本發(fā)明應用于無人機遙感的,特別涉及一種基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器及故障檢測方法。

背景技術：

1、無人機遙感技術已經(jīng)成為一種變革性的方法，通過在各種地形上提供前所未有的速度、效率和多功能性，增強了傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與巡檢方法。無人機遙感技術越來越多地應用于基礎設施健康監(jiān)測、鐵路和交通監(jiān)控、森林和消防管理、光伏能源系統(tǒng)檢測、風力發(fā)電機組評估等領域。目前的應用主要依賴于光學傳感模式，如攜帶高分辨率相機、熱成像、多光譜傳感器和激光掃描，但是這些方法在涉及視覺障礙或監(jiān)測對象內(nèi)部缺陷的情況下將面臨局限性。在這種情況下，基于聲學的無人機遙感技術提供了一個具有前景的替代方案，比如在檢測風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)等內(nèi)部機械故障等方面。

2、無人機聲學遙感技術具有較大潛力，但該技術在工業(yè)環(huán)境中廣泛采用受到重大的限制。其主要問題是無人機在飛行過程中，推進系統(tǒng)產(chǎn)生的強烈背景噪聲，其特征主要來自螺旋槳葉片通過頻率的音調(diào)和寬帶成分。而且這種復雜的噪聲環(huán)境在工業(yè)無人機中更加嚴重，因為工業(yè)無人機通常有四個或更多的電機和螺旋槳單元，這使得機載聲學傳感器很難將目標聲源與無人機自身產(chǎn)生的噪聲隔離開來。通常會導致所采集信號信噪比低于-15db，使得傳統(tǒng)的聲音分析算法完全失效，嚴重制約了無人機聲學遙感技術的實際應用。

3、為了克服這些限制，目前大量的技術方案致力于使用先進的波束成形技術優(yōu)化多麥克風陣列的信號處理。具體來說，該方法是利用麥克風陣列單元之間的空間分布和相位關系來增強聲源估計，并通過相位差校正來減輕不相關噪聲，從而提高信噪比。近十年來，開發(fā)復雜的機載麥克風陣列系統(tǒng)和完善相關的信號處理算法方面取得了一些實質(zhì)性進展，但仍存在著一些缺陷。

4、根據(jù)波束形成方法的理論，增加麥克風的數(shù)量和陣列孔徑可以顯著提高傳感性能。因此，通過拓展更多數(shù)量的麥克風設計，或采用擴大陣列框架來最大化相位差均有利于提高信噪比。但是這些技術帶來了新的限制，特別是實時多通道音頻處理的計算需求增加，以及無人機有效載荷能力下降以及空氣動力學的物理限制等方面。相應的替代策略是拓展異構(gòu)型麥克風陣列配置或特殊的連接機制，使得麥克風系統(tǒng)相對遠離無人機噪聲源，從而直接提高目標源信號的信噪比。這些技術雖然有一定的增強效果，但這些技術往往會改變無人機的重心，需要復雜的飛行控制補償，并且由于重心不穩(wěn)定而潛在地增加了飛行操作風險。此外，還有機器學習輔助下的麥克風陣列信號計算方法也有望增強信噪比，但這種方法同樣面臨模型泛化和進一步的機載計算資源緊張等相關限制。而且，截至目前大多數(shù)的無人機聲學遙感技術也主要局限于聲源定位的應用，無法獲取高信噪比的目標源信號，無法為實際工業(yè)監(jiān)測、故障巡檢等應用場景提供有效的解決方案。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器及故障檢測方法，所述超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器利用人工設計的聲學超材料結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)無人機周圍的聲場，通過采用設計高度各向異性的聲學超材料結(jié)構(gòu)，獲得目標源信號的頻率選擇性增強，同時利用聲學超材料結(jié)構(gòu)的強方向敏感性來抑制非相干噪聲，特別是來自無人機的嚴重噪聲干擾，可以在無人機聲學傳感中實現(xiàn)高信噪比的聲音信號采集，并僅在使用單通道信號和簡單的處理算法就可以實現(xiàn)高效的故障檢測。

2、本發(fā)明所采用的技術方案是：本發(fā)明包括基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器及故障檢測方法。所述基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器包括聲學傳感系統(tǒng)和安裝于無人機下方負載區(qū)域的喇叭狀的聲學超材料結(jié)構(gòu)，所述聲學超材料結(jié)構(gòu)包括若干個由下至上直徑線性增加的圓板和穿過所有所述圓板中心的杠棒，所述聲學傳感系統(tǒng)包括采集卡和若干個聲學傳感器，相鄰的所述圓板之間的間隙均安裝有一個所述聲學傳感器，所有所述聲學傳感器均與所述采集卡電性連接。

3、進一步的，所述圓板是由聚乳酸材料通過3d打印制成。

4、進一步的，相鄰的所述圓板之間的間距相等。

5、進一步的，所述采集卡與無人機的集成控制板電性連接，所述集成控制板與所述無人機的機載計算機系統(tǒng)接口電性連接。

6、進一步的，所述圓板的數(shù)量為18個，所述圓板的板厚為3mm，相鄰的圓板之間的間距均為10mm，最大所述圓板的半徑為110mm，最小所述圓板的半徑為10mm。

7、一種應用于所述的基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器的故障檢測方法，包括以下步驟：

8、s1.設定無人機的巡檢路徑，且在所述巡檢路徑上設定若干個檢測點以覆蓋所需檢測對象，當無人機飛行到設定檢測點時，懸停并通過基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器采集當前檢測點上的音頻以對檢測對象的狀態(tài)進行判斷；

9、s2.在當前檢測對象的檢測點上，設定無人機懸停于檢測對象正上方30度夾角的錐度范圍內(nèi)進行音頻數(shù)據(jù)采集，以充分利用超材料的強化性能，并通過基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器的若干個聲學傳感器同時采集檢測對象上的聲信號以形成待分析的音頻；

10、s3.提取音頻上的音頻點數(shù)據(jù)以形成超材料不同增強頻帶所對應的音頻數(shù)據(jù)組；

11、s4.根據(jù)檢測對象物理特征選擇所需頻帶的音頻數(shù)據(jù)進行時頻預分析；

12、s5.進一步對當前音頻數(shù)據(jù)組進行濾波和包絡分析，通過使用帶通濾波器進行固定頻帶濾波后再進行希爾伯特變化以獲得包絡譜，通過包絡譜識別故障特征頻率，以判定檢測對象的故障狀態(tài)。

13、本發(fā)明的有益效果是：1.與傳統(tǒng)的麥克風(即聲學傳感器)陣列技術不同，基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器同時實現(xiàn)了緊湊的設計和聲學增強，這種創(chuàng)新的設計結(jié)構(gòu)有效地減輕了無人機引起的噪聲的嚴重干擾，同時消除了增加麥克風數(shù)量和間距以提高信噪比的需要，還優(yōu)化了無人機的重心，增強了整體飛行穩(wěn)定性和有效載荷。

14、2.具有特殊的頻率選擇性增強特性，即使在信噪比低至-20db的高噪聲條件下，也能有效地提取細微的機械故障特征；此外，其強大的方向增強特性減輕了不相關信號的干擾，為無人機檢測過程中的故障識別和定位提供了堅實的基礎。

15、3.該方法可以有效地利用單通道聲學數(shù)據(jù)檢測機械故障，而不依賴于復雜的信號處理算法進行降噪或最優(yōu)頻段搜索，這大大降低了機載計算機的硬件要求和計算負荷，為無人機工業(yè)巡檢中的在線監(jiān)測和故障診斷提供了可行的解決方案。

技術特征：

1.一種基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器，其特征在于：它包括聲學傳感系統(tǒng)和安裝于無人機(1)下方負載區(qū)域的喇叭狀的聲學超材料結(jié)構(gòu)，所述聲學超材料結(jié)構(gòu)包括若干個由下至上直徑線性增加的圓板(2)和穿過所有所述圓板(2)中心的杠棒(3)，所述聲學傳感系統(tǒng)包括采集卡(4)和若干個聲學傳感器(5)，相鄰的所述圓板(2)之間的間隙均安裝有一個所述聲學傳感器(5)，所有所述聲學傳感器(5)均與所述采集卡(4)電性連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器，其特征在于：所述圓板(2)是由聚乳酸材料通過3d打印制成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器，其特征在于：相鄰的所述圓板(2)之間的間距相等。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器，其特征在于：所述采集卡(4)與無人機(1)的集成控制板電性連接，所述集成控制板與所述無人機(1)的機載計算機系統(tǒng)接口電性連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器，其特征在于：所述圓板(2)的數(shù)量為18個，所述圓板(2)的板厚為3mm，相鄰的圓板(2)之間的間距均為10mm，最大所述圓板(2)的半徑為110mm，最小所述圓板(2)的半徑為10mm。

6.一種應用于如權(quán)利要求1-5任一項所述的基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器的故障檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器及故障檢測方法。本發(fā)明包括基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器及故障檢測方法。所述基于超材料強化的無人機聲學監(jiān)測器包括聲學傳感系統(tǒng)和安裝于無人機下方負載區(qū)域的喇叭狀的聲學超材料結(jié)構(gòu)，所述聲學超材料結(jié)構(gòu)包括若干個由下至上直徑線性增加的圓板和穿過所有所述圓板中心的杠棒，所述聲學傳感系統(tǒng)包括采集卡和若干個聲學傳感器，相鄰的所述圓板之間的間隙均安裝有一個所述聲學傳感器，所有所述聲學傳感器均與所述采集卡電性連接。本發(fā)明應用于無人機遙感的技術領域。

技術研發(fā)人員：林煜彬,黃石青,鄧榮峰,谷豐收
受保護的技術使用者：北京理工大學珠海學院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15