能的关键部分，能够保证空气被高压电场击穿但是又不会发生短路。然而在等离子体激励器工作时，高压电场击穿空气会伴随产生等离子体和高温，两者会导致绝缘介质层出现老化变质，严重时高压电场会击穿绝缘介质层形成短路，容易引发火灾等事故，严重威胁飞行安全。本申请通过在等离子体流动控制无人机上设置红外相机和数据处理装置，实时监控等离子体激励器工作区域的温度变化，随着等离子体激励器工作，绝缘介质层逐渐老化，等离子体激励器工作区域的温度会不断累积升高，当温度超过一定阈值后，判断绝缘介质层出现击穿风险，数据处理装置向高压电源发送控制信号，关闭高压电源，从而提前防止绝缘介质层击穿导致的安全风险，保证了飞行安全。

本实施例还提出了基于上述实施监控装置的等离子体激励实时监控方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，通过机载红外相机实时获取位于无人机表面的等离子体激励器工作区域的表面温度分布矩阵；

步骤2，从获取的表面温度分布矩阵中提取得到等离子体激励器工作区域的表面温度极值，当检测到等离子体激励器工作区域的表面温度极值超过阈值后，则判定等离子体激励器存在击穿风险；

步骤3，当等离子体激励器存在击穿风险时，向等离子体激励器的供电用高压电源发送控制信号，关闭高压电源。

本实施例还提出了一种计算机设备，用于执行本实施例的上述实时监控方法。

计算机设备包括处理器、内存储器和系统总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到系统总线上。处理器是一个用来通过计算机系统中基本的算术和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。系统总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过系统总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(ROM)或闪存，以及随机存取存储器(RAM)，RAM通常是指加载了操作系统和计算机程序的主存储器。

计算机设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型SD卡)，CD-ROM，数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。

计算机设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通过网络接口（局域网LAN接口）与网络终端相连接。局域网(LAN)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。WiFi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。

应当指出的是，其它包括比计算机设备更多或更少的子系统的计算机系统也能适用于发明。

如上面详细描述的，适用于本实施例的计算机设备能执行实时监控方法的指定操作。计算机设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置，其特征在于，所述等离子体激励器实时监控装置包括机载红外相机和数据处理装置；

所述机载红外相机布置在位于无人机表面的等离子体激励器侧面，所述机载红外相机的镜头斜向下对准所述等离子体激励器工作区域；

所述机载红外相机获取所述等离子体激励器工作区域的表面温度分布矩阵并将其传输到所述数据处理装置；

所述数据处理装置获取所述机载红外相机输出的表面温度分布矩阵并从所述表面温度分布矩阵中提取得到所述等离子体激励器工作区域的表面温度极值，并根据所述表面温度极值进行实时预警控制。

2.根据权利要求1所述的无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置，其特征在于，所述数据处理装置包括计算单元和预警单元；

其中，所述计算单元用于从获取的所述等离子体激励器工作区域的表面温度分布矩阵中提取得到所述等离子体激励器工作区域的表面温度极值；

所述预警单元根据所述等离子体激励器工作区域的表面温度极值进行阈值判断：如果所述等离子体激励器工作区域的表面温度极值超过阈值，则判断所述等离子体激励器的绝缘介质层存在击穿风险。

3.根据权利要求2所述的无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置，其特征在于，所述预警单元在检测到所述等离子体激励器的绝缘介质层存在击穿风险时，向所述等离子体激励器的高压电源发出控制信号，关闭高压电源。

4.根据权利要求1-3任一项所述的无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置，其特征在于，所述等离子体激励器包括裸露电极、绝缘介质层和掩埋电极；

所述裸露电极和掩埋电极采用非对称方式布置于绝缘介质层两侧；

所述裸露电极和掩埋电极分别与高压电源的两输出端连接。

5.根据权利要求4所述的无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置，其特征在于，所述裸露电极和掩埋电极采用铜箔制成；

所述绝缘介质层采用柔性聚酰亚胺制成。

6.根据权利要求4所述的无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置，其特征在于，所述高压电源为所述等离子体激励器提供高压激励；

所述高压电源的高压输出端与所述裸露电极相连，所述高压电源的低压输出端与所述掩埋电极相连并接地。

7.根据权利要求6所述的无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置，其特征在于，所述高压电源为交流电源或脉冲电源。

8.根据权利要求6所述的无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置，其特征在于，所述高压电源的工作电压为5~20kV。

9.无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-8任一项所述的等离子体激励器实时监控装置实现，包括以下步骤：

通过机载红外相机实时获取位于无人机表面的等离子体激励器工作区域的表面温度分布矩阵；

从所述表面温度分布矩阵中提取得到等离子体激励器工作区域的表面温度极值，当检测到等离子体激励器工作区域的表面温度极值超过阈值后，则判定等离子体激励器存在击穿风险。

10.根据权利要求9所述的无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控方法，其特征在于，该方法还包括：

当等离子体激励器存在击穿风险时，向所述等离子体激励器的供电用高压电源发送控制信号，关闭高压电源。

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