仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2023年第3期

• 超精密测量是支撑光刻机技术发展的基石

  谭久彬

  光刻机是尖端装备的珠穆朗玛峰。超精密测量是支撑光刻机产品研发与制造,保证光刻机产品制造精度等级与质量水平的基石。本文综述了光刻机产业的特点与发展趋势。在此基础上,从零部件、分系统、整机集成、整机性能层面阐述了超精密测量对光刻机技术发展的支撑作用。分析了光刻机产品精密能力提升的途径和超精密光刻机产业测量体系建立的必要性,包括管控超精密光刻机产品制造质量的工业测量体系和管控光刻机产品工业测量体系量值准确可靠的计量体系。提出了建设光刻机产业计量测试中心的必要性。

• 齿轮法向啮合齿廓及其测量

  石照耀，孙衍强

  法向啮合齿廓是齿轮齿面上能反映齿轮的加工与传动质量的一条工程意义独特的曲线,在齿轮滚齿、蜗杆砂轮磨齿等展成法加工中,是齿面加工的形成曲线,在渐开螺旋齿轮传动中,是齿轮传动的工作曲线。然而,现有的齿轮测量仪器并没有法向啮合齿廓的测量功能。结合法向啮合齿廓的形成原理,给出了其理论模型,基于现有齿轮测量中心,提出了法向啮合齿廓偏差测量的四坐标测量法和三坐标测量法。测量实践表明,采用现有的齿轮测量仪器,能方便的实现法向啮合齿廓偏差测量与评定,四坐标法测得的法向啮合齿廓形状偏差、倾斜偏差和总偏差与三坐标法的测量结果相比分别相差0.2、1.3、0.6μm。与渐开线和螺旋线相比较,法向啮合齿廓具有综合性、统一性和唯一性,通过对渐开线偏差和螺旋线偏差的相互补偿,可优化对法向啮合齿廓的控制,有效降低对渐开线和螺旋线的精度要求。

• 基于 4f 光学系统的周期性结构微小形变检测

  张 帆，樊文强，朱 疆，祝连庆

  为了快速、直观地检测出周期性结构的微小偏移,提出了基于4f光学系统的周期性结构微小偏移检测方法。首先使用VirtualLabFusion光学仿真软件进行理论研究,建立预设偏移的周期性微结构模型,构造了光学传递函数,利用4f空间滤波方法,获得与周期性微结构对应的像面幅值图。经分析得出在透明基底的周期性结构中,不论尺寸大小,若偏移量在相邻特征尺寸间距的80%范围内,经拟合后幅值变化与微结构偏移量呈线性关系,且幅值变化位置与微结构偏移位置一致。依据仿真的光学系统参数搭建了实验系统,实验结果与仿真一致,并且该套系统可以实现3.4mm×2.6mm的测量视场,分辨率能达5μm,能够实时快速地对周期性结构材料进行位移或缺陷检测。

• 基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法

  罗 杰，刘子豪，刘一郡，赵维谦，王 允

  针对轴向扫描式差动共焦测量法(ASDCM)测量轮廓效率低下问题,提出一种基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法。该方法使用激光差动共焦轴向响应曲线数百纳米量程的线性区间实现了表面连续轮廓高精度线性传感测量,提高了测量效率;同时引入基于卡尔曼预测器的轮廓跟踪原理利用已测轮廓点数据对未测表面预测并跟踪,扩展了线性传感轮廓测量法测量范围。实验结果表明,该方法相对于ASDCM法测量效率提升了8倍,且实现了轮廓PV值大于线性传感测量范围的标准椭圆柱高精度跟踪测量,激光聚变靶丸内轮廓圆度重复测量标准差达3nm。为精密元器件表面连续轮廓的高精度、快速、无损测量提供了一种高质量方法。

• 多视角沙姆成像的高精度结构光三维测量方法

  刘 勇，张国锋，胡鹏宇，邓惠文，杨树明

  传统结构光测量方法在测量高反射率和复杂结构表面存在诸多挑战,且测量精度受到测量视场的限制。本文提出了一种基于结构光投影和多视角沙姆成像的高精度标定及三维测量方法,充分利用系统的景深范围。提出结构光多目视觉测量模型,将投影仪坐标系作为系统测量坐标系,通过建立“三维点-投影图像点-4个相机图像点”的对应关系对系统进行一体化标定,然后利用多视图几何成像约束,通过计算最小二乘解融合多个视角的观测信息,提高三维数据的计算精度。实验结果表明,所提方法和系统可以对高反射率和遮挡表面进行准确测量,测量精度达到5μm,大大优于传统结构光测量方法。

• 气体涡轮流量计结构优化研究

  李旭阳，万观军，严微微，林景殿，章圣意

  以TM80气体涡轮流量计为研究对象,采用数值模拟与实验测试相结合的方法对其进行结构优化研究。数值结果表明压力梯度骤变和边界层分离的出现主要由流量计的表芯支座和后导流体引起。由此提出了关于表芯支座坡度和后导流体直径的结构优化方法,将表芯支座的坡度设计为15°,将表芯支座侧面的台阶流转变成渐缩流;将后导流体直径缩减为62mm,将后导流体侧面的台阶流转变成等直径的管道流。数值模拟和实验测试证实,当表芯支座坡度设计为15°、后导流体直径设计为62mm时,流量计的压力损失显著降低,仪表系数变得更加稳定,线性度误差明显变小,说明该结构优化方法可以明显提升流量计的计量性能。研究结论有助于为今后开发性能更好的气体涡轮流量计提供有力的理论指导和技术支持。

• 无人机燃料电池氢循环引射器设计及流动性能研究

  徐好进，王 辰，王 雷

  氢燃料电池无人机发展迅速,但无人机结构紧凑气源容量有限,如何提高氢气利用率,进一步增强续航能力是一个亟待解决的问题。针对该问题,本文设计了引射循环系统,将排空的氢气进行回收利用,以提高氢气利用率。以典型的1.7kW无人机燃料电池为例,采用计算流体力学方法设计了氢循环引射器,并进行性能分析,揭示了不同工况下内部流场特性。结果表明在二次流压力与出口压力压差为10kPa时,一次流压力在300~700kPa的范围内具有良好的引射性能。同时研究了关键结构参数喉嘴面积比(AR)和不同工况对引射性能的影响,研究表明,最佳AR随一次流压力变化而变化,统筹考虑本文选择AR=16,满足了不同工况下的全局最优引射性能,氢气利用率最高提升了30.3%,进一步延长了无人机的续航能力。

• 多计算任务调度优化的机载智能状态监测单元

  康守强，李 坤，王本宽，刘大同

  为保障无人机的飞行安全,机载智能状态监测得到重点关注。然而,受机载计算资源约束,监测多个关键参数的多任务场景给机载实时计算带来较大挑战。因此,本文提出有限现场可编程门阵列(FPGA)资源下多计算任务调度优化的机载智能状态监测单元,首先,基于堆叠长短期记忆网络建立不同监测参数对应尺度的监测模型,并利用FPGA构建各模型的定制计算加速单元。然后,建立FPGA资源和模型计算时间联合约束的多任务调度优化方法,获取定制计算加速单元部署和计算调度策略,最小化总任务完成时间。最后,根据上述策略在机载计算平台中部署指定尺度的加速单元,完成多计算任务调度。采用实际飞行数据对机载智能状态监测单元进行验证。结果表明,该单元能够高效完成多个状态监测任务的实时计算,较其它基于FPGA的多任务计算方法,计算效率提升优于16.08%。

• 埋地管道泄漏三维坐标-波速联合估计方法

  王 强，薛 生，郑晓亮，郑春山

  为实现埋地输气管道泄漏精确定位,使用加速度传感器在土表检测泄漏振动声波,并提出基于非均匀L形阵列的泄漏源三维坐标和波速联合估计方法。大孔径非均匀L形阵列内嵌小孔径L子阵,由小孔径子阵结合Root-MUSIC算法求解远场信源DOA与波速的约束关系,再利用大孔径L阵进行波速和近场信源距离的二维空间谱估计,最后根据估计结果计算三维坐标从而降低计算量。定位实验结果验证了L形阵列性能的优越性,基于L形阵列的联合估计法能够估计不同土壤条件下的泄漏振动声波传播速度,并得出泄漏源的三维坐标。相较于使用理论波速的定位方法,联合估计法定位误差降低了90.9%,避免了理论波速误差对定位的不利影响。联合估计法的计算耗时比直接三维空间谱估计降低了88%,且定位精度保持不变。根据远/近场判据计算出信源范围rmin~rmax,实验验证该范围内可实现精确定位。

• FRP 层压复合梁结构屈曲变形在线监测方法

  赵飞飞，保 宏，郭彦浩

  为了实现梁结构屈曲变形在线监控,提出了一种FRP层合梁屈曲变形重构方法。首先,依据高阶剪切变形理论,提出了一种复合梁结构变形场描述方法,并基于冯卡门应变梯度理论,推导出了中性轴应变表述方式。然后,利用最小二乘变分法建立了位移重构模型。其中,利用四次B-样条基函数构造了屈曲变形位移插值函数,推导了理论中性轴应变计算公式。并基于少量应变测量,提出了非线性项应变解耦方法,建立了测量应变与实测中性轴应变转换关系。最后,为了验证所提方法的精确性,以25层碳纤维复合梁为样件,搭建固定-简支梁试验平台,对其进行数值计算和试验论证。结果表明,建立的屈曲变形重构模型在不同轴向载荷作用时,位移场重构误差均小于8%。

• 基于对比学习辅助训练的超短期风功率预测方法

  王 颖，朱南阳，谢浩川，李 健，张凯锋

  利用深度学习方法提高风功率超短期预测精度能够给电力系统日内机组组合、超短期经济调度、和电力备用安排提供更精确的风功率预测结果,对进一步提高电力系统运行的安全性和经济性具有重要意义。本文针对当前深度学习特征提取模块对时序曲线中的隐式特征和趋势变化的相似性提取不充分的问题,提出一种基于对比学习辅助训练的超短期风功率预测模型,主要包括输入模块、特征提取模块、对比学习辅助模块和回归模块。该模型通过自监督的对比学习算法自主生成正负样本、并以拉开正负样本的映射空间距离为目标来辅助训练特征提取模块的网络参数,使得特征提取模块的映射结果中包含了输入信息相似性的隐式特征,进而减少数据冗余信息、增强样本关联性,最终提高风功率预测精度。实验结果表明,对比学习方法的平均绝对误差比长短期记忆网络和轻量梯度提升机方法分别下降了19.9%和6.5%,有效提高了风功率预测精度。

• 基于关键点检测的航空发动机螺栓安装缺陷自动化检测方法

  辛佳雯，王 睿，谢艳霞，孙军华

  针对航空发动机螺栓存在背景复杂、目标小、且精细特征不明显的问题,本文研究了一种基于关键点检测的航空发动机螺栓安装缺陷的自动化检测方法。首先设计了基于FasterRCNN和改进CPN(AD-CPN)的级联卷积神经网络,实现了图像中螺栓及二维关键点的检测,可判断该螺栓是否脱落、漏装。为进一步检测螺栓的三维安装缺陷,通过欧氏距离选择策略对已检测出的关键点进行双目匹配、筛选以获得检测点对,最后对检测点对三维重构,并计算出螺栓的实际长度,从而判断螺栓是否错装。实验结果表明,相较于CPN,AD-CPN的mAP、AP50、AP75分别提升了2.9%、3.3%、4%;螺栓测量长度的相对平均误差约为3.0%,可见该方法具有较高的缺陷检测准确率,有效保障了航空发动机的安全运行。

• 基于双磁场管道复合型缺陷应力信号提取方法研究

  廉 正，刘 斌，刘 桐，武梓涵，杨理践

  缺陷和应力共同存在的复合型缺陷是影响管道安全运行的重要因素之一。双磁场管道内检测法可用于复合型缺陷处应力损伤程度判断,但应力信号提取方法亟待解决。本文将J-A理论中的磁力学关系引入磁荷模型中,解析计算了不同应力、外磁场下复合型缺陷磁信号,建立基于双磁场信号比值的复合型缺陷应力信号提取模型,提出比值因子用于缺陷处应力水平的评估,并进行了系统的实验验证。研究结果表明,强磁信号对缺陷处应力大小不敏感,信号主要包括缺陷尺寸信息;弱磁信号对缺陷处应力大小敏感,信号包括缺陷尺寸信息和缺陷处应力信息。提出的比值因子可反映缺陷处应力情况,弱磁场强度较低时,比值因子随缺陷处应力的平均变化率大于9%,随着弱磁场强度的增加,比值因子随应力变化幅度变小。

• 基于 Kalman 的动态角度测量方法研究

  马新宇，朱维斌，黄 垚，邹 伟，薛 梓

  为了保证转台测角系统动态角度测量的准确性,研究了一种基于Kalman滤波的动态角度测量方法。阐述了动态角度测量方法原理,详细解释了基于Kalman滤波的参数优化模型和动态预测模型;根据测量精度要求设计动态角度测量电路,基于现场可编程门阵列(FPGA)平台实现转台发生角度值实时预测;开展加速度为10°/s2的匀加速运动工况仿真实验,以转台发生角度理论值为参考验证方法有效性;搭建转台实验平台,以环形激光陀螺仪为测量参考值验证动态角度测量方法应用效果。实验结果证明提出的动态角度测量方法可有效减小转台测角系统测量延时引入的系统误差,在转速为30°/s时延时误差由-82.62″减小至-0.01″,在各种转速下能够保持测量结果一致性,有效提升转台测角系统动态测量精度。

• 基于自注意力机制的深度学习模拟电路故障诊断

  杨东儒，魏建文，林雄威，刘 明，鲁圣国

  模拟电路是集成电路中的重要组成部分,基于深度学习技术对模拟电路发生的故障进行检测,并精准识别故障的类型是当前集成电路测试领域的研究热点。针对模拟集成电路故障检测存在困难的问题,利用人工智能在图像识别领域、语音分类领域的先进技术,提出了基于自注意力机制检测Sallen-Key型低通滤波电路故障的深度学习模拟电路故障检测方案,将输出信号采样成音频信号,并将其输入到自注意力变换网络的音频分类模型中进行训练、测试和优化。结果表明,通过自注意力变换网络音频分类在9种不同的故障类型诊断中,平均准确率达93.1%,最高准确率达98.1%。该模型收敛速度更快,具有较强的模拟电路故障检测能力。

• 基于阻抗变换的非接触电压测量自校准方法

  黄汝金，索春光，张文斌，朱俊宇，邹湘祁

  电容耦合式非接触电压测量在实际测量中,探头-导线之间的耦合电容受导线线径、绝缘材质、相对位置偏差的影响,造成分压关系难以确定从而无法准确重构电压。本文提出一种基于阻抗变换的非接触电压测量自校准方法,以实现在实际测量中传感器增益的自标定。首先介绍电容耦合电压测量的基本原理,从中凝练存在的问题并提出基于阻抗变换的自校准方法,随后通过仿真对系统参数进行校准精度影响分析并给出参数选取原则。在此基础上,开发传感器探头及电路拓扑。最后进行传感器样机精度测试、抗干扰能力测试、场景适应性测试,精度测试显示电压幅值最大相对误差为0.59%,相位相对误差为0.76%,抗干扰能力测试表明同轴探头对周围耦合电场具有良好的屏蔽作用。场景适应性测试显示在进行不同类型线路的测试中,最大相对误差为1.24%。

• 圆弧螺旋型压电能量收集器的有限元模型研究

  齐炫凯，仇超群，王子杰，王德波

  为了分析圆弧螺旋型压电能量收集器的振动特性和输出特性,本文提出了一种有限元模型,可以在简化模型的同时改善结果的精度。对近似前后的圆弧型压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了圆弧螺旋型能量收集器的谐振频率、输出电压与输出功率。将圆弧型悬臂梁进行有限元分割成6~16个矩形结构悬臂梁,并对不同程度的有限元近似下圆弧螺旋能量收集器的谐振频率与输出性能进行分析,结果表明在有限元个数大于等于10时,谐振频率与输出性能相对误差较小。加工制备了2π圆弧螺旋型压电振动能量收集并进行了性能测试。测试结果表明螺旋能量收集器谐振频率为158Hz,采取10边型有限元模型的理论谐振频率为153Hz,相对误差为3.5%;最大输出功率的测试结果为53.5μW,最大输出功率的理论结果为55.2μW,相对误差为3.18%,理论结果与测试结果较为符合。

• 基于联合分类的有效测试模式重选方法

  詹文法，张鲁萍，江健生

  针对目前集成电路测试复杂度的不断增加,导致测试成本不断攀升的问题,提出一种可靠而有效的测试集优化方法。通过k均值(K-means)聚类对原始测试集中的特征进行聚类筛选,然后采用改进的mRMR算法,分段式引入特征之间冗余性权重因子,用以权衡特征相关性和冗余性的度量,同时插入了SVM交叉验证,强化了测试模式选择的准确性。在保证故障覆盖率基本不变的情况下,达到减少原始测试集维数的目的。对ISCAS89电路实验表明,该文方法将原始测试集的测试模式进行大量的精简,既保证测试质量,也极大地优化了测试集,进行冗余消除和排序后的测试流程缩短了40.43%的测试时间,提升了测试效率,降低了测试成本。

• 基于电压倍增器的混合储能系统电压均衡方法

  谭喜文，陈渊睿，廖武兵，刘俊峰，曾 君

  传统主动均衡拓扑往往需要大量的开关管、电感、变压器或双向开关等元件实现能量传递,对于电动汽车而言,无疑会增加系统的体积和成本。鉴于此,本文提出了一种基于电压倍增器的电压均衡拓扑,用于锂离子电池和超级电容组成的混合储能系统。电池均衡拓扑和超级电容均衡充电器通过复用半桥逆变电路集成到仅含2个开关管、3个电感以及若干电容和二极管的电路中,可有效降低混合储能系统的体积和成本。电池均衡拓扑具有自模块化特性,电压均衡速度更快,超级电容充电器具有恒流充电特性。本文详细描述了该拓扑的工作模态和波形,并利用PSIM仿真验证了其均衡特性。最后,设计了由4个电池和4个超级电容所组成的混合阵列进行实验验证。实验结果表明,均衡后单体间电压极差降至10mV以下,证明了所提方法的有效性。

• 一种耳鸣治疗声优化算法的研究

  宫 琴，王 赫，马 涛，丁鸫翔

  为解决传统耳鸣治疗声难以兼顾治疗效果和音频悦耳程度等问题,本文提出了一种兼顾音频悦耳程度和耳鸣治疗效果的创新音频处理算法。首先遵循耳蜗感音的对数分布特性,基于固定上下限截止频率的数字滤波器组对原始自然声的音频进行分频滤波;然后对原始自然声的音频沿着频率对数轴均衡,使得声频在全频率范围内实现能量均衡的同时,兼顾治疗效果。结果显示,经过对数能量均衡处理后的音频,不但整体符合粉红噪声的分布,且在4001~8000Hz和8001~10000Hz高频段内的能量得到显著提高,处理后的音频能量分别超过原始音频能量15倍和100倍。本文提出的创新算法不但满足耳鸣患耳对音频感音的悦耳习惯,而且为高频耳鸣无疗效的国际难题提供了治疗方案。

• 基于足部生物力学原理的足底分布力测量方法及系统研制

  陈宝亮，马小凡，肖飞云，陆益民，王 勇

  依据足部生物力学原理,提出一种足底三分区测量分布力方法,并研制了相应的分布力测力台(DFP)系统。随机选取27名青年人和40名老年人进行双足睁眼站立-双足闭眼站立-单足睁眼站立连续过程的姿势稳定性测评,求解右足3个分区的压力中心(CoP)轨迹范围(95%置信圆面积)和3个站立阶段的CoP轨迹的位置偏移量作为分析足底支撑特点的参数。青老年人组的足底3个分区中CoP轨迹的最大范围值分别为27.00~227.46mm2与116.35~387.22mm2;前后侧的最大。偏移量分别为6.07±3.13mm与5.88±3.21mm;内外侧的最大。偏移量分别为6.51±2.29mm与6.77±2.34mm。结果表明,3个分区的CoP轨迹在双足站立和单足站立姿态下均集中在跟骨底端和跖趾关节横弓的内外侧两个端点上,位置受姿势稳定性差异条件的影响小。

• 基于阻抗模型的不确定环境下微纳操作力跟踪控制策略研究

  俞子牛，刘跃跃，巫亦浩，樊启高

  微机电系统在生物医学领域具有巨大的应用潜力,以压电陶瓷为基础设计的压电驱动系统在微纳操作高精度控制领域发挥着重要作用。在各领域的实际应用中,微操系统与环境的交互一直是研究的热门方向。由于微尺度下跟踪力误差相比宏观尺度下更不可忽略,因此微操作臂与环境接触力的精准控制是提高微操作准确度的关键。为此本文提出一种力跟踪阻抗控制策略,能够在操作过程中实现对接触力的精确跟踪。考虑到阻抗模型对环境参数要求较高,本文提出了扩展卡尔曼滤波器对外部环境参数进行在线估计的方法。实验结果表明,所提控制方法能够成功实现微操作臂-环境交互模型的力跟踪控制并且有良好的跟踪精度,力跟踪平均绝对误差为7.82mN,均方根误差为10.16mN,因此该方法对不确定性环境下接触力的精确跟踪具有可行性。

• 面向人机交互的手势指向估计方法

  陈仁钧，费敏锐，杨傲雷

  针对人机共融环境中机器人与人之间的交互问题,提出了一种面向人机交互场景的手势指向估计方法,通过人体指向手势,以实现机器人对工作平面上指向目标点的信息交互。首先,基于RGB-D相机与VICON人体动作捕捉系统,构建时间同步的视觉指向手势位姿数据集,其中的每个样本包含人体指向手势的RGB-D图像和指向手势的位姿真值;其次,提出融合语义与几何信息的指向手势位姿估计多层次神经网络模型;然后,设计融合位置点误差ΔP和方向角度误差Δθ的射线近似损失函数,并基于构建的数据集,对指向手势位姿估计模型进行训练;最后,在实验室环境中进行了人机交互实验与模型验证。实验结果表明,在距离相机5m的范围内,指向手势检测的平均精度为98.4%,指向手势位姿的平均位置误差为34mm,平均角度误差为9.94°,进而实现工作平面上的手势指向目标点的平均误差为0.211m。

• 语义信息增强的 3D 激光 SLAM 技术进展

  周治国，邸顺帆，冯 新

  由于激光雷达可直接获得测距信息且相较于视觉传感器对光照等环境变化更具鲁棒性等优点,激光同步定位与建图(SLAM)技术近年来得到广泛发展。传统激光SLAM已取得很多研究成果,但其仅利用几何特征,对场景的理解有限,难以应对复杂任务,除此之外,当前SLAM应用场景已由传统静态场景向复杂动态场景过渡,传统方法由于动态元素干扰大多难以获得较好的性能。因此,语义信息增强的三维(3D)激光SLAM技术愈发受到研究学者们的关注,通过赋予点云语义标签与纯几何特征进行融合,一方面借助语义信息滤除潜在运动对象以解决静态环境假设问题,另一方面以语义信息辅助激光里程计获得高精度的定位与建图。综述了语义信息增强的3D激光SLAM技术研究进展,提出了该技术通用框架,分模块对该领域的突出研究成果及应用进行重点介绍,最后对该领域发展方向进行了总结与展望。

• 基于阵列式传感器侵彻信号采集与计层算法研究

  郑德智，乔孟添，李中翔，胡 纯，张成俊

  侵彻武器能够有效毁伤敌方地下工事等多层结构目标,为了实现侵彻武器对炸点的精准控制,以达到最佳的毁伤效果,多层侵彻引信侵彻信号采集与识别至关重要。本文围绕硬目标侵彻引信中侵彻信号的获取、计层算法等关键技术,提出一种基于阵列式传感器的侵彻模拟实验方法,通过设计间距,控制三次撞击时间的间隔分别为9.15和5.41ms,对比有限元仿真结果,验证了多通道信号采集电路的可靠性与模拟实验方法的可行性。同时,为提高计层识别的准确性,分别采用短时傅里叶变换、小波变换、Winger-Vile分布对实验数据进行计层分析。分析结果表明,Winger-Vie算法可从时间、频率、能量多维度综合分析,具有较高的识别率和直观性,但在信息提取方面还需要改进时频分析进行优化。本文研究内容为下一步实现高精度侵彻信号计层以及解决信号黏连问题提供了重要依据。

• 机械振动 WSN 比例补偿跨层同步采集触发方法

  叶泉兵，汤宝平，黄 艺，赵春华，汤恒行

  针对机械振动无线传感网络同步采集中的同步触发精度低问题,提出了一种比例补偿跨层同步采集触发方法。首先,基于跨层同步架构设计超宽带机械振动无线传感器网络节点,分析采集节点实际采集时钟构成;然后,使用单一硬件定时器作为采集控制时钟,跨层获取同步信息并进行同步触发延时控制;最后,根据周期性同步信息建立节点间的时间比例模型,根据采集节点上行链路时间比例对同步触发延时进行比例补偿,减小同步采集触发误差。实验结果表明,所提方法在单跳网络中同步采集触发误差均值为20ns,最大值为50ns,在两跳网络中同步采集触发误差均值为37ns,最大值为76ns,有效提高了机械振动无线传感器网络同步采集触发精度。

• 半球谐振子质量不平衡对振动特性的影响研究

  王 鹏，曲天良，刘天怡，张 熙，张红波

  质量不平衡是半球谐振子制造过程产生的主要缺陷之一,其对谐振子的振动特性产生重要的影响。为制定半球谐振质量不平衡评价方法及为修调提供依据,对谐振子的结构特征及质量不平衡进行了表征,通过耦合振动物理模型及仿真分析,明确了谐振子耦合振动产生机理、质量不平衡对频率裂解及支撑损耗的影响。并通过实验,测得了谐振子的不同去除质量下频率裂解特性及耦合振动特性,得到了谐振子质量不平衡与振动特性之间的关系,通过实验数据得出未经过平衡的谐振子1、3次谐波及2次谐波的分布特征,以及它们引入的支撑损耗分别为1.6×10-8、3.7×10-9;频率裂解与4次谐波不平衡质量对应关系为0.01Hz/μg,由此可以对谐振子质量不平衡进行评价及制定调平工艺。

• 基于霍夫曼行程编码的 SLAM 算法

  邵锦江，蔡体菁

  针对基于粒子滤波的SLAM算法生成的栅格地图存储效率不高的问题,提出一种基于霍夫曼行程编码的SLAM算法,以解决原有栅格地图的编码冗余和空间冗余问题。该算法在基于粒子滤波的SLAM算法基础上采用霍夫曼行程编码的地图表示方式,根据不同的应用场景,设计出两种霍夫曼行程编码地图的存储方式,当栅格地图的规模较小时,使用定长编码;当栅格地图的规模比较大时,例如大型商场环境,考虑使用变长编码,进一步增广了该地图表示方式的应用范围。仿真和真实场景实验表明,在一定条件下基于霍夫曼行程编码的SLAM算法最多能够减少94.8%的内存消耗,证明了该算法的可行性与有效性。

• 联合自然梯度和 AdamW 算法的 RSF 图像分割模型

  蔡玉芳，王 涵，李 琦，王小军

  关键零件内部复杂结构的精密测量是高端制造领域攻克的难题。当采用工业CT技术实现对象内部结构精密测量时,面临目标图像灰度不均匀性、边缘模糊、伪影等问题。有鉴于此,本文研究了局部能量最小化模型(RSF)的图像分割方法,引入自然梯度和AdamW算法分别提高了RSF模型的收敛速度和参数自适应性。首先,在统计流形上计算自然梯度,提高梯度下降效率和RSF模型收敛速度;其次,采用AdamW算法实现RSF模型的高斯核函数尺度大小自适应控制。与经典RSF模型相比,改进后的RSF模型迭代次数减少了1353次,迭代次数降低约76.79%,迭代时间减少约43.61%,测针球面半径和航空燃油喷嘴圆柱直径测量误差均较小,既保持了原模型亚像素分割精度,又大幅提高了模型收敛速度和鲁棒性。

• 基于角点稳健提取的长方体参数化拟合方法

  马程远，沙建军，王艳恒，韩 明，谭 聪

  长方体基元拟合是三维点云几何拟合的典型问题,在三维重建、逆向工程、工业三维量测等实际场景中有着广泛应用。在实际应用中由于遮挡及设备盲区等原因,通常无法获取完整长方体点云数据,导致建模或量测时难以准确拟合长方体结构。针对该问题,本文提出一种结合平面拟合投影分割以及残缺平面垂角检测的长方体参数化拟合方法实现了长方体参数化拟合。首先,该方法通过平面拟合投影分割算法获取强轮廓信息的平面点云;然后,设计了残缺平面垂角检测算法,以拟合长方体真实角点;最后,利用非共面四点法对长方体残缺角点进行计算补全,获得完整的长方体参数信息。实验表明,本文方法在各类情况下均能准确检测并补全长方体角点信息以及平面参数信息,角点查准率召回率均为100%,平均误差仅为1.204×10-3m,能够实现精确的长方体参数化拟合。

• 一种结合 TCP 标定的深度相机手眼标定方法

  毛成林，于瑞强，宋爱国

  手眼标定是机器人实现视觉引导下精准作业中的关键技术。传统手眼标定和机器人工具中心点(TCP)标定分开进行,存在较大累积误差,同时针对深度相机的手眼标定存在精度不足的缺点。本文提出了一种结合TCP标定过程同步标定深度相机手眼关系的新方法。方法基于深度相机观测和TCP标定相同的标定平面,相机坐标系下标定平面方程和机械臂坐标系下标定平面方程为对应关系,通过平面方程之间的变换来计算手眼关系。本文方法减少了TCP和手眼关系独立标定累积误差影响,节约标定时间和标定件成本。仿真和实测结果表明,本文方法提高了深度相机手眼标定精度,标定后实测位置误差平均为0.2mm,为机器人视觉控制系统高精度作业所需标定提供了一种新的思路。