Image-Driven Inductance Gradient Prediction for Convex Electromagnetic Launcher Rails Using Convolutional Neural Network

电感 计算机科学 卷积神经网络 人工神经网络 有限元法 反向传播 计算电磁学 梯度下降 还原(数学) 电磁干扰 控制理论(社会学) 算法 电子工程 加速度 电磁学 随机梯度下降算法 电磁兼容性 凸优化 近似误差 电磁学 正多边形
作者
Guo-Min Xu,B. Li
出处
期刊:IEEE Transactions on Plasma Science [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:53 (11): 3581-3587
标识
DOI:10.1109/tps.2025.3619594
摘要

Accurate acquisition of the rail inductance gradient is critical to the design of electromagnetic launch systems. To address the inefficiency of finite element analysis (FEA) and limitations of analytical methods in calculating inductance gradient for convex electromagnetic launcher rails, this article proposed a new modeling approach using image-domain convolutional neural network (CNN). By directly extracting spatial electromagnetic features from rail cross section images, it overcomes the challenges in geometric parameterization and achieves high-precision prediction with minimal training data. A CNN mapping model (input: rail cross section images; output: inductance gradient values) was trained on merely 125 FEA-generated samples with K-fold cross-validation suppressing overfitting. The performance was benchmarked against back propagation (BP) neural network. The model achieved: 1) test-set$R^{2} =0.9699$and MAPE = 0.42%; 2) maximum out-of-sample error <1.1%; and 3) 93.8% error reduction compared with BP networks (MAPE = 6.81%). This methodology significantly reduced the reliance on costly and time-consuming FEA simulations for obtaining massive amounts of training data, providing new tools for the design and optimization of electromagnetic railguns.
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