[发明专利]一种浮空器囊体表面损伤识别方法

说明书

本发明公开了一种浮空器囊体表面损伤识别方法，属于囊体表面损伤识别技术领域。本发明针对浮空器囊体表面损伤识别问题，基于CWT和CNN建立了一种浮空器囊体表面损伤识别方法，能够对浮空器囊体表面的损伤进行精确识别，实现囊体状态的长期监测，保障浮空器的安全运行；所采用的CWT‑CNN模型可以同时实现多种损伤状态的分类，克服了传统机器学习分类精度不高的问题；所采用的CWT‑CNN模型，不同于传统的故障诊断方法，需要经历传统的特征提取过程，有效克服了传统故障诊断方法需要依靠大量的信号处理技术和丰富的工程实践经验来提取故障经验的不足；采用的算法较为简单，易于编程，能够较好地解决损伤识别算法易用性与准确性的矛盾问题。

技术领域

本发明涉及囊体表面损伤识别技术领域，具体涉及一种浮空器囊体表面损伤识别方法。

背景技术

浮空器是人类历史上最早应用和发展的飞行器之一，它依靠充入气囊内部轻于空气的气体产生浮力，克服自身重量而实现在空中飘浮，进而在高空中执行任务，发挥功能。浮空器相比于其他飞行器有着独特的优势，如载荷能力强、运行噪声小、能工作耗小、续航时间长、能垂直升降、安全性能高等，因此越来越受到人们的关注和重视，在越来越多的领域中得到了广泛应用。囊体是浮空器的主要结构部件，它是一个封闭的充气膜结构。

囊体材料通常由多层软性复合材料构成，包括耐污防护层、抗紫外光层、组氦层、承力层、密封层。其中承力层是囊体结构安全中最重要的部分，影响着囊体的承压性能和负载性能，通常采用聚乙烯加酯复合材料。浮空器囊体在空中的工作环境十分恶劣，如昼夜温差大，紫外线辐射强，变化风载等，加上浮空器工作驻空时间长，长期服役后必然存在结构损伤和强度退化的趋势，也可能存在裂纹、跳丝、撕裂、蠕变等安全隐患，亟需一种可靠、稳定、准确地识别囊体表面损伤的方法，为此，提出一种浮空器囊体表面损伤识别方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何实现对浮空器囊体表面损伤可靠、稳定、准确地识别，提供了一种浮空器囊体表面损伤识别方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：给实验囊体表面施加音波激励，获取囊体表面的应力应变信号；

S2：将应力应变信号导出为mat格式，对信号进行滑动平均处理，选取窗和小波基，对信号进行连续小波变换，获得时频图；

S3：利用步骤S2获得的时频图，对卷积神经网络进行训练，获得训练好的CWT-CNN模型；

S4：采集实际工作环境浮空器囊体表面的应力应变信号，按照步骤S2进行处理和绘制时频图，输入到步骤S3中的CWT-CNN模型中，获得实际工况中浮空器囊体表面损伤识别结果。

更进一步地，在所述步骤S1中，使用绳子将囊体悬挂在空中保持自由态，将囊体充气至5kPa，在设定位置粘贴应变片，采用持续100s的恒定200Hz的声波信号当作激励信号，采集应力应变信号。

更进一步地，在所述步骤S2中，将应力应变信号导出为mat格式时截去起始和结束位置的无用数据。

更进一步地，在所述步骤S2中，将信号导出后进行滑动平均处理，选取窗和小波基，对信号进行连续小波变换CWT处理，连续小波变换的定义如下式所示：

其中，参数s,τ称为尺度因子和平移因子。

更进一步地，在所述步骤S3中，所述CWT-CNN模型包括依次连接的1个输入层、3个卷积层、2个全连接层、1个输出层，各卷积层的卷积核分别为5、3、3，卷积步长均为1，其中卷积层卷积后经过池化、批量标准化、随机失活和激活处理；全连接层输出后经过批量标准化、随机失活和激活处理；输出层的输出维度为故障种类。

更进一步地，所述CWT-CNN模型中卷积层的计算公式为：