仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2022年第2期

• 高灵敏低压电磁感应式滑油磨屑传感器

  曾周末，许恩蕾，黄新敬，赵建远，李 健

  提出了一种高灵敏低压低功耗的三线圈电磁感应式磨屑检测方法。理论推导了金属磨屑穿过线圈组引起的感应电压变化的表达式,并据此对线圈组的几何参数进行了优化。通过在激励和感应线圈两端分别并联和串联恰当容值的电容实现双LC谐振,以获得更高的激励电流和感应电压。实验验证了在108kHz、5Vpp的正弦信号激励下,上述两种方法同时使用能够较大幅度提高信噪比,在相敏检波电路之后未使用放大电路的情况下能够清晰地检测到低至150μm的铁质颗粒,而此时激励线圈的有功功率仅为1.12mW。所设计的传感器能够在平衡低功耗的同时获得高灵敏度,其优化思路对于同类型传感器优化具有借鉴意义。

• 一种高灵敏度磁性液体倾角传感器的研究

  赵心语，姚 杰，刘嘉盟，胡 洋，李德才

  磁性液体独特的二阶悬浮力可以替代固体弹性元件为倾角传感器的惯性元件提供一个柔性弹性力,能够极大提高倾角传感器的抗冲击性能,已经在石油勘探行业成功应用。为进一步提高磁性液体倾角传感器的灵敏度,基于磁性液体的二阶悬浮特性提出了一种新的结构和检测方法,对传感器中两个永磁体间磁场的空间分布进行了理论计算和仿真,并通过试验对比分析了在选定不同参数条件下传感器的静态性能,最终得到当侧向间隙为3mm,磁性液体注入量为1.4g时,传感器量程为0°~50°,线性度误差为1.0047%,灵敏度为2.3mV/°,分辨率为0.023°,重复性误差为3.18%,工作性能最佳,且该传感器性价比高,壳体用材环保,具有很好的实用价值。

• 随钻姿态测量重力加速度自适应提取算法

  韩 冬，孙 伟，陈 龙，连 杰

  为解决旋转导向钻井过程中由于钻具的高速旋转、剧烈振动和冲击给随钻姿态测量带来巨大干扰的问题,基于互补滤波框架提出了一种钻具重力加速度提取算法。首先通过余弦矩阵微分方程得到基于陀螺仪的重力加速度的递推方程,然后利用陀螺仪和加速度计在频率上互补的特性,在互补滤波框架下融合得到钻具重力加速度;同时,为了提高系统鲁棒性,利用非重力加速度和钻具旋转速度作为模糊算法输入,通过模糊算法动态调整互补滤波参数;最后设计了振动和旋转实验验证了算法的有效性。实验结果表明,使用本文算法提取重力加速度后姿态估计精度得到明显提升,本文算法相比于基于Kalman滤波框架的重力加速度提取算法在PC机测试环境下单次运算时间减少31.9%。

• 全视场在线图像可视铁谱磨粒显微成像特性分析

  李 博，吕浩文，吴 伟，郑 杰，席寅虎

  为了评估全视场在线图像可视铁谱磨粒显微成像特性,提出了一种反射光显微成像模型。首先,基于朗伯余弦与小角度散射理论建立了全视场(OLVF)的反射光辐照度模型,实现了磨粒显微成像清晰度定量评价。然后,仿真计算磨粒显微成像的反差透视比,确定了最优光学倍率和适用于全视场OLVF探测的油液衰减系数范围,明确了光学参数对磨粒显微成像质量的影响规律。结果显示:光学倍率为2.0×且油液衰减系数≤2.0条件下,磨粒沉积于物方视场的主光轴附近,全视场OLVF可获得最佳磨粒显微成像清晰度。最后,开展了磨粒显微成像实验测试,结果表明:全视场OLVF能够从油液衰减系数小于2.0的在用液压油和齿轮油中获取反射光谱片图像,并提取磨粒视觉信息进行磨损在线监测。

• 非接触电感式角位移传感器的设计与校准

  陈小丽，张 波，李 杰，田 跃

  本文设计了一种非接触电感式角位移传感器,该传感器由定子和转子组成,其中转子由扇形铜箔获得,定子包含一组激励线圈,一组接收线圈以及后续处理电路。当给激励线圈通入交变电流时,相邻两个接收线圈产生的感应电动势大小相等,方向相反,此时感应电压为0,当转子在接收线圈上方转动时,转子中产生的涡流会导致相邻两个接收线圈感应电压产生不同的变化,经过理论与仿真分析,验证了随着转子的转动,接收线圈中感应电压的幅值呈现正余弦变化。本文编写算法对正余弦信号进行识别与校准,以定位精度为0.0003°的高精度时栅转台为基准对样机进行测试,结果表明校准完成后,在0°~360°范围内该传感器误差为0.1°,满足实际生产需求,验证了该方案的可行性。

• 频域时空图像测速法的图像滤波器敏感性分析

  张 振，李华宝，袁 章，董 睿，王 杰

  时空图像测速法是以河流表面图像中测速线为分析区域、通过检测合成时空图像的纹理主方向计算得到一维时均流速的测量方法,具有空间分辨率高、实时性强的特点。在实际应用中纹理主方向的检测精度难免会受到水面紊流、倒影、耀光、障碍物、降雨等环境扰动的影响,导致测量出现粗大误差。频域滤波技术是一种抑制噪声的有效方法,能显著提高时空图像的纹理清晰度。但现有研究在滤波器参数的敏感性分析方面存在不足,使得该方法的适用性受限。对此通过在水文站搭建在线视频测流系统采集了不同条件的河流水面视频数据,分析了6种典型场景下时空图像的空域及频域特性,进而开展了频域扇形滤波器方向角、通带夹角及半径参数的敏感性分析实验。实验结果表明:采用提出的椭圆形积分区域检测方向角优于现有的单像素宽直线;当设置通带夹角为±5.3°且半径为R/2时,滤波器在上述场景下均能有效地滤除噪声干扰。使得时空图像纹理主方向的检测精度在正常场景下达到0.1°,在复杂含噪场景下控制在0.5°以内,表面流速测量的相对误差小于6.2%。

• 微小型空间相机碳纤维整体式主框架轻量化设计

  曹明辉，辛宏伟，陈长征，朱俊青

  针对某微小型离轴空间相机结构紧凑、质量轻的设计要求,设计了一个高度轻量化的整体式碳纤维主框架。首先,根据空间相机具体功能的设计指标和光学系统,确定主框架的材料和结构形式,设计出碳纤维整体式主框架的基本构型。接着对铺层厚度参数化优化,并考虑碳纤维复合材料的制造约束,确定了主框架碳纤维铺层的厚度、比例。将参数化优化的结果进行离散化,进行碳纤维铺层顺序的优化,确定了最佳的堆叠次序,完成了碳纤维的铺层优化设计,实现了主框架的轻量化设计,解决了复杂碳纤维零件优化的问题。然后对设计完的碳纤维主框架结构代入整机有限元模型中,进行有限元仿真分析,验证主框架的性能指标。最后,将整机装配完成进行动力学试验,并与有限元分析结果进行对比验证。经过优化,碳纤维主框架的质量为4.5kg,相机一阶频率为81Hz,动力学试验得到的相机整机的一阶频率为78Hz,仿真误差为3.7%,符合仿真结果,进一步说明了设计的合理性以及正确性。本文提出的空间相机碳纤维整体式主框架设计方法对微小型离轴三反式空间相机结构设计以及碳纤维零件的轻量化优化设计具有一定的借鉴意义。

• 室内伪卫星载波多径误差抑制方法研究

  夏 炎，潘树国，蔚保国，赵 越，张 衡

  为提升伪卫星在室内多径环境中的定位精度,根据室内伪卫星载波多径的时空变化特征建立了一种基于用户空间位置的多径误差改正模型。首先提取静态采样点的载波双差多径误差值,以采样点的三维坐标为输入、多径误差为输出,采用基于径向基核函数的支持向量回归进行误差模型训练,并借助留一法交叉验证获得模型的最优超参数。在该模型基础上,通过迭代不断修正载波双差观测方程,使得位置解能够最大程度地逼近真实坐标,从而达到抑制多径的目的。强多径室内环境下静态相对定位实验表明,多径改正后的整体平面定位精度提升到厘米-分米级,垂直精度提升到1m以内。该方法无需对系统进行改造,适用于结构化室内环境中的伪卫星高精度定位。

• 风云四号地球静止轨道卫星测距系统误差标校 及其定轨影响分析

  鲁文强，裘 奕，杨 磊，黄 勇

  测距系统误差是影响地球静止轨道(GEO)卫星定轨精度的主要误差因素,GEO卫星的静地特性使得测距数据系统误差特别是测站系统差和卫星轨道存在较强相关性,必须通过其他独立手段解决。首先利用仿真数据分析了地面系统误差和星上系统误差对轨道的影响特性,随后以风云四号B星(FY-4B)测距系统为例分析了测距实测数据,分析结果表明风云四号B星测距系统中存在异常的系统误差,为确定该系统误差的来源,设计了一系列试验方案进行分析,通过试验排除地面设备系统误差,确定了风云四号B星测距系统误差来自于研制厂家提供的错误星上转发器时延值,利用定轨估计解算星上系统误差对其进行标校,以及利用标校后的观测数据重新定轨,各站残差由15m降至2m,定轨精度由800m提高到20m,分析表明,通过定轨估计解算对星上系统误差进行标校的方法是切实有效的。

• 四端对同轴型计算电阻及其量值传递的研究

  白 天，王书涛，杨 雁，曲正伟，黄 璐

  针对回线型和双螺线型计算电阻普遍存在的热电效应误差以及非金属支撑件引入的介质损耗等导致频率特性变差的问题,本文研制了一种结构简单且交直流差极小的1kΩ四端对同轴型计算电阻,并基于理论公式计算和三维电磁场有限元仿真建模得到分布电容、残余电感、趋肤效应、涡流损耗等对其交直流差的贡献量。设计并研制了一种基于感应分压器原理的高精度四端对交流电阻电桥,采用两只频率特性已知的商用10kΩ四端对四回线型计算电阻作为标准,实现对四端对同轴型计算电阻的400Hz~10kHz频率特性的实验验证。此外,采用该计算电阻还可实现对100Ω、1kΩ、10kΩ的商用交流电阻器的高准确量传,其最佳测量标准不确定度为1kHz下量传1kΩ时的8×10-8。

• 用于瞬态微观轮廓检测的 Mirau 偏振干涉显微镜

  吕 鑫，王道档，阮 旸，孔 明，许新科

  基于PZT移相的传统Mirau干涉显微镜存在采样时间间隔长、易受外界环境扰动影响以及对比度不可调等问题,提出了用于瞬态微观轮廓检测的Mirau偏振干涉显微镜。系统利用线栅偏振片作为偏振分束器,实现偏振分光和条纹对比度的可调,以满足不同反射率被测对象的检测需求;利用偏振相机瞬时获取四幅偏振相移干涉图,可有效降低外界环境扰动影响。对系统采用的偏振元件进行了建模分析,得到实际的偏振像差分布,并将其作为系统误差予以剔除。同时针对偏振相机存在的视场误差,研究了基于相位插值的视场误差校正方法。通过分析系统中各个器件特性对测量结果精度的影响,提出相应的误差校正方法。对所提出的Mirau偏振干涉显微镜的精度和可行性进行了实验论证,实验结果表明,其测量精度优于1/100λ,重复性精度优于0.1nm。该测量系统具有对比度可调、瞬态测量以及结构紧凑等优点,为各类元件表面微观轮廓以及微小结构的在线检测提供了一种可行方法。

• 涡轮流量计在不同粘度介质下标定曲线形态的实验研究

  刘夷平，梁艳争，朱碧玉，马 力

  涡轮流量计的准确度受被测介质及其运动粘度变化的影响。使用体积流量和仪表系数无法从变粘度实验中取得形态一致且可预测的标定结果。应用量纲分析导出雷诺数和斯特劳哈尔数作为描述涡轮流量计性能的无量纲参数。通过改变丙二醇-水溶液的体积浓度得到5个不同运动粘度的介质,分别用于标定一台DN25涡轮流量计。对比结果表明,不同粘度下的标定曲线在雷诺数小于7400区域出现分离,标定数据最大相差0.9%。随着雷诺数增加,仪表系数中轴承阻滞部分的影响相对减小,标定曲线簇由分散趋于聚拢,标定数据差异小于0.1%。叶片表面的流动边界层发生层湍转捩时阻力的突变导致标定曲线出现驼峰,运动粘度越低,驼峰趋于平缓。轴承阻滞中的静态阻力部分是造成相同雷诺数下仪表系数差异的主要原因,这种差异随雷诺数减小而增加,所以,当校准介质和工作介质的运动粘度有显著差异时,涡轮流量计要避免工作在低雷诺数区域。

• 预应力钢绞线磁谐振应力监测试验研究

  周建庭，刘惠玲，张森华，张 洪，廖 棱

  预应力钢绞线是混凝土结构的关键受力构件,其有效预应力一旦损失严重,将威胁结构安全。为了精准监测钢绞线应力状态,基于磁谐振原理和磁弹效应,提出预应力钢绞线磁谐振应力监测方法。设计了双线圈磁谐振传感器,分析了测试频率选择方法,搭建了钢绞线应力监测系统。为验证该方法的可行性,对不同设计拉力的镀锌钢绞线和涂环氧树脂钢绞线试件进行了应力监测试验。试验结果表明:不同批次的钢绞线对应的感应电压随拉力的变化趋势相似;感应电压和钢绞线应力非线性相关,三次拟合优度R2均大于0.96,灵敏度可达0.06479%/kN;依据拟合结果和测得感应电压计算钢绞线应力,得到在高荷载情况下钢绞线应力测试误差集中小于4%,为预应力钢绞线监测提供了新方法。

• 基于编码压缩的钢板电磁超声 Lamb 波检测方法研究

  黄祺凯，石文泽，卢 超，陈 尧，董德秀

  针对大型金属板材构件导波检测中EMAT分辨率低、SNR差,难以用于小裂纹检测等难题,建立了基于Barker码脉冲压缩技术的Lamb波EMAT检测过程多物理场有限元模型,以含预制裂纹的5.6mm厚钢板为检测对象,仿真和实验相结合,研究了永磁体宽度和高度、曲折线圈匝数、Barker码序列长度和码元长度等参数对EMAT检测回波的影响,验证了脉冲压缩技术在Lamb波EMAT检测中的有益效果。结果表明,基于脉冲压缩技术的EMAT经优化后,SNR比传统tone-burst激励方式高出了9.69dB,可检出10mm长和0.5mm深的小裂纹,缺陷波SNR为23.47dB。当Barker码码元中心频率为1MHz时,脉冲压缩后的Lamb波包发生模态分离,但A0模态的缺陷波SNR仍可达35.23dB,这对提升Lamb波EMAT检测能力具有重要的工程应用价值。

• 基于磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构设计

  刘子琦，陈启梦，李子博，吴 琼，王 哲

  针对常规基因生物芯片成像系统由于基因芯片位姿调整频繁而引起的调整机构机械磨损的关键问题,设计一种基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪。根据基因生物芯片成像扫描仪的工作原理及磁悬浮技术的结构特点,建立由电磁参数与成像分辨率组成的系统微分阵列,通过理论优化确定电磁结构参数,采用有限元分析法对系统进行电磁热结构耦合分析,优化分析结果并搭建实验测试装置。利用本装置对基因生物芯片成像扫描仪进行参数标定,验证扫描仪磁悬浮系统结构设计结果,并与进口PCR仪进行实验测试数据比对。结果表明,本文设计的磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构匝数为340N时产生的有效电磁面积为180mm2,此时磁悬浮系统精度误差小于0.15mm,与仿真数据基本吻合,与美国Bio-Rad数字PCR系统做T790M突变检测的数据对比实验所测得结果CV<5%。本文设计的基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪精度可以满足基因生物芯片成像检测的要求,为提升调整装置使用寿命方面提供核心技术保障,在提升临床肿瘤筛查、基因诊断技术中发挥重要的作用。

• 基于电容耦合式电极的非接触式 ECG 采集方法研究

  汪毅峰，李江涛，徐峥一，田星辰，李晨颉

  目前心电图(ECG)采集主要使用湿式Ag/AgCl电极,这种电极需要与皮肤紧密贴合以获取高质量的信号,然而导电胶硬化,电极可能对皮肤造成刺激或损伤以及使用过程中的不适感使得Ag/AgCl电极不适合用于长期ECG监测。提出了一种搭载交流自举缓冲电路的电容耦合式PCB电极,具有约100GΩ的超高输入阻抗。实验测试结果表明,该PCB电极可以隔着多层绝缘介质对不同频率的信号保持较高的耦合率,实际的输入阻抗为87.26GΩ,与Ag/AgCl电极的同步采集结果相似度高达91%以上。最后就导联位置,耦合介质参数和被试者运动状态等因素对非接触式ECG采集效果的影响进行实验研究。结果表明,提出的非接触ECG采集方法可以在多种情况下有效采集ECG信号的主要成分和心跳节律。

• 基于残差收缩网络的睡眠脑电分期

  陈玲玲，毕晓君

  现有睡眠分期方法存在特征提取不充分、类别间存在数据不平衡等问题,导致睡眠分期的精度不高。基于残差收缩网络设计高效的特征提取网络,同时,在损失函数中基于重加权思想设计了类别加权损失函数,通过调整损失函数有效解决了数据不平衡对分类精度的影响。实验结果表明,改进算法在Sleep-EDF数据集中的Fpz-Cz、Pz-Oz通道上,准确率分别为85.4%和82.2%,MF1分别为79.6%和75.4%,均高于基准算法和目前先进的对比算法,证明了算法的有效性和先进性。

• 一种汽车风扇驱动电路辐射电场的电磁兼容性预测方法

  金 亮，曹佳豪，杨庆新，王艳阳

  电磁兼容的时域近场仿真在工业应用中越发受到关注,汽车电子风扇驱动电路物理特性复杂,在陡脉冲信号激励条件下时域仿真存在计算时耗过长的问题。首先分析并验证时域有限元计算的波形振荡问题,以及经典辐射电场时频域计算方法在实际应用的局限性。其次,对比和研究不同窗函数对非相干采样条件下陡脉冲信号频谱泄漏的抑制作用,并通过三次样条插值削弱栅栏效应,建立基于Rife-Vincent(Ⅲ)窗傅里叶变换和三次样条插值法的辐射电场时频域计算方法。最后,实现了汽车风扇驱动电路时域辐射电场的快速计算,避免了时域计算初期的数值振荡问题,非并行计算条件下,相较于传统时域计算方法缩短了约62%的计算时耗。本文方法为并行计算提供了条件,具有降低数倍至数十倍计算时耗的潜力。

• 基于 Huber 鲁棒容积裂变粒子滤波的协同导航方法

  孙 伟，刘经洲

  数据融合作为多源协同导航方案中的一环对状态估计质量影响重大。粒子滤波由于其在非线性非高斯系统中具备的独特理论优势已逐渐成为众多融合方法焦点。但粒子退化及其导致的样本枯竭却制约粒子滤波在复杂工程中的应用。提出采用鲁棒容积裂变粒子滤波解决上述问题。首先在容积法则框架下利用Huber函数将L2范数与L1范数结合来改进重要性密度函数,抑制观测噪声并通过高斯分布融合拉普拉斯分布进一步优化建议分布,以此缓解粒子退化;在重采样前对粒子群进行裂变衍生,通过对高权值粒子进行裂变并覆盖低权值粒子重构粒子权值实现对样本枯竭的抑制。多源协同导航车载实验表明,在相同条件下,相对于扩展卡尔曼滤波、容积粒子滤波、强跟踪粒子滤波,提出的算法在精确度上分别提高了23.04%、42.62%、37.74%,为缓解粒子退化和多源协同定位提供了新的思路。

• 漏磁信号增强算法研究

  杨理践，赵东升，耿 浩，黄 平

  对漏磁信号进行增强处理以提高其信噪比是实现漏磁数据智能分析的重要前提。漏磁信号中同时包含低频和高频噪声,直接进行处理往往会产生较高的错误率。从无限长矩形凹槽的磁偶极子模型中发现,漏磁场的切向分量和法向分量的原函数和一阶导数具有较强的交叉相关性。于是,利用这种交叉相关性,提出将漏磁场磁感应强度切向分量和法向分量融合的漏磁信号增强算法,对检测目标位置的信号进行增强,同时对其余位置的噪声进行抑制,从而提高漏磁信号的信噪比。利用牵拉实验数据和在役管道漏磁内检测数据对算法进行了初步验证和推广。最后,从在役管道漏磁内检测数据中收集了若干样本,并提出适合于漏磁信号的信号质量评估方法,对所提增强算法进行量化评估。实验结果显示,几乎所有样本的信号质量均得到了提高,大多数样本得到了不小于10dB的提高。

• 射线源平移扫描 CT 解析重建算法研究

  李 雷，余海军，谭川东，段晓礁，刘丰林

  微焦CT通过圆周扫描可对处于视场内的物体实现高分辨力成像。针对超出视场的大物体CT成像,一种射线源平移扫描CT(STCT)被提出。STCT采用射线源直线运动的方式采集投影数据,具有结构简单、应用灵活等特点。由于在STCT扫描过程中,每个位置的射线只能照射到部分物体,投影数据存在截断。为了提高重建效率和处理截断投影数据,提出了基于数据重组的滤波反投影重建算法(rFBP),该算法基于STCT扫描特性和X射线衰减性质,通过对置射线源采样点与探测器像元,将截断投影数据重组为全局投影数据,并在此基础上推导了rFBP算法表达式。仿真和实物实验结果验证了rFBP算法的有效性与实用性,重建时间综合缩短至SIRT算法的0.6%。rFBP算法能避免截断伪影,准确、高效地重建STCT图像。

• 基于模态分量优化重构和稀疏表达的 静电信号联合降噪方法

  殷逸冰，文振华

  航空发动机静电监测技术表现出了较高的故障预警能力,但原始静电信号常包含较多噪声,为提高故障信息提取的准确性,必须对静电信号进行降噪处理。本研究首先介绍了静电监测技术的原理,分析了信号的噪声的来源和主要构成;针对静电信号耦合噪声滤除问题,引入了信号稀疏表达和经验模态分解理论,研究了模态分量的筛选依据和相关准则,并提出了一种基于模态分量优化重构和稀疏表达的联合降噪算法和具体流程;利用所提方法对涡扇发动机试车实验中采集的实际静电信号进行了降噪效果验证,并与其它方法进行了对比。结果表明本文方法在滤除随机噪声以及工频干扰的同时能更高程度的保留有用异常颗粒信号,稀疏迭代次数在设置为20~50时均能够较好提取异常信号。

• 基于多模态步行意图识别的助行机器人柔顺控制

  赵东辉，王 威，张紫涵，杨子豪，杨俊友

  在辅助行走或步行康复训练过程中,助行机器人在紧密跟随人体步态的基础上,准确识别异常行为是人机交互的重要研究内容。为此,提出一种兼具通用性、鲁棒性与便捷性的非接触式多模态步行意图识别方法,能够准确识别多种步态并柔顺地控制机器人运行。首先,分析了步行辅助机器人和步行康复训练机器人的结构、功能与运动学模型,建立了内嵌式机载步态信息检测系统,从而准确描述步态变化规律;其次,为有效解决标志点丢失问题,提出了一种新型的扩展集员滤波算法来精确估计膝关节角度;最后,通过引入用户步态信息,建立了一种基于步态补偿的柔性控制方法并进行了实验研究。实验表明,提出的算法能够在有效克服标记点丢失的情况下,准确识别交互过程中的正常步态,并柔顺地控制机器人运动,同时对跌倒和拖拽步态进行有效识别,识别率分别达到91.3%和89.3%。该非接触式步态意图识别方法可以应用于具有类似结构的助行器及其日常助行与康复训练场景。

• 基于屏障 Lyapunov 函数的上肢康复机器人 自适应主动交互训练控制

  吴青聪，张祖国

  针对上肢运动功能障碍患者进行辅助康复训练,搭建了一套上肢康复外骨骼机器人系统,并提出一种基于屏障Lyapunov函数的增广神经网络自适应导纳控制策略。首先,介绍了上肢康复外骨骼的机械机构及其控制系统。然后,推演了控制器的设计过程并进行了Lyapunov稳定性证明。最后,分别进行了不同控制内环的轨迹跟踪被动训练实验和不同导纳参数下基于人机交互力的主动交互训练实验,同时分析比对了主动训练时的人机交互力与轨迹偏差的变化关系。被动训练实验结果证明了增广神经网络对人机模型动力学的逼近效果,其轨迹跟踪峰值误差为模糊PID控制器的53%。主动交互训练实验证明了通过调整导纳参数可实现在相同训练任务下不同强度的康复训练以匹配不同康复阶段下的患者。

• 基于伪逆的冗余度机械臂关节速度约束方案

  李克讷，马玉如，王温鑫，刘 超

  针对冗余度机械臂逆运动学求解结果可能超出机械臂物理限制的问题,提出两种基于伪逆算法的冗余度机械臂关节速度约束方案。首先,根据冗余度机械臂末端执行器的跟踪任务,运用伪逆算法在速度层上进行冗余度解析。其次,分别利用设计的两种约束方案对指定的关节速度进行限制与压缩,获得新的速度解并用以执行指定的轨迹跟踪任务。接着,针对末端执行器出现的位置误差,设计误差补偿函数以保证跟踪任务的顺利执行。最后,利用MATLAB软件对六自由度机械臂进行了运动规划仿真实验,并利用Arduino平台对六自由度机械臂进行算法实验验证。实验结果表明,两种约束方案下机械臂的最大跟踪误差均不超过3×10-4m,且时变函数约束方案在限制关节速度时获得更好的速度平稳性。

• 弱电网下并网逆变器锁相环优化方法

  陈继开，祝世启，李浩茹，钟 诚

  针对弱电网条件下并网逆变器锁相环精度易受电网电压畸变、频率偏移、三相电压不平衡以及直流电压偏置等工况影响的问题,本文提出一种适用于弱电网下并网逆变器的解耦双同步坐标系锁相环(DDSRF-PLL)优化方法。首先在建立DDSRF-PLL模型的基础上,从理论角度证明电网电压畸变和直流电压偏置是影响传统DDSRF-PLL锁相精度的关键因素;而后利用傅里叶变换具备抗谐波和抗直流偏置干扰的优点,提出基于滑动傅里叶变换(SFT)的频率自适应鉴相器,继而构建适用于并网逆变器的优化解耦双同步坐标系锁相环。在电网电压发生畸变时本文所提锁相环在20ms内可以完成对电压相位跟踪,在电网电压存在直流偏置的情况下本文所提锁相环能在10ms内快速跟踪电压相位,且相位超调量在1°以内。实验结果表明,本文所提锁相环在弱电网环境下能快速准确的提取电网电压的频率和相位信息,有助于并网逆变器在电网电压畸变、电网电压直流偏置和电网电压不平衡等复杂工况下降低输出电流谐波含量。

• 基于自适应选择主被动均衡拓扑的 机载锂电池电源能量均衡方法

  刘 威，王友仁，许煜辰，陈则王

  机载28V串联蓄电池组内的不一致性会减小其能量利用率及寿命,严重时会导致飞行事故发生。本文提出了一种基于新型均衡拓扑的锂电池组能量均衡方法,以改善串联电池组的不一致性。该均衡拓扑利用结构简单的隔离型DC-DC变换器及功率电阻器实现蓄电池组内任一单体电池的“削峰”或“填谷”,相对于非集中式均衡拓扑减小了均衡元件的数量和系统体积。以荷电状态作为均衡变量,实现了机载28V蓄电池组内各单体之间的能量快速转移。仿真及实验结果表明,所提出的新型均衡方法,相较于基于集中式DC-DC拓扑的均衡速度最高可提升13.3%,均衡后电压极差最低降低至32mV,SOC极差低于0.4%,具有更快更好的均衡效果。

• 面向跑道积冰预警的自主降温装置及性能调控

  陈 斌，汤凯峰，高大枘，焦琳青，王立文

  针对跑道积冰问题,设计以热电制冷器为核心的自主降温装置实现积冰主动预警。数值分析表明装置冷端受跑道小范围气象环境影响,具备非线性特性。为实现装置温度快速响应和精准跟随,提出双回路自抗扰控制(ADRC)方法,设计了面向跑道积冰预警需求的自主降温控制器。仿真结果表明ADRC温控跟随及抗扰性能均优于非线性PID,均方根误差分别为0.6541和1.1526。低温实验箱温控性能测试显示,装置在不同的温控指令下ADRC的稳态误差均小于非线性PID,最高为0.04℃;跑道环境下的冰点探测实验表明,装置能够实现跑道冰点探寻功能。该自主降温装置温控性能调控策略满足跑道积冰主动预警之需求。

• 面向显微操作的生物自动化捕捉系统研究

  樊启高，赵 然，时 帅，黄文涛，毕恺韬

  在生物显微操作实验中,安全稳定地捕捉生物目标具有极其重要的意义。针对传统人工操作效率低、可重复性差等问题,提出了一套面向显微操作的生物自动化捕捉系统,通过视觉反馈以及闭环控制,使用微移液管自动化抽吸在液体生长介质中的生物对象。首先采用粒子群算法对传统图像分割算法进行优化,以实现视野中生物目标与移液管位置的同步实时跟踪;然后建立了微移液管捕捉过程的动力学模型,采用非线性干扰观测器来抑制模型参数的不确定性及环境干扰,并建立了闭环控制系统;最后通过实验验证系统性能。实验测得系统的图像平均分割时间为81.05ms,捕捉平均所需时间1.85s,捕捉平均最大误差0.34mm,捕捉成功率94%。实验表明,系统可以在不同光源及视野中存在微量干扰的环境下实现准确、快速、无损捕捉生物对象,并具有良好的鲁棒性。该方法的潜在应用包括胚胎玻璃化冷冻、胚胎干细胞移植、卵裂球活检、细胞力学性质检测等。

• 城市轨道列车速度曲线预测函数控制改进算法

  王龙达，王兴成，刘 罡，徐传芳

  为有效解决城市轨道列车速度曲线跟踪控制问题,提出了一种速度曲线预测函数控制改进算法IPFC。所提出的预测函数控制改进算法选用阶跃函数和Morlet小波函数作为基函数,其依据目标速度曲线的变化程度,给出了一种预测函数控制的基函数选择策略,该策略可实现小波与阶跃基函数的切换。除此之外,给出了一种基于系统性能模糊满意度与优化因子的柔化因子非线性自适应在线调整策略,通过调整优化因子能够进一步提升跟踪控制性能。基于大连城市轨道交通12号线中旅顺新港至铁山镇的城市轨道列车速度曲线跟踪控制场景,在硬件在环实验环境下得到的实验结果表明,所提出的IPFC能够显著改善控制系统的控制性能,节能、准时、停车精确、舒适4个性能指标都有明显的改善,特别是准时与精确停车,相比广泛应用于实际的传统改进算法均大幅提升超过了55%。