仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2022年第9期

• SERF 原子磁强计自适应参数标定方法研究

  郑梦羚，宋欣达，周斌权，索宇辰，齐胜杰

  由于串扰、AC-Stark效应等因素的影响,导致SERF原子磁强计的空间位置(三维坐标以及灵敏轴指向)以及增益系数发生偏差,直接影响磁源定位的精度。针对以上问题,提出了一种自适应的SERF原子磁强计参数标定方法。基于磁偶极子模型设计了标定装置,装置由24个精密加工的圆线圈组成,用来施加标定磁源。提出了一种改进的自适应精英遗传算法,以同时标定磁强计的相关参数。实验结果表明,算法拟合得到的实际磁场曲线和理论磁场曲线之间的平均相关系数为99.55%,x轴坐标值漂移最明显,平均绝对偏差为2.63mm,灵敏轴的平均绝对偏差为8.21°,这意味着在磁源定位前,需要对传感器参数进行准确测量。提出的标定方法对于提高磁源定位精度具有一定的参考意义。

• 激波管反射阶跃压力上升时间高精度估计

  李永生，姚贞建，丁义凡

  提出一种激波管反射阶跃压力上升时间高精度估计方法。首先,基于压力传感器阶跃响应特性,建立激波管反射阶跃压力上升时间估计理论模型;其次,采用经验模态分解实现阶跃响应信号噪声分量消除,提取衰减振铃分量;然后,基于衰减正弦拟合估计衰减振铃分量的第一峰值时间和振荡周期;最后,根据理论模型实现激波管反射阶跃压力上升时间高精度估计。仿真实验结果表明,阶跃压力上升时间估计平均相对误差为2.57%,比传统方法和直接拟合法的平均相对误差分别减小了约7.3倍和2倍。激波管实测实验结果表明,在铝膜片厚度分别为0.25和0.07mm的条件下,反射阶跃压力上升时间估计均值分别为0.712和0.876μs,相对误差分别为0.14%和1.9%,明显小于传统方法测量相对误差(7.5%和4.3%),方法有效提高了激波管反射阶跃压力上升时间的估计精度,并且具有更强的鲁棒性。

• 固体电介质空间电荷与电流和电位的 同步联合测量系统

  孙云龙，韩永森，李忠华

  为了综合、全面地获取固体电介质的介电响应信息,准确表征固体电介质的介电性能,提出了一种基于“分区同时”测量策略的空间电荷与电流以及空间电荷与开路电位的同步同时联合测量方案。该联合测量方案基于现有的电流测量单元、电位测量单元以及空间电荷测量单元,通过T型滤波器和阻交电感对测量单元进行合理组合,保证测量过程中各单元之间无互相干扰,从而实现电流、开路电位和空间电荷的同步联合测量。以碳化硅(SiC)掺杂的低密度聚乙烯(LDPE)试样的电流、电位和空间电荷同步联合测量结果为基础,对测量系统进行了校验。研究结果表明,电流测量基础噪声在pA数量级,在1~10kV电压测量效果良好,空间电荷测量精度并未受到影响。联合测量方案在技术上简单易行,能够实现对固体电介质的电流、电位和空间电荷同步同时联合测量,同时该联合测量系统具有进一步扩展的空间,为后续多种测量技术的同步联合应用提供参考与基础。

• 微米级电容式静力水准器设计及标定研究

  马 娜，金伟其，董 岚，王 铜，何振强

  基于当前高能同步辐射光源(HEPS)装置的沉降监测需求,课题组设计关键参数和结构,研制了国内首个微米级单极板电容式静力水准器样机。本文重点研究该水准器的标定和精度验证,针对传统的标准量块和位移台标定法存在标定精度低、机械加工要求高等问题,创新性采用单水准器直接标定法和多段拟合参数获取方案,实现10mm量程的微米级标定;同时提出采用激光反馈干涉仪联合纳米级位移台直接监测液位变化,实现单水准器的全量程精度验证,精度3μm;通过重载位移台进行了7m距离的两点监测系统的精度验证,在10mm量程内相对高程监测精度可达到5μm。结果表明样机精度符合设计要求,可为我国大型装置的高精度高程向监测提供可靠手段。

• 低温制冷系统两级喷射器设计与性能分析

  宋亚杰，王新立，王 雷

  本文提出了一种用于渔船低温制冷系统的两级喷射器,并对其进行了优化设计和性能分析。为达到最大引射性能,提出了基于流场参数匹配的两级喷射器优化设计方法,使用计算流体力学仿真软件对两级喷射器进行了建模和参数优化。此外,采用了水冷式冷凝器来减小冷凝器与蒸发器之间的压差,从而获得了更高的引射比。研究结果表明,所设计的两级喷射器可使蒸发温度低至248.15K,第一级和第二级喷射器最优面积比分别为11.8和6.5。中间压力在253~324kPa之间,引射比先增加后减小,在中间压力为304kPa时达到最大值0.096,此时系统能效比达到0.074。可以认为,采用优化设计的两级喷射器和水冷式冷凝器,利用渔船余热驱动的低温制冷系统具有较好的节能效果。

• 基于复合位姿的二维自校准研究

  乔潇悦，丁国清，陈 欣，蔡 萍

  自校准与校准相比,无需精度等级高于被校准对象的标准样板,能以较低的条件成本实现精密测量仪器系统误差的校准。二维自校准中的标准样板常采用初始、相对旋转和平移的传统三位姿组合。位姿之间相互独立且所有位姿变换均以初始位姿为基础。采用旋转和平移两种位姿复合后的位姿,能避免两次位姿变换之间必须将标准样板回归初始位姿的冗余操作,简化了二维自校准流程。基于复合位姿的二维自校准经仿真实验证明能在模拟噪声环境中有效分离被校准对象的误差,其不确定度与传统非复合位姿组合的相等。复合位姿的引入不影响二维自校准的噪声抑制能力。在影像测量仪上实施二维自校准实验,采用包含复合位姿的三位姿组合的二维自校准分离的工作台系统误差接近传统三位姿组合。两种位姿组合对应的工作台系统误差结果相差0.167μm。另外通过采用包含复合位姿的四位姿组合的实验结果,进一步论证了基于复合位姿的二维自校准效果。

• 基于快速稀疏扫频干涉的动态间隙测量方法

  肖 林，雷小华，郭光辉，陈昱如，章 鹏

  本文建立了基于扫频干涉的动态间隙测量模型,推导出间隙与多普勒误差、光源扫频速率之间的关系式;定义多普勒误差修正系数,对多普勒误差进行补偿。分析了扫频速度变化时的间隙瞬时频率变化特征,获得傅里叶变换频率解调法的适用条件。仿真分析了间隙以三角波形式变化情况下,稀疏扫频点数、噪声等对傅里叶变换解调的影响;进而分析了该方法在篦齿间隙测量中的适用性。最后,搭建快速稀疏扫频干涉间隙测量系统并开展动态测量实验,结果表明:扫频分别速率为20、40及60kHz,间隙变化频率分别为100、500及1000Hz的情况下,测量均方误差不超过0.2μm,重复性误差小于0.3μm。

• 用于医疗器械快速灭菌的低温等离子体装置研究

  李 兵，辛 朝，尚中昱，李 昂，姜 涛

  现有低温等离子体技术存在放电范围小、放电电压高等局限性,不适用于大尺寸医疗器械的消毒灭菌。本文研制了一种灭菌装置,在较低击穿电压下(大气压氦气325V,大气压空气585V)产生了大面积等离子体,且创新性地在印刷电路板上实现了气体放电。通过COMSOL等离子体仿真以及实际放电实验,同时实现了低气压与大气压环境下的均匀辉光放电,放电实验结果表明:相对气压在-70~-50kPa范围内,击穿电压值最低。通过灭菌实验,验证了此灭菌装置产生等离子体的灭菌效能,并对影响灭菌效果的因素进行了探究,灭菌实验结果表明:电源频率是影响灭菌效果的最关键因素,灭菌时间其次,氦气气压对灭菌效果影响最小。对于一定浓度的大肠杆菌,6min即可达到完全灭菌。

• 基于空间距离约束的姿态角现场精度评定方法

  刘宁桐，熊 芝，何 静，翟中生，周维虎

  针对大型精密工程现场姿态测量精度评定的需求,提出了一种利用长度计量基准溯源姿态测量结果的姿态角现场精度评定方法。首先,介绍了激光跟踪姿态测量系统的基本组成及测量原理;其次,基于六自由度并联机构的正向运动学研究,建立了空间距离与靶标姿态之间的数学模型,并通过蒙特卡洛法仿真分析距离约束测量精度、控制场布局以及系统工作距离等因素对评定模型精度的影响;最后,搭建实验平台,利用精密转台的相对转动量作为角度基准,对本文研究方法的可行性进行了验证。结果表明:当距离约束测量精度为0.038mm,控制场大小为1400mm×1400mm时,在-20°~20°的姿态角变化范围内,评定模型方位角精度为0.055°,俯仰角精度为0.058°。本文研究方法避免了基于角度基准评定方法中较为严格的坐标系配准要求,能综合反映测量系统现场使用状态,可为六自由度激光跟踪测量系统中姿态角现场精度评定方法提供参考。

• 基于注意力残差网络的航天器测控系统故障诊断

  慕晓冬，魏 轩，曾昭菊

  随着航天器数量的不断增加,快速而准确地对航天器测控系统进行故障诊断尤为重要。针对航天器所处空间环境变化较大、遥测数据成分复杂和故障诊断准确率不高的问题,提出了一种基于注意力残差网络(AM-ResNet)的航天器测控系统故障诊断方法。首先,将原始遥测数据转换成灰度图像;其次,将图像依次通过残差网络和注意力模块,获取具有全局依赖关系的特征图;最后经过卷积、池化操作后利用Softmax分类器进行分类,实现航天器测控系统的故障诊断。实验结果表明,所提出的基于注意力残差网络的航天器测控系统故障诊断方法可将诊断准确率提升至95.68%,与ResNet-18、AlexNet和LeNet-5故障诊断模型相比,诊断准确率分别提高了3.53%、5.62%和16.43%,验证了该方法可以有效提高航天器测控系统故障诊断性能。关键词:深度学习;故障诊断;残差网络;航天器;注意力机制

• 基于缺失数据填补的风电齿轮箱状态监测研究

  徐 健，刘长良，王梓齐，赵陆阳

  风电机组监控和数据采集系统的现场数据普遍存在缺失问题,会对下游状态监测任务产生一定负面影响。为此,提出一种结合注意力机制的掩膜自编码网络,用于填补面板数据样本中的缺失值,增加可用样本数量,提升状态监测结果的准确性与连续性。该方法以降噪自编码网络为整体框架,在编码阶段通过注意力机制对缺失值进行掩膜处理,赋予缺失值更高的权重以强化网络对其关注程度,在解码阶段将缺失值填补后输出完备数据样本。随后,利用长短时记忆网络提取的样本特征对目标变量参数进行预测,依据预测残差实现状态监测。使用某风电齿轮箱运行数据验证,结果表明:提出方法的数据填补偏差相较对比方法至少改善17.2%;与数据填补前相比,数据填补后样本数量显著增加,使状态监测网络对正常数据的预测残差平均下降37.4%,对故障数据的检测率提升6.8%。

• 基于特征融合度量学习的高压断路器机械故障诊断

  王艳新，闫 静，王建华，耿英三

  数据驱动的深度学习方法在高压断路器机械故障诊断中取得了一定的成效,然而这些方法实现优异性能的前提是可获取海量训练样本,在现场数据匮乏场景下其诊断性能明显下降。为此,提出了一种新颖的特征融合度量学习模型用于现场小样本高压断路器机械故障诊断。首先构建了特征融合卷积神经网络,有效提升了可鉴别特征提取能力。然后以K近邻算法作为度量学习器实现小样本数据的匹配和分类。最后通过改进中心损失进一步提升特征表示的分辨能力,并通过情景训练从实验室构建的大样本集中学习可迁移知识。实验结果表明,本文方法在每类支持集样本数为5时便可达到94.58%的诊断精度,相对于卷积神经网络提升了63.71%。同时,得益于情景训练方式本文方法有效避免了非平衡样本的问题。

• 高功率激光合束器工作可靠性能评估方法研究

  田 晓，李 奔，白 杨，康宇栋，胡子豪

  为降低高功率激光在单根光纤中的传输风险,提出基于多光纤传输的激光非相干空间合束19×1圆斑合束器。基于“内外同心圆+中心”同轴排列方式,采用光线追迹法进行合束器的光学设计,同时为实现合束器长期运行可靠性评估,基于多激光束同步照射光学元件的体吸收模型,采用有限元方法对合束器内部透镜的温度、热畸变和热应力等进行研究。结果表明,在10kW激光照射30mins下,合束器内部透镜的最高温度为381.11K,远低于熔融石英1900K的软化点温度,热畸变相关的最大光圈数为0.07,远小于1个光圈数的透镜加工公差,热应力最大值为14.02MPa,小于熔融石英4.5GPa的屈服应力。此外实验测得合束器输出总功率可达10.43kW。本研究对评价其他高功率激光系统的长期运行可靠性提供了有效的方法参考。

• 红外星模拟器星点位置分析与模拟技术研究

  郑 茹，刘 博，高 越，王凌云，陈启梦

  针对传统星点位置误差测试方法无法应用于红外星模拟器,提出了一种红外星模拟器星点位置分析、模拟与测试的新方法。结合传统星模拟器星点位置测试方法,分析像差对星点位置的影响因素,建立像差与星点位置模拟理论模型,并通过误差拟合,分析出像质好则单星位置误差小的理论关系。依据红外星模拟器与星敏感器的对接方式,设计了出瞳距大且外置的可见和红外光双重组态下的准直光学系统,并实现红外波段像质优于可见光波段像质。利用经纬仪实测,验证理论模型的准确性,同时实测结果表明,可见光波段单星位置误差优于±13.65″,红外波段间接实现单星位置误差优于±13.65″。

• 小样本下自校正卷积神经网络的 滚动轴承故障识别方法

  雷春丽，夏奔锋，薛林林，焦孟萱，史佳硕

  针对实际工程中因故障样本数据稀少而导致模型识别准确率不高的问题,提出了一种基于自校正卷积神经网络(SCCNN)的滚动轴承故障诊断模型,并将其应用于小样本条件下的故障识别研究。首先,为减少不同信号的数据分布差异,在每个卷积层后添加BN算法;其次,利用自校正卷积学习信号的多尺度特征,提高模型获取有用故障特征的能力;然后,引入通道自注意力机制,建立通道特征信息之间的相关性,用于突出故障特征并抑制数据过拟合;再将少量训练样本输入到模型中进行学习;最后,将各类不同条件下的故障信号输入到训练好的SC-CNN模型进行识别分类,并在两个数据集上进行实验验证。结果表明,所提模型在信噪比为-4dB的强噪声环境下,识别准确率分别为98.64%和99.83%,在变工况条件下,识别准确率分别为94.37%和99.64%,验证了SC-CNN模型在小样本条件下具有较强的鲁棒性和泛化性能。

• 国产重型燃气轮机控制系统可靠性分析

  仲心萌，陈远野，房 方，王 巍，刘玉升

  提升可靠性是国产化重型燃气轮机控制系统研发需要解决的核心问题。硬件冗余是控制系统可靠性的重要保障,可在功能上实现容错,其成本与故障修复相比更低,已在工业应用中占据主导地位。由于我国重型燃气轮机控制系统的研制还处于攻关阶段,对其可靠性的研究几乎处于空白状态。分析了国产重型燃气轮机NuCON控制系统的冗余策略,采用马尔可夫(Markov)模型构建该冗余策略下的可靠性模型;运用概率模型检测器PRISM对可靠性模型进行定量计算和检验,仿真表明,在一定修复时间和冗余结构下,采用最小硬件配置的NuCON控制系统的不可用率为1.616×10-4,满足系统可靠性设计要求。同时对比分析了不同修复时间、不同系统结构和不同系统规模对系统不可用率的量化影响结果。

• 拱桥圆钢吊杆拉力监测的磁弹传感技术研究

  王晓琳，朱茂华，章 鹏，杨圣洁，陈伟民

  磁弹传感技术在柔性钢缆索的拉力测量中体现出诸多优势,但在面对刚性的实心圆钢吊杆时,却面临励磁线圈难以充分磁化圆钢吊杆的难题。针对圆钢吊杆的结构与力学特性,通过建模与仿真,对圆钢吊杆的磁化过程进行了深入分析,并优化设计励磁线圈,对直径Φ85mm/Φ120mm的常规/超大直径圆钢吊杆研制了传感器样件,进行了静载加载实验,并与常规的振弦应变计对比。试验结果表明,优化的励磁线圈能够充分磁化Φ85mm的圆钢吊杆;且传感器测量结果的线性度与重复性好,满量程误差均值小于2%(均值-0.15%),明显优于振弦应变计结果(均值-1.95%),满足拉力监测的应用需求;但是对于Φ120mm的超大直径圆钢吊杆,则需进一步优化励磁线圈,以获得更好的效果。

• 一种新型双层热感式微流量传感器及参数优化

  祁佳莉，王康宁，王瑞金，杜加友，邵 纯

  热感式微流量传感器具备灵敏度高、可靠性好、测量精度高等优势,广泛应用于环境监测系统、生物研究、化工工艺控制等领域,然而传统热感式流量传感器的量程有限,从而限制了其进一步拓展应用领域。本文提出了一种新的设有主次双流道的双层热感式微流量传感器,低流率时输出主流道的温差信号,而大流率时输出次流道的温差信号,从而拓宽量程。为了能获得更好的传感器性能,通过数值模拟优化了支流流道入口大小与位置和流道高度与宽度,优化后双层热感式微流量传感器的量程为0~145m/s式,同时确保灵敏度超过0.03K/(m·s-1),并且确定了主次流道输出温差信号的转换流速阈值为63m/s。最后分析了传感器内部粘性耗散,发现上游探测器前端的粘性耗散是引起传感器失效的主要原因,为改进热感式微流量传感器性能提供参考。

• 在机测量线激光传感器安装位姿的全局标定

  李津容，葛广言，冯晓冰，杜正春

  针对三轴数控机床激光测头安装位姿误差造成测量误差且不易调整和校准的问题,提出了一种在机测量线激光传感器安装位姿标定方法。建立了线激光在机测量系统的数学模型,通过机床运动带动线激光测头对标定基准点的空间位置进行测量,基于手眼标定原理给出了关于测头安装位姿参数的线性求解算法,完成了对测头安装误差的全局标定。考虑了机床定位误差对于标定结果精度的影响,采用蒙特卡洛模拟进行了误差分析。采用半径为35mm的圆孔进行测量验证,实验结果表明,标定后圆孔测量误差为0.0516mm,测量精度提高了约96%,实验结果验证了该标定方法的有效性和可行性。

• 基于 FPGA 并行计算的多阈值分级海陆分割方法

  于希明，彭 宇，姚博文，刘梓豪，刘连胜

  由于微纳卫星在体积、重量以及功耗等方面的限制,星载宽幅遥感图像海陆分割需要现场可编程门阵列(FPGA)提供高能效计算能力。在保证分割精度前提下,利用FPGA有限片上资源实现低复杂度算法的并行计算是关键。因此,本文提出一种基于FPGA并行计算的多阈值分级海陆分割方法。该方法以OTSU法为核心,利用基于多特征联合阈值的子图分类构成分级海陆分割,以抑制海面中干扰点的影响。此外,设计新颖的并行迭代计算结构,在提升OTSU计算效率的同时实现对片上缓存占用的平衡性调整。实验结果表明,本文方法可达到98%以上的整体检测精度。同时,对于一幅8192×2048pixels的遥感图像,本文方法处理时间仅为0.16s,较其它基于FPGA的方法的处理时间至少减少了23.81%。

• 非线性压电振动能量采集器与非线性接口转换 电路的耦合动力学特性研究

  朱强国，王光庆，刘周龙，郑友成，周 铄

  压电振动能量采集器是实现低功耗电子产品无线自供电的核心部件,其与非线性接口转换电路的耦合机理是提升无线自供电系统输出性能的关键理论。以非线性三稳态压电振动能量采集器及其4种非线性接口转换电路为对象,建立动力学模型,利用谐波平衡方法求解不同接口电路下系统耦合动态响应的稳态解;仿真分析了系统参数对接口电路输出特性的影响。研究结果表明,当机电耦合系数较小时,串联同步电感开并接口电路(S-SSHI)适合于频率小于7Hz、负载电阻小于7.4×106Ω的场合,而并联同步电感开关接口电路(P-SSHI)则相反;当机电耦合系数较大时,直流电(DC)电路具有优势,功率达到4.5×10-3mW;交流电(AC)电路和DC电路具有较宽的机电耦合系数范围,而P-SSHI电路和S-SSHI电路却较窄但输出功率高,最大输出功率可达到19.0×10-3和14.3×10-3mW。实验验证了仿真结果的正确性。

• 基于 X 射线图像和激光点云的煤矸识别方法

  司 垒，谭 超，朱嘉皓，王忠宾，李嘉豪

  煤矸高效分选是实现煤炭资源绿色开采的重要手段,其核心技术是煤和矸石的快速精准识别。因此,本文提出了基于X射线图像和激光点云融合的煤矸识别方法。首先,设计了基于局部熵和全局均差加权的改进Otsu分割算法,以此提高X射线图像的分割精度和分割效率;同时,利用直通滤波和体素栅格降采样简化了煤矸激光点云数据,进而提取了X射线图像和激光点云的煤矸组合特征。然后,针对传统麻雀搜索算法(SSA)易陷入局部最优和种群多样性差等问题,提出了多策略改进的SSA算法(ISSA),并用于轻量梯度提升机(LightGBM)参数的寻优,进而设计了基于ISSA-LightGBM的煤矸快速识别模型。最后,搭建了煤矸识别实验平台,开展了相应的实验对比分析,结果表明:ISSA-LightGBM模型的煤矸识别准确达99.00%,综合性能优于其它模型,满足了煤矸高效识别的需求。

• 基于 LAM-Net 的轨道侵入界异物自主检测系统

  叶 涛，赵宗扬，郑志康

  针对轨道入侵异物对行车安全造成的极大威胁,而现有的轨道目标检测算法难以平衡检测精度和速度、易受复杂环境影响以及难以部署于嵌入式设备等问题,提出了一种轻量型自适应多尺度卷积神经网络,其通过特征图线性变换简化特征提取过程,使用自适应多尺度特征融合优化特征表达能力,并通过设计轻量型注意力进一步提升异物检测精度;同时,结合NVIDIAJetsonTX2嵌入式平台,研制了轨道入侵异物自主检测系统。实验结果表明,本文提出的模型很好地平衡了检测速度和精度,在NVIDIAGeForceGTX1080Ti的GPU平台上对轨道数据集的检测速度为297FPS,检测精度为92.96%,比YOLOv4-tiny高7.72%,实现了在轨道交通复杂场景下高精度、高速度以及高鲁棒性的检测入侵异物。

• 大跨距孔同轴度误差快速视觉测量方法

  张国锋，杨树明，胡鹏宇，邓惠文，段 宇

  为快速、准确测量大型零件大跨度孔的同轴度误差,设计了对侧布置的线激光扫描四目视觉测量系统,通过两套视觉测量单元分别采集两孔端面点云数据,进一步拟合端面圆心和端面法线,得到两个独立的单侧孔轴线。提出了大跨距无公共视场视觉系统标定方法,设计了多标定板相固连的靶标,通过4块标定板的位姿关系传递,得到两套视觉测量单元的坐标系转换关系,实现了两侧孔测量数据的坐标系统一。精度验证实验表明,该系统对于1.15m跨距的标准球组球心距测量均方根误差为0.161mm。使用该系统对一压路机振动轮两侧轴承孔的同轴度进行了测量,并与三坐标测量机的测量结果进行了对比,结果表明两者测量结果偏差小于5%,测量精度能够满足工业生产需求。

• 基于几何代数 SURF 的三维医学图像配准研究

  程天宇，顾菊平，华 亮，赵凤申，周伯俊

  三维医学图像可辅助医生的临床诊疗,不同模态三维图像通过配准后,可为医生提供更全面的病患信息,而传统三维多模态医学图像配准的精度不高、耗时较长且易受干扰。首先搭建Hessian四维尺度空间,将加速稳健特征(SURF)框架拓展至三维,然后基于几何代数构造了梯度角度不变性的三维特征点描述子,以丰富特征点信息;再设计快速空间寻优算法,不仅可保证配准精度,且提高配准稳定性;最后,采用数据一致性较好的RIRE公开数据集和合作附属医院提供的个性化临床实例数据开展实验。实验评估中,以手动配准作为金标准,公开库和临床实例图像的配准均值误差都不超过3mm,配准相似性超过99.1%;抗扰实验中混入高斯噪声,均值误差仍不超过3.5mm,相似性超过98.9%。实验结果表明,基于几何代数SURF的三维配准方法的精度更高且稳定性更强,可为临床适用提供理论基础与诊疗预案。

• 改进蚁群算法解决 UUV 集群任务规划问题

  王宏健，鄂 鑫，张 凯，易冬波，牛 帅

  针对水下无人航行器(UUV)集群在有限续航力和负载约束条件下求解广泛且稀疏分布区域勘察任务规划问题时常规算法存在收敛性差、解质量不高的不足,提出了一种改进的蚁群优化算法。首先,通过分析个体UUV平台能力和集群任务的约束条件,建立UUV集群任务规划的约束模型和优化模型;其次,基于任务点间距离与平均距离之差设计初始信息素浓度的非均等分配方法,提出优化模型的最佳与最差阈值对蚂蚁进行分类并对应完成信息素更新,在状态转移规则中创新加入可随迭代进程动态改变的“引力系数”来增加算法前中期次优节点被选中的概率;再次,设置对照统计实验完成算法优化项的有效性分析,依据最优解出现的次数和平均收敛值优化算法参数;最后,以经典文献案例仿真,对比分析基本蚁群算法、精英蚁群算法与提出算法,相较于前两种算法,算法在50次统计实验中找到近似最优解的百分比分别提升78%和66%,平均在第40代实现收敛,表明出很好的全局寻优能力和收敛性能。通过设计具有一定规模的UUV集群任务规划典型案例,验证了算法求解UUV集群广泛且稀疏分布区域任务规划问题的快速性和有效性。

• 用于胃肠道机器人的 C 型组合式无线能量 发射线圈的设计与实验

  汪佐儿，王志武，汪 炜，庄浩宇，颜国正

  现有适用于胃肠道机器人的无线能量传输系统的能量传输效率低、接收功率低且接收能量的位置均匀性差,无法满足功能复杂的新型胃肠道机器人的能量需求。本文提出了一种新型C型组合式发射线圈结构,通过有限元仿真分析供能单元组的磁感应强度大小和位置均匀性,确定供能单元组中线圈对间距的实验优化范围。最后搭建实验平台,优化供能单元组中线圈对间距,通过系统的能量传输效率、接收功率以及接收功率的位置均匀度对设计进行评估与验证。实验结果表明:当线圈对间距为150mm时,中心位置的接收功率为1165.34mW,系统的能量传输效率为6.08%。系统的平均功率约为1100mW,平均能量传输效率达6%以上,接收功率的平均位置均匀度达94%。新型C型结构磁芯以及采用同一时刻只有一个供能单元组工作的组合式线圈结构,极大地改善了系统的接收功率与能量传输效率,并有较高的接收能量的位置均匀性。

• 基于 sEMG 和肌肉骨骼模型的手指 多关节力矩耦合分析

  谢 平，肖俊明，于金须，张立杰，杜义浩

  手指内部力矩受表面肌电信号、肌力、手部姿态等因素影响而无法直接获取,为了实时且准确地获取手指各关节力矩以及耦合力矩并应用于手部康复机器人的交互控制中,提出了一种基于表面肌电信号和肌肉骨骼模型的手指多关节力矩和耦合力矩分析与实时获取方法。首先设计了自适应手指关节角度采集系统,通过实验同步采集指浅屈肌与指伸肌的肌电信号以及手指各关节的角度数据,建立手指多关节力矩模型,从而获取手指各关节力矩。然后建立手指D-H模型,结合虚功原理获取手指的耦合力矩。最后,辨识了手指多关节力矩模型的参数,并通过OpenSim软件获取了仿真力矩。计算力矩与仿真力矩的对比结果显示:4名被试3个关节力矩的均方根误差分别为0.1567、0.097425、0.08495,证明了该方法能够实时并准确的获取手指各关节力矩和耦合力矩,能够满足手部康复机器人交互控制准确性和实时性的需求。

• 基于最优位姿集的机器人标定及不确定度评定

  温秀兰，宋爱国，冯月贵，唐国寅，吕仲艳，佘 媛

  为解决因标定位姿点随机选择导致机器人标定结果不稳定、可靠性低问题,研究了基于雅克比矩阵奇异值计算可观测指标的最优位姿点数目及最优位姿集选择算法,建立了机器人MDH模型,采用LM算法对几何参数进行辨识,使用LeicaAT960激光跟踪仪分别在最优位姿集和随机位姿集下对StaubliTX60机器人末端位姿大量实测;在分析研究机器人标定不确定度来源基础上,采用测量不确定指南(GUM)计算几何参数标定的不确定度及蒙特卡洛模拟法对机器人末端位置不确定度进行评估,结果表明,经最优位姿集标定后的机器人不仅在测试点精度有大幅提升,而且几何参数及末端位置平均不确定度约为随机位姿集标定的0.11倍,标定结果稳定可靠,泛化能力强,适于在高精度、大范围作业场合推广应用。

• 基于微分平坦的旋转倒立摆双闭环抗扰 PID 控制

  程 前，李赫然，聂卓赟，邵 辉，郑义民

  针对一类不稳定、欠驱动二自由度旋转倒立摆系统,提出一种基于微分平坦的双闭环抗扰PID控制方法。首先,建立倒立摆的非线性动力学模型,利用近似线性化分析系统的不稳定零动态与非最小相位特性;然后,结合微分平坦理论,设计倒立摆平坦输出,重构系统平坦状态,并建立平坦状态与角度输出之间的转化关系,克服倒立摆的非最小相位影响;进一步,针对微分平坦系统,设计抗扰PID双闭环控制结构和带宽化调节方法,在主动抗扰机制下实现对摆杆角度与悬臂角度的精准控制;最后,通过仿真与实验,验证所提方法的有效性和实用性。所提方法为欠驱动系统提供了一种结构简单、抗扰能力强的控制方案。