一种基于声信号的农用喷嘴堵塞检测方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115266071A(43)申请公布日2022.11.01(21)申请号202211046805.0(22)申请日2022.08.30(71)申请人江苏大学地址212013江苏省镇江市京口区学府路301号(72)发明人邱白晶马靖刘宽张瑜(74)专利代理机构南京智造力知识产权代理有限公司32382专利代理师包甄珍(51)Int.Cl.G01M13/00(2019.01)G01H17/00(2006.01)G01V1/00(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称一种基于声信号的农用喷嘴堵塞检测方法(57)摘要本发明涉及一种声信号的农用设备状态检测方法，主要应用于农用喷嘴的堵塞故障检测。其包括：Ⅰ.农用喷嘴声时域信号采集。Ⅱ.声信号预处理。Ⅲ.功率谱密度估计。Ⅳ.频带功率的估计。Ⅴ.去除异常值。Ⅵ.频带功率差异计算。Ⅶ.频带功率绝对差异之和(SAD)。Ⅷ.通过与不同堵塞状态喷头的声信号的无异常值的功率绝对差的总和对比，检测和区分喷嘴的堵塞程度。本发明为农用喷嘴在喷雾作业时经常发生的堵塞故障提供了一种实时高效的检测方法，能够为提高农用喷嘴的喷雾作业质量提供一定的指导。本发明应用前景广阔。CN115266071ACN115266071A权利要求书1/2页1.一种基于声信号的植保扇形喷嘴堵塞检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、使用麦克风阵列采集处于工作状态的农用喷嘴声信号；步骤2、信号预处理即采用低通滤波器对采集到的数据进行预处理，包括数据选择、降噪处理；步骤3、使用Welch算法估计喷嘴声音信号的功率谱密度；为了减少频谱泄漏带来的误差，在Welch算法中加入窗函数，其中Welch算法如下：式中：x(n)是喷头声信号观测数据的某段数据，数据个数为N；h(n)是所加窗函数；e‑j2πfn是复变函数，f是喷嘴时域声信号序列的付氏频率，j是虚数单位，j2＝‑1；PSD(f)是Welch算法计算出的声信号序列的功率谱密度估计值；n表示进行快速傅里叶变换的数据点个数；Δt是喷头声信号的采样周期；步骤4、为了减少用于检测喷嘴不同堵塞程度数据量和未堵塞数据的各条谱线之间的误差，在步骤3中计算出来的功率谱密度估计值的基础上，将喷头声信号按照频率平均分成M个频段，计算出M个频段上的声功率：其中，fa和fb分别表示频率下限和频率上限；b[k]是由频率下限fa和频率上限fb定义的第k个频段的平均声功率；Δf为频率分辨率；步骤5、考虑到信号数据集的频带功率估计值会受到外界各种突发噪声的干扰，需要对频带功率进行异常值去除，来减小突发噪声带来的干扰；为了达到去除异常值的目的，对所有频带的平均功率估计值都设定阈值，阈值的设定由平均功率估计值的绝对中位差MAD(MedianAbsoluteDeviation)确定；喷嘴堵塞时的功率被规定在一个阈值频带，频带可以表示为：其中，Td是在0.2～0.5MPa的特定喷雾压力下，不同堵塞程度DL的喷嘴的第k个频带的设定阈值；Bd[k]表示第k个频带中堵塞程度为DL的所有平均功率估计的矢量；med(Bd[k])是Bd[k]的中值；MAD(Bd[k])是Bd[k]的绝对中位差；超出频带范围的信号被标记为异常值，随后被删除不用于堵塞状态检测信号，将剔除异常值后的声信号功率谱密度估计值PSD和频带功率估计值集合进行平均处理用于后续分析；步骤6、进一步，为了量化不同堵塞程度所引起的频带平均功率差异，采用未堵塞喷嘴工作时的声信号平均频带功率作为平均基线，将平均基线减去待分类的声信号频带平均功率估计值，具体计算如下：其中，Δbd[k]表示喷嘴不同堵塞程度条件下的频带功率差，bd[k]是喷嘴在不同堵塞程度DL下的频带平均功率估计值，表示喷嘴未堵塞状态的平均频带平均功率估计值；2CN115266071A权利要求书2/2页步骤7、为了区分不同堵塞程度喷嘴的声信号，将步骤6中的频带功率差异取绝对值后求和作为评估堵塞的评判指标，即频带功率绝对差的总和(SumofAbsoluteDifference(SAD))，具体计算如下：在公式中，SADd表示不同堵塞程度喷嘴声信号的频带平均功率绝对差的总和；步骤8、通过与不同堵塞状态喷头的声信号的无异常值的功率绝对差的总和对比，检测和区分喷嘴的堵塞程度。2.如权利要求1所述的一种基于声信号的植保扇形喷嘴堵塞检测方法，其特征在于，h(n)包含汉宁窗、哈明窗、矩形窗和平顶窗。3.如权利要求1所述的一种基于声信号的植保扇形喷嘴堵塞检测方法，其特征在于，DL＝0、1、2和3，分别表示喷嘴滤网未堵塞、喷嘴堵塞1/3、喷嘴堵塞1/2和喷嘴堵塞3/4。3CN115266071A说明书1/5页一种基于声信号的农用喷嘴堵塞检测方法技术领域