可视化检测（精选5篇）
可视化检测 篇1
1. 引言
随着网络的普及, 网络入侵给全球经济造成的损失也在逐年迅速增长。入侵检测作为一种重要的安全技术, 能够提供对计算机系统和网络的外部攻击、内部攻击及误操作的全面检测。目前网络安全分析人员在使用入侵检测产品时, 只能依靠入侵检测系统产生的日志信息进行分析和诊断, 最后对的异常和攻击做出回应。但是随着网络规模的急剧增大, 分析人员在分析日志信息时, 通常会遇到如下困难: (1) 由于入侵检测系统误报率高、重复报警多等特点, 导致认知负担过重。 (2) 现有的日志分析方式不能够提供交互式的图形界面, 帮助过滤和处理数据。 (3) 对单一的日志数据记录的查阅会导致缺乏对网络安全整体态势的了解。 (4) 预防和预测攻击能力较低。如何帮助网络安全人员通过繁杂高维数据信息快速、全面的分析网络状况已成为一个十分重要且迫切的问题。入侵检测可视化是网络安全信息可视化最主要的研究方向之一, 它可以将海量高维入侵检测日志数据以图形图像的方式表现出来, 利用人们的视觉功能处理这些大量的数据信息, 使人们能观察到网络安全数据中隐含的模式, 能够快速发现规律并发潜在的安全威胁。
2. 入侵检测可视化发展历史与研究步骤
入侵检测可视化要处理的往往是高维、无结构化的多变量数据, 同时这些数据具有规模大、非数值型等特点;在数据的关联关系上面临着关系隐式化、时间依赖性强、类型多等困难;在绘制方面也没有统一的显示模型。早在1995年Richar A.Becker就提出对网络流量状况而非其拓扑结构进行信息可视化的概念[1]。最初, 可视化技术在入侵检测系统环境中的应用主要集中在通过使用简单的比例缩放和颜色来标识入侵的威胁状态或层次。由于在适应性及有效性方面的局限性, 可视化技术与入侵检测相互结合的可视化原型并不多。为了能够更好地分析安全机制及相关的数据, 在最近几年里也逐渐出现了许多更有效的可视化技术, 其中一些可视化技术允许用户查看异常行为, 如蠕虫或DoS攻击, 有一些通过导入已知的入侵检测传感器数据并在三维空间中使用图元显示这些数据, 还有一些利用已知的入侵检测数据并结合多个可视化技术, 如平行坐标轴及圆图来显示网络流量信息。从2004年开始, 学术界每年召开一次网络安全可视化国际会议, 这标志着网络安全可视化真正得到大家重视。
入侵检测可视化的研究, 首先是数据源的选取。无论是针对基于网络的入侵检测的日志信息、基于主机日志的可视化, 还是针对网络攻击工具、DNS攻击、无线网络安全事件的可视化, 解决不同的问题, 均需要选择不同的数据源。其次, 可视化结构的选取。入侵检测可视化的一个关键技术是发现新颖的可视化结构来表示数据信息, 建立数据到可视化结构的映射。第三, 入侵检测可视化技术的实时性、全局和局部信息并发显示的设计。第四, 人机交互技术的引入。视图放缩、聚焦、关联数据显示、数据选择和回放、历史数据比较等人机交互功能将使得更加易定制、易操作。
3. 典型入侵检测可视化系统介绍
人们把可视化技术与入侵检测技术相结合已经开发了很多高效、实用的可视化系统。下面将介绍典型几种入侵检测可视化系统。
3.1 SnortView系统
SnortView[2]系统是2004年由日本电子信息工程大学, 针对在传统网络入侵检测系统中出现高误检率等问题而研发的。该系统采用二维图形显示Snort报警, 它的典型特点是: (1) 使用不同的图标来标示不同的报警类型, 比如使用◎表示Mail服务的报警, ★表示Web服务的报警等, 安全分析人员通过该系统显示结果可以很直观地发现和识别真实报警和误报警。 (2) 具有实时性的监测能力。SnortView系统由源地址、报警、源地址-目的地址矩阵三个可视框架组成。该系统的主视图是报警框架, 其中水平轴表示时间, 纵轴表示源IP地址, 由源地址框架表示。报警类型被绘制在报警框架的网格中, 由于在一段连续的时间内产生大量同种类型的报警, 因此该系统采用垂直的红线表示报警数量以防止重叠。另外, 通过在报警框架中选择一个报警来建立清晰的通信路径, 把产生该报警的源地址和目的地址连接起来。
3.2 VizAlert系统
VizAlert[3]是2005年由Utah大学针对网络入侵检测提出的一种新颖的可视化工具, 其目的是通过显式安全事件的相关性来增强分析人员对复杂网络环境态势感知的能力。VizAlert系统具备以下优点: (1) VizAlert通过对可视化报警的时间、节点和类型这三个公共属性之间的相关性对安全报警进行分析, 从而支持用户对安全态势的感知和决策。 (2) 将三维的安全属性映射到二维的图形空间, 每一个报警都能表示成坐标空间中的一个点, 给用户一种更加直观的表示方式。 (3) VizAlert可视化模型通过各种报警的三个公共属性, 可用于将大量相互各各异的安全事件关联起来, 为报警相关性的可视化提供一个一般化的架构, 通用性和扩展性非常好。
3.3 CMV系统
CMV[4]系统由北卡罗莱纳州立大学开发, 它针对在无线网络中常见的Sybil攻击, 提出一种在多个视图上使用交互的方式进行识别和分析网络异常行为的可视化方法。该CMV系统由三个视图组成:结点连接图、散点图、时间直方图。时间直方图从全局的角度来观察网络数据, 在该视图中, X轴表示采样数据的整个时间范围, Y轴表示无线网络中传输结点之间相关联的度数。一个结点连接的其它结点越多, 则度数越大, 白色表示度数大。散点图显示分别采用PCA算法和频谱分析的方法, 用户可以根据需要选择不同的分析方法。结点连接图用于直观的显示结点之间的连接关系。该系统有如下特点: (1) 与单个视图相比, CMV系统采用多视图从不同角度识别和分析网络异常。这样可以克服在单视图中无法检测复杂攻击。 (2) 强大的交互功能, 用户可以通过界面组件选择不同的显示结果, 也可以直接对视图进行操作作进一步的分析和判断。首先, 分析人员从时间直方图中选取感兴趣的区域, 选取的结果分别在散点图和结点连接图中显示。然后, 在散点图或结点连接图中判断恶意结点或可疑结点, 并对可疑结点作进一步分析。最后, 用户通过单击查看恶意结点的详细信息或选取可疑结点查看结点之间的连接关系。
4. 总结与展望
入侵检测可视化的研究工作尚处于初级阶段, 要构建完整、实用的入侵检测可视化系统还面临着一些挑战: (1) 由于庞大的数据量、数据的实时预处理分析及系统对交互设计的快速响应等都对我们提出了高要求。 (2) 从降低网络分析人员的认知负担考虑, 安全可视化工具应该具备自动识别网络异常并报警, 当确认异常事件后能对其进行防范抵御的能力。 (3) 由于入侵检测可视化缺少数学模型, 可视化方法研究主观性强, 因此, 对相关基础理论研究迫在眉睫。随着这些理论和关键技术问题的解决, 入侵检测可视化技术的应用前景将更加广阔。
参考文献
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[4]L.Harrison, Xianlin H.Interactive Detection of Network Anomaliesvia Coordinated Multiple Views.Proceedings on VizSec’10 September14, 2010.paper:91-101
基于X射线的电容三维可视化检测 篇2
目前,国内缺乏自主研发的面向电子封装X光检测的三维可视化设备,而传统的工业CT机绝大多数是面向体积较大的机械部件,难以在高密度电子封装过程中对不可见焊点进行无损检测。电子工业生产中常采用X光机得到内部缺陷的断层图像,来实现部分缺陷的判定和检测,但对于内部线路复杂、重叠的元器件来说,仅采用二维X光图像难以获得内部缺陷的完整认识。断层图像的三维可视化技术可利用X光连续断层图像来实现检测对象完整三维重建,对内部缺陷进行精确测量[1,2]。传统的基于断层边界的轮廓线重建算法是采用基于断层边界轮廓线重建方式,首先在原始二维图像内寻找物体的轮廓线,然后通过连接轮廓线顶点形成闭合轮廓,最后将各个切片层的轮廓线“堆砌”成物体的表面。传统算法实时旋转操作较快,但是图像质量较差。
现以常见的电容元件为对象(如图1所示),采用基于断层边界轮廓线的改进算法[3],以最小二乘B样条改善了边界重建算法画面质量较差的缺陷,较好地实现电容元件的3D重建和显示。提出的改进算法对电子封装元器件的快速3D重建和显示进行了初步的探索,为今后高密度封装元器件的快速3D重建算法提供了一定的参考。
1电容断层图像边界轮廓线的三维可视化算法
1.1三维可视化流程图
改进的算法是从一系列平行断层图像数据中恢复被重建对象原有的三维形貌,主要涉及断层图像预处理、轮廓拟合和三维图像绘制等步骤[4,5]。面向电子封装的断层图像三维可视化流程如图3所示。
1.2二维图像预处理
读取序列断层图像数据,将其转化为灰度图像,对灰度值作归一化处理[6],以增强图像对比度,然后自动选择合适的阈值将灰度图像转化为二值图像,二维滤波后再运行闭运算,最后通过最小二乘B样条拟合得到边缘光滑的图像[7]。电容的上中下部图像预处理过程如图3所示。
在图像分割方面,引入利用概率统计学的分位数图来查找阈值的自适应阈值法[8]。所谓分位数是设连续随机变量X的分布函数为F(X),密度函数为P(X)。那么,对任意0<P<1的P,称F(X)=P的X为此分布的分位数。简单的说,分位数指的就是连续分布函数中的一个点,这个点是对应的概率P。利用MATLAB的prctile函数求得增强图像的灰度值分位数图,如图4所示,横坐标表示灰度值出现的概率,纵坐标表示相应的灰度值[9]。
分析灰度值分位数图,不难发现,曲线由左至右由不光滑变得光滑,中间的拐点(即图4中圆点处)其纵坐标就是自动分割的阈值。原理:由于图像中大部分像素的灰度值都是比较小的,所以前段的分位数曲线是平的。当遇到灰度值变化时,分位数曲线开始波动,若灰度带比较接近,则分位数曲线比较光滑,相反则比较曲折。因此,曲线开始平滑时的地方就是图像轮廓边缘的拐点,即自适应阈值。图5中左图的分位数图中选择阈值0.635分割后得到图5中右图的效果。
2利用最小二乘B样条改进算法
2.1最小二乘B样条算法介绍
断层图像经过分割预处理后得到的边界轮廓是比较粗糙的,从而使电容表面的曲率变化较大,显示效果不够理想见图7。利用最小二乘B样条拟合轮廓线的方法,使重建表面变得光滑[6,10]。假设轮廓线网格点构成的矢量为Β(t,r),曲线对网络点qs∈S的逼近误差为ds,那么最小二乘逼近法的数学模型为:
2.2算法流程
3实验结果及分析
为验证算法的可行性, 本文使用CPU为双核Pentium(R) T3200 2.00 GB,内存为2.99 GB的计算机,在MATLAB R2012a的环境下编程实现了上述算法[11]。
由X光检测设备实测获得的原始序列断层图像如图5所示,电容的断层图像按从左到右、从上到下的顺序排列。
利用最小二乘B样条改进算法,对电容元件不同截面进行处理得到如图8所示拟合边界曲线。
利用传统算法的三维重建效果如图9所示,利用最小二乘B样条改进算法的重建效果如图10所示。对比两者发现,后者图像重建的画面质量得到较大提高,且实时操作速度较快。从图11中虚线内的检测部位,能够准确判断出电容引出线与电解胶带间的连接情况,证明本算法可为电容封装质量的判断提供高质量的可视化信息。
4结论
利用最小二乘B样条拟合轮廓线的方法,改进了常用的断层图像边界轮廓三维重建的显示效果。实验结果表明,算法能较好地实现电容元件的3D表面重建和显示,与传统算法不同,文中不完全采用图像的灰度信息, 主要以对象的轮廓信息实现表面重建,减少了重建所需的数据量,加快了三维图形实时旋转操作的响应速度。实现了电容这一器件的三维重建,今后的研究工作主要侧重在图像分割及拟合算法方面改进, 以实现更为复杂的电子封装元器件的三维显示。
摘要：随着电子元件封装技术的发展,电子元器件集成度越来越高,对内部缺陷的检测需求也逐渐增加,而传统方法很难实现内部缺陷的检测。三维可视化技术是利用基于X光的连续断层图像进行三维立体显示的过程,可直观显示元器件表面及其内部一定深度的结构,有助于电子元件封装过程中内部缺陷的检测。文中以常见的电容元件为对象,研究了基于断层边界轮廓线的重建算法。首先对图像进行预处理得到断层图像轮廓线,然后利用最小二乘B样条拟合形成光滑的闭合轮廓线,最后将各层轮廓线堆叠形成电容的三维模型。实验结果表明算法能显示出元器件表面及内部结构,可用来检测元器件的内部缺陷,协助评估元器件质量。
关键词：三维可视化,断层图像,重建,三维显示
参考文献
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可视化检测 篇3
道路地面塌陷是因道路路面、路基或地下土体在外力因素作用下向下陷落, 并在道路路面形成塌陷坑 (洞) 的一种动力地质现象。此类灾害性事故近几年来逐渐增多, 且给社会经济和人民生命财产造成很大损失。
2 探地雷达技术的探测原理及三维可视化方法技术
探地雷达是利用高频电磁波 (106~109HZ) 的反射来探测有电性差异的界面或目标体的一种物探技术。探地雷达探测时, 通过发射天线向地下 (或其它方向) 定向辐射, 当脉冲电磁波传播过程中遇到有电性差异的界面或目标体 (介电常数和导电率不同) , 就会发生反射和散射现象, 通过接收天线接受反射回来, 幅度大小及双程旅行时间长短不一的脉冲。
3 案例分析
本文以上海市闸北区中兴路育婴堂路地面塌陷为例进行讨论。
3.1 地质概况
中兴路育婴堂路路口因路面凹陷进行多次修补;2009年11月3日在修补区域发生路面塌陷, 塌陷时地面形成直径约1m左右的空洞。塌陷发生后采用探地雷达进行探测, 根据探测结果, 对空洞及疏松区域进行了开挖, 同时回填碎石土, 由挖机机头进行夯实处理。
3.2测线布置
根据现场条件, 为了能够有效反映附近区域地下情况, 测线布设尽量利用有限工作空间, 避开路面障碍物及周围铁磁性物体干扰, 采用地质雷达 (主频100MHz天线) 对现场进行探测, 探测前进行相应设备调试、增益调整、叠加、滤波等参数设置。中兴路育婴堂路路口共布设地质雷达测线15条。
3.3 探测成果
对每条测线进行分析, 可得到各测线的解释成果表1。
结合上述各测线分析, 中兴路育婴堂路口塌陷隐患区影响范围在1.2m~2.4 m之间, 具体隐患区域见图。
3.4 隐患区的三维可视化
根据测线解释成果的异常边界点的坐标值, 利用surfer软件可雕刻出中兴路育婴堂路路口塌陷的隐患区, 使之更加形象、直观。
4 结论
(1) 通过实例探测和分析表明, 探地雷达能够有效检测城市道路地下塌陷的隐患区域。
(2) 三维可视化使得隐患区域更加形象、直观的呈现出来。
(3) 本文所用方法可为今后类似项目的塌陷提供指导作用, 亦可推广应用于检测地下脱空、涵洞 (人防工程、大型排水沟、各种地下管沟) 、空洞和含水空洞等。
摘要：本文简要介绍了探地雷达技术的探测原理及方法特点, 根据探地雷达的优点, 对城市道路地下塌陷进行探测。同时本文通过对实际雷达资料的处理与解释, 分析路面塌陷的隐患区, 并对隐患区进行三维可视化成图, 使之更加形象、直观。
关键词：探地雷达,塌陷,三维可视化
参考文献
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可视化检测 篇4
随着海上连续作业的时间越来越长, 船载卫通站长期处于开机状态, 甲板设备面临越来越大的考验, 作为动力执行装置的驱动、电机等装置更是超负荷工作, 因此建立一套可靠的机下检测平台对检测设备性能有很重要的作用。目前, 岗位已经具备船载交流伺服系统检测平台, 但该平台无法直观地表现天线的运动, 无法对检测数据作出准确的判断。因此, 建立天线可视化模型并仿真出天线的运动状态, 对发挥船载交流伺服系统检测平台的功能至关重要。
1 船载交流伺服系统检测平台
现有船载卫通站交流伺服系统构成如图1所示, 利用备用设备搭建机下交流伺服系统, 在SER-VOSTAR控制软件界面输入驱动信号, 比如正弦驱动信号下电机转速、加速度和扭矩的变化等, 通过串口通信方式传输给驱动器和电机之间的环路来控制电机状态, 并能在SERVOSTAR软件界面显示设备在不同运行状态下的各种状态参数, 实现对设备进行机下检测的目的。
伺服之星SERVOSTAR是以色列开发的一款数字伺服系统控制软件。该软件中包含多种型号电机的数据库, 在机床加工、设计生产以及电子器件装配方面都有广泛应用。伺服之星软件可以为研究驱动器技术提供极大便利, 可以对数字电流环、速度环参数进行在线调整, 对电机低速与高速控制和正弦PWM控制等控制算法进行优化。
图2是利用SERVOSTAR软件搭建的交流伺服系统检测平台设计图。在此基础上, 建立天线的三维仿真模型, 利用SERVOSTAR接收的设备参数信息 (诸如电机转速和电机角度位置等) 驱动天线仿真终端, 达到实时立体表现交流伺服系统运行状态的目的。天线动态模拟仿真及数据交互是本课题实现可视化需要完成的两大工作。
2 关键技术
2.1 三维建模
三维建模可以使用户直观地了解所研究对象, 实现在实际对象上难以完成的工作。为了将检测平台数据直观反映在天线上, 利用3DMAX建模软件实现了天线外观结构模型的建立。对实现三维建模而言, 3DMAX可靠性强且应用范围广, 适合于三维动画渲染和制作。3DMAX建模软件由Autodesk公司开发, 立足于PC系统, 功能强大, 操作简单且和其他相关软件配合流畅、效果逼真。3DMAX软件的建模过程比较复杂, 而建模的方式也是多种多样, 包括几何特征建模、行为特征建模以及交互特征建模。几何特征建模侧重于直接读取CAD模型信息, 并在CAD系统中完成装配关系的建立。行为特征建模主要是面向任务建立虚拟物体行为模型, 使其真实地反映物体各结构的行为特性。
以行为特征建模方式为主, 辅以其他方法一并实现。在整个建模过程中, 层次细节技术和纹理映射技术结合使用, 降低场景实时渲染的复杂度。纹理映射 (Texture Mapping) 技术能提高三维物体的逼真度, 避免对场景的每个细节都用多边形来表示, 进而可以大大减少环境模型的多边形数目。纹理图像被定义成二维的UV坐标平面, 这个平面被映射到一个几何模型的x、y、z坐标内。当三维模型旋转时, 映射后的纹理也被旋转和改变大小并在屏幕上绘制出来。
2.2 三维仿真
建立三维模型后, 还需要完成模型对平台检测数据的实时响应。让三维模型动起来并能实时响应变量数据, 需要用到三维仿真技术。利用三维仿真平台Unity3D实现天线模型的仿真。Unity3D是由Unity Technologies公司开发的一个可以轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具, 是一个全面整合的专业游戏引擎。Unity支持所有主要的模型文件格式, 并能和大部分相关应用程序协同工作, 它还对Direct和Open GL拥有高度优化的图形渲染管道。该软件拥有自己的API函数库, 通过建立后台程序文件可以实现游戏开发方面的多种功能, 比如动态交互、串口通信等。
2.3 基于系统数据驱动天线模型
天伺馈系统的驱动单元由永磁同步交流电动机和功率放大器 (俗称驱动器) 组成。驱动器处理来自ACU (天线控制单元) 的数据, 转换成电流数据传递到电动机使得电动机驱动天线。而本系统驱动对象是天线仿真模型, 因此, 保持计算机数据与实物天线转动状况同源与同步是实现天线驱动的关键所在。天线的转动是实际表现为天线的角度变化, 模拟的对象应为速度环或位置环输出参数, 即电机转速或者天线角度。将这些数据从串口字节中提取出来, 参考天线转轴比后传递给仿真平台程序中的相应变量, 便能实现同步同源驱动天线模型, 如图3所示。
2.4 基于串口的数据交互
采集系统数据使用的伺服之星SERVOSTAR为电动机厂商研发的专业软件, 开放性不是很好, 直接利用软件内部数据比较困难, 考虑采取串口通信或数据文件过渡的方式完成数据交互。经反复调试论证, 串口通信方式实现起来更为方便, 因此采用串口通信的方式来完成数据的交互。驱动器上的检测串口为9针RS-232串口, RS-232也是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。平台可视化终端定义好串口属性, 通过程序预留接口接收从驱动器串口输出的系统数据, 根据传输源码各字节含义将其转化为天线模型所需的实际参数值。
3 检测平台可视化实现
3.1 模型的导入与导出
通过3DMax软件建立天线三维模型后, 将三维模型导出并保存为以.fdx为后缀名的文件, 并把此模型文件和纹理图片文件一并粘贴到的Unity3D新建projects的Assets文件夹目录下, 打开Unity3D软件检查文件在层次栏中的读入情况, 然后将模型文件整体拖入Project栏, 至此三维模型导入Unity3D结束。当所有调试工作完成, Unity3D导出.exe执行文件和数据文件夹作为最终的客户终端。
3.2 纹理贴图和组织划分
先期完成设备纹理图片的制作。将拍摄的装备照片按模型尺寸比例通过Photoshop软件进行处理。特殊实景材质, 通过数码相机微距拍摄取得原始素材。在Photoshop中通过图形大小调整、亮度、对比度和锐化等效果处理, 保存为材质图形文件。根据模型中各个立面材质需要的不同, 导入相应的材质, 调整其填涂坐标。船载天线虚拟仿真效果及其随动层次图如图4所示。
三维模型生成后, 给各面贴上对应的纹理, 对模型进行消隐、光照等处理, 以达到真实的三维效果。根据天线各个部件的机械随动关系, 明确天线结构随动层次图和划分天线转动关节, 结合各分支结构组织, 建立天线结构指向体系。
3.3 模拟动态天线, 实现数据交互
在Unity3D中大部分功能通过编程实现, 功能函数一般定义在Unity3D自身的API函数库中。将模型定义为Transform类, 由Transform类函数Rotate函数实现天线三轴旋转, 三轴单独建立程序文件, 拖入代表三轴的模型属性栏里。实现数据交互由Serial Port类定义串口名称、波特率、起始位、停止位、奇偶校验等参数, Read函数读取串口数据写进Byte[]位数组, 然后将天线需要的转速参数赋值给Rotate函数中的转速变量, 将调试好的程序文件拖入控制对象的属性栏中, 便达到通过程序控制Game Object的目的。以下程序为Unity3D读取串口数据程序。
对以上串口程序进行调试, 首先在PC电脑上搭建输入输出2个串口, 调试完毕后模拟驱动器反馈回的串口源码数据, 用串口调试助手发送给其中一个串口, 天线仿真终端通过另一个端口接收此数据, 读取数据中代表电机转速、电机位置及电机转矩的字节, 通过程序调试确保电机转速和天线角速度的比例值符合天线实际比例值。
调试界面如图5所示。
串口通信调试成功后, 利用备用驱动器和电机及直流电源和380 V电源搭建检测平台。在SER-VOSTAR命令窗口输入转速值, 电机随之转动;同时, SERVOSTAR的参数显示界面上显示电机的最大和最小转速, 天线模型的一轴也随之以一定速度转动。增加输入命令转速, 观察电机转速和SER-VOSTAR的反馈参数, 电机转动和反馈参数均正常, 天线模型转动明显加快, 平台测试结果一切正常。
4 结束语
主要对船载交流伺服系统检测平台进行可视化设计, 并且研究出具体实现的方法, 对发挥检测平台的功能具有很强的实践意义和现实价值。实现检测平台可视化, 不仅使检测人员更加便于观察参数状态, 而且模拟出天线的实时状态, 使得检测平台具有实时性的同时更贴近现实。未来将继续在平台可视化方面进行拓展, 争取在更大程度在天线模型上体现电机性能。
参考文献
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可视化检测 篇5
柔性气动外形微型飞行器(Micro Air Vehicle,MAV)由于能够自动补偿大气扰动对其飞行性能的影响,成为微型飞行器的重要的研究方向之一,目前这种设计多运用在固定翼和扑翼飞行器上。NASA和美国佛罗里达大学共同研制的柔性翼MAV,全机身由碳纤维骨架、乳胶膜机翼和薄膜机身构成,实验证明该样机在保证强度的前提下具有比刚性固定翼MAV更高的升力和抗阵风干扰性[1]。西北工业大学设计了一种微扑翼飞行器,采用碳纤维机架和聚脂薄膜柔性机翼,在实际遥控飞行中表现出较好的飞行性能[2]。南京航空航天大学微型飞行器研究中心设计了一种柔性膜微型扑翼飞行器,实验证明扑翼的柔性能改善微型扑翼飞行器的推进性能[3]。目前微型飞行器的柔性气动外形抗气流扰动机理实验数据匮乏,理论有待深入研究。
本文鉴于微型旋翼飞行器机动性能强的特点[4],设计一种柔性气动外形的微型旋翼飞行体,为研究这种柔性气动外形飞行体的抗气流扰动机理,在气流扰动三维可视化检测系统中对气流扰动下飞行体的运动轨迹和气动外形的形态学变化等信息进行了提取。
1 柔性气动外形微型旋翼飞行体
设计了一种基于垂直气道结构的柔性气动外形微型旋翼飞行体,通过前期基于有限元的流-固耦合分析验证了柔性气动外形确实对飞行稳定性能及气动特性参数起到增强作用。下面将对飞行体的设计及加工做详细的介绍。
1.1 升力系统
升力系统采用二层反转式的共轴螺旋桨,无尾桨设计,结构更加紧凑,不仅减轻了飞行体重量,同时提高了发动机功率的利用率[5]。飞行体的升力系统工作频率为40 MHz,载重40 g。为提高其飞行升力,在飞行体调试以及抗扰动测试过程中,动力装置采用3.7 V稳压直流电源,避免采用固体电池增加飞行体的重量以及因续航时间短造成的实验中断。
1.2 垂直气道结构的设计和模态分析
垂直气道结构作为柔性外形结构的支撑,同时固定飞行体的升力系统使柔性外形结构与升力系统重心一致。垂直气道的三维实体结构模型如图1所示,气道采用多孔结构,减轻气道的质量来提高飞行体升力。气道内部有两个固定架,架上的螺孔用于升力系统和气道结构之间的固定。气道结构选用弹塑性材料ABS,其密度1.05 g/cm3,杨氏模量为2.45 Gpa,泊松比为0.39。这种材料具有优良的力学性能,其冲击强度极好,可以在极低的温度下使用。
为避免飞行体在飞行过程中产生破坏性振动,有必要在设计阶段采用有限元分析对飞行体垂直气道的固有特性进行数值计算,避免升力系统工作频率接近气道的固有频率产生共振。在有限元仿真中,模型结构的模态分析可以确定结构的固有特性,包括固有频率和振型。
本文利用PROE软件生成符合IGES标准的接口文件,再调用有限元ANSYS软件进行分析处理。首先对垂直气道结构模型采用自由网络划分,气道结构与升力系统采用螺栓连接,连接处施加完全约束,在ANSYS中典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束,典型的无阻尼模态分析求解的基本方程式[6]如式(1)所示:
式中:K为刚度矩阵;Φi为第I阶模态的振型向量;i为第I阶模态的固有频率;M为质量矩阵。
本文采用分块兰索斯法求解上面的方程式,该算法的优点是求解从频率谱中间位置到高频端范围内的固有频率时,求解收敛速度与求解低阶频率基本上一样快,特别适用于大型对称特征值求解问题[7]。采用分块兰索斯法提取气道结构的前3阶固有频率如表1所示。
由表中数据得出气道结构的前3阶固有频率不接近升力系统的工作频率,可以有效防止结构共振。
与固有频率相对应的前3阶振型,如图2(a)、(b)、(c)所示。第一阶振型反映的是与固定杆垂直方向的扭转变形振动,第二阶振型是沿固定杆方向的扭转变形振动,第三阶振型是固定杆的弯曲变形振动。
1.3 柔性外形结构
本文采用弹性较大的橡胶材料制作柔性外皮,这种柔性外皮质量轻、气密性好、抗撕裂能力强。将其包裹在垂直气道结构的外表面构成飞行体的柔性外形结构。柔性外皮膨胀后与气道结构之间形成一个环形密闭空间,整个环形空间内部空气压力一致。在气流扰动下,柔性外皮会自适应调整形状,将气流压力转换成弹性形变,吸收扰动分量从而减小扰动对飞行体的干扰,并且在无风状态可以恢复原始形状。采用这种柔性外形结构设计的微型飞行体对气流扰动具有缓冲作用,适应飞行条件的突然变化从而增强飞行体的稳定性能。
1.4 微型旋翼飞行体加工
使用Dimension三维打印机将垂直气道三维实体结构模型加工成实体。因气道采用多孔结构,在垂直气道结构外侧包裹上一层PE膜形成一个不透气的气道壁,在PE膜外侧固定柔性外皮的上下边缘,PE膜与柔性外形结构之间形成一个密封性良好的封闭柔性气囊。气道结构内侧预留有一个气孔,用于向柔性气囊内充、放气。最后,将升力系统固定在气道结构的固定架上。柔性气动外形微型旋翼飞行体如图3所示。对飞行体进行了基本的飞行试验,试验结果表明这种旋翼飞行体具有一定的可操控特性,动力系统与分级匹配良好,飞行平稳,能够完成垂直起降和空中悬停。
2 气流扰动三维可视化检测系统组成及工作原理
为了进一步研究柔性气动外形的抗扰动机理,搭建了三维可视化气流扰动检测系统对微型旋翼飞行体完成初步的可视化检测。这种检测系统由气流扰动场实验装置、频闪光源和双目视觉测量系统及其处理显示机等组成。
2.1 气流扰动场实验装置
气流扰动场实验装置是进一步验证飞行器是否满足设计要求、研究飞行器气动性能、探索其抗气流扰动机理的实验平台。目前国内外的气流扰动场的调速系统大多采用开环方式,测试段的流速信号不能反馈回来,因而无法消除风速偏差,为解决上述问题设计了一种具有闭环调速系统的气流扰动场实验装置。
气流扰动场横截面尺寸600 mm600 mm,采用遮光避风环境。调速系统包括扰动气流发生装置及多功能传感装置。扰动气流发生装置用于调节气流扰动场流速,采用FL140/59直流风机,风速0~600 m3/h。多功能传感装置主要完成气流扰动场内空间风速和温度的实时监测,采用FCO510压力计是一个准确的差压(DP)的仪器,利用温度和绝对压力读数得到标准条件下正确的流量。调速系统根据FCO510压力计的实时监测到的流量值调节直流风机的电机转速,使扰动场内的风速根据预置值保持恒定。
2.2 频闪成像
频闪成像是对运动过程的等时记录。调节频闪光源的闪光频率,使其在CCD摄像机的曝光时间内多次闪光,频闪光源的闪光时间很短,物体在这段时间内的运动位移很小,摄像机的感光面产生光积分,从而CCD记录到物体高速运动瞬间的状态。频闪光源在闪光过后,没有光束输出,摄像机的感光面停止光积分,直到下一次闪光,重复上述过程。经过几次的闪光过后,CCD摄像机记录了物体运动的过程[8]。使用这种方法,比较直观的检测到飞行体气动外形表面的改变以及整体运动状况的变化。
本文采用DT-311频闪观测仪作为频闪光源,闪光频率范围:40.035 000 RPM(RPM表示每分钟闪光次数),读数误差±0.01%。
2.3 双目立体视觉测量系统
双目立体视觉测量系统是基于视差,由三角法原理进行三维信息获取,即由两个摄像机的图像平面和被测物体之间构成一个三角形。已通过标定得到两台摄像机的位置关系以及摄像机参数后,便可以计算得到两摄像机公共市场内物体特征点的三维坐标[9]。
双目立体视觉模型如图4所示,基线距B是两台相机物镜光学中心的连线,本测试系统采用对称结构的视觉系统,选用焦距为8 mm的AM1410系列的OK相机,基线距B为410 mm。
2.4 气流扰动三维可视化检测系统工作原理
气流扰动三维可视化检测系统如图5所示。柔性气动外形的微型旋翼飞行体悬吊于扰动测试场实验装置内,在选取的气流速度范围内,飞行体的运动能够始终呈现在相机的工作视野中。测试过程中,利用基于频闪成像技术的双目成像测量原理记录飞行体的运动轨迹及柔性外形结构的形状变化,同时使用压力计实时采集实验段内空间截面的风速分布状况,即扰动气流速度分布。
3 实验结果
实验前,测试环境与外界之间设置黑色屏蔽层,调节两个OK相机的夹角,为使飞行体位于两台相机的共同视角内,根据双目立体视觉成像的原理,计算得到相机光轴与两相机连线的夹角约为35°。
实验根据微型旋翼飞行体的实际应用情况,在8 m/s试验风速条件下进行了数据采集。调节频闪光源的频率,同时调整OK相机的曝光时间,使在相机的曝光时间内采集到多个飞行体的非重叠运动图像。通过多次实验调整,当OK相机曝光时间为1 s时,频闪仪速度220 RPM时,得到频闪成像效果最好。
实验获取的频闪图像进行初步的边缘提取后效果如图6(a)、(b)所示。由图看出在CCD曝光时间里频闪成像能记录到飞行体4个运动位置的图像数据,并且能够从频闪图像中提取到飞行体的形态学变化。
4 结论
1)飞行体设计过程中使用ANSYS软件对垂直气道的固有特性进行数值计算,将计算结果作为飞行体设计的参考,能够避免飞行体在飞行过程中产生破坏性振动。
2)本文设计并制作了基于柔性气动外形的微型旋翼飞行体,实现了简单的垂直起降和悬停功能,实验表明这种飞行体设计具有一定的可行性。
3)气流扰动三维可视化检测系统中在一定的扰动风速下,采用频闪技术能有效冻结飞行体的运动,双目视觉测量系统获得的频闪图像记录了飞行体的运动轨迹及柔性气动外形的形态学变化,为进一步研究柔性气动外形微型飞行器抗扰动机理提供可靠的数据依据。
摘要：为研究具有柔性气动外形的微型飞行器抗气流扰动特性,本文设计了一种具有柔性气动外形微型旋翼飞行体,利用有限元方法对飞行体垂直气道的设计模型进行了模态分析,实现了飞行体的垂直起降和悬停。在基于双目立体视觉测量的气流扰动场实验装置中对飞行体完成初步的三维可视化检测,利用频闪成像方法记录气流扰动下飞行体的运动轨迹和气动外形的形态学变化,为研究柔性气动外形非定常气动特性以及飞行体抗扰动机理提供一种有效的可视化信息提取方法。
关键词：柔性气动外形,微型飞行器,模态分析,频闪成像
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