仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2021年第11期

• 用于高精度卫星姿态测量的大相对孔径 高杂光抑制比星敏感器光学设计

  朱 杨，张 忛，宋 莹，张 刘

  星敏感器是卫星高精度空间姿态测量与飞行控制的关键仪器。针对低阈值星等、大视场等特殊需求,设计了焦距55mm,相对孔径1/1.1,视场角17°×17°的星敏感器光学系统。基于无热玻璃图方法,通过光学玻璃材料与机械结构材料的温度特性匹配优化,实现了光学被动式无热化设计。完成两级遮光罩与挡光环的消杂光结构设计,利用非序列光线追迹完成视场内成像光线鬼像分布与视场外杂散光仿真分析与计算。结果表明,星敏感器光学系统各视场弥散斑半径RMS小于4.5μm,2×2像元内能量集中度≥96%,-35℃~45℃大温差下各视场的MTF在截止频率处均大于0.6,畸变优于0.05%。45°规避角外杂光PST达到10-8量级,像面处各阶鬼像光斑半径均大于0.8mm。星敏感器光学成像质量与杂光抑制满足高精度姿态测量要求。

• 基于合作靶标的分布式测量系统定向方法

  林嘉睿，荆伟杰，任永杰，张 饶，邾继贵

  大尺寸分布式测量系统基于多源观测交会原理,测量节点间的相对位姿关系决定了系统整体性能。工作空间测量定位系统是分布式测量系统的典型代表,其定向方法借助激光跟踪仪的靶球互换性构建几何约束条件,导致系统接收节点存在不可避免的对心误差,影响定向精度。本文研究了一种移动式合作靶标的分布式系统定向方法。通过设计集成多接收节点的合作靶标,无需精确确定靶标接收节点间的结构关系,而是利用接收节点间空间位置的相对不变性作为刚性约束来建立冗余光平面交会信息的基站相对位姿关系模型。结合后方交会定向初值解算模型,得到了不受接收节点互换对心误差影响的定向结果。最后以工作空间测量定位系统(wMPS)为实验验证平台,结果表明:此定向方法避免了靶球高精度互换性,具有较好的稳定性,能够有效降低接收节点互换对心误差的影响。与传统基准尺定向方法相比,此定向方法的基准长度测量精度提高了约40%。

• 滚珠丝杠副关键加工尺寸误差与预紧转矩关系研究

  刘 东，祖 莉，林炜国

  预紧转矩是决定滚珠丝杠副可靠性的重要影响因素,目前预紧转矩的计算主要依据经验公式,理论计算值与实际预紧转矩值误差较大。为了准确计算滚珠丝杠副的预紧转矩,基于接触变形和载荷分布理论,分析关键加工尺寸误差对预紧转矩的影响,建立中径误差、导程误差与滚珠丝杠副预紧转矩关系模型。利用滚珠丝杠副导程误差、型面检测试验台测量不同型号丝杠副的导程误差、中径值,通过导程误差、中径误差计算滚珠丝杠副的预紧转矩理论值。利用滚珠丝杠副预紧转矩试验台测量预紧转矩实际值,测量结果表明预紧转矩的理论计算值与试验值的相对误差为0.65%~12.18%,均小于前人模型的15.07%~43.57%,理论模型与实际预紧转矩的一致性较好,验证理论模型的正确性。

• 基于光纤激光频率分裂效应的折射率 / 厚度 双参量测量研究

  陈 恺，祝连庆，刘昭君，鹿利单，庄 炜

  折射率作为光学系统中应用最广泛的光学参数之一,对系统的光学性能具有极其重要的影响。厚度与折射率所组成的光学长度直接影响双折射器件在光学系统中的时延特性。本文提出一种基于光纤激光频率分裂效应的折射率/厚度双参量测量方法。该系统通过对插入激光腔内的双折射器件进行旋转,利用频率分裂效应对不同角度的器件的双折射参数进行测量。基于双折射器件中的折射率椭球,建立相位延迟、折射率、厚度和旋转角度之间的关系,通过拟合计算得到器件的折射率/厚度参数。实验结果表明,通过该系统对双折射元件的厚度测量误差为210nm,本征折射率进行测量误差为10-5,可广泛应用于红外波段的双折射器件的本征折射率/厚度双参量测量。

• 虑及计值范围的 1 级齿轮渐开线样板精密成型

  凌 明，凌四营，刘祥生，杨 洋，王立鼎

  齿轮渐开线样板是渐开线齿轮齿廓偏差溯源与量值传递的基准,是校准各种渐开线测量仪器的标准计量器具,但是目前国内外没有满足我国齿轮渐开线样板国家标准GB/T6467-2010要求的1级齿轮渐开线样板。1级齿轮渐开线样板对计值范围和齿廓形状偏差要求极为严格,齿根部非计值范围内的齿面弧长仅0.1mm左右,极易受加工误差影响,导致齿根部加工根切或加工不完整,使齿轮渐开线样板的齿根部齿廓形状偏差超差。本文建立了起始展开角误差与齿轮渐开线样板齿根部齿廓偏差映射关系的数学模型,分析了齿根部齿廓形状偏差超差的原因,通过SiemensNX运动仿真和CAD仿真对模型进行了验证,并提出一种渐次加工的齿轮渐开线样板齿根部工艺,利用该工艺对一件具有3种基圆参数的新型齿轮渐开线样板进行了磨削实验,4个齿面均满足在计值范围内齿廓形状偏差ffα<1μm,满足我国齿轮渐开线样板国家标准GB/T6467-2010对1级齿轮渐开线样板计值范围和齿廓形状偏差的要求,研究成果为1级齿轮渐开线样板的精密制造提供了工艺方法的支持。

• 北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析

  张继海，董绍武，袁海波，广 伟，马佳慧

  北斗三号全球系统已开始为全球用户提供稳定可靠的高精度定位、导航与授时服务。本文基于我国国家标准时间频率UTC(NTSC)系统,开展北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析,通过实测数据开展研究并试验了北斗三号非差组合载波相位时间比对在零基线与长基线时间比对方面的性能,并在此基础上开展北斗三号与GPS融合载波相位时间比对试验。结果表明,零基线比对中,两接收机共钟比对钟差的标准偏差优于0.3ns;长基线比对中,利用北斗三号非差组合载波相位时间比对以及融合载波相位时间比对获得的亚欧两守时实验室之间的比对钟差与国际权度局基于GPS时间比对链路获得的钟差具有较好的一致性,钟差的频率稳定度和时间稳定度与国际权度局发布的结果基本一致,且残差的均方根均优于0.25ns,试验结果满足亚纳秒量级的时间比对应用需求。

• 多泵磁流体动力学角速度传感器的低频拓展设计研究

  纪 越，闫国忠，李醒飞，张彦鹏

  针对磁流体动力角速度传感器对低频(<1Hz)信号检测性能差的问题,在原有的角速度传感器的基础上提出了一种含多磁流体动力泵的角速度传感器。采用改进传感器机械结构的方法,在流体通道边缘周向上均匀构建多个磁流体动力泵,并优化了流体泵磁极形状,以提高流体传感环中径向流速分布大小与稳定性,增强低频下科里奥利力效应。仿真与实验结果表明设计的多泵结构传感器相比于单泵结构,径向流速分布提高了20.28%,流体泵通道磁场均匀度增加了38.36%。测试实验中施加补偿电流后,传感器可以实现对低频角速度信号的检测,全通带范围内幅值波动误差小于0.5%,相位差减小到0~10°范围内。

• 钢轨裂纹导波检测的柔性压电复合材料传感技术研究

  沈意平，吴 迪，张博南，毕 超，蒋 帅

  钢轨裂纹监测是保障铁路基础部件安全的重要研究课题之一。超声导波在钢轨中具有衰减小、传感距离远、检测效率高等优点,可实现钢轨长距离快速检测。传统的超声导波传感器大都采用PZT陶瓷制成,质地硬脆、易碎裂,不能满足钢轨长期在线监测使用要求。本文提出将柔性0~3型PZT/环氧树脂复合材料用作钢轨超声导波传感器,实验研究该柔性压电复合材料的力学性能及其对导波的传感特性,结合有限元仿真分析和实验测试,分析了钢轨中激励导波模态特性及其裂纹反射波的延迟到达时间,探讨压电复合材料传感器应用钢轨裂纹导波信号检测的适用性和有效性。研究结果表明:PZT/环氧树脂复合材料传感器具有良好的柔韧性和线性灵敏度,在5℃~75℃温度范围内能够有效检测到导波信号;不同传感路径得到的钢轨导波检测信号与有限元仿真信号基本一致,裂纹反射波到达时间相近,这将为钢轨裂纹在线监测提供新型的柔性压电复合材料传感技术。

• 存在初始位移的 MEMS 振动台的振动特性分析

  郝 瑞，周 吴，彭 倍

  MEMS压电振动台能够实现微米量级的精密机械振动,应用于MEMS惯性传感器的片上标定。然而,由于压电陶瓷和硅的热膨胀系数不同,导致MEMS压电梁在制造成形后存在残余应力。残余应力会引起MEMS压电梁的翘曲,并导致MEMS压电振动台存在初始位移。为分析初始位移对MEMS压电振动台的振动特性的影响,建立残余应力与压电梁变形间的关系,以及压电梁变形与振动台初始位移间的关系。将初始位移量引入MEMS压电振动台的振动模型中,讨论不同初始位移(10、20、30μm)MEMS压电振动台的振动特性。实验结果表明在10V(150Hz)正弦激励下,存在初始位移的MEMS压电振动台具有双稳态振动特性,振动波形失真最大相对误差为45%。实验结果与理论分析吻合证明残余应力是引起振动波形失真的主要原因。

• 卫星拒止环境下基于因子图的智能车可靠定位方法

  胡 悦，李 旭，徐启敏，袁建华，孔 鑫

  针对如室内停车场、隧道等卫星拒止环境下智能车的准确可靠定位需求,提出了一种基于因子图的低成本融合定位方法。首先,构建基于因子图的UWB/INS动态融合定位框架;接着,充分利用UWB基站的静止特性,结合因子图输出的位置及位置置信区间计算智能车与基站之间的最大理论距离,并与UWB实测距离比较从而检测非视距信号;最后,制定自适应融合规则来指导不同情况下UWB/INS的融合,输出最终的定位结果,实现卫星拒止环境下智能车的可靠定位。实车试验表明,所提出的融合定位方法可达到0.622m的精度,相较传统的最小二乘定位方法提升1倍以上,有效抑制了非视距误差的影响,具有成本低、可靠性高、环境适应力强等优点,克服了传统方法的不足。

• 铌酸锂集成 MZI 型光波导大电流传感器

  杨杜兵，张家洪，陈福深，赵振刚，李英娜

  采用集成光学技术,设计与研制出了一种用于大电流测量的集成光波导电流传感器,器件体积为78mm×18mm×9mm。对带有多环形天线和调制电极的传感器结构进行了理论分析,并利用COMSOLMultiphysics软件建立传感器的三维模型,仿真验证了所设计的传感器可用于脉冲大电流的测量。搭建了脉冲大电流测量实验系统,对传感器性能进行测试。结果表明,传感器测量得到的脉冲电流时域波形与Pearson电流互感器测量得到的脉冲电流时域波形相比,波前时间Tf和持续时间Td的平均相对误差分别为3.9775%和5.4375%。传感器在100~3300A的被测电流范围内,线性相关系数为0.99897,当信噪比为6dB时,传感器最小可测电流为66A。

• 二维里程辅助的掘进机自主导航方法研究

  沈 阳，王鹏江，吉晓冬，郑伟雄，吴 淼

  针对掘进工作面恶劣的环境以及掘进机时常发生滑移运动造成掘进机导航参数不能精准获取的难题,提出了基于二维里程辅助的掘进机自主导航方法。研制了二维里程测量装置,搭建了二维里程辅助的掘进机自主导航系统;建立了二维里程测量装置和捷联惯导误差方程,推导了二维里程辅助的组合导航算法。为了应对量测噪声统计特性时变导致系统估计误差变大的问题,提出了基于模糊理论的数据融合算法,实时在线调整噪声协方差矩阵。仿真实验结果表明模糊融合算法相对于传统融合算法将航向角误差降低了34.78%;3个方向的定位误差分别降低了44.33%、41.82%和42.26%。进行了掘进机导航定位实验,实现了0.052m的定位精度,满足无人掘进工作面对掘进机自主导航的要求。

• 基于 DPC 指纹子空间匹配的室内 WiFi 定位方法

  乐燕芬，许远航，施伟斌

  针对无线接收信号强度(RSS)受传播环境突发噪声影响从而引起指纹定位较大误差的问题,本文提出了一种指纹子空间匹配结合密度峰值聚类(DPC)的定位算法,有效避免大误差点。首先通过在线阶段目标RSS信号的接入点(AP)覆盖向量,确定有效的参考位置点,并划分多个指纹子空间,利用改进的WKNN算法估计目标在每个子空间内的位置;最后利用DPC算法选取决策值最大的S个估计位置确定目标。所提算法简单,不需要离线阶段的学习过程训练定位模型,尤其适合存在大量AP的大范围室内定位区域。实际环境中的定位实验表明,基于DPC的指纹子空间匹配算法比WKNN算法的定位精度提升了25%左右,且在参考点分布密度为1.8m×1.8m的实验条件下基本消除了4m以上的大定位误差,有效提高了定位方法的整体性能。

• 金属表面任意滚动型 RFID 探测标签天线的研究

  袁家德，孟宪杰

  射频识别(RFID)技术在工业探测领域的应用不断深入,对RFID标签在多金属环境中的读取性能提出了更高的要求,本文提出一种可以在金属表面任意滚动的高效率RFID标签天线。所设计的滚动型标签天线是由倒F天线(IFA)进化而成,天线采用了呈柱状布局的4个辐射臂,其中一组相对的两臂通过馈电面与同轴线芯线相连,另一组相对两臂与同轴线外导体相连,一开槽的矩形辅助面置于四个辐射臂中心。标签天线体积为11.3mm×11.3mm×77.5mm,在金属平面上各种状态滚动时中心频率变化范围为897~932MHz,|S11|≤-10dB的带宽范围为3.5~8MHz,天线辐射效率达到70%。该无源标签天线具有可以在金属背景环境中任意滚动、小型化、高效率等优势,无源标签天线与温度传感器芯片相连,可用于工业物联网复杂环境温度探测。

• 基于 IGA-BP 神经网络的智能电能计量 设备退化趋势研究

  马 健，滕召胜，邱 伟，马丽莎，刘 颉

  电能计量设备可靠运行与否影响着电网边缘测量与电量计量准确性,为此本文提出一种基于参数优化BP神经网络的设备退化趋势分析方法。结合国网新疆高干热试验基地,及其智能电能计量设备实时运行基本误差数据,利用Spearman相关性分析方法,提取影响智能电能计量设备基本误差值的主要环境应力;采用函数拟合插值(FFI)方法消除原始数据中缺失值对退化分析的影响,建立基于BP神经网络的智能电能计量设备退化研究模型;最后,引入改进遗传算法(IGA)优化BP神经网络参数,实现智能电能计量设备退化趋势的向后预测与更新。选取基地中不同型号的若干个智能电能计量设备进行多项实验,结果表明本文模型具有较高的预测能力,预测结果的平均均方根误差为0.0123,预测准确度最高可达90.2%。

• 基于国产 ADC 芯片的 TIADC 系统时间误差 自适应校准算法

  崔文涛，李 杰，张德彪，薛璐瑶

  武器及其测试系统的高精度与国产化是我们国家现在不得不面对的严峻问题,当数据采集系统的采样率达到GSPS量级时,目前的国产ADC芯片很难达到,因此在不降低采样精度的前提下,提出多片ADC进行阵列化采样的方法提高系统的采样率。针对TIADC系统存在的通道失配问题,提出了基于一阶统计量的自适应误差估计算法与改进Farrow时延滤波器的校正方法,并对4通道TIADC系统的时间误差估计提出新的估计策略。仿真与实验结果表明,该算法能够对时间失配误差进行精确估计,同时能够有效地抑制杂散分量,相比校正前的数据,无杂散动态范围提高20dB,对解决高速高精度数据采集装备国产化问题具有重要的现实意义。

• 低压散绕变频电机绝缘薄弱点定位方法研究

  郭厚霖，王 鹏，林 海，罗英露，马世金

  根据IEC相关标准,采用重复脉冲和正弦电压测定变频电机绝缘系统PDIV,是评估低压散绕变频电机绝缘性能的关键手段。然而,现行IEC标准难以识别定子绕组绝缘薄弱点。对此,联合重复脉冲和正弦PDIV离线测试技术,提出定位变频电机绝缘薄弱点的“三步法”:首先采用重复脉冲电压测定电机匝间绝缘PDIV;然后利用正弦电压测定相间及主绝缘PDIV,并与匝间PDIV对比,确定电机绝缘薄弱点;最后通过测试电机在不同接地方式下的PDIV,可定位绝缘薄弱点是否位于定子绕组首端。另外,通过定子绕组电压分布仿真、3个商用电机薄弱点识别及电机寿命实验,综合验证了上述方法的可行性。此研究可实现变频电机绝缘薄弱点的有效定位,提升电机绝缘潜在风险诊断效率。

• 基于深度学习模型融合的铸件缺陷自动检测

  杨 珂，方 诚，段黎明

  针对目前铸件缺陷检测漏检率高的问题,提出一种基于深度学习模型融合的铸件缺陷检测方法。首先对FasterRCNN网络进行改进,利用特征金字塔结构改进特征提取网络模块,实现多尺度的特征融合,完成铸件缺陷的特征提取;然后,基于ROIAlign对网络中的ROI池化层进行改进,将IOU分数引入NMS算法判定过程;再将改进后的网络与CascadeRCNN以及YOLOv3进行融合;最后进行实验研究,验证了融合模型能够有效降低铸件缺陷的漏检率。实验结果表明,将感兴趣区域池化改进后,在FasterRCNN模型中的缺陷召回率提升了1.73%,在本文网络模型中的缺陷召回率提升了4.08%;采用模型融合的方法在不考虑分类准确度的情况下,整个模型的缺陷识别率达到95.71%,与单个模型相比,在保证铸件缺陷检测准确率的同时,提高了缺陷检测的召回率,满足了工业应用的要求。

• 基于 Tikhonov 和 TV 混合正则化的接地 网电阻抗成像算法研究

  闫孝姮，吕秋皓，林晓雪，陈伟华

  电阻抗成像技术(EIT)是解决接地网腐蚀定位问题的方法之一,为了改善接地网EIT逆问题的病态性,提高求解稳定性以及重建图像清晰度,提出了经典吉洪诺夫正则化(Tikhonov)和全变差正则化(TV)相结合的混合正则化(Tikhonov-TV)接地网成像算法。首先,在循环测量原理的基础上,创新地借助COMSOL与MATLAB联合仿真求取接地网EIT正问题模型电压数据;其次,在理论分析基础上,通过Tikhonov-TV正则化的EIT算法分别求解基于先验拓扑信息和未知拓扑信息的两种接地网逆问题模型的场域电阻率分布;最后仿真和实验对比了Tikhonov、TV以及Tikhonov-TV3种正则化算法的接地网EIT重建图像,并采用电阻率均方误差(ResistivityMSE)和截线电阻率曲线图来衡量图像质量,实验得出基于先验拓扑信息的1处和2处腐蚀情况下ResistivityMSE分别达到1.27×10-15和1.59×10-15,电阻率均方误差最小。结果表明,提出的Tikhonov-TV正则化算法有效地改善了EIT逆问题的病态性,收敛性能最优,重建图像效果优于Tikhonov和TV正则化算法。

• 刀库及其自动换刀装置的换刀精度检测方法 和衰退规律研究

  汪满新，卞程飞，韩 军，欧 屹，管 强

  刀库及其自动换刀装置是数控机床用于储存和交换刀具的关键功能部件,其性能状态特别是换刀精度直接影响数控机床能否准确、迅速地完成换刀,是影响数控机床可靠性的关键因素。通过在主机现场搭建盘式刀库换刀精度检测试验台,并提出基于两个激光位移传感器的换刀精度检测方法,借助加工中心工作台位置可通过数控系统精确控制,提出激光位移传感器位置参数标定方法。制定换刀精度试验方法,并开展100万次换刀试验,揭示刀库及其自动换刀装置换刀精度随载荷和试验次数的变化规律,以及插刀前、拉刀前和拉刀后刀柄精度的变化规律,进而为如何减少刀柄插刀过程中对主轴的冲击提供重要参考。

• 磁感应断层成像的双向检测优化方法研究

  陈瑞娟，赵松松，李丹丹，王慧泉，韦 然

  磁感应断层成像作为一种新的检测成像技术,在脑出血等疾病的临床诊断和连续检测中具有重要的应用价值。磁感应断层成像系统由激励线圈和检测线圈两种线圈组成,其中激励线圈只有一个,而检测线圈在以往的研究中多达十几个甚至几十个。由于空间限制以及线圈之间的相互干扰,如何在不损失成像准确度的情况下最大程度减少线圈的个数具有重要的研究意义。针对此问题,本文提出了仅使用5个检测线圈,分别检测两个相互垂直方向磁场信息的双向检测成像方法。进行了含有半径为15mm的单个异质体和半径分别为7和15mm的两个异质体的复杂头部模型仿真实验和异质体检测的仿体实验,结果均表明双向检测成像方式不仅可以抵消检测线圈个数减少带来的影响,而且具有更高的抗噪性能和成像准确度,从而为推动MIT的实际应用奠定了技术基础。

• 基于切削稳定性与表面质量约束的 铣削工艺参数优化研究

  邓聪颖，叶 波，禄 盛，林丽君，苗建国

  铣削工艺系统的动态特性随着刀具夹持长度改变而变化,影响关联的铣削稳定性与加工表面质量,进而导致铣削加工的工艺规划具有不确定性。针对此问题,本文综合刀具悬伸量与传统铣削用量作为输入,分别建立极限切削深度与表面粗糙度的反向传播神经网络模型(BPNN),并进一步以其表达铣削稳定性与加工质量约束,构建以刀具悬伸量和粗/精加工阶段铣削用量为优化变量,以粗/精铣总加工时间为目标的铣削工艺参数优化模型,采用麻雀搜索算法(SSA)对模型进行寻优求解。以某型数控机床的夹具型腔铣削加工为例,采用刀具悬伸量与各阶段铣削用量的优化配置进行加工实验,总切削时间12.577min与表面粗糙度值3.01μm验证了优化模型的可行性和有效性。

• 一种多焦距动态立体视觉 SLAM

  冯明驰，刘景林，李成南，汪静姝

  现有的双目同步定位与建图(SLAM)都使用标准立体相机,所处环境为静态的假设会影响其在动态环境中的精度。提出了一种多焦距动态立体视觉SLAM方法,它克服了标准立体相机无法兼顾远距离和宽视场感知场景的缺点,并去除了动态物体对SLAM的影响。具体来说,对传统的立体校正方法进行了改进,并使用校正参数修正了特征点的位置,而不是整张图像,还提出了一种自适应特征提取和匹配方法以增加多焦距图像的特征匹配数量。综合使用多视图几何、区域特征流和相对距离检测动态对象,剔除动态对象上的特征点。在公开数据集KITTI上,该方法相对ORB-SLAM3和DynaSLAM的定位精度都提高了6.97%,在自建数据集中,该方法的定位精度比ORB-SLAM3提高了26.64%,比DynaSLAM提高了32.09%。

• 基于频域滤波的电缆线芯图像纹理消除研究

  侯北平，张晓刚，朱 文，陈天亮，陈凌超

  电缆作为电力传输的重要部分,其线芯质量关系到用电安全及传输效率。在利用机器视觉技术测量电缆线芯结构参数时,刀痕纹理严重影响了图像分割效果,降低了测量精度。针对这一问题,提出了一种基于改进频域滤波的线芯截面图像刀痕纹理消除方法:首先采用相对总变差模型分解线芯截面图像,得到纹理图像描述;对线芯截面纹理图像进行快速傅里叶变换,分析刀痕纹理在频域中的能量主方向;研究改进型巴特沃斯陷波滤波器,设计椭圆形的邻域窄阻带以降低刀痕纹理对应的带状区域能量,从而消除刀痕纹理。实验结果表明,该方法的刀痕纹理消除率可达92%,提升了电缆线芯质量检测的效率。

• 用于晶圆键合的对准标记定位算法

  鲁沛昕，杨开明，鲁 森，朱 煜

  对准标记精确定位是晶圆键合精度实现的关键,为了提高对准标记定位算法的精度、实时性及适应性,提出了一种基于边缘检测拟合定位的高精度对准标记定位算法。该方法结合分级金字塔模型对对准标记进行逐级定位,获得像素级的目标区域粗定位结果,根据目标区域粗定位结果,结合Canny检测器与改进的高斯拟合法,对对准标记的亚像素轮廓进行拟合,在此基础上结合中心对称的对准标记特征,利用改进后的最小二乘法快速拟合对准标记的中心位置,实现对准标记的精确定位。通过实验验证了该方法的有效性,实验结果表明,提出的对准标记定位算法在快速定位目标区域的同时,可实现约0.06μm的重复定位误差,满足了晶圆键合对准的精度、实时性和适应性的需求。

• 基于工业 CT 的零件内外曲面形位误差分析

  杨 晗，谭川东，盛晋银，司 磊，段黎明

  针对具有复杂内腔结构零件的内部曲面形位误差分析困难的问题,提出了一种基于工业CT技术的零件复杂内腔的形位误差分析方法。首先,使用工业CT对零件进行扫描并重建为测量STL模型。然后将设计IGES模型离散为STL模型与测量STL模型进行配准。其次,利用设计IGES模型作为引导,判定测量STL模型中的点和IGES模型各曲面的归属,自动分割测量STL模型中的所有曲面。最后,选取设计IGES模型的曲面并对曲面对应的点云簇进行形位误差分析。选取百万级测量点云的阀体模型进行实验,完整地分割点云模型所有曲面,选择任意曲面进行形位误差分析,测得选定内部曲面的圆柱度为1.11mm、平面度为0.61mm、平行度为1.92mm。本文方法只需输入零件测量STL模型和零件设计IGES模型,再选取设计IGES模型待测曲面就可以自动地完成零件内外曲面的形位误差分析。

• 船用天然气发动机电子节气门自适应高阶滑模控制

  姚 崇，刘健美，龙 云，董 全

  针对船用天然气发动机电子节气门非线性控制问题以及高阶滑模控制存在的边界难以估计问题,提出了一种基于高阶滑模理论的节气门自适应控制算法,设计了基于系统相平面轨迹收敛过程的自适应策略,为了增加控制算法的实用性,在自适应策略的基础上设计了检测区域,通过判断系统状态与该区域的相对位置双向调节控制增益,以防止增益过大而导致控制精度降低、控制能量浪费的问题;同时,采用鲁棒微分估计器,对不可观测量进行估计;最后,设计3种测试方案,将该算法与传统高阶滑模算法进行实验对比。实验结果表明:在阶跃信号下,该算法使系统响应速度提高35%,稳态误差均方根减小37.5%;在正弦信号下,系统最大稳态误差和稳态误差均方根分别减小30%和22%。

• 轮式智能车动-静随机障碍物避障研究

  吴 宇，郝万君，卞长庚，周嘉玉，张正夫

  针对智能车传统A?算法存在拐点较多,不平滑,易发生碰撞问题,提出一种A?与DWA融合改进随机避障方法。在A?优化算法中通过计算节点间斜率,选择关键节点,剔除冗余节点,改进了评价函数,提高A?算法速度和路径平滑性。针对A?优化算法无法规避随机障碍物及DWA算法存在速度与安全不兼顾问题,提出一种兼顾速度与安全性的优化DWA自适应算法。在每两个优化关键节点间采用自适应动态窗口法进行局部规避随机动-静态障碍物,使智能车自主、平滑、安全、高效规避障碍。实验显示:本文算法与A?、Dijkstra、改进A?与基本DWA融合算法相比,在3种环境下全局路径长度、拐点数、时间平均降低2.9%、36.2%、24.7%;2.9%、40.7%、30.9%;0.31%、23.8%、13.6%,能够实现随机避障且路径平滑,验证了本算法的有效性。

• 高频磁致伸缩换能器谐振频率特性分析与控制

  黄文美，胡少鹏，张伟帅，翁 玲，周 严

  本文研究了工作温度和负载变化对换能器谐振频率的影响规律并设计了反馈控制系统以实现谐振频率跟踪。首先基于磁致伸缩换能器机电等效电路,推导了以工作温度T和负载F为自变量的谐振频率计算模型,搭建了温度可控、负载可调的谐振频率测试系统;然后对实验测试数据进行分段线性拟合和曲面数值拟合,得到了满足线性相关度和曲面拟合优度要求的谐振频率关于温度和负载变化的二元函数模型,进而确定了谐振频率计算模型的相关参数;最后依据计算模型设计了反映温度和负载变化的频率跟踪反馈控制系统并测试了换能器输出特性,结果表明换能器的振动加速度幅值平均提高了31.11%,且谐振频率能跟随温度和负载的变化而自动调整,实现高效率稳定运行。

• 蛇形机器人跟踪误差预测的自适应轨迹跟踪控制器

  李东方，杨弘晟，邓宏彬，黄 捷

  为了满足蛇形机器人轨迹跟踪运动的精度需要,消除外界干扰对机器人跟踪误差的影响,提出了一种蛇形机器人跟踪误差预测的自适应轨迹跟踪控制器。所提出的控制器实现了机器人干扰变量、摩擦系数和控制参数的预测,并用预测值和虚拟控制函数来补偿系统的控制输入,抵消了蛇形机器人在轨迹跟踪过程中的侧滑角,避免了干扰变量对机器人带来的负面影响,提高了轨迹跟踪的误差稳定性与控制精度。在建立蛇形机器人模型后,利用积分形式的侧滑角补偿项改进了视线法,并设计了蛇形机器人的自适应轨迹跟踪控制器。使机器人的位置误差在10s内实现收敛,角度误差小于0.03rad,预测值误差在5s内收敛。通过仿真实验,验证了所提出的控制器的有效性和优越性。

• 基于时间近邻拉氏正则的多工况软测量回归

  徐志强，任密蜂，程 兰，李 荣，阎高伟

  针对流程工业中,工况改变导致传统软测量模型预测精度下降的问题,考虑到工业数据连续性、序列性、多重共线性、数据量庞大等特殊性对模型建立的影响,提出一种基于时间近邻拉普拉斯正则的多工况软测量回归模型框架。针对工业数据的多重共线性,回归框架采用非线性迭代偏最小二乘方法,同时引入域适应正则项改善工况变化对模型的影响,在此基础上,提出时间近邻拉普拉斯正则项,能够在映射过程中保持住数据的序列结构,并且大幅度减少模型训练时间以满足工业实时性要求。实验部分以三聚氰胺聚合过程多工况数据集为例,对本文模型的预测有效性以及减少训练时间的有效性进行了实验和分析。结果表明,与传统方法偏最小二乘回归相比,当目标工况为工况1到工况4时,本文方法使平均均方根误差分别降低了30.3%、31.4%、29.3%和24.1%。且相较于传统全连接法,时间近邻法构建拉普拉斯正则项能够使得四个工况上模型训练时间分别降低14.11、1.01、26.43和0.71s,表明该模型的预测准确性和训练时间均得到有效改善.

• 基于参数优化的连铸结晶器振动位移系统 复合控制研究

  马 壮，方一鸣，赵晓东，周 健

  本文以伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移控制系统为研究对象,针对系统工艺控制中要求伺服电机转速单方向、变角速度转动,同时考虑系统控制器参数的选取大多依靠经验等问题,提出了一种基于前馈控制与参数优化的PID反馈控制相结合的复合跟踪控制策略。首先,根据伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统特性,建立了伺服电机输出转速与振动位移之间的近似数学模型。其次,针对伺服电机单方向转动工艺约束条件,确定结晶器振动位移系统以转速补偿作为前馈控制器,保证系统控制器输出大于零.再次,针对振动位移系统控制器参数大多依靠经验选取的问题,提出采用一种改进的飞蛾火焰优化算法优化PID控制器参数的策略,以实现结晶器振动位移高精度跟踪控制。最后,通过仿真与实验验证所提方法的有效性,实验结果表明:优化后的振动位移调整时间缩短了0.3s,振动位移跟踪相对误差减小了1.8%。