一种基于视频分析的燃油喷嘴多特征状态评估方法、设备及介质技术

本发明专利技术提出一种基于视频分析的燃油喷嘴多特征状态评估方法、设备及介质，所述方法利用高速摄像机拍摄燃油喷嘴的喷油状态，拍摄时应保证油液(滴)与背景之间具有最大的灰度差；选取喷油稳定的视频片段，并选取油液形成圆锥的左右边缘区域；利用稀疏光流法跟踪液滴的移动轨迹，并计算液滴的速率；利用稠密光流法计算油液分布区域，并计算喷油锥角；利用图像二值化算法以及边界提取算法，获取液滴的外接圆或外接四边形，并计算液滴的面积；将上述三个评价燃油喷嘴工作状态的特征数值化后，利用机器学习方法获得特征与燃油喷嘴状态的映射关系，并计算燃油喷嘴工作状态正常的程度。本发明专利技术能够有效降低测试过程中人的参与，降低工作环境对人体的伤害。环境对人体的伤害。环境对人体的伤害。

【技术实现步骤摘要】
一种基于视频分析的燃油喷嘴多特征状态评估方法、设备及介质


[0001]本专利技术属于燃油喷嘴故障诊断与复杂动力装备健康管理
，特别是涉及一种基于视频分析的燃油喷嘴多特征状态评估方法、设备及介质。

技术介绍

[0002]民用航空器的动力装置(包含大发动机和APU)使用和维修成本占到了航空器总成本的40％左右。在目前阶段，动力装置中最容易出现且安全性影响最大的问题是热端部件的结构失效问题。随着动力装置推重比逐渐增加，由于高温、高压、高应力引发的动力装置高温部件耐久性衰退问题越来越受到人们的关注。而动力装置热端部件尤其是静子部件结构失效问题的根源是不均匀的高温温度场。
[0003]航空器动力装置的不均匀温度场主要与燃油雾化流场有关，燃油雾化流场的分布特征是由喷油特性和燃烧室结构共同决定的。在动力装置使用过程中存在着燃油喷嘴结焦、积碳、烧损等问题，引发喷油特征偏离了设计值，造成雾化流场的改变，从而引起部件的温度梯度过大，最终造成部件结构失效。
[0004]燃油喷嘴损伤后对燃油雾化流场的影响主要体现为液滴速度、喷油锥角和液滴面积等特征的变化。
[0005]传统的燃油喷嘴状态分析方法的特点是：
[0006](1)主要针对喷油锥角的分布进行分析，而不考虑或不综合考虑液滴速度、喷油锥角和液滴面积等特征进行综合判断，在准确度方面存在不足之处；
[0007](2)一般情况下，喷油锥角如果出现了较明显的改变，则说明燃油喷嘴已经损伤到较严重的程度，因此传统的方法无法对燃油喷嘴的中间状态进行评估，在敏感性存在不足；
[0008](3)在进行喷油锥角特征提取时，其提取方法主要是观察喷油锥体在地面上形成的圆形分布，或在实验台下方安装油槽并观察油槽两端的油液分布情况，而由于油液的流动性，这种方式提取的特征(无论是人工观察还是利用算法提取)在准确度方面存在不足之处；
[0009](4)不能够根据提取的特征自动的给出判断结果，决策过程是由人工完成的，在判断效率方面存在不足之处，因此无法实现大批量检测任务。

技术实现思路

[0010]本专利技术为了解决现有动力装置燃油喷嘴健康状态检测过程中检测准确性、敏感性、检测效率较低的问题，提出了一种基于视频分析的燃油喷嘴多特征状态评估方法、设备及介质。对燃油喷嘴健康状态检测过程的环保性和大批量检测能力有较大提升。
[0011]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种基于视频分析的燃油喷嘴多特征状态评估方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0012]步骤一：利用高速摄像机拍摄燃油喷嘴的喷油状态，拍摄时应保证油滴与背景之
间具有最大的灰度差；
[0013]步骤二：选取喷油稳定的视频片段，并选取油滴形成圆锥的左右边缘区域；利用稀疏光流法跟踪液滴的移动轨迹，并计算液滴的速度；
[0014]步骤三：利用稠密光流法计算油液分布区域，并计算喷油锥角和液滴的面积；
[0015]步骤四：将液滴的速度、喷油锥角和液滴的面积三个评价燃油喷嘴工作状态的特征数值化后，利用机器学习方法获得特征与燃油喷嘴状态的映射关系，并计算燃油喷嘴工作状态正常的程度。
[0016]进一步地，在步骤一中，整个拍摄系统的具体设置为：
[0017]拍摄系统由光源、背景板以及高速摄像机构成；
[0018]光源的位置位于喷油装置与背景板之间斜上方，形成“摄像机
‑
喷油装置
‑
光源
‑
背景板”的相对位置；
[0019]光源方向由上向斜下方照在浅色背景板上，保证背景板与液滴之间具有最大的灰度差；
[0020]光源保证背景板具有均匀光照，背景板具有漫反射性质；
[0021]高速摄像机光轴处于水平位，喷油形成锥体的侧边穿过视平面中心；
[0022]在开始拍摄视频前，利用标定板获得图像像素与物理距离之间的换算关系，即标定值d mm/pixel。
[0023]进一步地，所述液滴的速度计算方法具体为：
[0024]选择喷油形成锥体的边缘为分析对象，并截取锥体中段液滴均匀部分进行分析；
[0025]利用稀疏光流法计算液滴的特征点，进一步返回液滴在相邻两帧图像中特征点沿x方向和y方向的像素偏移量{Δx
t
}和{Δy
t
}序列，并根据标定值d mm/pixel将像素偏移量转换成物理量的偏移量序列，即{Δx
t
×
d}和{Δy
t
×
d}；
[0026]利用高速摄像机的拍摄帧率f和像素与物理距离之间的换算公式，计算每一个液滴沿x方向和y方向的速度集合{v
xt
|1≤t≤n}、{v
yt
|1≤t≤n}，其中，n为视频帧数；
[0027]以v
xt
、v
yt
为随机变量，获得{v
xt
}、{v
yt
}的统计分布模型，并计算速度分布的均值和方差。
[0028]进一步地，所述换算公式具体为：
[0029][0030]其中，v
xt
表示液滴沿x方向的速度，v
yt
表示液滴沿y方向的速度。
[0031]进一步地，所述喷油锥角计算方法具体为：
[0032]选择喷油形成锥体的全貌为分析对象，并截取锥体中上段部分进行分析；
[0033]利用稠密光流法计算视频中每一个像素点在相邻两帧图像中的像素偏移量，并将像素偏移量映射到RGB空间，形成新的图像帧序列{frame
i
}；
[0034]利用卷积算子将frame
i
模糊化，得到{new_frame
i
}；
[0035]提取new_frame
i
中锥体两侧的边缘线，计算边缘线的夹角即喷油锥角angle
j
，得到喷油锥角序列{angle
j
}；
[0036]计算{angle
j
}的平均值。
[0037]进一步地，所述液滴的面积计算方法具体为：
[0038]选择喷油形成锥体的边缘为分析对象，并截取锥体中段液滴均匀部分进行分析；
[0039]对视频中每一帧图像进行二值化处理，计算图像中所有液滴的边界，并利用标定值d mm/pixel，计算每一个液滴的实际面积{area
i
}；
[0040]以area
i
为随机变量，获得{area
i
}的统计分布模型，并计算面积分布的均值和方差。
[0041]进一步地，所述机器学习方法具体为：
[0042]选取损伤状态已知的多个燃油喷嘴，利用拍摄系统对信号视频进行采集，得到视频集合{vid
i
}，其中下标i为燃油喷嘴的状态下标，并根据不同的燃油喷嘴状态对视频信号进行标注，得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于视频分析的燃油喷嘴多特征状态评估方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤一：利用高速摄像机拍摄燃油喷嘴的喷油状态，拍摄时应保证油滴与背景之间具有最大的灰度差；步骤二：选取喷油稳定的视频片段，并选取油滴形成圆锥的左右边缘区域；利用稀疏光流法跟踪液滴的移动轨迹，并计算液滴的速度；步骤三：利用稠密光流法计算油液分布区域，并计算喷油锥角和液滴的面积；步骤四：将液滴的速度、喷油锥角和液滴的面积三个评价燃油喷嘴工作状态的特征数值化后，利用机器学习方法获得特征与燃油喷嘴状态的映射关系，并计算燃油喷嘴工作状态正常的程度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤一中，整个拍摄系统的具体设置为：拍摄系统由光源、背景板以及高速摄像机构成；光源的位置位于喷油装置与背景板之间斜上方，形成“摄像机
‑
喷油装置
‑
光源
‑
背景板”的相对位置；光源方向由上向斜下方照在浅色背景板上，保证背景板与液滴之间具有最大的灰度差；光源保证背景板具有均匀光照，背景板具有漫反射性质；高速摄像机光轴处于水平位，喷油形成锥体的侧边穿过视平面中心；在开始拍摄视频前，利用标定板获得图像像素与物理距离之间的换算关系，即标定值dmm/pixel。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液滴的速度计算方法具体为：选择喷油形成锥体的边缘为分析对象，并截取锥体中段液滴均匀部分进行分析；利用稀疏光流法计算液滴的特征点，进一步返回液滴在相邻两帧图像中特征点沿x方向和y方向的像素偏移量{Δx
t
}和{Δy
t
}序列，并根据标定值d mm/pixel将像素偏移量转换成物理量的偏移量序列，即{Δx
t
×
d}和{Δy
t
×
d}；利用高速摄像机的拍摄帧率f和像素与物理距离之间的换算公式，计算每一个液滴沿x方向和y方向的速度集合{v
xt
|1≤t≤n}、{v
yt
|1≤t≤n}，其中，n为视频帧数；以v
xt
、v
yt
为随机变量，获得{v
xt
}、{v
yt
}的统计分布模型，并计算速度分布的均值和方差。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述换算公式具体为：其中，v
xt
表示液滴沿x方向的速度，v
yt
表示液滴沿y方向的速度。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述喷油锥角计算方法具体为：选择喷油形成锥体的全貌为分析对象，并截取锥体中上段部分进行分析；利用稠密光流法计算视频中每一个像素点在相邻两帧图像中的像素偏移量，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：金洋，丁坤英，王志平，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：