A CNN-SVM-based Adapter Drop Point Prediction Algorithm

SUZhengyu, YANGBaosheng, YANGJing, TANGJingnan, JIANGYi, DENGYueguang

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Acta Armamentarii ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2) : 240016. DOI: 10.12382/bgxb.2024.0016

A CNN-SVM-based Adapter Drop Point Prediction Algorithm

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Abstract

To address the prolonged processing and resource consumption challenges in the launch process adapter drop point prediction algorithm,a adapter drop point prediction model with convolutional neural network and support vector machine (CNN-SVM) is proposed.The adapter dynamics and motion models are established by utilizing Euler angle representation,and the fourth-order Runge-Kutta method is used to numerically solve the motion trajectory of adapter to provide the extensive motion state parameters and drop point information.The CNN-SVM-based adapter drop point prediction model uses the Adam optimizer to optimize CNN network performance,and determines optimal SVM hyperparameters through mesh searching.Simulated results show that the proposed model has high solution accuracy and robust generalization performance for adapter drop prediction,achieving R2 values exceeding 0.99 for both training and test sets and the mean absolute error (MAE) less than 0.1m.The solution time of the proposed method is only 8.5% compared to that of the traditional numerical integration method under the conditions of equivalent resources and the required prediction accuracy.The proposed model offers an efficient solution for rapidly predicting the adapter separation drop point during the launch process.

Key words

drop point prediction / adapter / convolutional neural network / support vector machine

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SU Zhengyu , YANG Baosheng , YANG Jing , TANG Jingnan , JIANG Yi , DENG Yueguang. A CNN-SVM-based Adapter Drop Point Prediction Algorithm. Acta Armamentarii. 2025, 46(2): 240016 https://doi.org/10.12382/bgxb.2024.0016

0 引言

随着武器系统的不断迭代升级,为满足多元化的作战需求和不同型号导弹的发射要求,适配器结构被广泛应用于各类武器发射系统。适配器结构在发射过程中主要起导向、支撑、连接、减振等作用,这对于武器发射系统的设计和性能至关重要,因此适配器结构是武器发射系统的关键设计元素之一[1]。国内外诸多先进的武器系统,如美国爱国者导弹[2]、美国响尾蛇导弹、法国飞鱼MM40反舰导弹等均采用适配器结构用于辅助导弹发射、贮藏及运输。但是在发射任务中,适配器在分离装置和气动载荷的共同作用下与弹体实现分离,此过程极易对系统其他部件和地面操作人员造成安全隐患,因此需要对适配器分离落点进行分析预测以保证系统整体安全稳定地运行。
爱国者导弹发射过程适配器分离如图1所示,在分离过程中适配器的运动轨迹会受到发射装置内燃气后效、环境空气载荷、发动机产生的燃气尾流、发射装置的发射倾角等一系列因素耦合影响[3]。由于受到复杂的外部环境因素的影响,适配器在分离过程中形成了复杂且不确定的运动轨迹,因此其散落过程和分布变得难以预测。
Fig.1 Patriot missile launch process adapter separation[2]

图1 爱国者导弹发射过程适配器分离[2]

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由于在实际工作过程中到适配器落点可能对其他机构和人员造成负面影响,需对适配器落点进行预测,以保证武器系统稳定运行,传统方法主要采用计算流体力学或多刚体动力学理论方法对特定工况下适配器落点进行理论分析。文献[4]针对某箱式导弹垂直发射过程,基于计算流体力学方法建立数值风洞从而获得适配器的气动数据库,并结合批处理方法对特定工况落点预测并与实验结果进行对比验证。文献[5]针对某垂直发射系统的适配器分离问题,采用计算流体力学理论结合统计学方法构建针对该型号的虚拟仿真实验平台,通过仿真获取导弹发射过程适配器分离的动力学特性,实现对该装备适配器落点散布分析。文献[6]针对某型采用弹性适配器的导弹运载器水下弹射分离问题,采用分数容积障碍法和计算流体力学理论建立导弹运载器水面分离多物理场耦合模型,模拟不同初始状态下适配器分离过程。虽然流体力学分析方法能获得较为准确结果,但是需要花费大量的计算时间和资源仅能满足少量情况的分析。
为解决流体力学分析方法耗时过长的问题,部分研究人员采用多刚体动力学分析适配器运动规律及落点。文献[7]采用多刚体动力学方法和Hermite形状函数将发射过程适配器所受到的单元分布载荷等效简化为单元节点集中力,分析不同工况该型适配器分离后运动姿态。文献[8]基于多刚体动力学理论,针对在高海拔情况下动平台发射过程,分析刚度特性和阻尼特性对适配器整体载荷的影响,获得不同发射工况下该型适配器运动姿态及轨迹特点。虽然采用多刚体动力学理论能减少运算时间,但弱化外部流场对其的影响,致使其分析结果准确性和泛化性难以保证。
面临多变且复杂的工作条件时,传统方法难以快速且准确地求解相关问题,无法满足武器系统快速响应的需求。近年来为解决此类问题,研究人员将机器学习技术和人工算法与武器系统相结合,在解决此类问题中展现出显著优势[9-10]。文献[11]将长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)模型应用到传统火控系统对弹道轨迹预测任务中,采用实际弹道曲线作为训练集,相较传统预测方案精度显著改善。文献[12]针对高超声速飞行器拦截系统,提出一种基于改进LSTM网络模型,虽由于相关参数的时变性强并缺少实际验证,但其在理论验证过程中效果显著。文献[13]将卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)与LSTM网络模型相结合,建立6自由度弹道模型对其进行训练,并将所提模型与LSTM网络模型、门控制单元 (Gated Recurrent Unit,GRU) 网络模型、反向传播(Back Propagation,BP)网络模型在相同环境下进行性能对比,结果表明引入CNN模型后其性能相较之前大幅提升。文献[14]在自动驾驶任务中引入SVM(Support Vector Machine,SVM)模型,通过实验验证预测模型的计算响应时间、资源利用率、预测准确率和任务遗漏率等相较传统模型都有显著提升。故相较于传统模型,深度学习在处理大规模复杂数据方面表现卓越,将其引入能大幅提高武器系统对复杂数据处理能力,并能够提高系统整体预测性能,但目前鲜有研究将其应用至武器发射过程适配器落点预测分析领域。
综上所述,本研究以武器系统发射过程中受到外部环境影响因素下适配器结构分离问题作为研究对象,采用欧拉角描述方法建立发射过程多体动力学模型和风洞实验获取适配器的气动参数。通过仿真实验模拟大量发射工况,构建不同工况下适配器落点位置分布数据集。采用CNN和SVM算法所搭建的模型对所求得数据集合进行训练,构建适配器落点快速预测模型,并选取实例进行蒙塔卡洛仿真实验,验证了该模型在预测适配器落点预测问题中具有较强泛化性和快速相应能力。

1 CNN-SVM 算法基本原理

1.1 CNN结构

CNN是一种具有监督学习能力的多层前馈神经网络。如图2所示,CNN网络结构包括输入、卷积层、池化层、全连接层、输出。每一层隐合层都有多个特征图,每个特征图通过一种卷积滤波器提取输入的一种特征,每个特征图有多个神经元,其具有强大的特征提取和表示学习能力[15]
Fig.2 CNN structure

图2 CNN结构

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CNN的核心思想是利用卷积层对输入数据进行特征提取。隐藏层的卷积层和池化层是实现CNN特征提取功能的核心模块。卷积层使用一组可学习的卷积核,通过在输入数据上滑动进行卷积操作,从而提取局部特征。通过如式(1)所示的卷积操作计算输入数据与卷积核对应位置的加权和,生成特征图:
xjl=fiMjxil-1kijl+bji
(1)
式中:l为第l层卷积层;i是与节点j直接相连的一个节点; xjl为第l层输出矩阵; xjl-1为第l层输入矩阵; kijl为权重矩阵; bji为偏置矩阵; Mjl-1层特征图的第j个卷积区域。
该网络结构通过挖掘数据中的空间上的相关性,来减少网络中的可训练参数的数量,从而提升网络结构的计算效率。传播数据过程中将小块区域作为层次结构中的底层输入数据,信息通过前向传播经过网络中的各个层,在每一层中都由过滤器构成,以便能够获得观测数据的一些显著特征。为了减小特征图的尺寸并保留重要特征,通常会在卷积层后面加入池化层。如式(2)所示,池化层通过选择窗口中的最大值(最大池化)或取平均值(平均池化)来进行下采样操作,减少数据的维度和计算量,同时提取更加抽象和稳定的特征[16]:
xi+1=f(βdown(xi)+bi)
(2)
式中:β为乘性偏置矩阵;down()为池化函数;
CNN的低层由卷积层和池化层交替组成,高层则由全连接层构成,相当于传统多层感知器的隐藏层和逻辑回归分类器。全连接层接收经过卷积层和池化层提取的特征值作为输入。最后一层是输出层,常采用逻辑回归、Softmax回归等分类器[17]或统计学方法对输入信息进行处理。

1.2 SVM算法

SVM是一种监督机器学习算法,在分类、回归问题中都有广泛应用,如图3所示为SVM示意图。它的核心思想是将输入样本集S={(xn,yn);xnRl;ynR;n=1,2,…,N},式中:xn为输入变量;n为样本总数N个样本中的第n个样本;yn为输出变量;l为向量维度。映射到高维特征空间,并在该空间中构造一个可以看作是一个决策边界的最优超平面,通过最优超平面来有效地将样本集分割开,并在超平面两侧找到支持向量,这些支持向量是离超平面最近的样本点,其具有较好的泛化能力和鲁棒性[18]。用于划分的最优超平面可以表示为
wTx+bs=0
(3)
式中:w为最优超平面法向量;bs为超平面与远点之间的距离。为求解最合适的bsw需要求解此优化问题:
min12w2+Cn=1Nξn+ξn*s.t.yn-wTx-bsε+ξnwTx+bs-ynε+ξn*n=1,2,,N
(4)
式中:C为惩罚因子;ε为不敏感因子;ξn ξn*为松弛因子。
Fig.3 Schematic diagram of SVM

图3 SVM示意图

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为解决一些在线性空间无法分割的样本集,将样本从输入空间映射到一个更高维的特征空间,使得样本在新空间中线性可分,引入核函数k(x,xi)和拉格朗日方程求解得到高维空间分类超平面:
f(x)=i=1Nαiyik(x,xi)+bs
(5)
式中:αi为拉格朗日乘子。
在SVM算法中可以使用不同的核函数来实现样本的映射,是决定其算法性能的核心因素。常用的核函数包括线性核函数、多项式核函数和径向基函数等[19]。本文选用径向基函数[20]作为该算法的核函数,其形式为
k(x,xi)=exp(-γx-xi2)
(6)
式中:γ为训练样本的影响因子。

2 基于CNN-SVM 的适配器落点预测模型

2.1 构建预测模型

为了提高发射过程中适配器落点预测的准确性和速度,提出了一种基于CNN-SVM模型的预测方法,包含输入层、多个卷积层、池化层、全连接层以及SVM模型,该方法的架构如图4所示。
Fig.4 Flowchart of CNN-SVM-based adapter drop point prediction

图4 基于CNN-SVM发射过程适配器落点预测流程图

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它融合了CNN和SVM的优势,CNN能够自动学习输入数据的高级特征表示,通过多个卷积和池化层,从原始数据中提取具有辨别性的特征。这使得模型能够从复杂的输入中提取出对于适配器落点预测具有重要意义的特征,而无需手动定义特征工程。SVM作为分类器,具有强大的非线性建模能力。通过使用SVM作为最终的分类器,并且可以利用其核函数将CNN提取的特征映射到一个高维特征空间,从而能够更好地处理非线性问题。这些优化使得CNN-SVM模型在大规模数据和高维特征下的训练和推断更加高效。
训练基于CNN-SVM的发射过程适配器落点预测模型的过程可以分为以下步骤:
1)训练数据准备:首先,收集并准备包括发射过程相关数据和相应的适配器落点标签的训练数据集。这些数据包括发射参数、环境条件、适配器设计特征等。
2)特征提取与预处理:将训练数据输入到CNN模型中,通过多个卷积层和池化层进行特征提取和降维,以捕捉数据中的空间和时间相关性。在此过程中使用归一化、标准化和数据增强方法增加模型的鲁棒性和泛化能力。
3)SVM训练:将卷积层输出的特征图输入至预设好核函数、正则化参数的SVM分类器。通过使用SVM算法,对特征进行分类建模,以最大化分类的间隔,并确定最优的空间分类超平面。
4)模型训练与优化:将CNN和SVM的结合通过迭代训练来实现。在训练过程中,通过BP算法和梯度下降等优化方法,对整个模型的参数进行更新,以最小化预测误差和损失函数。
5)模型评估与验证:使用验证集对训练好的模型进行评估和验证。通过计算预测结果与实际适配器落点之间的差异,可以评估模型的准确性和性能。根据评估结果,可以进一步进行调整和优化,以改善模型的预测能力。

2.2 发射过程多体动力学模型

采用动力学方法研究在发射过程中,适配器在外界约束下沿着指定方向进行运动轨迹及落点,以适配器离筒姿态作为主要研究对象。如图5所示为发射过程适配器分离过程示意图,适配器在出筒过程中,受到预载力、摩擦力、随机振动等外部载荷影作用,研究采用三维多体系统来描述适配器离筒姿态。
Fig.5 Schematic diagram of adapter separation durimgr launching

图5 发射过程适配器分离示意图

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三维系统表述方法较多,如四元数法[21]、罗德里格参数法[22]、欧拉角[23]等。因欧拉角在描述运动物体姿态具有直观性和几何意义,故采用欧拉角描述系统广义坐标系Oxyz和连体坐标系Ocxcyczc,通过坐标变换矩阵实现不同坐标系的参数变化,如图6所示。通过联立约束方程、运动方程,得到三维多体系统求解方程,并将其代入不同弹射运动初始条件,获得适配器离筒时运动姿态参数。
Fig.6 Illustration of coordinate system transformation

图6 坐标系变化示意图

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图6中俯仰角ϑ为纵轴O1x1与水平面Oxz平面之间夹角,纵轴指向水平面上方;偏航角ψ为纵轴在水平面投影与地面坐标系Ox的夹角;滚转角γ为变换后坐标系O1y1与包含连体纵轴的铅垂平面夹角。
由原始坐标系依次绕OyOz'、Ox1轴旋转3次后得到变化后坐标系位置,3次变换的变换矩阵为
L(ψ)=cosψ0-sinψ010sinψ0cosψ
(7)
L(ϑ)=cosϑsinϑ0-sinϑcosϑ0001
(8)
L(γ)=1000cosγsinγ0-sinγcosγ
(9)
L=L(γ)L(ϑ)L(ψ)=cosϑcosψsinϑcosϑsinψ-sinϑcosψcosγ+sinψsinγcosϑcosγsinϑsinψcosγ+cosψsinγsinϑcosψsinγ+sinψcosγ-cosϑcosγ-sinϑsinψsinγ+cosψcosγ
(10)
该系统共有选取构件i的连体坐标系原点o'i位于全局坐标系下坐标为
ri=[xi,yi,zi]T
(11)
构件i的方位的欧拉参数为:
pi=[e0,e1,e2,e3]T
(12)
对式(12)做归一化处理,可得
pTipi= e02+e12+e22+e32=1
(13)
部件连体坐标原点位置和方位角构成笛卡尔广义坐标向量为qi=[ri,pi]T,整个系统的广义坐标矢量为
q=[qT1,qT2,,qTn]T
(14)
系统广义坐标质量表示的运动学约束方程组为
Φk (q)=[Φk1(q),Φk2(q),,Φkn(q)]
(15)
由于系统不存在驱动约束,系统驱动约束为
ΦD(q,t)=0
(16)
综上,系统的全部约束为
Φ(q,t)=Φk(q)ΦD(q,t)=0
(17)
Mr¨+ΦTrλ=FAJ'ω˙+ΦTπλ=n'A-ω~'J'ω'Φ(r,p,t)=0Φrr˙+Φπω'=vΦrr¨+Φ' πω˙=η
(18)
其中:
v=-ΦtK=i=1m{ΦniKr˙ i+ΦπKωi}η=--ΦtK-i=1m{Φ ·niKr˙ i+Φ ·πKωi}
(19)
式中:Φ为运动约束方程;m为系统内部件个数;i为第i个部件;r为连体坐标系的原点Oc在全局坐标系下的坐标;p为欧拉角;M为系统内部件质量;J为对于质心的极转动惯量;作用于部ω件的外力向质心简化后得到外力矢量F和力矩n;为部件在质心坐标系下的角速度;t为运动时间。
考虑弹体初始位移和初始速度,系统初始相容条件为
Φ(r,p,t0)=0Φrr˙(t0)+Φπω'(t0)=v(r,p,t)
(20)
通过系统相容性条件可确定系统初值,可求解多体系统分离过程各个分离体详细运动规律和参数。

2.3 动力学模型验证

本文采用直流式开口低速风洞,如图7所示,通过改变来流速度、适配器的迎风角度,对适配器在不同风速(0~10m/s)、攻角范围(0~180°)以及侧滑角范围(0~360°)条件下进行风洞实验,以获取在连体坐标系Ocxcyczc下适配器的气动数据。对实验获得的轴向气动力系数Cx、横向气动力系数Cy、竖直方向气动力系数Cz、轴向气动力矩系数Mx、横向气动力矩系数My、竖直方向气动力矩系数Mz,采用如式(21)的高斯插值方法获得更加完整的适配器气动参数,为后续求解适配器分离落点提供数据支持。
Fig.7 Adapter wind tunnel experiment under different angles of attack

图7 不同攻角下适配器风洞实验

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f(x)i=1nwi·f(xi)
(21)
式中:f(x)是要估计的未知点的值;wi是与每个已知点相关联的高斯权重;f(xi)是已知点的值,xi是已知点的位置。
根据适配器离筒后的初始运动姿态、适配器的气动参数和外界环境风速,建立适配器分离运动学方程。采用四阶龙格-库塔方法对适配器运动方程进行数值求解,从而得到适配器在离散时刻的位置和速度信息。在数值求解过程中,对适配器所处的位置和运动姿态进行插值计算,求解适配器在该姿态下的气动参数,以获得更准确的外部载荷大小。将适配器的运动状态与外界环境风速等因素相结合,配合插值算法来实现适配器分离运动轨迹求解[24]。同时基于批处理技术,通过对一系列初始条件和参数进行批量处理,并行求解多个适配器的分离轨迹,以获得更全面的适配器落点信息。
遵循上述方法,以联合求解的方式整合了动力学方程,并将模型结果与实验数据进行比对,采用如图8所示的文献[25]中适配器分离实验来验证仿真模型的正确性。如图8适配器分离实验[25]。基于本文所提出的动力学模型计算结果与实验落点对比如图9所示,其仿真结果与实验结果具有高度一致性,计算误差小于5%,验证本研究所提出动力学模型的正确性和可靠性。
Fig.8 Adapter separation experiment[25]

图8 适配器分离实验[25]

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Fig.9 Comparison of experimental drop point distributions

图9 实验落点分布对比

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2.4 训练数据集合

根据上述仿真研究方法,分别对导弹在多种不同发射工况下适配器模块的落点位置进行数值解算。在研究过程中,充分考虑导弹发射过程中外部风载速度对适配器的影响,并运用了搭建的仿真模型进行大量的模拟实验。
在仿真过程中,基于正常外界环境设置了外部风载速度范围为-10~10m/s,并控制了其它相关参数不变以确保仿真的可靠性和可重复性。通过大规模的仿真实验并将其计算结果汇总成数据集合,获得了共计6250组适配器在各个发射工况下的散落分布,进行可视化呈现,生成如图10所示的落点数据图。
Fig.10 Distribution density map of adapter drop points

图10 适配器落点分布密度

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3 仿真分析

3.1 网络训练参数及评价指标

根据经验和多次调试结果确定 CNN-SVM模型的参数。在模型中,CNN各层的结构参数如表1所示。采用最大池化方法作为池化层,选取了ReLU函数[26]作为激活函数。同时在卷积层和ReLU层之间引入了批量归一化层,以对网络中的激活值和梯度传播进行归一化,减少对网络初始化的敏感度,从而提升模型的鲁棒性和性能。
Table 1 CNN model structural parameters

表1 CNN模型结构参数

结构 卷积核 特征数 输出尺寸
输入层 7×1×1
卷积层1 2×1 32 6×1×32
池化层1 2×1 32 3×1×32
卷积层2 2×1 64 2×1×64
池化层2 2×1 64 1×1×64
全连接层 2×1×192
为优化网络模型的训练过程,采用了Adam优化器,它结合了自适应学习率和动量的特性[27]。设置初始学习率为0.1,并在每个训练周期结束后将学习率乘以0.01的因子,以逐渐降低学习率。此学习率下降机制有助于模型在训练过程中更加稳定,并有能力跳出局部最优解,以获取更好的全局最优解。每次训练从数据集中选择40个样本,并设置单轮最大训练次数为600次,以此平衡训练速度和模型性能之间的关系,并避免出现过拟合或欠拟合的问题。
CNN 提取出了原始数据的特征之后,利用 SVM 对特征进行分类回归预测。RBF核函数在非线性问题上表现良好,所以选取 RBF作为 SVM的核函数。为具有优异性能的SVM超参数,采用了网格搜索方法,网格搜索通过在预先定义的参数范围内进行穷举搜索,并使用交叉验证来评估每个参数组合的性能,从而选择最佳的超参数配置。本例中 SVM 超参数惩罚系数c为1.414,核函数参数g为1.024,损失函数p值设置为0.01。
本文采用平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)评估所提出CNN-SVM预测模型准确性。评价指标计算公式:
MAE=1mi=1mPi-Ri
(22)
式中:m为算例总数;Pi表示第i个算例的预测值;Ri表示第i个算例的实际值。MAE的数值越小,表明该模型的预测值与实际值越接近,其模型的预测性能越好,模型预测精度越高。

3.2 网络训练结果

按照前述方法,基于CNN-SVM模型训练了发射过程适配器落点预测模型,并对其在训练集合内对落点位置的预测结果进行了评估。图11图12分别展示了该模型在X轴方向和Y轴方向上的训练结果。通过对训练集合内4450组落点位置的学习,观察到该模型呈现出优异的拟合效果。在X轴方向上,模型在训练集合内的MAE为0.0848m,在Y轴方向上的MAE为0.0920m。此外,该模型在两个方向上的训练集R2值分别为0.9968和0.9977。图13为训练集数据在X轴方向和Y轴方向上落点位置的相对误差,相对误差的均值为-1.56%和-1.59%,而考虑其出现的极端偏差值,X轴方向不超过5%,Y轴方向不超过8%。
Fig.11 Predicted results of X-direction training set (R2=0.9968)

图11 X轴方向训练集预测结果(R2=0.9968)

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Fig.12 Predicted results of Y-direction training set (R2=0.9977)

图12 Y轴方向训练集预测结果(R2=0.9977)

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Fig.13 Training set error analysis chart

图13 训练集误差分析图

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这一结果验证了基于CNN-SVM的模型的预测能力,它能够有效地发现数据集合中的内部联系,并挖掘数据内部的联系。通过CNN的特征提取和SVM的分类能力的结合,该模型能够充分利用数据的特征,并将其映射到准确的落点预测上。
通过仿真结果的综合分析,经过训练的网络模型能够以较高的精度实现从适配器的初始运动参数到落点信息的映射关系。如图14图15所示,在1800组测试数据集中,预测数据结果的X轴方向R2值为0.9972,Y轴方向R2值为0.9973。这表明该模型具备出色的泛化性能,能够准确预测各种工况下适配器的落点位置。两个方向上的MAE误差为0.0825m和0.0952m,其值均小于0.1m满足实际应用需求。如图16所示,两个方向上的相对落点误差分布主要在5%以内,数据极值均在10%以内,证明该模型能具有良好的泛化性能。
Fig.14 Predicted results of X-direction training set (R2=0.9972)

图14 X轴方向测试集预测结果(R2=0.9972)

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Fig.15 Predicted results of Y-direction training set (R2=0.9973)

图15 Y轴方向测试集预测结果(R2=0.9973)

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Fig.16 Test set error analysis chart

图16 测试集误差分析

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本文提出的基于CNN-SVM网络模型在发射过程适配器落点预测中表现出较好的性能,该网络在训练和预测两个阶段都表现出与期望值较为吻合的状态,证明了该网络具有良好的泛化性能。在网络的训练过程中,X轴方向和Y轴方向的误差迅速收敛至稳定状态,彰显了该方法具备增强的自适应性和自校正性能,有助于网络达到理想的收敛状态,从而提升了网络性能。网络的自适应性和自校正性能增强了网络的稳定性和鲁棒性,该方法的泛化能力使其能够有效预测不同场景和条件下的适配器落点位置。

3.3 蒙特卡洛实验及性能分析

为测试CNN-SVM网络模型在不同工况下的预测性能,使用蒙特卡洛仿真实验对其进行验证,从表2中给出的范围随机选取20个测试实例,并引入发射过程中可能产生的随机振动,采用相同的计算资源,分别采用数值积分方法和使用本文已经完成离线训练的基于CNN-SVM网络模型求解适配器落点位置。
Table 2 Initial conditions for Monte Carlo experiment

表2 蒙特卡洛实验初始条件

参数 数值
初始X轴方向分离速度/(m·s-1) (3,3)
初始Y轴方向分离速度/(m·s-1) (-3,3)
初始Z轴方向分离速度/(m·s-1) (0,40)
初始分离角速度/(rad·s-1) (-15,15)
外部X轴方向风速/(m·s-1) (-10,10)
外部Y轴方向风速/(m·s-1) (-10,10)
发射过程随机振动/dB (-5,5)
根据图17图18的结果,随机选取的20个测试实例中,X轴方向的MAE值为0.1236m,而Y轴方向的MAE值为0.0245m。由于引入了发射过程可能存在的随机振动,因此绝对落点误差在X轴方向和Y轴方向的最大值分别增至0.49m和0.39m,但预测误差仍然在满足任务需求的范围内。
Fig.17 Result of Monte Carlo experiment

图17 蒙特卡洛实验结果

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Fig.18 Box plot of Monte Carlo experiment

图18 蒙特卡洛实验结果箱线

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为验证所提出的CNN-SVM模型的数据挖掘和映射能力,分别采用BP模型、CNN模型、GRU模型进行在相同的训练集合上完成对适配器落点预测的训练,并在训练过程中均采用Adam优化器和相同的训练资源保持客观条件的一致性。将训练完成的模型分别对上述随机生成的20组数据进行测试,其采用MAE作为评价指标。
图19所示,以数值仿真方法的解作为参考基准,对4种适配器落点预测模型的预测结果进行MAE误差评估。结果表明4种模型都能对适配器的落点进行预测,在X轴和Y轴两个方向上的平均误差均保持在0.5m以下的水平。其中CNN-SVM模型的预测性能最为优异,X轴方向和Y轴方向的误差均小于其余3种模型,分别优于其他3种模型63.9%、53.3%和47.6%。这一结果清晰地表明,在处理发射过程中适配器落点预测问题时,CNN-SVM模型相较于其他模型具备更高的准确性和鲁棒性,能够更为精准、可靠地预测适配器的落点位置。
Fig.19 Solution speed comparison

图19 求解速度对比

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图20所示,使用数值积分方法平均求解一个落点的时间约为300.39ms,而相同条件下采用离线训练完成的CNN-SVM网络模型求解一个落点的平均时间为25.44ms,经过训练的CNN-SVM网络模型的求解时间仅为数值积分方法的8.5%,这显示了CNN-SVM模型在解决适配器落点预测问题时显著的速度优势。进一步比较发现,相对于其他经过离线训练的网络模型,CNN-SVM模型的求解速度也具有一定优势,相较于BP模型和CNN网络模型,CNN-SVM模型的求解速度分别提高了38.2%和16.5%,而与GRU模型相比稍有差距,仅低于4.1%。
Fig.20 Solution speed comparison

图20 求解速度对比图

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整体而言,CNN-SVM网络模型不仅在准确性上表现出色,而且其高效的求解速度使其成为发射过程适配器落点预测的理想选择。在实际应用的过程中,可以将该网络模型的训练过程离线化,在使用之前便可准备好并搭载在任务计算机上,从而能够利用CNN-SVM模型高效求解能力和快速响应能力,以极低延迟来预测在发射过程中适配器分离落点。

4 结论

本文基于数值仿真方法和批处理技术建立起发射过程中适配器分离轨迹及落点计算模型,并采用CNN-SVM网络模型构建起弹射过程中适配器分离落点的快速预测方法。得到主要结论如下:
1)采用大量数据样本进行离线训练的网络模型,预测落点数据的X轴方向坐标和Y轴方向坐标的训练结果R2值均优于0.99,MAE均小于0.1m,表明CNN-SVM模型在发掘训练数据内部联系的优异能力。
2)在1800组测试集数据对离线训练的CNN-SVM模型进行仿真测试,其两个方向上的MAE误差为0.0825m和0.0952m,最大误差均小于10%,表明该模型对未知数据展现出较小预测误差,验证该预测模型具有良好的泛化性能。
3) 经过离线训练的CNN-SVM模型与数值积分方法的求解结果误差较小,在相同条件下分别优于BP模型、CNN模型、GRU模型63.9%、53.3%和47.6%。而其平均求解时间仅为数值积分方法所消耗时间的8.5%,大幅提高对发射过程适配器落点的预测性能。
因此,本文所提出的这种方法为实现快速且准确的适配器分离落点预测提供了一种有效的解决方案。未来将进一步改进该模型,增加更多的训练数据和优化算法,以提高模型对于发射过程随机振动应对能力。

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In order to solve the problem of transmedia ejection separation of missile carrier with elastic adapter, based on the fractional areas-volume obstacle representation (FAVOUR) method, a multi-physical field coupling model for missile separation from the carrier near the free surface is established by using the RNG k-ε turbulence model and VOF function. The numerical simulation of the water entry process of the cylinder is carried out, and the calculated results are consistent with the experimental data, which verifies the rationality of the numerical model. The ejection and separation processes of the missile in trough and crest environments and at different initial pitch angles and initial velocities of water exit are numerically simulated, and the effects of initial pitch angle, water exit velocity and position above the water surface on the submarine-launched missile separated from the carrier are obtained. Considering the pitch angle of the missile at the moment of separation from the launch tube at the wave crest and trough positions, the optimal initial pitch angle is 3.24° based on the criterion that the pitch angle of the missile reaches 0° at the separation time at the wave trough position. The simulation method and results are of referential significance for engineering applications.
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Abstract
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Abstract
根据己方观测数据进行弹道轨迹预测是现代陆军实施精准打击的重要一环。针对现有弹道轨迹预测方法存在精度不足且实时性不强的问题,提出一种新的增强上下文信息长短期记忆(CE-LSTM)网络轨迹预测模型,进行弹道轨迹的长期精准预测。在LSTM网络可逼近任意非线性函数且具备长期记忆能力的基础上,构建隐藏层输出混合单元提取短时上下文信息,进一步逼近弹体运动状态;通过建立不同条件下的弹道轨迹的数据集,训练得到具备最优超参数的CE-LSTM网络。实验结果表明,与弹道微分方程组的数值积分解法以及高斯混合模型相比,CE-LSTM网络在预测的精度上优于其他2种方法,预测速度提高了3~10倍,且具备较强的泛化能力。
REH J H, WU X, BO Y M, et al. Ballistic trajectory prediction based on context-enhanced long short-term memory network[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(2) :462-471. (in Chinese)

Trajectory prediction based on observed data is critical to the modern army's precision strike capability. Yet, the existing trajectory prediction methods have suffer from low accuracy and poor real-time performance. Thus, this study proposes a new model called Context-enhanced Long Short-Term Memory(CE-LSTM) Network to make an accurate long-term prediction of the exterior trajectory of incoming projectiles. The proposed method inherits the LSTM network's advantage in that it can approximate any nonlinear function and it has a long-term memory. Furthermore, we create a mixture output unit of the hidden layer to extract short-term context information and approximate the motion states of the incoming projectiles more accurately. The CE-LSTM network is trained with a large-scale dataset consisting of exterior trajectories under different initial conditions to obtain the optimal hyper-parameters. The experimental results show that compared with the methods like external ballistic differential equations and the Gaussian mixture model, the CE-LSTM network performs significantly better in prediction accuracy, and its prediction speed increases by three to ten times. Moreover, the proposed method is highly generalizable.

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Abstract
针对弹丸非线性轨迹预测问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)与长短期记忆(LSTM)神经网络的混合轨迹预测模型。通过建立6自由度弹丸运动模型,并使用4阶龙格库塔法外弹道仿真,得到大量轨迹数据样本;提出CNN-LSTM神经网络的混合轨迹预测模型,并利用滑动窗口法和差分法构造输入输出的轨迹数据对,将预测问题转化为有监督的学习问题;将所提模型与LSTM神经网络模型、门控循环单元(GRU)神经网络模型和反向传播(BP)神经网络模型在同一数据集下进行仿真实验。研究结果表明,CNN-LSTM神经网络模型预测3s后的平均累积预测误差在x轴方向约为14.83m,y轴方向约为20.77m,z轴方向约为0.75m,且轨迹预测精度优于单一模型,为弹丸轨迹预测研究提供了一定的参考。
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To solve the problem of nonlinear trajectory prediction of projectile, a novel hybrid trajectory prediction model based on convolutional neural network (CNN) and long and short-term memory (LSTM) neural network is proposed. A 6DOF projectile movement model is established, and a substantial dataset of trajectory samples is obtained through exterior ballistics simulations employing the four-order Runge-Kutta method. Secondly, the hybrid CNN-LSTM trajectory prediction model is proposed, and the input and output trajectory data pairs are constructed by using the sliding window method and first-order difference method, which transforms the prediction problem into a supervised learning problem. Then, the proposed model is compared with LSTM neural network model, gated recurrent unit (GRU) neural network model and back propagation (BP) neural network model using the same dataset. The results show that the average cumulative prediction error of CNN-LSTM model after 3s is about 14.83m in the x-axis direction, 20.77m in the y-axis direction and 0.75m in the z-axis direction. The trajectory prediction accuracy of CNN-LSTM neural network model is better than that of a single model, which provides valuable insights for advancing projectile trajectory prediction research.

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The uncertainty of human driver behavior brings challenges to the application of advanced driver assistance systems. In order to more accurately predict the lane-changing behavior of a driver, we studied the multi-layer perceptron (MLP) and the support vector machine (SVM), and designed the hybrid algorithm of MLP-SVM to predict the lane-changing behavior of the driver. Based on the vehicle information and the surrounding traffic environment information, the prediction model of driver's lane changing behavior is built. The real traffic dataset is used to verify the proposed model. The results show that compared with the prediction model of driver's lane changing behavior based on support vector machines or multi-layer perceptrons, the hybrid prediction model of driver's lane changing behavior achieves the highest prediction accuracy of 92.6%, and can predict the lane changing behavior earlier with the advanced prediction time up to 4.54 s.
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Abstract
针对传统的传递对准模型在大失准角下的强非线性问题以及由残余杆臂误差导致的传递对准精度下降问题, 提出了一种改进的惯性系传递对准算法。首先, 对子惯导姿态矩阵进行链式分解, 得到常值姿态矩阵; 然后, 利用罗德里格斯参数等价替代该常值姿态矩阵, 建立关于罗德里格斯参数和残余杆臂误差的具有弱非线性量测的传递对准模型; 最后, 利用非线性滤波对状态进行估计。基于摇摆运动的仿真实验表明, 在存在大安装误差角以及残余杆臂误差情况下, 算法相比于现有方法, 对准速度更快, 对准精度更高, 在5~10 s内即可完成传递对准。车载试验结果也间接说明算法具有更高的传递对准性能。
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Aiming at the strong nonlinear problem for the conventional transfer alignment model with large misalignment angle and the problem of the degraded alignment accuracy induced by the residual lever arm error, an improved inertial-frame-based transfer alignment (ITA) method is proposed for inertial navigation system (INS). Firstly, a constant attitude matrix is obtained based on the chain rule for the attitude matrix of slave INS. Then, the constant attitude matrix is equivalently replaced by the Rodriguez parameter, and a novel transfer alignment model with weakly nonlinear measurement equation is established based on the Rodriguez parameter and the residual lever arm error. Finally, the nonlinear Kalman filters are implemented for the estimation. Simulation results under the sway motion illustrate that when the installation error angles are large and the residual lever arm error exists, the ITA method has the faster alignment speed and the better alignment accuracy than existing transfer alignment methods, and the transfer alignment can be completed in 5~10s. The field test results also illustrate that the ITA method has significantly better alignment performance.

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Deep spiking neural networks (SNNs) offer the promise of low-power artificial intelligence. However, training deep SNNs from scratch or converting deep artificial neural networks to SNNs without loss of performance has been a challenge. Here we propose an exact mapping from a network with Rectified Linear Units (ReLUs) to an SNN that fires exactly one spike per neuron. For our constructive proof, we assume that an arbitrary multi-layer ReLU network with or without convolutional layers, batch normalization and max pooling layers was trained to high performance on some training set. Furthermore, we assume that we have access to a representative example of input data used during training and to the exact parameters (weights and biases) of the trained ReLU network. The mapping from deep ReLU networks to SNNs causes zero percent drop in accuracy on CIFAR10, CIFAR100 and the ImageNet-like data sets Places365 and PASS. More generally our work shows that an arbitrary deep ReLU network can be replaced by an energy-efficient single-spike neural network without any loss of performance.Copyright © 2023. Published by Elsevier Ltd.
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