基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括若干音頻信號采集裝置和監(jiān)護服務(wù)端。音頻信號采集裝置置于飛機的不同位置。本發(fā)明通過對聲源聲波信號的采集、分析，利用能量比定位算法確定聲源的具體位置，從而實現(xiàn)飛機上各種異常聲源的實時監(jiān)護，在危險狀況下發(fā)出警報，并能準確定位故障和其他危險的來源，該方法可作為飛機黑匣子檢測的一項重要手段。
【專利說明】
基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及飛機飛行安全監(jiān)控領(lǐng)域，尤其涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān) 控與定位系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空事業(yè)的發(fā)展，飛機已經(jīng)成為了人們出行的重要交通工具，由于其本身的 特殊性，每次的飛機事故造成的生命財產(chǎn)損失都是極其嚴重的。據(jù)民航統(tǒng)計，每年有10%的 飛行故障是由飛機內(nèi)部機械故障導致的，如何盡快定位故障點，找到故障原因是解決飛機 飛行隱患，提高運行安全性的重要措施。而目前對飛機故障的檢測大多采用機場停機時靜 態(tài)檢測的方法，這種檢測方式存在一定的弊端，且無法對空中的特殊情況做出應(yīng)對。
[0003] 同時，由于黑匣子自身的局限性，現(xiàn)有的飛機監(jiān)控系統(tǒng)難以還原恐怖襲擊的現(xiàn)場 情況，比如恐怖分子在沒有視頻監(jiān)控的地方引爆了炸彈，現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)不一定能完整再 現(xiàn)飛機事故的具體原因，導致事故原因分析難度較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷，提供一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控 與定位系統(tǒng)。利用本發(fā)明，可以實現(xiàn)在飛機長期飛行時，當某些連接部位出現(xiàn)松動，震動等 異常的情況時，迅速進行故障定位、報警，并可監(jiān)控飛機隱秘部位，當其遭到惡意破壞時，迅 速定位、報警。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān) 控與定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括若干音頻信號采集裝置和服務(wù)終端。所述音頻信號采集裝置置 于機身的不同位置，所有音頻信號采集裝置不能夠置于同一平面中，將裝置底部緊貼于放 置面，放置面平整。
[0006] 所述音頻信號采集裝置包括箱體和置于箱體內(nèi)的第一通信模塊、控制單元和信號 放大模塊;箱體的表面嵌有麥克風模塊;所述第一通信模塊與控制單元相連。麥克風模塊經(jīng) 信號放大模塊與控制單元相連。
[0007] 所述麥克風模塊包括聲音探頭、駐極體電容傳聲器和供電電路，聲音探頭固定于 箱體的底部，緊貼放置的桌面或者物體，聲音探頭與駐極體電容傳聲器相連，供電電路為駐 極體電容傳聲器提供電源;所述聲音探頭將采集的音頻信息傳遞到駐極體電容傳聲器，駐 極體電容傳聲器將音頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大模塊進行放大，經(jīng)由第一通信模 塊發(fā)送到監(jiān)護服務(wù)端。
[0008] 所述服務(wù)終端包括第二通信模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，所述第二通信模塊與第一通信 模塊進行通信，所述數(shù)據(jù)分析模塊接收音頻信號采集裝置采集的音頻信號，通過能量比定 位方法對聲源進行定位，從而實現(xiàn)飛機故障的實時監(jiān)控與定位。所述能量比定位方法利用 不同位置音頻信號采集裝置采集信號的能量差異來估計聲源的位置，具體如下：
[0009] 假設(shè)音頻信號采集裝置Xi在飛機內(nèi)的坐標為(Xi，yi，Zi)，聲源S的坐標為(X，y，z)， 根據(jù)能量隨傳播距離衰減的比例關(guān)系有表達式：
[0010]
[0011] 令
=r，故當r辛1時，整理可知上式為球面 方程，圓心坐標Ci2(u，v，w)和半徑R為：
[0012]
[0013]故根據(jù)四個音頻信號采集裝置的窗口能量比即可確定故障位置的三維空間位置。
[0014] 進一步地，所述聲音探頭為醫(yī)用聽診頭和橡膠軟管組成的一體結(jié)構(gòu)或麥克風。
[0015] 進一步地，所述數(shù)據(jù)分析模塊在定位之后，還包括對聲源類型的判斷，具體如下：
[0016] a)對聲源類型進行建模:通過音頻信號采集裝置采集飛機各種故障的發(fā)聲情況的 聲源時域信號，基于傅里葉變換或小波變化方法得到聲源信號的頻域信息，根據(jù)聲源信號 不同頻率下的功率譜密度大小得到該聲源信號標準頻率，最終建立各種故障發(fā)聲情況與標 準頻率的聲音模型;所述各種發(fā)聲情況包括零件損壞、零件脫落、機組不正常運行；
[0017] b)對故障聲源類型進行判斷:通過音頻信號采集裝置實時采集飛機上故障聲源的 時域信號，將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信息，根據(jù)聲源信號不同頻率下的功率譜密度大小得到 該聲源信號標準頻率，將標準頻率與聲音模型相結(jié)合從而判斷發(fā)聲情況。
[0018] 進一步地，該系統(tǒng)還包括警報模塊，所述警報模塊與控制單元相連，當數(shù)據(jù)分析模 塊判斷聲源的發(fā)生情況為緊急情況時，向音頻信號采集裝置發(fā)送信息，控制單元啟動警報 模塊，發(fā)出報警信息聲提醒機上的人員，同時服務(wù)終端向地面人員發(fā)送緊急信息，達到為飛 機提供地面協(xié)助的效果。
[0019] -種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位方法，該方法包括以下步驟：
[0020] (1)安置音頻信號采集裝置。將η個(n>4)音頻信號采集裝置置于飛機的不同位 置，所有音頻信號采集裝置不能夠置于同一平面中，將裝置底部緊貼于放置面，放置面必須 平整，以便聲音能夠很好的傳遞。
[0021] (2)音頻信號的采集與傳輸。打開音頻信號采集裝置，開始接受監(jiān)控部位的音頻信 號，監(jiān)控部位的異常震動經(jīng)由空氣、地面?zhèn)鞑サ揭纛l信號采集裝置，通過聲音探頭將采集的 音頻信息傳遞到駐極體電容傳聲器，駐極體電容傳聲器將音頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信 號放大模塊進行放大，經(jīng)由第一通信模塊發(fā)送到服務(wù)終端。
[0022] (3)聲源定位。服務(wù)終端的數(shù)據(jù)分析模塊接收音頻信號采集裝置采集的音頻信號， 通過能量比定位方法對聲源進行定位，從而實現(xiàn)飛機故障實時監(jiān)控與定位。所述能量比定 位方法利用不同位置音頻信號采集裝置采集信號的能量差異來估計聲源的位置，具體如 下：
[0023] 假設(shè)音頻信號采集裝置t在房間內(nèi)的坐標為(^，71，21)，聲源5的坐標為(^7, 2)， 根據(jù)能量隨傳播距離衰減的比例關(guān)系有表達式：
[0024]
11 \
[0025] 4
r，故當r辛1時，整理可知上式為球面 方程，圓心坐標Cl2(U，V，W)和半徑R為：
[0026]
[0027] 故根據(jù)四個音頻信號采集裝置的窗口能量比即可確定故障點的三維空間位置。
[0028] 進一步地，所述方法還包括腳步識別與路徑繪制步驟，具體如下：當服務(wù)終端判斷 音頻信號采集裝置采集的發(fā)聲情況為腳步聲時，實時提取腳步聲并存儲在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù) 數(shù)據(jù)庫中的腳步聲按時間順序繪制飛機上的、人員的行走路線;通過對不同的腳步聲進行 定位及路徑繪制，服務(wù)終端可對機上人員的活動進行監(jiān)控，若有人闖入禁止進入的場所可 及時發(fā)出警報，保障飛機運行安全。
[0029] 進一步地，當音頻信號采集裝置數(shù)量超過四個時，可采用以下不同的方式確定聲 源的位置：
[0030] a)任意選取四個音頻信號采集裝置，即共有<種音頻信號采集裝置選擇方法;求 取每一種采集方法下的聲源信號的空間位置，求取0各空間位置的平均值，以此作為最終 的聲源信號的位置；
[0031] b)任意選取四個音頻信號采集裝置，即共有?：種音頻信號采集裝置選擇方法;求 取每一種采集方法下的聲源信號的空間位置，求取S各空間位置的方均根，以此作為最終 的聲源信號的位置。
[0032] 進一步地，所述服務(wù)終端可以用于黑匣子故障信息的重構(gòu)，具體為：
[0033] 1)在飛機上坐標系上確定一坐標原點，定位音頻信號采集裝置坐標，并將坐標原 點、音頻信號采集裝置的坐標信息及采集的聲音信息發(fā)送到服務(wù)終端；
[0034] 2)當飛機發(fā)生故障后，通過服務(wù)終端的數(shù)據(jù)分析模塊確定飛機故障信號的聲源位 置；
[0035] 3)在飛機的黑匣子重構(gòu)出故障信號實際聲源位置，為判斷故障原因提供依據(jù)。 [0036]本發(fā)明的有益效果是：
[0037] 1)針對可能受到的恐怖襲擊的情況，基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位系統(tǒng) 及方法可以對一些不便進行攝像頭監(jiān)控的地方進監(jiān)控，并可及時定位飛機受到的人為損壞 并發(fā)出警報，從而更全面的確保飛機的運行安全；
[0038] 2)針對飛機長期運行可能出現(xiàn)的硬件連接松動的情況，基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實 時監(jiān)控與定位系統(tǒng)及方法可以在飛機運行時進行檢測，有利于故障的預(yù)防與防止危害的擴 大，為飛機的檢修提供輔助依據(jù)。
【附圖說明】
[0039] 圖1為基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位系統(tǒng)的框圖；
[0040] 圖2為音頻信號采集裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0041]圖3為本發(fā)明系統(tǒng)機艙內(nèi)的模型圖；
[0042]圖4為聲源定位效果圖；
[0043]圖5為聲源信號在時域和頻域轉(zhuǎn)換效果圖；
[0044] 圖6為聲源信號頻域上功率譜提取效果圖；
[0045] 圖中，1為麥克風模塊;2為警報模塊;3為控制單元;4為信號放大模塊;5為第一通 信模塊;6為顯示屏模塊。
【具體實施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0047] 如圖1、2所示，本發(fā)明提供的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位系統(tǒng)，該 系統(tǒng)包括若干音頻信號采集裝置和服務(wù)終端。
[0048]所述音頻信號采集裝置包括箱體和置于箱體內(nèi)的第一通信模塊5、控制單元3、警 報模塊2和信號放大模塊4;箱體的表面嵌有顯示屏模塊6和麥克風模塊1;所述第一通信模 塊5、顯示屏模塊6和警報模塊2均與控制單元3相連。麥克風模塊1經(jīng)信號放大模塊4與控制 單元3相連。
[0049] 如圖2所示，所述麥克風模塊1包括醫(yī)用聽診頭、橡膠軟管、駐極體電容傳聲器和供 電電路，醫(yī)用聽診頭固定于箱體的底部，緊貼于放置的平面或者物體，與橡膠軟管相連，橡 膠軟管另一頭與駐極體電容傳聲器相連，供電電路為駐極體電容傳聲器提供電源;所述醫(yī) 用聽診頭采集音頻信息，經(jīng)由橡膠軟管將音頻信息傳遞到駐極體電容傳聲器，駐極體電容 傳聲器將音頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大模塊4進行放大，經(jīng)由第一通信模塊5發(fā)送 到服務(wù)終端。
[0050] 所述服務(wù)終端包括第二通信模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，所述第二通信模塊與第一通信 模塊5進行無線通信，所述數(shù)據(jù)分析模塊接收音頻信號采集裝置采集的音頻信號，通過能量 比定位方法對聲源進行定位。所述能量比定位方法具體如下：
[0051] 在均勻介質(zhì)中聲波的球面?zhèn)鞑シ夏芰克p平方反比定律。假設(shè)第i個音頻信號 采集裝置接收的信號X1(t)為：
[0052]
[0053] 其中s(t)為聲源信號，τ為傳播延時，|(t)為加性高斯噪聲，di為第i個音頻信號采 集裝置到聲源的距離。由于飛機上短距離傳播時延較低，在時間窗口 [0，W]內(nèi)忽略時延，在 信噪比較低時，如果忽略噪聲項，音頻信號采集裝置接收的能量E為：
[0054]
[0055] 可知在同時段內(nèi)，不同音頻信號采集裝置接受的信號能量與其探頭和聲源的距離 平方成反比?；诖私Y(jié)論，可以利用不同位置采集信號的能量差異來估計聲源位置。
[0056] 假設(shè)音頻信號采集裝置&在飛機內(nèi)的坐標為(^，71，21)，聲源5的坐標為(1， 7,2)， 根據(jù)能量隨傳播距離衰減的比例關(guān)系有表達式：
[0057]
U1
[0058] 令
故當r辛1時，整理可知上式為球面 方程，圓心坐標Cl2(U，V，W)和半徑R為：
[0059]
[0060] 故根據(jù)四個音頻信號采集裝置的窗口能量比即可確定故障點的三維空間位置。
[0061] 如圖4所示，在飛機上建立三維坐標，4個音頻信號采集裝置在該三維空間中坐標 位置已知，基于能量比定位方法得到的聲源空間位置與實際聲源空間位置基本吻合。
[0062] 所述數(shù)據(jù)分析模塊在定位之后，還包括對聲源類型的判斷，具體如下：
[0063] a)對聲源類型進行建模:通過音頻信號采集裝置采集飛機上各種發(fā)聲情況的聲源 時域信號，如圖5所示，基于傅里葉變換或小波變化方法得到聲源信號的頻域信息，可看出 圖5中時域信號波形主要由50HZ和300HZ的聲波頻率信號組成;提取出頻率信息后，如圖6所 示，對聲源信號在頻域上分布曲線，根據(jù)海明窗功率譜估計或blackman功率譜估計可得到 聲源信號標準頻率，最終建立各種發(fā)聲情況與標準頻率的聲音模型;所述各種發(fā)聲情況包 括腳步聲、零件損壞聲、零件跌落聲、機組非正常運行聲、物體碰撞聲；
[0064] b)對聲源類型進行判斷：通過音頻信號采集裝置實時采集飛機上聲源的時域信 號，將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信息，根據(jù)聲源信號不同頻率下的功率譜密度大小得到該聲源 信號標準頻率，將標準頻率與聲音模型相結(jié)合從而判斷發(fā)聲情況。例如：當體積較大或有緩 沖的物體墜落時，則音頻信號采集裝置采集的聲源信號頻率偏低；當小物體或剛性類物體 墜落時，對地面有快速沖擊，此時音頻信號采集裝置采集的聲源信號頻率偏高；當易碎類物 體墜落時，音頻信號采集裝置采集到高頻信號，隨后出現(xiàn)多聲源點。
[0065] 當數(shù)據(jù)分析模塊判斷聲源的發(fā)聲情況為緊急情況時，向音頻信號采集裝置發(fā)送信 息，控制單元啟動警報模塊，發(fā)出報警信息聲提醒機上的人員，同時服務(wù)終端向地面人員發(fā) 送緊急信息，達到為飛機提供地面協(xié)助的效果。
[0066] 如圖3所示，所述數(shù)據(jù)分析模塊在聲源類型的判斷后，還包括腳步識別與路徑繪 制，具體為:服務(wù)終端判斷音頻信號采集裝置采集的發(fā)聲情況為腳步聲時，實時提取腳步聲 并存儲在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的腳步聲按時間順序繪制飛機上的、人員的行走路線;通 過對不同的腳步聲進行定位及路徑繪制，服務(wù)終端可對機上人員的活動進行監(jiān)控，若有人 闖入禁止進入的場所可及時發(fā)出警報，保障飛機運行安全。
[0067] 本發(fā)明還提供一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位方法，該方法包括以下 步驟：
[0068] (1)安置音頻信號采集裝置。將η個(n>4)音頻信號采集裝置置于飛機的不同位 置，所有音頻信號采集裝置不能夠置于同一平面中，放置面必須平整，將裝置底部緊貼于放 置面，以便聲音能夠很好的傳遞。
[0069] (2)音頻信號的采集與傳輸。打開音頻信號采集裝置，開始接受監(jiān)控部位的音頻信 號，監(jiān)控部位的異常震動經(jīng)由空氣、地面?zhèn)鞑サ揭纛l信號采集裝置，通過探頭采集音頻信 息，經(jīng)由橡膠軟管將音頻信息傳遞到駐極體電容傳聲器，駐極體電容傳聲器將音頻信號轉(zhuǎn) 化為電信號，經(jīng)過信號放大模塊4進行放大，經(jīng)由第一通信模塊5發(fā)送到監(jiān)護服務(wù)端。
[0070] (3)聲源定位。服務(wù)終端的數(shù)據(jù)分析模塊接收音頻信號采集裝置采集的音頻信號， 通過能量比定位方法對聲源進行定位。所述能量比定位方法具體如下：
[0071] 在均勻介質(zhì)中聲波的球面?zhèn)鞑シ夏芰克p平方反比定律。假設(shè)第i個音頻信號 采集裝置接收的信號X1(t)為：
[0072]
[0073] 其中s(t)為聲源信號，τ為傳播延時，|(t)為加性高斯噪聲，di為第i個音頻信號采 集裝置到聲源的距離。由于飛機上短距離傳播時延較低，在時間窗口 [0，W]內(nèi)忽略時延，在 信噪比較低時，如果忽略噪聲項，音頻信號采集裝置接收的能量E為：
[0074]
[0075] 可知在同時段內(nèi)，不同音頻信號采集裝置接受的信號能量與其探頭和聲源的距離 平方成反比?；诖私Y(jié)論，可以利用不同位置采集信號的能量差異來估計聲源位置。
[0076] 假設(shè)音頻信號采集裝置t在飛機內(nèi)的坐標為(^，71，21)，聲源5的坐標為(1，7, 2)， 根據(jù)能量隨傳播距離衰減的比例關(guān)系有表達式：
[0077]
匕：^Γ
[0078]
=〃，故當r辛1時，整理可知上式為球面 方程，圓心坐標Ci2(u，v，w)和半徑R為：
[0079]
[0080] 故根據(jù)四個音頻信號采集裝置的窗口能量比即可確定被監(jiān)測者的三維空間位置。 當音頻信號采集裝置數(shù)量超過四個時，可采用以下不同的方式確定聲源的位置：
[0081] a)任意選取四個音頻信號采集裝置，即共有0種音頻信號采集裝置選擇方法;求 取每一種采集方法下的聲源信號的空間位置，求取4各空間位置的平均值，以此作為最終 的聲源信號的位置；
[0082] b)任意選取四個音頻信號采集裝置，即共有0種音頻信號采集裝置選擇方法;求 取每一種采集方法下的聲源信號的空間位置，求取< 各空間位置的方均根，以此作為最終 的聲源信號的位置。
[0083]如圖4所示，在室內(nèi)建立三維坐標，4個音頻信號采集裝置在該三維空間中坐標位 置已知，基于能量比定位方法得到的聲源空間位置與實際聲源空間位置基本吻合。
[0084] (4)聲源類型判斷。具體如下：
[0085] (4.1)對聲源類型進行建模:通過音頻信號采集裝置采集室內(nèi)各種發(fā)聲情況的聲 源時域信號，基于傅里葉變換或小波變化方法得到聲源信號的頻域信息，根據(jù)聲源信號不 同頻率下的功率譜密度大小得到該聲源信號標準頻率，最終建立各種發(fā)聲情況與標準頻率 的聲音模型;所述各種發(fā)聲情況包括腳步聲、零件損壞聲、零件跌落聲、機組非正常運行聲、 物體碰撞聲；
[0086] (4.2)對聲源類型進行判斷:通過音頻信號采集裝置實時采集飛機上聲源的時域 信號，如圖5所示，將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信息，可看出圖5中時域信號波形主要由50HZ和 300HZ的聲波頻率信號組成；提取出頻率信息后，如圖6所示，對聲源信號在頻域上分布曲 線，根據(jù)海明窗功率譜估計或blackman功率譜估計可得到聲源信號標準頻率，將標準頻率 與聲音模型相結(jié)合從而判斷發(fā)聲情況。例如：當體積較大或有緩沖的物體墜落時，則音頻信 號采集裝置采集的聲源信號頻率偏低；當小物體或剛性類物體墜落時，對地面有快速沖擊， 此時音頻信號采集裝置采集的聲源信號頻率偏高；當易碎類物體墜落時，音頻信號采集裝 置采集到高頻信號，隨后出現(xiàn)多聲源點。結(jié)合飛機的空間模型，分析聲源具體屬于哪類物 品，并在監(jiān)護服務(wù)端上顯示物體類型、發(fā)聲原因。當數(shù)據(jù)分析模塊判斷聲源的發(fā)生情況為緊 急情況時，向音頻信號采集裝置發(fā)送信息，控制單元啟動警報模塊，發(fā)出報警信息聲提醒機 上的人員，同時服務(wù)終端向地面人員發(fā)送緊急信息，達到為飛機提供地面協(xié)助的效果。
[0087] (5)腳步識別與路徑繪制。當服務(wù)終端判斷音頻信號采集裝置采集的發(fā)聲情況為 腳步聲時，實時提取腳步聲并存儲在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的腳步聲按時間順序繪制飛 機上的、人員的行走路線;通過對不同的腳步聲進行定位及路徑繪制，服務(wù)終端可對機上人 員的活動進行監(jiān)控，若有人闖入禁止進入的場所可及時發(fā)出警報，保障飛機運行安全。
[0088] (6)黑匣子故障信息的重構(gòu)。服務(wù)終端可以用于黑匣子故障信息的重構(gòu)，具體為：
[0089] 1)在飛機上坐標系上確定一坐標原點，定位音頻信號采集裝置的坐標，并將坐標 原點、音頻信號采集裝置的坐標信息及其采集的聲音信息發(fā)送到服務(wù)終端；
[0090] 2)當飛機發(fā)生故障后，依據(jù)本發(fā)明方法，在服務(wù)終端確定飛機故障信號的聲源位 置；
[0091] 3)在飛機的黑匣子重構(gòu)出故障信號實際聲源位置，為判斷故障原因提供依據(jù)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括若干音 頻信號采集裝置和服務(wù)終端。所述音頻信號采集裝置置于機身的不同位置，所有音頻信號 采集裝置不能夠置于同一平面中，將裝置底部緊貼于放置面，放置面平整。 所述音頻信號采集裝置包括箱體和置于箱體內(nèi)的第一通信模塊、控制單元和信號放大 模塊;箱體的表面嵌有麥克風模塊;所述第一通信模塊與控制單元相連。麥克風模塊經(jīng)信號 放大模塊與控制單元相連。 所述麥克風模塊包括聲音探頭、駐極體電容傳聲器和供電電路，聲音探頭固定于箱體 的底部，緊貼放置的桌面或者物體，聲音探頭與駐極體電容傳聲器相連，供電電路為駐極體 電容傳聲器提供電源;所述聲音探頭將采集的音頻信息傳遞到駐極體電容傳聲器，駐極體 電容傳聲器將音頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大模塊進行放大，經(jīng)由第一通信模塊發(fā) 送到監(jiān)護服務(wù)端。 所述服務(wù)終端包括第二通信模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，所述第二通信模塊與第一通信模塊 進行通信，所述數(shù)據(jù)分析模塊接收音頻信號采集裝置采集的音頻信號，通過能量比定位方 法對聲源進行定位，從而實現(xiàn)飛機故障的實時監(jiān)控與定位。所述能量比定位方法利用不同 位置音頻信號采集裝置采集信號的能量差異來估計聲源的位置，具體如下： 假設(shè)音頻信號采集裝置X1在飛機內(nèi)的坐標為(Xl，yi，Zl)，聲源S的坐標為(x，y，z)，根據(jù) 能量隨傳播距離衰減的比例關(guān)系有表達式：故根據(jù)四個音頻信號采集裝置的窗口能量比即可確定故障的三維空間位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述聲音探頭為醫(yī)用聽診頭和橡膠軟管組成的一體結(jié)構(gòu)或麥克風。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在 于，所述數(shù)據(jù)分析模塊在定位之后，還包括對聲源類型的判斷，具體如下： a) 對聲源類型進行建模:通過音頻信號采集裝置采集飛機各種發(fā)聲情況的聲源時域信 號，基于傅里葉變換或小波變化方法得到聲源信號的頻域信息，根據(jù)聲源信號不同頻率下 的功率譜密度大小得到該聲源信號標準頻率，最終建立各種故障發(fā)聲情況與標準頻率的聲 音模型;所述各種發(fā)聲情況包括零件損壞、零件脫落、機組不正常運行、腳步聲； b) 對故障聲源類型進行判斷:通過音頻信號采集裝置實時采集飛機上故障聲源的時域 信號，將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信息，根據(jù)聲源信號不同頻率下的功率譜密度大小得到該聲 源信號標準頻率，將標準頻率與聲音模型相結(jié)合從而判斷發(fā)聲情況。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在 于，該系統(tǒng)還包括警報模塊，所述警報模塊與控制單元相連，當數(shù)據(jù)分析模塊判斷聲源的發(fā) 生情況為緊急情況時，向音頻信號采集裝置發(fā)送信息，控制單元啟動警報模塊，發(fā)出報警信 息聲提醒機上的人員，同時服務(wù)終端向地面人員發(fā)送緊急信息，達到為飛機提供地面協(xié)助 的效果。5. -種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟： (1) 安置音頻信號采集裝置。將η個(n>4)音頻信號采集裝置置于飛機的不同位置，所 有音頻信號采集裝置不能夠置于同一平面中，將裝置底部緊貼于放置面，放置面必須平整， 以便聲音能夠很好的傳遞。 (2) 音頻信號的采集與傳輸。打開音頻信號采集裝置，開始接受監(jiān)控部位的音頻信號， 監(jiān)控部位的異常震動經(jīng)由空氣、地面?zhèn)鞑サ揭纛l信號采集裝置，通過聲音探頭將采集的音 頻信息傳遞到駐極體電容傳聲器，駐極體電容傳聲器將音頻信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號 放大模塊進行放大，經(jīng)由第一通信模塊發(fā)送到服務(wù)終端。 (3) 聲源定位。服務(wù)終端的數(shù)據(jù)分析模塊接收音頻信號采集裝置采集的音頻信號，通過 能量比定位方法對聲源進行定位，從而實現(xiàn)飛機故障實時監(jiān)控與定位。所述能量比定位方 法利用不同位置音頻信號采集裝置采集信號的能量差異來估計聲源的位置，具體如下： 假設(shè)音頻信號采集裝置X1在房間內(nèi)的坐標為(Xl，yi，Zl)，聲源S的坐標為(x，y，z)，根據(jù) 能量隨傳播距離衰減的比例關(guān)系有表達式：故根據(jù)四個音頻信號采集裝置的窗口能量比即可確定故障點的三維空間位置。6. 基于權(quán)利要求5所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位方法，其特征在 于，所述方法還包括腳步識別與路徑繪制步驟，具體如下：當服務(wù)終端判斷音頻信號采集裝 置采集的發(fā)聲情況為腳步聲時，實時提取腳步聲并存儲在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的腳步 聲按時間順序繪制飛機上人員的行走路線;通過對不同的腳步聲進行定位及路徑繪制，月艮 務(wù)終端可對機上人員的活動進行監(jiān)控，若有人闖入禁止進入的場所可及時發(fā)出警報，保障 飛機運行安全。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位方法，其特征在 于，當音頻信號采集裝置數(shù)量超過四個時，可采用以下不同的方式確定聲源的位置： a) 任意選取四個音頻信號采集裝置，即共有0種音頻信號采集裝置選擇方法;求取每一 種采集方法下的聲源信號的空間位置，求取C各空間位置的平均值，以此作為最終的聲源 信號的位置； b) 任意選取四個音頻信號采集裝置，即共有0種音頻信號采集裝置選擇方法;求取每一 種采集方法下的聲源信號的空間位置，求取C各空間位置的方均根，以此作為最終的聲源 信號的位置。8. 基于權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的飛機故障實時監(jiān)控與定位方法，其特征在 于，所述服務(wù)終端對黑匣子故障信息進行重構(gòu)，具體為： 1) 在飛機上坐標系上確定一坐標原點，定位音頻信號采集裝置坐標，并將坐標原點、音 頻信號采集裝置的坐標信息及采集的聲音信息發(fā)送到服務(wù)終端； 2) 當飛機發(fā)生故障后，通過服務(wù)終端的數(shù)據(jù)分析模塊確定飛機故障信號的聲源位置； 3) 在飛機的黑匣子重構(gòu)出故障信號實際聲源位置，為判斷故障原因提供依據(jù)。
【文檔編號】H04L12/24GK105897483SQ201610356081
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】孟濬, 呂誠聰, 姚青青, 林曉鑫
【申請人】浙江大學