仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2024年第5期

• 显微仪器产品美度指标构建及评价方法研究

  王 勇，谭久彬

  显微仪器外观美感能体现其产品的高端品质,同时提升操作者使用体验的愉悦性。建立显微仪器产品美度指标及评价方法能够量化显微仪器的外观美感,便于客观的形式美与人主观的感受美达成一致,从而有效指导显微仪器产品的美学设计。首先针对显微仪器产品的特点,基于形式美法则,依据Ngo和Birkhoff美度计算模型构建了显微仪器产品美度评价的7个量化指标,即平衡度、对称度、比例度、节奏度、整体度、秩序度、色彩美度;然后分析了7个美度指标间的相关性,建立了计算产品美度模糊评价矩阵R;最后以四款激光扫描共聚焦生物显微镜为样本,采用美度评价指标与模糊综合评价方法对其外观美感进行了主客观综合评价,结果显示哈工大设计的样本4的模糊综合评价向量B4=[0,0.3534,1.0425,0.8883,1.2562],表明其美度等级较高,具有更好的整体感与秩序性。

• 基于多通道特征融合学习的印制电路板小目标缺陷检测

  张 莹，邓华宣，王耀南，吴成中，吴 琳

  提出了一种多通道特征融合学习的印制电路板小目标缺陷检测网络YOLOPCB,首先删除YOLOv7主干网络中最后一组MPConv层与E-ELAN层,去掉融合层的ECU模块与20×20的预测头,使用跨通道信息连接模块串联精简后的主干和融合网络;其次设计了浅层特征融合模块与新的anchors匹配策略,增加了两个低层次、高分辨率检测头;最后将YOLOv7主干网络中的3个E-ELAN作为输入,将融合层中最底部的E-ELAN和两个拼接模块作为输出,使用自适应加权跳层连接以增加同维度内信息量。在PCBDefect公开数据集上平均精度达到94.9%,检测速度达到45.6fps;最后在企业现场制作的Self-PCB数据集中,YOLOPCB达到了最高精度76.7%,比YOLOv7检测精度提升了6.8%,能有效提高印制电路板小目标缺陷检测能力。

• 基于知识蒸馏自适应 DenseNet 的无人机对地目标可见光与红外图像融合

  童小钟，赵宗庆，苏绍璟，左 震，孙 备

  可见光与红外图像融合旨在利用两种不同传感器之间有效的信息,通过互补的图像特征实现图像增强。然而,当前基于深度学习的融合方法倾向于优先考虑评价指标。模型的复杂性较高,权重参数较大,推理性能低,泛化性较差,不易部署到无人机载边缘计算端。为了应对这些挑战,本文提出了一种新颖的可见光与红外图像融合方法,即知识蒸馏的自适应DenseNet来学习预先存在的融合模型,通过使用超参数(例如宽度和深度)来实现融合效果和模型轻量化。本文提出的方法在典型地面目标数据集进行了评估,实验结果表明,该模型参数仅为77KB,推理时间为0.95ms,具有超轻量的网络结构,良好的图像融合效果和复杂场景下较强的泛化能力。

• 基于视觉的夜间细颗粒物浓度估计

  翔 云，张凯华，陈作辉，宣 琦

  基于视觉的细颗粒物浓度(PM2.5)估计技术依据成像时悬浮细颗粒物对光线散射和吸收的整体影响来评估其浓度。这类技术具备良好的普适性,可实时检测广阔区域。已有研究依赖大气光均匀且充足的日间场景,无法适用于缺乏大气光且光照不均匀的夜间场景。本文提出首个基于视觉的夜间PM2.5浓度估计方法,通过图像处理捕获人造光源在不同散射方向的光强分布,并以此特征拟合浓度值。该方法创新地将人造光源及周边光晕区域视为夜晚雾霾信息的主要来源。由于夜间自然光照强度相对人造光源较低,其主导的区域往往趋于漆黑,导致日间雾霾信息的主要来源(自然光照下像素颜色随着景深增加而逐渐接近“大气光/天空”颜色)在夜间的作用相比光源处要小很多。该方法明显优于日间PM2.5估计方法,平均误差(MAE)为6.187μg/m3,决定系数(R2)为0.857,对比最新的端到端的神经网络方法在MAE和R2上分别有20.69%、13.36%的相对提升。

• 微型化三轴 FBG 振动传感器的角振动测量研究

  黎琪慧，陈亚新，辛璟焘，董明利，李 昆

  针对微型三轴振动传感器研制,可用空间小且结构复杂和结构零件组合装配困难等问题,提出采用3个一体化模块交错组合的传感器设计方法,提高了空间利用率和装配精度。通过理论分析和有限元仿真,完成15mm×15mm×15mm微型化传感器的优化设计,搭建显微镜成像封装系统和振动测试系统完成传感器的封装和性能测试。实验表明,该传感器X、Y、Z轴的谐振频率分别为990、975和960Hz,且在0~700Hz频率范围内平坦度好,灵敏度分别为19.10、19.28和20.01pm/g,具有轻量化和三轴测试性能一致性高的优点。搭建微角振动测试系统,验证传感器的性能,其角位移测量分辨率优于0.21μrad,线性度为0.998。

• 顾及非视距与系统误差的 UWB 质量控制及其与 GNSS / INS 的组合定位

  吴鹏博，潘树国，高 旺，刘 宏，贾丰硕

  为提高GNSS拒止环境下定位系统的定位精度与稳定性,本文提出了顾及非视距与系统误差的UWB质量控制方法,并实现了其与GNSS/INS的组合定位。首先,综合考虑系统的稳定性与定位精度,以GNSS/INS松组合+UWB/INS紧组合的方式构建集中式卡尔曼滤波;在此基础上,针对UWB中存在的NLOS误差,设计了基于滑动窗口与滤波新息向量的两步NLOS误差识别方法;最后,采用基于滤波估计的方法实时补偿UWB中的系统误差。实验结果表明,本文提出的UWB质量控制方法能够有效减小NLOS与系统误差的影响,GNSS/UWB/INS组合算法水平定位误差在5cm以内。在UWB布局合理的情况下,该方法无需依赖过多基站也可实现较高的定位精度。

• GIS 缺陷检测用低功耗智能无线振动加速度-声发射融合传感器

  史天一，张昭宇，张轩瑞，韩旭涛，李军浩

  针对气体绝缘组合电器(GIS)机械和绝缘缺陷的同时同地感知,本文提出一种低功耗智能无线振动加速度-声发射融合传感器。进行了传感器融合结构设计和仿真验证,使用蓝牙低功耗(BLE)实现传感器与客户端通信。首次将伪随机M序列应用于压电传感器的阻抗响应自校准,单次校准仅需数毫秒和数毫瓦。测试结果表明,传感器100Hz~2kHz内平均振动灵敏度为511mV/g,20~100kHz内超声灵敏度稳定在70~90dB之间,相对不确定度小于2%;工作距离小于8m时,数据传输速率在1Mbps以上。在设置金属颗粒缺陷的实际GIS设备上开展机械振动-局部放电联合试验,结果表明传感器可实现设备机械振动和超声波信号的同时同地测量,为电力设备运行状态的分布式检测提供了新型有效的方法和手段。

• 基于 FBG 的机器手指尖触觉感知研究

  孙世政，何 江，秦鸿宇，徐向阳，陈仁祥

  为了提高机器手指尖触觉感知灵敏度和精度,基于机器手指尖触觉感知机理分析,设计了特征分离式双层“十字”型FBG触觉感知单元,并进行了有限元仿真分析,针对感知单元开展了标定实验和抓握感知实验。基于接触温度和抓握力复合感知进行了耦合分析,提出了基于鲸鱼优化算法优化BP神经网络(WOA-BPNN)的解耦方法。实验结果表明:FBG感知单元的接触温度灵敏度为11.255pm/℃,抓握力灵敏度为17.342nm/MPa;WOA-BP解耦模型的接触温度平均绝对误差减小了72.53%,抓握力平均绝对误差减小了68.55%。

• 磁性液体非浸没式二阶浮力特性研究

  秦小然，王四棋，陈 龙，李德才，王洪林

  磁性液体为一种兼具磁性与流动性的智能材料,基于自身特有的二阶浮力特性能有效悬浮永磁质量块,改善永磁质量块与接触面间的摩擦形式,这一功能有效促进其在电磁传感、电磁能量采集及阻尼减振等方面的广泛应用。主要针对永磁铁在非浸没于磁性液体中所受的二阶浮力进行理论分析,利用有限元仿真分析其磁场及磁压差,通过实验定量探究了永磁铁悬浮高度分别与磁性液体注入量和悬浮力的关系并进行了磁性液体的应用对比试验。实验结果表明,磁性液体注入量与悬浮高度在磁性液体注入量0.3~3.4g存在较好的线性关系,并且实验与理论结果具有良好的一致性。

• 表面波相控变频电磁声传感器的研制

  何存富，王永慷，高 杰，张义政，吕 炎

  电磁声传感器(EMAT)因其具有非接触、可设计性强等优势,在无损检测领域得到了广泛的应用。目前,大多数EMAT只能在固定频率下激发超声波,限制了传感器的应用范围,为此,提出了一种新型相控变频电磁超声传感器(PC-FC-EMAT),通过调控传感器激励信号的相控时延,可达到变频激励的目的。首先,提出了PC-FC-EMAT的设计方案,建立了PC-FC-EMAT的频域响应模型,揭示了洛伦兹力空间响应下相控时延对频域响应的作用机理;其次,建立了PC-FC-EMAT多物理场耦合仿真模型,研究了相控时延对PC-FC-EMAT时域及频域响应的作用规律,仿真验证了相控时延对PC-FC-EMAT频率响应的调控作用;最后,研制了PC-FC-EMAT,并开展实验研究。实验结果表明,所研制的的PC-FC-EMAT可实现4~12mm的波长调控,频带范围覆盖252~687kHz,满足设计要求。

• 基于静电与声发射传感器的气送颗粒截面分布测量

  钱相臣，鲁云龙，孙林锋

  通过气力管道输送固相物料颗粒的方式广泛存在于工业生产过程中。在大尺度气力输送管道中,颗粒流动状态复杂且分布不均,为精确表征管道内颗粒的流动状态,提出一种融合静电传感器和声发射传感器信息的气送颗粒参数分布测量方法。为了获得颗粒在管道横截面上局部参数信息,将边长为200mm的方形管道横截面均分为16个静电测量区域和4个声发射测量区域。在30组不同的输送速度和质量流量条件下开展实验研究。结果表明,大尺度方形管道横截面上固相颗粒参数分布不均匀,速度分布情况符合渐扩管道流动规律。结合局部颗粒速度分析质量流量分布的测量结果,发现静电信号与声发射信号的均方根值所表征的颗粒相对质量流量分布变化趋势相同。

• 基于 L型轮辐结构膜片的窄频光纤F-P 声波传感器研究

  王巧云，闻 妲，王纪龙，严重越，朱子恒

  光纤声传感器被广泛应用在工业、医疗等领域。为了提高光纤F-P声传感器的性能,本文提出了一种L型轮辐结构的F-P传感膜片。膜片的厚度为15μm、梁宽度为0.5mm、中心膜片的半径为1mm。膜片由激光加工技术在304不锈钢上刻蚀而成。实验对1000Hz下的传感器灵敏度进行研究,将传感器应用于光声池共振频率为1600Hz的光声光谱气体检测系统中,并实现对50~100×10-6的乙炔(C2H2)气体浓度测量。实验结果表明,该传感器在1000Hz下的声压灵敏度为25.4nm/Pa,传感器可实现的最小可探测声压(MDP)为38.2μPa/Hz1/2@1kHz,声压信噪比为76.8dB。实验所得到的光声光谱二次谐波信号的峰值与乙炔浓度呈现良好的线性关系,乙炔浓度的响应度为1.8pm/10-6。该传感器在光声光谱等单频声信号检测领域具有广泛的应用前景。

• 锂离子电池的等效时变内阻模型及应用

  张思而，李 旦，张建秋，刘 钢

  针对锂(离子)电池在恒流、恒压和/或恒功率等工况下,Thevenin等效电路模型无法在线辨识其模型参数,进而无法描述锂电池特性的问题,提出了一种新的等效时变内阻模型。分析表明,通过将锂电池的开路电压和内阻,描述成未知的时变电压和内阻,并利用安时积分和随机漫步模型,分别表示其未知时变电压和内阻的进化,就可为锂电池建立一种以状态空间进行描述的等效时变内阻模型。分析也表明,因电池充放电而产生的暂态极化电压,可由电池端电流与时变内阻的乘积,以及电池端电压观测噪声分布的组合进行描述。本文模型相比传统模型,在恒流恒压以及恒功率的工况下,SoC估计的均方根误差平均降低了48%。公开充放电测试数据集和实验的SoC估计,均验证了本文模型及分析结果的正确性和有效性。

• 基于机载相控阵海浪波谱仪的海浪谱测量

  江柏森，韩倩倩，曹 蕾，张 晰，叶洪玲

  提出一种机载相控阵海浪波谱仪,是Ku频段、线极化二维相控阵列雷达,发射宽带线性调频信号,在小入射角下照射海面,接收被海面准镜面散射调制的回波功率,获取海面后向散射系数,反演得到一维海浪谱。通过二维相控阵实现0~360°方位向的圆锥扫描,获取二维海浪方向谱,进而计算波高、波向、波长等海浪参数产品。一方面,采用基于二维相控阵的动态波位驻留时序设计,将均匀扫描改为非均匀扫描,增加沿航向的观测时间,提高沿航向斑点噪声抑制水平,改善了中法海洋卫星SWIM载荷的“沿航向信斑比不足”的问题,使观测效能得到提升;另一方面,采用电子扫描,无旋转机构,可大幅度提升波谱仪设备的紧凑性、适装性和可靠性,提高机载平台适应能力。在秦皇岛附近的渤海海域开展了相控阵海浪波谱仪飞行试验,与同步波浪浮标观测数据进行对比,结果表明相控阵海浪波谱仪波向测量精度优于15°,波长测量精度优于10%,有效波高测量精度优于0.3m,验证了动态波位驻留对沿航向斑点噪声的抑制能力,以及相控圆锥扫描体制获取海面回波、反演海浪谱的性能。

• 基于多频段拼接的高分辨率太赫兹成像技术

  周子悦，年夫顺，孙 超，张 婷，董继刚

  为解决带宽限制导致的太赫兹调频连续波成像纵向分辨率低的问题,提出一种适用于线性调频体制的多频段拼接的方法。该方法基于参考信号的非线性补偿算法,改进传统宽带时域合成算法,在非线性校正的同时实现各频段信号频率和相位上的连续性,无需再进行频移和相位补偿。搭建0.11~0.75THz5个频段线性调频成像系统进行实验验证,结果表明,该方法显著提高太赫兹成像纵向分辨率,同时提高材料介电常数测试精度,未来可应用于材料测试领域。此外,设计了表面台阶型样品和多层胶粘的内部缺陷样品进行成像,证明融合信号的图像包含更多的细节,样品的每一层分离得更为明显,高度差仅0.2mm也能清晰地分辨,能够满足高精度无损检测的需求。

• 基于带宽交织采样架构的 80 GSps 超宽带实时采集系统

  赵 禹，叶 芃，孟 婕，黄武煌，杨扩军

  利用8片10GSps的模数转换器(ADC)芯片,基于带宽交织采样架构设计并且实现了具有80GSps,20GHz带宽的超宽带实时数据采集系统。对带宽交织采集系统中的子带分解、多子带间采集同步、交叠带以及全频带拼合等一系列问题展开了研究,并基于分治法的思想提出了相应的校准以及补偿方法,补偿前后的时域以及频域分析对比证明了提出补偿方法的有效性。实验结果表明,系统实现了具有80GSps采样率、20GHz带宽指标,其中有效位数(ENOB)以及无杂散动态范围(SFDR)在20GHz处可以达到6bit以及40dB,并给出了系统ENOB随频率变化的曲线,采集系统上升时间为22ps,实验数据表明系统各项指标处于国内领先水平。

• 用于变频电机绝缘测试的高频高压脉冲发生器设计

  师 洋，王 鹏，吴冬桃，朱英伟，程驰宙

  高频高压脉冲是变频电机绝缘评估的关键技术之一,其产生、控制、保护与传统高压直流、正弦条件下的相应技术具有较大差异,已成为高频高压脉冲技术的关键难题。为此,采用时钟可达纳秒级的现场可编程逻辑门阵列,研制了一套边沿时间40~500ns可调的高频高压脉冲发生器。基于半桥结构的脉冲发生器,提出测试容量达1600pF、电压峰峰值可达24kV的全桥拓扑结构。通过设计多级电压突降保护算法、电流脉宽实时检测、纳秒级脉冲控制技术以及多种抗干扰措施,保障了脉冲发生器在高频电磁干扰环境下安全稳定运行。实验结果表明,该脉冲发生器产生电压的脉宽和死区时间最小1μs,最大重复频率100kHz,为变频电机全参数绝缘测试提供了新平台。

• 卫星电源系统的数字伴飞建模方法

  王 盟，赵光权，刘大同，彭喜元

  电源系统是卫星的重要部件,为在轨卫星提供连续稳定的能源。建立卫星电源系统数字伴飞模型,对于其在轨状态的监测、模拟、控制、预测等具有重要的意义。针对现有模型保真度较低、虚实同步困难的问题,本文提出一种卫星电源系统的数字伴飞建模方法。首先,通过电路等效法、数学等效法,状态空间平均的小信号建模等方法建立卫星电源系统高保真机理模型。其次,使用遥测数据动态参数辨识和参数提取的方法获取模型的动态输入输出,驱动机理模型动态更新。最后,利用高轨遥感卫星开展模型的数字伴飞实验验证。实验结果表明,本文提出的卫星电源伴飞模型典型输出参数的准确率高于95%,且可与在轨卫星实现0.5s/次的虚实同步映射与数字伴飞。

• 基于辅助阻抗匹配支路的超声波时差测量系统

  刘 权，赵俊奎，曹建元，邹明伟

  为了抑制超声波时差测量系统的静态时间差,本文提出了一种基于辅助阻抗匹配支路的新型拓扑结构,并最终基于该拓扑结构成功研制出了一台超声波时差测量系统样机。基于样机和自制的换能器,分别进行了不同驱动频率、不同匹配电阻以及高温工况下(200℃、230℃和260℃)的静态时间差的测试,并通过实流标定实验验证了整套系统的精度和可行性。结果表明,通过辅助阻抗匹配支路的加入能够有效的抑制系统静态时差的均值及其波动范围,且在200℃、230℃和260℃的高温环境下实现了最低-0.279ns的静态时差。最终,系统在低流量440m3/h处精度等级可达0.15%,中、高流量1503~4397m3/h范围内精度可达0.05%,验证了辅助阻抗匹配支路的可行性,为超声波时差测量提供了一种高精度和低静态时差的解决方案。

• 基于准直激光的跟踪合作目标小范围二维姿态测量方法研究

  邱启帆，程 智，高豆豆，董登峰，周维虎

  为了解决远距离激光跟踪合作目标的高精度二维姿态测量问题,提出了一种基于准直激光的跟踪合作目标小范围二维姿态高精度测量方法。首先,详细阐述了角锥棱镜的光学特性与基于角锥棱镜的激光跟踪原理;其次提出了一种利用开孔角锥棱镜和光电探测器的二维姿态测量方法,并分析了激光光束向量、开孔角锥棱镜、光电探测器与合作目标的数学关系,建立了姿态解算模型,并设计了一款合作目标靶标;最后构建了高精度姿态测量系统,进行了实验数据采集与参数模型标定,并通过验证实验进行了精度分析与评价。实验结果表明,本文所提出的测量装置精巧实用,在±5°的工作范围内测角误差不超过0.011°,满足高精度的工程应用需求。

• 加权多尺度卷积稀疏表示及其在滚动轴承复合故障诊断中的应用

  王 爽，丁传仓，曹 懿，王报祥，江星星

  故障特征精确提取是实现轴承故障诊断的重要环节。卷积稀疏表示能够刻画特征的移位不变特性,非常适用于滚动轴承故障特征提取。然而,卷积稀疏表示忽略了故障冲击特征的周期性及不同尺度下的信号特性差异,制约了其在谐波成分和背景噪声等干扰下的特征提取能力。因此,提出了加权多尺度卷积稀疏表示用于分离振动信号中的周期性故障冲击特征,从而实现轴承故障诊断。在构建的稀疏表示模型中,利用多尺度变换将原始信号转换到不同尺度下,并在不同尺度下采用不同权重系数以达到抑制谐波成分等干扰的目的。同时,为了凸显故障冲击特征,建立了约束故障特征稀疏系数周期性的正则项,提高冲击特征分离能力。此外,引入交替方向乘子法和受控极小化方法推导出迭代求解算法。最后,通过分析提取特征的波形、包络谱及两种故障信息定量评估指标,验证了提出方法拥有优异的轴承复合故障冲击特征提取和诊断能力。

• 变转速下基于改进多阶概率方法的风电齿轮箱故障诊断研究

  刘长良，刘少康，李 洋，刘 帅，武英杰

  阶次跟踪是一种有效的解决变转速故障诊断问题的方法,其关键前提是存在转速信号作为参考。然而,由于强背景噪声和弱谐波关系的影响,现有转速估计方法的准确性和自适应性有待进一步提高。因此,提出一种融合多传感器信号的改进多阶概率方法(MOPA)用以估计瞬时转速。首先,依据不同传感器信号的基频统一性和主导分量差异性,通过时频图瞬时切片归一化融合的方式,构建具有强谐波关系的时频图;其次,为消除时变工况下时频图中横纵方向上的间歇恒频和短时宽频背景噪声,提出滑动消噪方法;最后,基于处理后的时频图执行MOPA,实现瞬时转速自动估计,结合阶次跟踪解决风电齿轮箱变转速故障诊断问题。经实测数据验证,改进MOPA估计的瞬时频率的准确性和自适应性均优于对方法,平均绝对百分比误差为0.56%,均小于对比方法的15.73%、13.99%和1.21%。结合阶次分析诊断了变转速下风电齿轮箱异常。

• 随机工况下基于改进 ANFIS 的锂电池容量衰减实时估计

  刘彤宇，陆起涌，李 旦，张建秋，王开铟

  锂电池容量的衰减会影响其安全性和稳定性,准确的容量估计能够帮助用户进行更好的决策。目前,广泛使用的黑盒数据驱动模型因其不可解释性很难被应用于安全相关的领域中,并且大多方法都基于固定工况进行特征提取,对具有随机性的实际工况不具有普适性。因此,本文构建了一种基于随机工况数据的改进自适应模糊神将网络推理系统(ANFIS)。首先分析了容量衰减的影响因素,据此从电池监测数据中提取和筛选健康特征;其次系统内部利用激活机制简化系统结构,并引入衰减系数更好地拟合电池单体特性;然后通过自适应粒子滤波算法优化模糊聚类中心;最后使用NASA随机工况数据集验证了该系统的有效性,其容量估计RMSE为3.73%。与其他方法相比,本文提出的方法结果精度更高且具有一定的可解释性。

• 基于改进小波包能量熵和阈值自适应的切削颤振在线监测

  聂兴毅，黄 华，李旭东，赵丛林，吴亚东

  颤振是影响机床加工质量的重要原因之一,传统的颤振监测算法对颤振孕育阶段的感知灵敏度低,且监测阈值的设定不具备泛化性和实时性,针对该问题提出了一种能够自适应地识别早期颤振的在线监测方法。首先使用改进的小波包能量熵算法(IWPEE)提取颤振特征,在提高识别精度和鲁棒性的同时降低了计算量。其次基于改进的拉依达准则确定颤振监测阈值,使系统能够根据不同的加工条件自适应地计算颤振监测阈值。然后根据实际加工监测需求开发高效颤振在线监测软件,并且通过仿真信号和切削试验验证了本文所提算法的有效性。结果表明,IWPEE算法相较于传统熵值判定法,识别灵敏度提高了360%,改进的拉依达准则能自适应地确定阈值并成功在颤振孕育阶段将其监测出来,相较于传统阈值算法在阈值稳定性和适应性上有显著提升。

• 基于局部能量密度的中介轴承故障特征提取与诊断方法

  栾孝驰，郝冠丞，沙云东，张振鹏，赵奉同

  针对航空发动机中介轴承振动信号在复杂传递路径和强背景噪声条件下的故障特征提取难题,本文提出了一种基于局部能量密度(LED)的中介轴承故障特征提取与诊断方法。首先,采用奇异谱分析对故障信号进行初步的降噪处理,并通过基于余弦值的方法确定最优的重构阶次,以保留信号中的关键故障信息。接着,引入新指标LED,用于量化故障特征频率及其谐波在局部频率范围内的能量比例。该指标不仅能有效提取微弱的故障特征,而且对于实际故障频率与理论故障频率之间可能存在的偏差表现出较强的鲁棒性。以LED作为适应度函数,通过人工蜂鸟算法优化的最大相关峭度解卷积(MCKD)增强奇异谱分析降噪后信号中的故障特征。最后,通过包络谱分析完成故障诊断。本文通过中介轴承故障模拟实验和加噪实验验证了所提方法的有效性,实验结果表明,与现有的故障诊断技术相比,本文所提出的方法的故障特征系数(FFC)和LED分别增加20.7%~218%和22.9%~134%。在0dB,-4dB和-10dB噪声条件下,该方法仍准确地识别到外圈故障的特征频率及倍频,表明所提出的SSA_MCKD能有效降低信号噪声并提取滚动轴承的故障特征。

• 基于贝叶斯估计和数据融合的复合材料结构冲击定位

  邓德双，曾 旭，杨正岩，杨 雷，武湛君

  到达时刻(TOA)是用于冲击定位的关键特征之一,目前随着信号处理技术的不断发展,在文献中可找到多种时频模型进行测量,但是在选择上通常依赖于人的经验。此外,考虑到测量模型的系统误差和测量噪声引起的不确定性,传统基于TOA的冲击定位方法存在不足。为此,本文提出了一种基于贝叶斯估计和数据融合的复合材料结构冲击定位方法。首先,应用多种不同的时频模型来获取冲击响应信号的TOA数据;然后根据TOA数据测量误差的不确定性,应用贝叶斯定理构建冲击位置的后验概率密度函数;再采用马尔可夫链蒙特卡罗采样方法估计冲击位置参数的后验分布,并用正态分布进行拟合;最后,对不同TOA数据获得的冲击位置概率分布进行融合,利用融合后的概率分布对冲击源的位置做最终决策。通过复合材料加筋板上的落锤撞击实验验证了本文方法的可行性,平均定位误差仅为0.94cm,相比于传统基于TOA的冲击定位方法可靠性和准确性更高,且在鲁棒性和定位时间方面同样具有优势。

• 基于电源端电压的电动汽车电弧故障检测

  刘艳丽，杨贺允，刘乙雁，崔诗淼，王 浩

  当电动汽车主电路的电气接触点接触不良时,极易产生电弧故障,直接威胁车内人员的生命安全。论文提出了一种基于自定义差分阈值滤波-分段最大值标准化-统计数值规律的电弧故障检测方法。首先围绕真实电动汽车吉利帝豪EV450搭建了电动汽车电弧故障实验平台,开展了电动汽车在不同工作模式下的电弧故障实验。然后以电源端电压为对象,对信号进行小波分解,对小波分解得到的低频系数进行自定义差分阈值滤波和分段最大值标准化。最后统计标准化后数据相同值个数,并通过阈值法检测串联型电弧故障。论文对模型样本长度、差分阈值比例、最大值标准化分段数、预处理方法选择等进行了深入分析,并对参数进行了优化设置,进一步提升模型性能。结果表明,所建模型对电动汽车电弧故障检测准确率为98.35%,且实时性较好。通过对模型进行泛化性分析、算法时间复杂度分析及与其他电弧故障检测模型对比分析,证明论文所建模型对电动汽车电弧故障检测具有较好的适用性。

• 基于下肢 sEMG 的疲劳模糊增量熵表征方法研究

  石 欣，余可祺，敖钰民，秦鹏杰，张杰毅

  连续运动中,基于表面肌电信号(sEMG)外骨骼机器人与人进行协同运动控制,肌肉产生疲劳将影响人机协同控制的柔顺性及鲁棒性。本文创新性地提出模糊增量熵(EIFEn)用以表征肌肉疲劳程度,并对肌肉疲劳阶段的较为客观划分;采集人体连续抬腿运动中下肢12块肌肉的表面肌电信号,提出基于变异性敏感系数SVR肌肉疲劳敏感度判断方式,实现有效肌肉选取,提出基于均模积的自适应阈值动作切分法,将完整信号切分并提取单个动作信号序列,通过分析计算,对疲劳趋势进行表征。实验结果表明,本文模型相比时域频域算法具有较为明显的肌肉疲劳表征梯度特征,与fApEn及FFDispEn相比具有较好的疲劳表征能力,用于疲劳等级聚类的戴维森堡丁指数(DBI)为0.39,可提高外骨骼人机协同控制,为实现疲劳分阶段补偿助力提供参考。

• 基于扩展卡尔曼滤波的疏散行人密度预测算法研究

  高凤强，王若宇，曹光求，刘暾东

  疏散效率的提升是疏散系统研究的核心关注点。由于疏散系统通常呈现局部可观测性,而异常的局部观测信息会降低疏散效率,因此需对观测信息进行预测校正。为此,提出一种基于扩展卡尔曼滤波的人员密度信息预测校正算法。该算法采用神经网络拟合方法对扩展卡尔曼滤波算法中状态函数和观测函数的参数进行辨识,完成非线性疏散系统的近似线性化,提高了建模的精度;同时算法通过误差协方差矩阵的迭代更新机制实现疏散人员密度的快速预测和校正。在此基础上,还结合密度控制算法构建异常疏散场景下的行人流疏散控制策略。为验证所提算法的有效性,在设计和构建异常疏散场景仿真模型的基础上进行了对比仿真和真人疏散可控实验。结果表明,相较无数据校正的疏散控制策略,算法在异常疏散仿真和真人可控场景中分别获得最高38.9%和23.26%的效率提升,为异常疏散场景中的控制策略提供了有效的解决思路。

• 基于函数拟合姿态更新方法的足绑式行人导航算法

  路永乐，杨 杰，鄢 誉，苏 胜，李 娜

  针对低成本足绑式行人导航系统中航向误差快速发散导致定位精度下降的问题,从降低姿态更新误差的角度出发,基于等效旋转矢量理论和傅里叶展开,提出一种基于函数拟合姿态更新方法的足绑式行人导航算法。首先,以等效旋转矢量法为理论基础,使用正余弦函数拟合足部运动角速度,利用泰勒展开及等式变换求取函数拟合姿态更新方法;随后,结合长短期记忆网络(LSTM)零速检测,设计适用于多种步态的足绑式行人导航算法;最后,以WT901BCIMU为硬件平台开展了多组不同步态的闭环路径验证实验,结果表明,相较于传统基于四元数法或二子样等效旋转矢量法的足绑式行人导航算法,所提方法定位误差平均减小47.66%和42.83%,航向误差平均减小49.99%和44.74%。

• 一种考虑微观结构的磁声发射理论模型

  张红亮，焦敬品，李光海，何存富，吴 斌

  磁声发射是评价铁磁性材料力学性能的一种重要无损检测方法,然而鲜见磁声发射理论/数值模型的报道。本文提出了一种考虑微观结构(位错密度、晶粒尺寸)的磁声发射理论模型。通过数值计算,研究了磁化结构参数和微观结构参数对磁声发射信号包络的影响。之后,重点对磁声发射理论模型的合理性进行了验证。基于不同硬度试件上测得的磁声发射信号,利用遗传算法对理论模型中的动态磁滞参数和磁化结构参数进行了反演。结果发现,在反演参数下理论模型计算得到的磁声发射信号与实验信号吻合较好,且关键磁滞参数的反演值与理论值最大误差小于15%。因此,提出的理论模型可用于磁声发射信号的预测。

• 基于模糊反馈线性化和自适应扩张状态观测器的USM 六自由度镇定控制

  孙 非，崔 特，曹宇赫，任 超

  水下游动机械臂(USM)作为一种新型的水下机器人,其镇定控制对于水下观测和作业任务的顺利完成具有重要意义。针对USM六自由度镇定控制时,其模型难以准确建立、水流等外部扰动难以观测和6个维度的控制器参数整定困难等问题,提出了一种基于模糊反馈线性化和自适应扩张状态观测器的控制方法。首先建立了USM的动力学模型;其次,考虑到USM强非线性和强耦合性的特点,对动力学模型反馈线性化后设计了PD控制器,并引入了模糊控制逻辑调整控制器的参数;同时为减少建模误差和实际水下环境存在各种不确定干扰对控制效果的影响,设计了一种自适应扩张状态观测器来实时补偿模型的不准确性和外扰。最终,在湖中实验测得,所提方案6维均方根误差(RMSE)为0.4252、0.1668、0.1685、0.2674、0.1174、1.0033,较之传统方案有明显的提升,证明了所提方案的有效性。

• 基于 TOI-Net 的高精度货车超载智能判别方法

  梁 健，康杰虎，赵宗扬，吴 斌，王雪森

  针对货车超载运输为道路安全带来巨大威胁,而目前主流的货车超载判别方法存在判别效率低、监管范围小、检测成本高的问题,提出了一种基于TOI-Net的高精度货车超载智能判别方法。首先,设计了针对于超载判别任务的货车行驶轨迹图像生成方法,可将多维度货车行驶轨迹时空数据转化为货车行驶轨迹图像,在降低数据复杂性的同时实现了特征的聚合;然后,设计了一个高精度货车超载智能判别模型TOI-Net,其由RepVGG模块和位置注意力模块组成,能够充分挖掘货车行驶轨迹数据中的超载信息特征,高效完成超载判别任务。在货车超载数据集上的实验结果表明,所提方法的超载判别准确率为96.1%,且性能指标均高于主流识别网络,实现了对于货车超载行为的精确、快速和全面的判别。

• 基于机电耦合方程近似解的低频电磁激振器谐波控制

  张旭飞，王 硕，马 杰，曹承乾

  针对大行程低频电磁激振器非线性参数导致输出振动信号严重波形失真问题,在建立激振器机电耦合模型及等效传递函数分析基础上,对输出振动信号进行基于传递函数的初步谐波补偿控制。通过计算表征激振器非线性特性机电耦合方程对应的输出振动位移一次及二次近似解,得到在输入信号叠加的准确谐波补偿控制量,进而实现对输出信号波形失真的高精度补偿控制。仿真分析及实验测试结果表明:基于传递函数及近似解的控制方法可在整个频率范围对输出信号谐波进行有效补偿,0.1Hz对应的加速度失真度由传递函数控制前的22.81%降低为4.5%,一次及二次近似解控制进一步降低为4.42%及1.78%,基于二次近似解的谐波控制方法具有更高的控制精度。