一种平流层飞艇阀门作动状态检测方法与流程

本发明涉及平流层飞艇设备测试技术领域，具体涉及一种平流层飞艇阀门作动状态检测方法。

背景技术：

平流层飞艇由于飞行高度处低密度大气环境的原因，飞艇体型巨大，而其中副气囊占比一般在90％以上，且在结构形式上不同于中低空飞艇的单个或两个副气囊形式，而是采用多气囊或特殊结构。平流层飞艇阀门布设于气囊之上，主要用于氦气和空气的排放充入以实现主气囊和副气囊的压力控制，进而实现飞艇的上升和下降控制。

平流层飞艇阀门结构类型主要分为两种：倾角式开合阀门和推拉式开合阀门。当前针对平流层飞艇阀门作动状态的测试分为两个阶段，一个是功能考核测试阶段，此阶段测试工作为针对逐个阀门开展作动状态测试；另一个是长时工作可靠性测试阶段，此阶段用以模拟飞艇长航时飞行过程中，囊体相应阀门作动状态测试。测试方法主要是通过采用阀门电机信号结合人眼观察的判定方式。阀门电机信号主要是通过阀门机械作动装置中电机旋转的行程开关或者是在阀门处外加距离/角度传感器来产生。

上述平流层飞艇阀门作动状态的测试方法主要存在以下不足：

1、行程开关机械结构本身的误差，如齿轮旋转间隙，以及安装过程误差，导致电机旋转角度与阀门开合状态的不对应，存在阀门电机旋转到位而阀门实际未到位的情况；

2、距离/角度传感器传感器通常采用接触式安装方式，粘贴于被试件表面，易影响作动测试结果，并且传感器自身的信号传输线缆布设大大增加了测试工作量，而且极易由于传输线间的连接问题引入测试误差，甚至造成测试失败；

3、人眼判别过分依靠经验，标准性差且过程需要耗费大量的精力；在阀门的长时工作可靠性测试阶段，测试试验周期长，阀门数量众多，人眼判别的方式已不可胜任测试任务需要；

4、现有技术中的测试方式只是解决了阀门开合的判断问题，但是开合的程度尚未精确给出，阀门作动状态评估困难，难以为飞行决策提供数据支撑。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种平流层飞艇阀门作动状态检测方法及检测系统，解决现有技术中平流层飞艇阀门状态测试中由于行程开关机械结构本身的误差导致的测试不准，检测阀门众多人为无法胜任效率精准度有限，传感器布设测试工作量倍增以及阀门开合度无法精确测量作动状态评估困难的技术问题。

为达到上述目的解决上述技术问题，本发明提供了一种平流层飞艇阀门作动状态检测方法，包括如下步骤：

s1、统计不同类型阀门的数量

将倾角式开合阀门的数量记为m，推拉式开合阀门的数量记为n，分别记录两种类型阀门单次开合时间t，单位：秒；

s2、记录视频采集摄像机的相关参数即最大拍摄广角范围和成像像素，并将最大拍摄广角范围记为β；

s3、将相同类型的阀门统一布设

将相同类型的阀门以视频采集摄像机为圆心，布设于半径为r的圆弧上，各阀门与圆心的连线夹角均为α，则各参数之间的关系如下式所示：

α＝β/m(倾角式开合阀门)

α＝β/n(推拉式开合阀门)

s4、功能考核测试阶段

s41、视频采集摄像机采用连续录制方式，调节摄像机焦距以及水平旋转伺服电机的参数，使水平旋转伺服电机的单次旋转角度α的情况下，所有阀门均单独进入摄像机拍摄范围；

s42、设置水平伺服旋转电机单次停留时间为t1，t1＝t+5；

s43、测试开始后，测试人员通过阀门作动控制计算机依次控制阀门的开合，视频影像处理计算机同步开启阀门作动状态侦测功能，当检测到画面内的阀门出现开合动作时，实时转化为二维图像，开展作动状态判断；

s431、对于倾角式开合阀门，作动状态判断方法根据视频采集摄像机拍摄到的实时画面，由视频影像处理计算机转化为倾角式开合阀门二维图像，开展计算工作，具体如下：

视频采集摄像机与倾角式开合阀门位于同一水平面上，当阀门打开的过程中，圆形的阀门盖在倾角式开合阀门二维图像中始终为一长轴固定的椭圆，通过识别图像中的像素点，可求得图像中椭圆长轴d1与短轴c之间的比例关系为：

f＝d1/c

d1为倾角式开合阀门二维图像中阀门盖投影椭圆的短半轴长度；

c为倾角式开合阀门二维图像中阀门盖投影椭圆的长半轴长度；

通过计算，可求得阀门盖相对于阀门座的实际开合角度

λ＝arcsin(2f)

根据λ值可判断阀门6开合状态：

若λ值介于0°和90°之间，则根据λ值，能够精确判断阀门6故障时的开合程度；

s432、对于推拉式开合阀门，作动状态判断方法根据视频采集摄像机拍摄到的实时画面，由视频影像处理计算机转化为推拉式开合阀门二维图像，开展计算工作，具体如下：

视频采集摄像机与推拉式开合阀门位于同一水平面上，将阀门理论打开最大距离记为l0，当阀门打开的过程中，圆形的阀门盖在推拉式开合阀门二维图像中始终为一定长的矩形，通过识别图像中的像素点，可求得图像中阀门盖离开阀门座的距离l1与阀门座直径e的比例关系为

f＝l1/e

其中：l1为推拉式开合阀门二维图像中阀门盖离开阀门座的距离；

e为推拉式开合阀门二维图像中阀门座投影的长度；

r为推拉式开合阀门阀门盖的半径；

通过数学换算，求得阀门盖的实际推开距离

l＝2rf

根据l值可判断阀门6开合状态：

若l值介于0和l0之间，则根据l值，能够精确判断阀门6故障时的开合程度；

s44、一个阀门开合作动状态测试完成后，测试人员控制水平旋转伺服电机带动视频采集摄像机旋转α度，继续下一个阀门的开合作动状态测试，依次类推，直至全部阀门测试完成；

s5、长时工作可靠性测试阶段

s51、视频采集摄像机采用1秒1帧的录制方式，调节摄像机焦距，使所有阀门均进入摄像机拍摄范围；

s52、视频影像处理计算机自动识别图像内的阀门，并标记数字一一对应；

s53、测试开始后，阀门作动控制计算机依据测试人员预先设置的测试指令控制阀门的开合，视频影像处理计算机同步开启阀门作动状态侦测功能，当检测到画面内的某个阀门出现开合动作时，自动存储当时图像并标记时间，并在相应的阀门编号下累加计数；

s54、长时工作可靠性测试阶段结束时，将视频影像处理计算机记录下的各个阀门的开合次数与阀门作动计算机相应阀门发出的开合命令次数做对比，数量相同时，表明此阀门长时工作可靠性高，数量不同时，表明此阀门长时工作存在安全隐患，需要排查可能潜在的故障隐患。

进一步的，本发明还提供了使用一种平流层飞艇阀门作动状态检测方法的测试系统，包括视频采集摄像机、视频影像处理计算机、阀门作动控制计算机、水平旋转伺服电机、无线路由器；

视频采集摄像机安装于水平旋转伺服电机之上，水平伺服电机带动视频采集摄像机完成特定角度的旋转；视频采集摄像机通过无线路由器的wifi信号与视频影像处理计算机实现数据交互；阀门作动控制计算机与阀门通过信号传输线缆相连，控制阀门的作动执行；

进一步的，视频影像处理计算机包含阀门自动识别模块、阀门作动状态侦测模块以及数据导出模块功能；阀门自动识别模块基于特征识别技术，实时对阀门盖进行特征提取，特征包含阀门盖特征在图像中的形状信息和位置信息。阀门作动状态侦测模块，基于视频图像差分法确定阀门是否开合。

进一步的，视频采集摄像机为全画幅摄影机，具有连续录制和1秒1帧两种录制方式，一次性连续录制时长不小于3h且能够重复翻录。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明采用非接触测量的方式，对于不同型号的阀门作动性能测试具有通适性，不需要单独配置测试设备；

2、本发明的测试现场不需额外布线，测量效率高，测试结果可行度高；

3、本发明实现了阀门作动状态的自动化测试，测试准确率高，很大程度商缩减了测试所需人员。

附图说明

图1为本发明功能考核测试阶段系统应用示意图；

图2为本发明功能考核测试阶段视频采集摄像机与倾角式开合阀门布放相对位置关系示意图；

图3为本发明功能考核测试阶段视频采集摄像机与推拉式开合阀门布放相对位置关系示意图；

图4为阀门长时工作可靠性测试阶段系统应用示意图。

其中：1-无线路由器、2-视频影像处理计算机、3-测试人员、4-阀门作动控制计算机、5-信号传输线缆、6-阀门、7-视频采集摄像机、8-水平旋转伺服电机、9-倾角式开合阀门二维图像、10-推拉式开合阀门二维图像、61-倾角式开合阀门、611-阀门盖、612-阀门座、62-推拉式开合阀门、621-阀门盖、622-阀门座

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的检测系统如图1所示。该系统主要由视频采集摄像机7、视频影像处理计算机2、阀门作动控制计算机4、水平旋转伺服电机8、无线路由器1，视频采集摄像机7安装于水平旋转伺服电机8之上，水平伺服电机8可以带动视频采集摄像机7完成特定角度的旋转；视频采集摄像机7通过无线路由器1的wifi信号与视频影像处理计算机实现数据交互；阀门作动控制计算机4与阀门6通过信号传输线缆5相连，控制阀门6的作动执行.

视频采集摄像机7为全画幅摄影机，具有连续录制和1秒1帧两种录制方式，一次性连续录制时长不小于3h，可重复翻录；这里视频采集摄像机采用全画幅摄影机是基于后期实践经验改进的，能够获得更大范围的拍摄角度，单次可以测试的风机阀门更多，普通摄影机也可以实现本发明，但拍摄范围相对来说要小，单次测试的风机阀门数量少一些。

视频影像处理计算机2包含阀门自动识别模块、阀门作动状态侦测模块、以及数据导出模块等功能。阀门自动识别模块基于特征识别技术，实时对阀门盖进行特征提取，特征包含阀门盖特征在图像中的形状信息和位置信息。阀门作动状态侦测模块，基于视频图像差分法确定阀门6是否开合；

阀门作动控制计算机4主要用于阀门6作动的控制；

水平旋转伺服电机8主要用于精确控制视频采集摄像机7的水平旋转角度，可程序化输入单次旋转角度，旋转速度、旋转角度范围、单次停留时间等参数；

无线路由器1主要用于视频采集摄像机7与视频影像处理计算机2之间的数据交换。

本发明的测试方法包括如下步骤：

s1、统计不同类型的阀门6数量。将倾角式开合阀门61数量记为m，推拉式开合阀门62数量记为n，记录阀门6单次开合时间t，单位秒；

s2、记录视频采集摄像机7的相关参数即最大拍摄广角范围和成像像素，并将最大拍摄广角范围记为β；

s3、将相同类型的阀门6统一布设。将相同类型的阀门6以视频采集摄像机7为圆心，布设于半径为r的圆弧上，各阀门6与圆心的连线夹角均为α，各参数之间的关系如下式所示：

α＝β/m(倾角式开合阀门61)

α＝β/n(推拉式开合阀门62)

倾角式开合阀门61相对视频采集摄像机7的布放位置关系如图2所示；推拉式开合阀门62相对视频采集摄像机7的布放位置关系如图3所示。

s4、功能考核测试阶段，如图1所示；

s41、视频采集摄像机7采用连续录制方式，调节摄像机焦距以及水平旋转伺服电机8参数，使水平旋转伺服电机8单次旋转角度α的情况下，所有阀门6均单独进入摄像机拍摄范围；

s42、设置水平伺服旋转电机单次停留时间为t1，t1＝t+5；

s43、测试开始后，测试人员3通过阀门作动控制计算机4依次控制阀门6的开合，视频影像处理计算机2同步开启阀门作动状态侦测功能，当检测到画面内的阀门6出现开合动作时，实时转化为二维图像，依据阀门的具体类型开展作动状态判断；

s431、若为倾角式开合阀门61，作动状态判断方法根据视频采集摄像机7拍摄到的实时画面，由视频影像处理计算机2转化为倾角式开合阀门二维图像9，开展计算工作。具体方法如图2所示：视频采集摄像机7与倾角式开合阀门61位于同一水平面上，当倾角式开合阀门62打开的过程中，圆形的阀门盖611在倾角式开合阀门二维图像9中始终为一长轴固定的椭圆，通过识别图像中的像素点，可求得图像中椭圆长短轴之间的比例关系为

f＝d1/c

其中：阀门盖611为倾角式阀门阀门盖，阀门座612为倾角式阀门阀门座；

d1为倾角式开合阀门二维图像9中阀门盖611投影椭圆的短半轴长度；

c为d1为倾角式开合阀门二维图像9中阀门盖611投影椭圆的长半轴长度；

通过数学换算，可求得阀门盖611相对于阀门座612实际开合角度

λ＝arcsin(2f)

根据λ值可判断阀门6开合状态：

若λ值介于0°和90°之间，可以根据λ值，精确判断阀门6故障时的开合程度。

s432、若为推拉式开合阀门62，作动状态判断方法根据视频采集摄像机7拍摄到的实时画面，由视频影像处理计算机2转化为推拉式开合阀门二维图像10，开展计算工作。具体方法如图3所示：视频采集摄像机7与推拉式开合阀门62位于同一水平面上，将推拉式开合阀门62理论打开的最大距离记为l0，当阀门推拉式开合阀门62打开的过程中，圆形的阀门盖621在推拉式开合阀门二维图像10中始终为一定长的矩形，通过识别图像中的像素点，可求得图像中阀门盖621离开阀门座622的距离与阀门座622直径的比例关系为

f＝l1/e

其中：l1为推拉式开合阀门二维图像10中阀门盖621离开阀门座622的距离；

e为推拉式开合阀门二维图像10中阀门座621投影的长度；

r为推拉式开合阀门阀门盖621半径；

通过数学换算，可求得阀门盖621实际推开距离

l＝2rf

根据l值可判断阀门6开合状态：

若l值介于0和l0之间，可以根据l值，精确判断阀门6故障时的开合程度。

s44、一个阀门6开合作动状态测试完成后，测试人员3控制水平旋转伺服电机8带动视频采集摄像机7旋转α度，继续下一个阀门6的开合作动状态测试，依次类推，直至全部阀门6测试完成。

s5、长时工作可靠性测试阶段，如图4所示；

s51、视频采集摄像机7采用1秒1帧的录制方式，调节摄像机焦距，使所有阀门6均进入摄像机拍摄范围；

s52、视频影像处理计算机2自动识别图像内的阀门6，并标记数字一一对应；

s53、测试开始后，阀门作动控制计算机4依据测试人员3预先设置的测试指令控制阀门6的开合，视频影像处理计算机2同步开启阀门6作动状态侦测功能，当检测到画面内的某个阀门6出现开合动作时，自动存储当时图像并标记时间(用以后期校对)，并在相应的阀门6编号下累加计数。

s54、长时工作可靠性测试阶段结束时，将视频影像处理计算机记录下的各个阀门6的开合次数与阀门作动计算机相应阀门6发出的开合命令次数做对比，数量相同时，表明此阀门长时工作可靠性高，数量不同时，表明此阀门长时工作存在安全隐患，需要排查可能潜在的故障隐患。