技术领域
[0001] 本
发明涉及
信号处理技术领域，尤其涉及一种利用直升机自身发出的噪音检测周围障碍物进行防撞告警的系统和方法。
背景技术
[0002] 目前，直升机已大量应用于运输、医疗救助、火灾消防与救援、缉私缉毒、观光旅游、农业喷洒等领域，服务于国民经济的各个部
门。但由于飞行员
视野有限，同时直升机作业环境复杂多变，因此直升机和建筑、复杂山地的山坡、树木相撞的事故屡见不鲜，甚至常发生机毁人亡的惨剧。显然，研究探测直升机周边障碍物并提示飞行员进行规避的防撞系统和方法意义重大。
[0003] 现有的直升机防撞系统和方法多采用毫米波雷达或
超声波探测装置对直升机周围环境进行探测，当探测到障碍物后，即进行语音告警提示飞行员进行规避。然而，现有的此种防撞系统和方法需要毫米波雷达/
超声波探测装置内的功率器件产生大功率
电磁波/超声波信号，并由天线或换能器将所产生的大功率电磁波/超声波信号向直升机四周发射。一方面，天线或换能器发射
电路中的功率器件普遍存在寿命短、可靠性差、价格昂贵的缺点，因此现有的此种防撞系统和方法会导致整个系统的维修周期短、可靠性差、价格高；另一方面，这种大功率的电磁波或超声波发射会对环境中的其它设备产生干扰，比如其它直升机的防撞系统、
汽车雷达、工业无损探伤设备、医疗检测设备。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明提供一种直升机防撞告警系统及方法，能够克服已有系统和方法可靠性差、成本较高的
缺陷，在降低成本的同时，能够对直升机周围存在的障碍物进行有效检测，且可靠性较高。
[0005] 为达到上述目的，本发明的
实施例采用如下技术方案：
[0006] 第一方面，提供一种直升机防撞告警系统，包括：至少N个接收装置；
[0007] 每个接收装置包括处理器以及与处理器电连接的全向麦克
风和单向麦克风，处理器与
机舱内的报警器及飞行控制计算机分别电连接；其中， W表示单向麦克风的主瓣方位宽度；
[0008] N个接收装置安装于直升机
机身上，且均匀分布于同一
水平高度的不同方向上；其中，每个接收装置中的单向麦克风的指向方向沿直升机机身表面法线方向朝外，相邻两个接收装置中的单向麦克风的指向
角度之差小于或等于W；每个接收装置中的全向麦克风贴近直升机机身；
[0009] 全向麦克风，用于接收直升机自身发出的噪音信号，并向与其相连的处理器发送噪音信号；
[0010] 单向麦克风，用于接收其
覆盖区域内的声波信号，并向与其相连的处理器发送声波信号；
[0011] 处理器，用于接收全向麦克风发送的噪音信号以及单向麦克风发送的声波信号，根据噪音信号及声波信号检测是否有障碍物，并在检测到障碍物后向报警器发送告警信号进行告警。
[0012] 第二方面，提供一种直升机防撞告警方法，应用于第一方面所述的直升机防撞告警系统，包括以下步骤：
[0013] 步骤1，处理器获取旋翼转速和旋翼
叶片数，并根据旋翼转速和旋翼叶片数计算得到桨叶周期；
[0014] 步骤2，处理器接收与其相连的全向麦克风发送的噪音信号，并利用噪音信号对桨叶周期进行校正，得到校正后的桨叶周期；
[0015] 步骤3，处理器接收与其相连的单向麦克风发送的声波信号；其中，当直升机周围有障碍物时，声波信号包含直升机自身发出的部分噪音信号和直升机自身发出的噪音信号遇障碍物后产生的反射波信号；处理器利用噪音信号消除声波信号中包含的部分噪音信号，得到反射波信号；
[0016] 步骤4，处理器利用校正后的桨叶周期及反射波信号进行跨周期积累，得到积累信号，进而根据积累信号和预设的检测门限确定是否检测到障碍物，并在确定检测到障碍物后，向报警器发送告警信号。
[0017] 基于本发明上述方案，只要直升机正常工作，直升机螺旋桨、
发动机和减速器等即会产生噪音信号，因此利用直升机自身产生的噪音信号作为照射信号，即能克服
现有技术由于采用传统功率器件所导致的可靠性差的问题；同时，由于本发明实施例提供的直升机防撞告警系统及方法中不涉及发射装置，只使用接收装置，因此相比现有技术，本发明实施例提供的直升机防撞告警系统及方法成本较低，且不会因为发射电磁波或者超声波对环境中的其它设备造成干扰；此外，由于在本发明实施例提供的直升机防撞告警系统及方法中，接收装置可以持续监测到直升机的噪音，也很容易判断接收装置的工作状态，因此能够避免因装置损坏带来的撞击风险。
[0018] 综上，本发明实施例提供的直升机防撞告警系统及方法能够显著提高直升机在城市、山区、林区等复杂地形中工作的安全性，在降低成本的同时，能够对直升机周围存在的障碍物进行有效检测，且可靠性较高。
附图说明
[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020] 图1为本发明实施例提供的一种直升机防撞告警系统的组成示意图；
[0021] 图2为图1所示的直升机防撞告警系统中接收装置的组成示意图；
[0022] 图3为本发明实施例提供的直升机防撞告警方法的流程示意图；
[0023] 图4为本发明实施例仿真实验中全向麦克风接收到噪音信号的幅度曲线图；
[0024] 图5为本发明实施例仿真实验中单向麦克风在无障碍物情况下接收到声波信号的幅度曲线图；
[0025] 图6为本发明实施例仿真实验中单向麦克风在有障碍物情况下单向麦克风接收到声波信号的幅度曲线图；
[0026] 图7为本发明实施例仿真实验中无障碍物情况下利用全向麦克风接收到的噪音信号对单向麦克风接收到的声波信号进行抑制后的信号幅度曲线图；
[0027] 图8为本发明实施例仿真实验中有障碍物情况下利用全向麦克风接收到的噪音信号对单向麦克风接收到的声波信号进行抑制后的信号幅度曲线图。
具体实施方式
[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029] 图1所示为本发明实施例提供的一种直升机防撞告警系统的组成示意图。
[0030] 参见图1，本发明实施例直升机防撞告警系统包括至少N个接收装置10，N个接收装置10安装于直升机机身20上，且均匀分布于同一水平高度的不同方向上。其中， W表示单向麦克风的主瓣方位宽度。
[0031] 如图2所示，每个接收装置10包括处理器101以及与处理器101电连接的全向麦克风102和单向麦克风103。其中，处理器101与机舱内的报警器30及飞行控制计算机40分别电连接。每个接收装置10中的单向麦克风103的指向方向沿直升机机身表面法线方向朝外，相邻两个接收装置10中的单向麦克风103的指向角度之差小于或等于W；每个接收装置10中的全向麦克风102贴近直升机机身。
[0032] 其中，全向麦克风102，用于接收直升机自身发出的噪音信号，并向与其相连的处理器101发送噪音信号。
[0033] 单向麦克风103，用于接收其覆盖区域内的声波信号，并向与其相连的处理器101发送声波信号。
[0034] 处理器101，用于接收全向麦克风102发送的噪音信号以及单向麦克风103发送的声波信号，根据噪音信号及声波信号检测是否有障碍物，并在检测到障碍物后向报警器发送告警信号进行告警。
[0035] 需要说明的是，本领域技术人员可以理解，当直升机周围没有障碍物时，单向麦克风接收的声波信号则仅为直升机自身发出的部分噪音信号；而当直升机周围有障碍物时，单向麦克风接收的声波信号为直升机自身发出的部分噪音信号和直升机发出的噪音信号遇障碍物后产生的反射波信号两种信号的混合信号。
[0036] 在本发明实施例提供的上述直升机防撞告警系统中，全向麦克风的安装应使其能够接收到直升机主要噪音源(如旋翼、发动机和减速器等)发出的噪音，以使全向麦克风较好地接收到各个方向上的声波信号。单向麦克风指向直升机机身外侧，其安装应使其主瓣覆盖区域内的回波能够获得较大增益，也即，使单向麦克
风能够较好地接收一个角域里的声波信号，例如，在水平指向和
俯仰指向的±60°内增益较大；同时，单向麦克风的安装还应使其接收到的直升机噪音信号尽量小，即具有较低的接收旁瓣。
[0037] 在本发明实施例提供的直升机防撞告警系统中，通过借助直升机螺旋桨、发动机和减速器等发出的噪音信号作为照射信号，并在直升机的各个方向上安装接收装置，利用其中的全向麦克风接收直升机自身发出的噪音信号以及利用其中的单向麦克风接收其覆盖区域内的声波信号，并将所接收的信号交由接收装置中的处理器进行处理以确定该接收装置负责区域是否有障碍物存在，并在检测到障碍物后向报警器发送告警信号进行告警，从而实现直升机的防撞告警。
[0038] 基于本发明实施例提供的直升机防撞告警系统，只要直升机正常工作，直升机螺旋桨、发动机和减速器等即会产生噪音信号，因此利用直升机自身产生的噪音信号作为照射信号，即能克服现有技术由于采用传统功率器件所导致的可靠性差的问题；同时，由于本发明实施例提供的直升机防撞告警系统不涉及发射装置，只使用接收装置，因此相比现有技术，本发明实施例提供的直升机防撞告警系统成本较低，且不会因为发射电磁波或者超声波对环境中的其它设备造成干扰；此外，由于在本发明实施例提供的直升机防撞告警系统中，接收装置可以持续监测到直升机的噪音，也很容易判断接收装置的工作状态，因此能够避免因装置损坏带来的撞击风险。
[0039] 综上，本发明实施例提供的直升机防撞告警系统能够显著提高直升机在城市、山区、林区等复杂地形中工作的安全性，在降低成本的同时，能够对直升机周围存在的障碍物进行有效检测，且可靠性较高。
[0040] 基于上述直升机防撞告警系统，本发明实施例还提供了一种直升机防撞告警方法，应用于上述直升机防撞告警系统。如图3所示，本发明实施例提供的直升机防撞告警方法具体包括以下步骤：
[0041] 步骤1，处理器获取旋翼转速和旋翼叶片数，并根据旋翼转速和旋翼叶片数计算得到桨叶周期。
[0042] 其中，步骤1具体可以包括：
[0043] 处理器接收飞行控制计算机发送的旋翼转速n1和旋翼叶片数n2，并根据旋翼转速n1和旋翼叶片数n2，利用预设公式，计算得到桨叶周期TF。
[0044] 其中，所述的预设公式为：
[0045] 步骤2，处理器接收与其相连的全向麦克风发送的噪音信号，并利用噪音信号对桨叶周期进行校正，得到校正后的桨叶周期。
[0046] 具体的，步骤2中，处理器利用噪音信号对桨叶周期进行校正，得到校正后的桨叶周期，可以包括以下步骤：
[0047] 步骤2.1，处理器对噪音信号sQ(t)先进行时长为T0的预延时，再进行2k次时长为△t的精细延时，得到2k+1个延时信号
[0048] 其中，m＝-k,-k-1,…,-1,0,1,…,k-1,k，T0＝TF-k△t， TF表示桨叶周期，△t表示桨叶周期的校正
精度， B表示直升机噪音带宽，B≥6000Hz，[0049] 其中，桨叶周期的最大误差具体可表示为： 则 式
中，εn1表示最大转速误差，n1,min表示直升机正常工作的最小转速，εn1和n1,min的具体取值可通过飞行控制计算机获得或者通过查阅直升机飞行手册上的性能参数获得。
[0050] 步骤2.2，处理器分别将2k+1个延时信号 与噪音信号sQ(t)相乘后进行时间长度为的TF积分，再取绝对值，得到2k+1个数值b-k,b-k+1,…,bm,…,bk-1,bk。
[0051] 其中，
[0052] 步骤2.3，处理器确定2k+1个数值b-k,b-k+1,…,bm,…,bk-1,bk中的最大值m0∈{-k,-k-1,…,-1,0,1,…,k-1,k}，进而确定最大值对应的索引m0，利用索引m0对桨叶周期进行校正，得到校正后的桨叶周期TF′＝TF-m0△t。
[0053] 步骤3，处理器接收与其相连的单向麦克风发送的声波信号，并利用噪音信号消除声波信号中包含的部分噪音信号，得到反射波信号。
[0054] 其中，当直升机周围有障碍物时，声波信号包含直升机自身发出的部分噪音信号和直升机自身发出的噪音信号遇障碍物后产生的反射波信号。
[0055] 本发明实施例的一种具体实现方式中，步骤3中，所述处理器利用所述噪音信号消除所述声波信号中的包含的所述部分噪音信号，得到所述反射波信号，具体包括以下步骤：
[0056] 步骤3.1，处理器对与其相连的单向麦克风发送的声波信号sZ(t)进行时长为的预延时，得到延时信号 以及，对噪音信号sQ(t)进行p次时长为△t的延时，得到p+1个延时信号
[0057] 其中， n＝0,1,…,p，p为全向麦克风的幅频特性和相频特性调节所需的
时间窗长度与△t的比值，p＝10。
[0058] 步骤3.2，处理器根据校正后的桨叶周期及p+1个延时信号计算得到延时信号去交叉矩阵
[0059] 其中， m＝0,1,2,…,p，n＝0,1,2,…,p，(·)-1表示矩阵求逆运算，M表示计算延时信号去交叉矩阵所需的时间周期，M≥2p。
[0060] 步骤3.3，处理器根据校正后的桨叶周期、延时信号sZD(t)以及p+1个延时信号计算得到交叉矢量
[0061] 其中， n＝0,1,2,…,p。
[0062] 步骤3.4，处理器将延时信号去交叉矩阵H与交叉矢量G相乘，得到列矢量将列矢量的第n个元素cn依次确定为p+1个延时信号中第n个延时信号对应的调节参数。
[0063] 步骤3.5，处理器将p+1个延时信号分别乘以与其对应的调节参数后求和，得到求和信号，再将求和信号与延时信号sZD(t)相加，得到反射波信号
[0064] 步骤4，处理器利用校正后的桨叶周期及反射波信号进行跨周期积累，得到积累信号，进而根据积累信号和预设的检测门限确定是否检测到障碍物，并在确定检测到障碍物后，向报警器发送告警信号。
[0065] 本发明实施例的一种具体实现方式中，步骤4具体可以包括以下步骤：
[0066] 步骤4.1，处理器利用校正后的桨叶周期，对反射波信号进行q次延时，得到q+1个延时信号u(t)，u(t-TF′)，u(t-2TF′)，…，u(t-iTF′)，…，u(t-qTF′)。
[0067] 其中，u(t)表示反射波信号，TF′表示校正后的桨叶周期，q表示预设的积累次数，q≥10，n＝1,2,…,q。
[0068] 步骤4.2，处理器对q+1个延时信号u(t)，u(t-TF′),u(t-2TF′),…,u(t-iTF′),…,u(t-qTF′)进行求和，得到积累信号
[0069] 步骤4.3，处理器将积累信号v(t)与预设的判决门限η进行比较：若积累信号v(t)大于预设的判决门限η，则确定检测到到障碍物；若积累信号v(t)小于或等于预设的判决门限η，则确定未检测到到障碍物。
[0070] 至此，本发明实施例提供的直升机防撞告警方法即结束。
[0071] 以下将通过仿真实验来对本发明实施例提供的直升机防撞告警方法的有效性进行验证：
[0072] 1.实验参数
[0073] 在本仿真实验中，将直升机的旋翼转速设置为每分钟200转，即n1＝3.33；直升机旋翼包含3片桨叶，n2＝3；由此，可以得到TF＝0.1s。单向麦克风在其指向方向的增益比全向麦克风高20dB，在其它方向的增益比全向麦克风低20dB，并将障碍物与直升机的距离设置为104米，全向麦克风接收到的障碍物的回波比直达波功率小50dB。
[0074] 2.实验内容及结果分析
[0075] 基于上述参数，仿真得到直升机噪音信号，播放仿真得到的噪音信号，并设置两种不同场景：周围有障碍物和无障碍物。在两种不同场景下，按照本发明实施例提供的直升机防撞方法，利用全向麦克风和单向麦克风接收信号，基于全向麦克风和单向麦克风接收的信号进行障碍物检测。
[0076] 图4所示为全向麦克风接收到噪音信号的幅度曲线图；图5所示为无障碍物情况下单向麦克风接收到声波信号的幅度曲线图；图6所示为有障碍物情况下单向麦克风接收到声波信号的幅度曲线图。
[0077] 从图4-图6可以看出，由于全向麦克风和单向麦克风都接收到了非常强的直升机噪音信号，在周围有障碍物和无障碍物两种不同场景下单向麦克风所接收到的声波信号的
波形非常相似，无法根据单向麦克风所接收到的声波信号直接确定周围是否存在障碍物。
[0078] 图7所示为无障碍物情况下利用全向麦克风接收到的噪音信号对单向麦克风接收到的声波信号进行抑制后的信号幅度曲线图。图8所示为有障碍物情况下利用全向麦克风接收到的噪音信号对单向麦克风接收到的声波信号进行抑制后的信号幅度曲线图。
[0079] 观察图7，可以看到，利用全向麦克风接收到的噪音信号对单向麦克风接收到的声波信号进行抑制后，仅剩余很弱的噪音信号。
[0080] 观察图8，可以看到，当周围有障碍物时，利用全向麦克风接收到的噪音信号对单向麦克风接收到的声波信号进行抑制后，图中有一个与噪音信号存在明显时延的信号，即障碍物产生的反射波信号。按照本发明实施例方法，经过跨周期积累后，利用该信号得到的积累信号可以很容易检测到障碍物的存在。
[0081] 本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的
硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0082] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述
权利要求的保护范围为准。
