仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2022年第5期

• 抗过载环形 MEMS 固体波动陀螺设计加工与测试

  曹慧亮，郭天琪，申 冲

  本文针对传统MEMS振动陀螺在经历高过载过程无法存活且冲击前后参数变化大的问题,开展了抗高过载MEMS固体波动环形微机械陀螺设计、加工和测试方面的研究工作。首先,提出了全对称梁的陀螺结构形式,该结构能够有效的减小冲击过程在结构中造成的应力残留,配合止挡机构以及灌封技术能够提升陀螺在冲击过程中的存活能力,并在此基础上推导了陀螺的动力学方程和敏感轴冲击振荡运动函数,指出了敏感轴冲击模态的固有频率越高、品质因数越小则越有利于提高陀螺在敏感轴上的抗冲击特性。其次,利用有限元分析软件对陀螺结构进行了模态分析和冲击特性仿真,结果显示在15000g@10ms的冲击作用下,陀螺的最大位移和应力分别为9.46μm和99.6MPa,保证了陀螺结构具有较好的抗冲击裕度。再次,利用较为成熟的玻璃-硅键合和深硅刻蚀工艺实现了陀螺结构的加工,结合陶瓷封装实现了陀螺结构的真空封装,并基于驱动闭环和检测开环回路搭建了陀螺的测试系统。最后,在实验室环境下利用冲击台实现了对陀螺样机的冲击测试,冲击过程(脉宽0.6ms)出现了多个5000g以上的峰值,最大峰值为16050g,陀螺响应时间约为1s,冲击前后陀螺零位变化小于1%,验证了本文研制样机的抗过载能力。

• 荧光原理的纸基张力传感器

  刘德全，张巍巍，伍林芳，李 凤，叶 强

  针对穿戴应用中传统传感器的穿戴体验差、成本高、构造复杂等问题,本文将具有形变响应特性的荧光材料与纸张结合,构建出荧光压谱原理的新型光学无线张力传感器。传感器的敏感材料是由罗丹明B(RhB)与PDMS混合成的复合荧光材料薄膜,通过丝网印刷方式涂敷到美工纸带上。RhB的荧光特征随着施加在纸带上的张力而改变,在自制的力加载实验台上标定了该传感器的响应函数,在6N量程里其张力分辨率可达0.04N。借助手环和指套将该纸基张力传感器穿戴贴合于手部拇指关节,实验证实可测量手指的屈伸姿态。这是首款基于非波导特性的光学力敏可穿戴器件,具有柔性、亲肤、易回收、极低成本、几乎没有环境污染等显著优点,可作为即用即抛的消费级传感产品用于人体健康评估、关节康复锻炼效果评价和机器人姿态控制。

• NO x 传感器的氧补偿及其标定策略

  钱 枫，付海亮，王明达，王 超，祝 能

  针对氧化锆基氮氧化物传感器信号受汽车尾气氧含量影响,导致精度不佳问题,提出一种氧补偿算法和标定策略。根据NOx传感器工作原理进行模拟试验,分析不同氧含量下泵电流IP2与NOx浓度的关系,得出氧补偿算法,并分析了氧含量与补偿系数的关系,设计出一种实时对IP2误差补偿的方案,使IP2在氧含量为0%~20%,NOx为0~3000×10-6范围内的误差减小到23nA,对应NOx浓度误差降低到15×10-6以内。为进一步提高传感器测量的准确度,设计了一套标定方案,并与国外NOx传感器进行对比测试。结果表明,该传感器在发动机瞬态工况下,NOx浓度为0~2000×10-6的环境中,测量误差为0~25×10-6,验证了该方案的可行性,满足尾气中NOx浓度的监测要求,为提高氧化锆基NOx传感器精度提供了可靠的解决方法。

• 基于激波原理的气体动态温度校准装置研究

  杨兆欣，顾正华，张文清，曾 星

  基于气体介质动态温度校准需求,研制了一套基于激波原理的气体动态温度校准装置。针对传统激波管产生激波持续时间短无法激励温度传感器的问题,通过改造传统激波管结构,实现了激波过程后稳态温度气体持续流动,克服了传感器有效激励问题。为了实现快速响应温度传感器的高质量动态校准,通过激波过程温度幅值补偿研究,减小了温度幅值不稳定对于动态校准结果的影响。此外,通过激波非定常边界层对于温度的影响分析,得到了忽略温度随壁面参数变化的条件,提高了激励信号发生的可靠性。最后,基于试验手段对于校准装置的可溯源性进行了分析和验证,试验结果表明所研制的气体动态温度校准装置可以产生阶跃上升时间为1.6ms,稳态幅值为320℃,持续时间为40s的动态温度激励信号,基本满足温度传感器动态校准需求。

• 基于因子图的 INS / UWB 室内行人紧组合定位技术

  李 倩，蒋正华，孙 炎，奔粤阳

  针对室内复杂应用场景下待定位行人接收到的超宽带(UWB)测距信息数量不确定问题,提出一种基于因子图的INS/UWB室内行人紧组合定位算法,实现对动态随遇接入与退出的UWB量测信息有效融合。首先,基于室内行人运动模型以及UWB量测模型构建INS/UWB紧组合因子图模型,由于对行人位置与速度同时进行建模估计,导致该因子图模型含有环结构。在此基础上,针对有环因子图模型基于和积算法(SPA)通过两次迭代推导因子图中各节点间消息传递算法,计算行人位置与速度的后验概率密度。进一步,针对特殊量测矢量条件下因子图算法定位误差跳变问题,提出一种基于坐标变换的因子图改进方法,从而有效提高行人位置与速度估计精度。仿真结果表明,本文提出的INS/UWB紧组合定位算法可以有效融合动态随遇接入与退出的UWB测距信息。在满足计算量与内存消耗需求的前提下,与变结构多模型扩展卡尔曼滤波(EKF)相比,本文提出算法的定位精度与速度估计精度可以分别提高14.94%与56.42%。

• 基于 Halbach 结构的低场核磁共振主磁体的设计与实现

  励洪泽，邬杨波，孙伟达，郭智勇，谢建军

  随着核磁共振不断向便携性和低成本方向发展,核磁共振仪中主磁体的小型化成为了大家关注的重点。为实现核磁共振的小型化,对基于Halbach结构的低场核磁共振主磁体进行了设计与实现。首先,利用ANSYS有限元仿真软件对采用多磁条特定排列形成的Halbach结构进行仿真,对磁条的数量、大小、长度、位置等参数进行调整;其次,根据仿真确定的理想模型参数,实现了主磁体,其为直径108mm、高170mm的圆柱体,重4.5kg,并对其中心磁感应强度和均匀度进行了检测;最后,根据检测结果,设计了一种匀场片矩阵,采用被动匀场的方式将磁体中心5mm直径球形区域内的均匀度提升至451.68ppm,中心磁感应强度为221.4mT。设计中,较好的权衡了磁体性能和生产成本。

• 基于级联深度神经网络的车辆位姿融合估计

  常 彬，李 旭，徐启敏，李 娜，胡玮明

  在复杂的城市环境下,全球导航卫星系统信号失效时,现有利用单目相机或惯性导航系统估计车辆位姿的方法存在严重的累积误差。针对以上问题,提出了一种基于级联深度神经网络(CDNN)的车辆位姿融合估计算法。首先,设计了一种级联深度神经网络,减小单目相机因尺度模糊和尺度漂移造成的累积误差;其次,为了减小引入的器件噪声,利用简化惯性传感器系统(RISS)获取车辆横向、纵向加速度和横摆角速度。为了减小系统中不确定噪声的影响,利用H∞滤波融合CDNN和RISS的输出,在准确估计车辆位姿的同时保证高频输出。在KITTI数据集上的实验结果表明,与基于卡尔曼滤波的方法相比,本文算法估计得到的东向位置均方根误差(RMSE)减小了41.3%,北向位置RMSE减小了70.6%,航向角RMSE减小了66.6%。

• 基于热电偶的低速风洞气流温度误差补偿方法

  杨兆欣，顾正华，张文清，曾 星

  低速风洞气流温度数据质量是影响风洞流场品质的关键,针对热电偶测量导热误差和辐射误差补偿方法开展了专项研究。具体基于传热学基本原理,开展了基于热电偶丝浸入长度定值导热误差补偿方法、周围温度相对变化率定值辐射误差补偿方法研究,得到了热电偶浸入长度和周围温度相对变化率与温度测试误差之间定量关系的仿真结果。为了对于误差机理分析和仿真结果进行验证,开展了风洞验证试验。试验结果表明:热电偶浸入误差实测结果与理论仿真结果基本一致,周围温度相对变化率ω<1,可以降低温度测量辐射误差对于温度均匀性影响7.12倍。所提方法对于气体介质条件下热电偶工程应用提供了有益探索和技术依据。

• 基于正则化的机床热误差自适应稳健建模算法

  魏新园，钱牧云，赵洋洋，潘巧生，苗恩铭

  通过建立预测模型对机床热误差进行补偿,是有效解决热误差造成机床精度下降问题的常用方法。本文提出一种基于正则化的数控机床热误差自适应稳健建模算法,能够在建模过程中自适应选择温度敏感点(TSPs),并具有高预测精度和稳健性。首先基于结构风险最小化原则对热误差建模稳健性机理进行分析,进而利用正则化算法中LASSO解的稀疏性实现自适应TSP选择。然后基于不同实验条件的热误差数据,分析所提建模算法的预测效果,并与常用的多元线性回归、BP神经网络和岭回归算法进行比对分析。结果表明,本文所提建模算法具有最高的预测精度和稳健性,分别为5.22和1.69μm。最后,利用所建立的预测模型进行热误差补偿实验,以验证本文所提建模算法的实际补偿效果。

• 基于低温电流比较仪的微弱电流放大器设计

  丁 立，鲁云峰，赵建亭，鄢志丹，贺 青

  文章设计并制作了一款基于低温电流比较仪(CCC)的低噪声电流放大器,可以用于pA量级微弱电流的精密测量。该放大器由最大匝比2000∶1的超导比例线圈、直流超导量子干涉器以及超导屏蔽等组成,建立了该放大器等效输入电流噪声、电流灵敏度以及反馈回路模型,在此基础上提出了降低放大器噪声和提高放大器灵敏度的方法。实验结果表明,CCC超导比例线圈与匝数为12的检测线圈的耦合系数可以达到0.61,当CCC电流放大比例为2000∶1时,在1Hz频率下,放大器的等效输入电流噪声为30fA/Hz0.5,电流灵敏度为4.71nA/Φ0,该放大器的性能在对峰峰值为6pA的方波电流测试中得到了验证。

• 基于线结构光的盾尾间隙测量方法研究

  黄 喆，程二静，齐 鹏，燕庆德，徐叶倩

  针对现有盾构施工中盾尾间隙难以实时精确测量的问题,本文提出了一种基于线结构光的盾尾间隙自动测量方法。该方法首先利用线激光器在管片和盾壳之间投射出一道窄线型指示激光并通过工业相机实时采集线激光器投射在盾壳和管片之间的线激光图像,然后通过图像处理对图像目标特征进行识别并根据单目视觉成像原理和线结构光坐标测量算法提取盾尾间隙端点坐标,进而实现盾尾间隙值的精确解算。实验结果表明,本文所提出方法的重复性测量精度优于0.3mm,绝对测量精度优于1.7mm。该方法可以实现相机纵深方向0.2~1.9m范围内盾尾间隙的实时精确测量,满足城市地铁隧道施工应用需求。

• 上游弯管对超声波流量计精度影响及整流设计

  姚 爽，宿 彬，杨宗良，程东旭，张 凯

  针对上游弯管流场变化对超声波流量计测量精度的影响,利用CFD对测量管道内部流场进行数值仿真模拟,并设计整流器改善由弯管导致的明显的二次流和涡流等情况,以减小超声波流量计测量误差。研究对象为基于时差法的DN15超声波液体流量计,流量范围在0.1~1.5m3/h内,上游弯管与流量计之间测试直管段距离为2~20D。对比超声波流量计加装整流器前后测量误差,通过实验结果验证,未整流时流量计随着直管段越短测量误差越大,安装的整流器可以改善管道内流场的速度分布,将直管段长度缩短为10D,提升超声波流量计测量误差满足在±1.5%以内,验证了数值模拟的正确性,对工程实际应用具有一定指导意义。

• 改进正则化半阈值算法的 ECT 图像重建

  马 敏，郭 鑫，于 洁

  针对电容层析成像技术应用于工业多相流管道检测时,图像重建中存在的不适定性、病态性问题,提出一种改进正则化半阈值算法。以L1/2范数为惩戒函数,改进求解L1/2范数所用的半阈值迭代算法中的阈值算子,并以加入加速项的Landweber算法解向量为修正向量,引入改进半阈值正则化模型,优化加速Landweber算法。实验的结果表明,改进正则化半阈值算法在重建图像中相关系数平均达0.91,图像误差平均降至0.21,成像速度保持0.04s。复杂流型辨识中,改进算法比Landweber迭代算法相关系数提高21.67%,相对误差降低37.01%;比Tikhonov正则化算法相关系数提高22.61%,相对误差降低37.08%;比半阈值算法相关系数和误差分别提高14.85%和降低28.26%。结果表明改进正则化半阈值算法对ECT研究有较好应用前景。

• 融合改进 YOLOv5 算法的图像全站仪全自动测量方法

  郎 松，曹 选，张艳微，高若谦，巩 岩

  针对图像全站仪在无棱镜合作工作模式下无法实现目标点全自动测量的问题,提出一种融合改进YOLOv5算法的图像全站仪全自动测量方法。应用融合卷积注意力机制模块的YOLOv5算法,实现了反射片靶标的广角镜头识别与检测;应用目标自动照准算法,实现了反射片靶标中心的长焦镜头精确照准,进而实现目标点位置坐标的全自动测量。借助自研的图像全站仪开展了反射片靶标的识别与检测实验和目标点全自动测量实验。实验结果表明,利用改进的YOLOv5算法对反射片靶标的识别与检测的准确率可达98.65%;目标点全自动测量方法具有与人工照准测量方法相当的测量精度且测量效率较后者提高了1.5倍。所提方法具有较高的测量精度和测量效率,可广泛应用于无人值守的全自动测量工作场合。

• 基于区域灰度梯度差异的摆片基片特征 尺寸视觉测量方法

  许 斌，徐凡颖，辛若铭

  石英摆片是石英挠性加速度计的核心器件,其关键特征尺寸的加工精度由摆片基片加工精度决定。常规使用工具显微镜对基片表面特征尺寸进行测量,此测量过程复杂、重复性精度弱且效率低。提出了基于区域灰度梯度差异的摆片基片特征尺寸测量方法。首先对视觉测量系统硬件结构进行了设计研制,然后建立了基于区域灰度梯度的摆片基片边缘检测算法,其次围绕摆片基片结构特点提出了其特征边缘点的搜索分类方法,最后开展了摆片基片特征尺寸测量实验。实验结果表明,提出边缘检测方法在摆片基片圆心拟合偏差小于3μm的情况下可替代Zernike矩方法以提高边缘检测效率;所研测量系统2s内即可完成摆片基片特征尺寸测量且不同位姿下的摆片基片特征尺寸测量重复性精度优于8μm。相较于工具显微镜,测量结果可靠性及重复性均有所改善,测量效率显著提升。

• 一种远距离行人小目标检测方法

  石 欣，卢 灏，秦鹏杰，冷正立

  远距离行人小目标成像像素少、缺乏纹理信息,深度卷积神经网络难以提取小目标细粒度特征,难以准确识别与检测。本文提出一种远距离行人小目标检测方法。首先,在YOLOv4的基础上引入浅层特征改进特征金字塔,提取行人小目标细粒度特征,提出引力模型特征自适应融合方法,增加多层次语义信息之间的关联度,防止小目标特征信息流失。然后,采用增强型超分辨率生成对抗网络增加行人小目标特征数量,提高行人小目标检测准确率。最后,选取图像像素中占比范围为0.004%~0.026%的行人小目标建立试验数据集,通过与FasterRCNN、ION、YOLOv4对比实验验证。结果表明,本文方法mAP0.5提高了25.2%、26.3%、11.9%,FPS达到24,研究成果在远距离安防监测监控领域具有重要应用价值。

• 水下双目立体视觉对应点匹配与三维重建方法研究

  庄苏锋，屠大维，张 旭，姚钦舟

  针对水下双目立体视觉成像稠密立体匹配因不满足空气中极线约束问题,提出一种水下对应点匹配与三维测量方法,可将水下双目相机采集的立体图像校正为符合共面行对齐原则的图像对,再套用空气中成熟的立体匹配方法得到水下左右相机图像视差图,从而实现水下目标的三维重建。首先,将进入相机的所有光线总和看成光场,采用四维光场参数表达对每一条光线建模,据此建立相机的折射成像模型和双目立体视觉模型并计算光线的方向向量;根据光线的光场表达将光线转化为点矢量的形式,计算方向图像上任意像点对应原图像的像素坐标并确定位置映射关系。通过插值即可快速得到符合行对齐原则的左、右方向图像,并最终获得每条光线对应的视差图。仿真结果表明,方向图像的行对齐误差小于0.8pixel。水池实验采用事先标定的靶球作为目标物,利用随机散点主动投射以增加目标物表面的纹理信息,对靶球多次测量的均方根误差为2.8mm,具有较高的测量精度。

• 无人机自主降落视觉标识设计及位姿测量方法

  陶孟卫，姚宇威，元海文，肖长诗，文元桥

  为实现无人机自主降落,设计了一种由多组不同半径比的同心圆组成的视觉标识。针对同心圆成像后的形变情况,结合圆心、消隐点、内外圆交点构成的调和比约束,设计了一种递归的圆心求解方法,以获取圆心亚像素投影点。相较于Hough圆检测算法以及传统方法,该方法可以更鲁棒、精准地提取圆心投影点亚像素坐标。完成圆心提取后,基于交比不变性建立图像坐标与平台坐标一致性匹配关系解算出初始位姿,并通过二次曲线重投影模型设计非线性优化函数求得优化位姿。针对降落过程中图像运动模糊的情况,提出一种基于运动连续性的测量关键帧选取模型来排除运动模糊图像对控制决策的影响。进一步设计一种多模式切换控制结构实现了对降落平台的运动预测、无人机样条轨迹生成与更新,从而完成无人机自主降落。在1500次的测量实验中,该测量方法的平均重映射误差可达到0.578pixel,方差为0.0096。在现场降落实验中,无人机在2.5m高度时对降落台的定位误差小于3.5cm,表明本文方法具有较高的视觉测量精度且更加稳定,能够实现对运动降落目标的稳定接近与跟踪并完成降落。

• 基于梯度聚类的有序点云边缘优化提取方法

  陈 浩，丁其川，潘 磊

  应用传统的2D边缘检测器检测低分辨率深度图中物体边缘时,边缘检测精度较差,召回率低;而当前基于3D点云的边缘提取方法也存在实时性差、抗干扰能力弱等缺点。为此,提出一种基于梯度聚类的边缘优化提取方法,实现从有序点云中快速、稳定地检测物体的边缘。首先,通过邻域点距离分析滤除飞行像素噪声,消除边缘误检;其次,提出一种基于梯度聚类的边缘点/非边缘点分离方法,快速获取物体的粗边缘;最后,结合快速平行细化算法与掩膜滤波,优化粗边缘,获得物体精确边缘。在公共数据集和TOF相机实测数据上进行实验验证。结果表明,提出方法的实时性与检测精度均优于现有方法,在实测数据中的边缘检测精度达89%,FPS达28fps。

• 基于视觉感知的率失真优化算法

  魏宏安，刘嘉棋，林丽群，杨 静，陈炜玲

  率失真优化在视频编码中起着关键作用,其目的是在压缩效率和视频质量失真之间取得平衡。现有的率失真算法主要针对视频中时间和空间冗余的消除,未充分考虑视频内容的主观感知冗余。本文提出了一种基于视觉感知的率失真优化算法,通过数据驱动的JND预测模型推导拉格朗日乘数因子,并使用显著性模型优化拉格朗日乘子权重系数,最终融合应用于率失真优化,并采用SW-SSIM评估视频质量,实现视频编码的感知优化。实验结果表明,与AVS3标准率失真算法相比,本文所提算法平均节省12.15%的码率,SW-SSIM提高了0.0043,有效降低了视频内容中的感知冗余,提高了视频感知质量和编码性能。

• 基于力度无关鲁棒特征的肌电手势识别方法

  林 恒，李玉榕，施正义，朱菲菲

  为了减小肌肉收缩力变化对肌电信号模式识别的影响,提出了DCSP特征。该特征首先通过CSP算法得到最大化类与类之间距离的空间投影矩阵,然后对投影后的新信号进行差分和归一化处理,最终通过非相关线性判别分析将数据投影到类内距离最小、类间距离最大的低维空间而得到。在两个数据集上验证基于DCSP特征的肌电手势识别正确率,第1个数据集包含10名完整肢体受试者的数据,第2个数据集包含9名上肢截肢者的数据。在识别率测试的4个方案中,DCSP特征的识别正确率均高于CSP特征,在全部力训练,全部力测试的方案上取得最高的识别率(数据集1:95.83%,数据集2:86.93%),相比CSP特征(数据集1:89.01%,数据集2:70.03%),分类准确率分别提升6%和16%。在特征空间分布的2个测试方案上,DCSP特征比CSP特征都具有更小的类内距离和更大的类间距离。相比较于其他研究的识别正确率,DCSP特征比现有的力度鲁棒特征提升了约5%(数据集1)和8%(数据集2),并且性能不依赖于分类器类型。

• 改进 S 变换谱估计的动态手势肌电特征处理

  李文国，罗志增，席旭刚

  手语是各种手势动态变化的一种复杂运动模式,手势特征处理效果直接关系到手语识别的准确性。本文提出一种基于改进S变换谱估计的动态手势肌电特征处理新方法。对采集的表面肌电信号进行S变换,引入优化因子调节时频分辨率并生成改进S变换谱;定义谱的时间和频率分量为二维随机变量,以改进S变换谱元素为二维随机变量样本,通过高斯核密度估计得到二维核密度函数。仿真和实验均表明,改进S变换谱估计方法有效抑制了白噪声,并使动态手势的肌电暂态突变特征得到加强。与经验模态分解、自排序熵、奇异值排序熵等方法对比,基于该方法的动态手势识别率分别提高了10.0%、6.67%和11.67%,特征处理方法的效果明显。

• 基于触摸屏交互的指套式盲文再现系统

  陈大鹏，高亚洲，宋爱国，刘 佳，曾 洪

  在当今信息时代,传统的纸质盲文书籍在传播知识方面存在很多不足,逐渐无法满足视障人士的盲文阅读需求。受可穿戴装置的启发,提出了一种基于触摸屏交互的指套式盲文再现系统。根据标准盲文的结构特点、视障人士感知盲文的方式,以及指套式装置对小型化要求,设计了一种新型的盲文点执行器,并通过有限元分析对其结构和参数进行了优化。性能分析和用户实验的结果表明,提出的盲文点执行器具有刷新频率高、功耗低和体积小等优点,并能够实现在最高位和最低位的锁止操作。提出的盲文再现系统将便携的指套式装置与数据可刷新的触摸屏相结合,并利用4个压电陶瓷执行器的振动触觉反馈引导手指在触摸屏上的运动方向,为视障人士提供了一种便捷阅读盲文的新途径。

• 循环脉冲指数最大化的共振稀疏分解法及应用

  刘小峰，黄洪升，柏 林，陈兵奎

  针对复杂多变工作环境下滚动轴承产生的微弱故障信息难以提取的问题,充分利用故障冲击的脉冲性与循环周期性,提出了循环脉冲度最大化的共振稀疏分解(RSD)方法。该方法以短时脉冲峰值矩的变异系数作为循环脉冲指数对轴承故障信号脉冲性与周期性进行综合表征。然后以循环脉冲指数最大化作为优化目标,采用多尺度简化粒子群算法对RSD的品质因子进行了组合优化。最后构建了最优RSD循环脉冲谱,实现了滚动轴承故障的自动辨识。仿真结果与动车轴箱轴承的故障诊断应用实例表明,提出的循环脉冲指数最大化的RSD能够有效避免强脉冲干扰造成的共振频带误判问题,实现复杂工况环境下的滚动轴承复合多故障同步诊断,具有良好的工程适用性。

• 基于扩展磁荷模型的埋地管道弱磁检测方法研究

  杨晓惠，蒲海峰，陈 龙，何长春，刘艳军

  为了提高弱磁检测方法对埋地管道早期损伤诊断的有效性,进一步明确检测信号与应力和缺陷之间的定量关系,构建了考虑力磁耦合效应和位错钉扎效应的扩展磁荷模型,研究了多种管道异常状况引起的弱磁检测信号变化规律,利用工程检测实验验证了该模型的有效性。研究结果表明,在体积型凹坑缺陷、面积型裂纹缺陷和焊缝缺陷处,梯度模量GM均出现显著的对称尖峰畸变,且其峰值随缺陷尺寸的增加而增大,其中当量深度的影响更为显著;焊缝错边缺陷对GM峰型和峰值的影响显著,而咬边缺陷的影响不明显;工程实测数据与理论计算数据的最大位置误差≤1m,最大峰值误差≤15%,均在工程检测的可接受范围内。

• 自适应解卷积方法抑制管道 TOFD 周向扫查盲区

  金士杰，张 波，王志诚，孙 旭，林 莉

  利用超声衍射时差法(TOFD)沿管道外表面实施周向扫查时,受管道曲率和直达纵波脉冲宽度共同影响,在近表面区域形成分层盲区。本文采用自适应解卷积方法,选取与混叠信号主频接近的子带直达纵波信号作为参考信号,进行解卷积与自回归谱外推处理,拓宽有效频带范围,实现时域信号脉冲压缩,并结合周向扫查图像中端点衍射波确定缺陷深度。实验结果表明,对于外壁半径100.0mm、壁厚30.0mm,以及外壁半径148.0mm、壁厚27.0mm的碳钢管道,在中心频率5MHz、探头中心距87mm的检测条件下,自适应解卷积方法能够将管道近表面分层盲区范围减少约60%,且到直达纵波声线距离不小于4.0mm缺陷的深度定量误差不超过10.6%。同常规频谱分析方法和自回归谱外推方法相比,自适应解卷积方法具有更优的盲区抑制效果,且能够准确定量前者难以检测的缺陷,测量误差不超过5.8%。

• 周期扫描磁信号特征对光磁复合方位 探测统计分布的影响

  甘 霖，王 科，许子涵，张凝希，张 合

  针对超近程来袭目标方位探测统计分布问题,研究了光磁复合方位测量方法周期扫描磁信号对探测精度的影响机理。建立了永磁体旋转扫描空间磁场数学模型,推导出周期扫描磁信号方程,结合磁信号特征和恒阈值时间测量方法,推导出周期扫描磁信号时间测量概率统计分布函数解析式。研究了扫描周期、磁场强度、阈值电压和噪声对时间测量概率统计分布的影响规律。结果表明,随着扫描周期和磁场强度的增加,概率分布函数对称性不受影响,概率分布半宽会随之减小,且分布峰值随之呈现0.75~1.88范围内的增加。随着阈值检测电压的提高,概率分布首先呈现半宽减小、峰值提升0.48态势,进而出现半宽增大、峰值降低0.54现象,且在峰值前后分布曲线的上升沿和下降沿出现不同走势。随着等效噪声电压的增加,概率分布函数对称性不受影响,但分布半宽会随之增大,且分布峰值随之减小0.4~0.48。

• 一种基于生成对抗网络与模型泛化的 机器人推抓技能学习方法

  吴培良，刘瑞军，李 瑶，陈雯柏，高国伟

  杂乱环境中机器人推动与抓取技能自主学习问题被学者广泛研究,实现二者之间的协同是提升抓取效率的关键,本文提出一种基于生成对抗网络与模型泛化的深度强化学习算法GARL-DQN。首先,将生成对抗网络嵌入到传统DQN中,训练推动与抓取之间的协同进化;其次,将MDP中部分参数基于目标对象公式化,借鉴事后经验回放机制(HER)提高经验池样本利用率;然后,针对图像状态引入随机(卷积)神经网络来提高算法的泛化能力;最后,设计了12个测试场景,在抓取成功率与平均运动次数指标上与其他4种方法进行对比,在规则物块场景中两个指标分别为91.5%和3.406;在日常工具场景中两个指标分别为85.2%和8.6,验证了GARL-DQN算法在解决机器人推抓协同及模型泛化问题上的有效性。

• Buck 变换器导通模式转换滑模 PI 混合控制策略

  崔 楠，许家群

  为了满足Buck变换器由待机或轻载向较大负载状态快速转换的需求,基于对传统平均电流控制Buck变换器的动态性能分析,提出了一种改进的适用于断续导通模式/连续导通模式过程的滑模PI混合控制策略。该策略电压外环依据系统状态和导通模式分别采用PI控制器和滑模控制器,其中稳态工况应用PI控制器,负载增大动态工况根据导通模式转换为滑模控制器,并通过统一校正的平均电感电流实现导通模式的准确判断。该混合控制策略可以有效结合PI控制与滑模控制各自的稳态与动态性能优势。仿真和实验结果表明,相比于传统平均电流控制,本策略动态响应时间缩短约65%,电压跌落减小35%以上。

• 永磁同步电机位置伺服系统改进变结构自抗扰控制

  张 臻，周扬忠

  为进一步提高传统变结构自抗扰控制器的控制精度,增强永磁伺服驱动系统的抗干扰能力,提出一种改进变结构自抗扰控制策略。该方法在基于变结构原理设计的扩张状态观测器中引入位置、速度的观测误差以实现状态变量的无差估计,采用基于指数趋近律设计的非线性状态误差反馈控制律实现线性控制与非线性控制的平滑过渡,并在此基础上引入位置跟踪误差,提高伺服系统的跟踪性能。通过实验分析比较了改进变结构自抗扰控制与传统变结构自抗扰控制两种控制策略,结果显示改进控制策略较传统控制策略的位置跟踪误差减少了约30%。当负载突变时,传统控制策略的跟踪误差约为负载突变前最大跟踪误差的3.4倍,而改进变结构自抗扰控制策略仍能准确跟踪给定信号。