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    精密测量技术与仪器
    • 高精度海洋观测浮标运动测量系统设计与试验

      厉运周,孔庆霖,杨英东,王军成,刘世萱

      2023,44(11):1-12, DOI:

      摘要:

      海洋浮标受海洋动力环境影响产生运动,会对平台及仪器的可靠性产生影响,甚至会导致测量误差,影响海洋观测浮标 工作安全性和数据质量,因而浮标运动姿态的精确测量研究具有重要价值和意义。 本文通过搭建微型惯性测量单元(MIMU) 与全球导航卫星系统(GNSS)结合的硬件系统,获取浮标运动姿态相关数据,并采用载波相位平滑滤波模型进行数据预处理,融 合最小二乘降相关算法(LAMBDA)解算浮标姿态数据,获取高精度动态浮标姿态。 经过摇摆台模拟比对实验,系统姿态角均方 根误差小于 0. 5°,水平速度均方根误差小于 0. 05 m/ s。 通过实际海试实验,尤其是台风过境期间系统的测试结果,证明该系统 工作稳定可靠,无数据发散现象,整体有效数据达到了 95% 以上。

    • 基于激光自混合原理的涡轮叶片转速与叶尖间隙动态同步测量方法

      吴 军,陈 杨,赵君伟,陈玖圣,郭润夏

      2023,44(11):13-21, DOI:

      摘要:

      针对在高温等恶劣环境下,航空发动机高转速下涡轮叶尖间隙测量稳定性差、易受干扰、精准度低等问题,提出一种基 于激光自混合原理的涡轮叶片转速与叶尖间隙动态同步测量方法。 首先,提出基于三镜 F-P 腔模型的自混合干涉模型,并以此 为基础构建测速和测距的数学模型;其次着重研究了涡轮叶片转动下动态自混合干涉信号的处理,将采集到的信号依次经过带 通滤波以及小波降噪处理,再用 FFT 进行处理得到频率,由此求得叶尖间隙值;之后分别进行静态和动态激光自混合干涉测距 实验进行验证;最后探讨影响动态测量的误差源,并对测量系统以及算法进行优化补偿。 实验结果证明,该方法可以有效地提 高涡轮叶片转速与叶尖间隙的同步测量的稳定性及精度,测速相对误差为 1% ,叶尖间隙测量误差为 23 μm。

    • 角接触球轴承凸出量光学精密测量方法研究

      赵文辉,张 浩,魏 喆

      2023,44(11):22-29, DOI:

      摘要:

      角接触球轴承凸出量是轴向预载荷作用下轴承内外圈同一端面的距离,是精密角接触球轴承配对使用的依据。 为实现 角接触球轴承凸出量快速精密测量,提出了一种光学精密测量方法并研制了测量装置。 通过更换不同尺寸轴承定位爪,可实现 7208C、7208AC、7308B、7408B 轴承凸出量的测量。 分析了轴承套圈和滚子之间的赫兹接触,揭示了轴承凸出量变化量与轴向载 荷之间的关系,轴承凸出量变化趋势随轴向载荷增加而变缓,逐渐趋向于线性相关。 基于有限单元法对测量装置的机架和内圈 驱动分别进行变形分析和简谐振动分析,优化后传感器测头振动幅值减小到 0. 029 μm。 以 7008C(P2)为试验轴承,进行轴承 凸出量测量试验。 验证结果表明,其测量精度达到 0. 5 μm,实测样件偏差小于 0. 2 μm。

    • 基于双拟合优化的聚焦深度三维形貌测量方法

      王文琪,刘 巍,刘 洋,程习康,张 洋

      2023,44(11):30-38, DOI:

      摘要:

      聚焦深度法广泛地应用于小尺寸零构件的三维形貌测量。 针对聚焦评价曲线多存在噪声导致三维形貌测量的精度下 降,且效率受图像序列数目和聚焦评价算法限制的难题,通过结合双拟合优化理论与聚焦单峰性评价指标提出了一种基于自适 应权重的聚焦极值搜寻方法,并进一步基于三次多项式二次插值算法和多级中值混合滤波优化深度信息。 实验结果表明,方法 对仿真图像数据的均方根误差(RMSE)较高斯拟合和多项式拟合分别降低了 19. 08% 、17. 32% , 对球栅阵列封装 (BGA) 图像 中受噪声干扰较大的区域仍具三维分辨能力,同时对钻削刀具进行了测量,提出的方法在 50% 的图像序列数目和图像分辨下 RMSE 仍降低了 77. 8% 、62. 6% ,有效减少了聚焦曲线噪声对测量结果影响的同时提升了三维测量的效率。

    • 基于偏心抑制的激光差动共焦焦距高精度测量方法

      杜 卓,王 伟,王 允,崔 健,赵维谦

      2023,44(11):39-46, DOI:

      摘要:

      针对测量球面透镜焦距过程中存在偏心误差导致测量光轴与透镜实际轴线不重合的问题,提出了一种基于偏心抑制的 激光差动共焦焦距高精度测量方法,通过驱动工作台旋转测得透镜偏心误差的大小及方向,实现了对被测透镜的误差采集;通 过分析误差大小及方向驱动姿态调整电机,消除了测量过程中由于存在偏心误差对焦距测量精度产生的影响;通过构建系统, 优化系统参数,实现了激光差动共焦焦距高精度测量;最终实现基于偏心抑制的焦距高精度测量,解决了焦距测量时测量光轴 与透镜实际轴线不重合从而对测量结果产生影响的问题。 基于该系统进行了焦距测量实验,实验表明:测量焦距为 100 mm 透 镜时,该方法相对重复测量精度(RMS)可达到 0. 000 503% 。 该方法显著提高了焦距测量的精度及重复测量精度,为焦距的精 密测量提供了一种有效的途径。 同时,该方法可应用到镜组加工与装配中,提高镜组的成像质量与测量精度。

    • 三维等灵敏度低耦合弹性机构的设计和优化

      雷英俊,许桢英,李瑞君

      2023,44(11):47-55, DOI:

      摘要:

      振动对仪器和机床的精度都有较大影响,对其进行准确检测和分析,是实现振动有效控制的前提。 本研究提出了一种 高灵敏度和低耦合三维弹性机构及其参数优化方法。 介绍了三维弹性机构的构型,并通过理论建模、参数优化和仿真分析完成 了三维弹性机构的设计和优化,最后将该弹性机构与高灵敏度、低耦合传感系统相结合,研制了高性能三维低频加速度计系统, 并实测了加速度计系统的性能参数。 根据实验结果,使用该弹性机构的三维加速度计的灵敏度优于 2. 0 V/ (m·s -2 ),耦合误差 低于 1. 5% ,以及频率响应范围为 1~ 13 Hz,符合设计要求。 因此,本研究所提出的三维弹性机构具有三维等灵敏度和低耦合的 特点,可以广泛应用于各种三维加速度计。

    • 7. 5 位万用表精密放大器直流偏置问题研究

      王世隆,邓守鹏,王恒博,韦建荣,王言章

      2023,44(11):56-65, DOI:

      摘要:

      作为校准级仪器的 7. 5 位万用表,可用于航天航空领域中传感器电参数标定。 直流放大器的偏置问题直接影响万用表 测量精度。 本文设计一种低直流偏置放大器,以 JFET 构成的共源共基放大电路、比例缓冲电流镜、V-I 变换恒流源电路作为输 入级放大电路,级联高增益运算放大器构成电压串联负反馈结构,解决高输入阻抗与低噪声放大的矛盾问题。 本文对失调电压 和温度漂移构成的直流偏置模型进行分析:发现电流镜失调电压对 JFET 的失调电压具有补偿作用,并优化电阻修调电路对改 善 JFET 失调电压;由温度漂移仿真发现:由 V-I 变换电流源的电流温度漂移和比例电阻温度漂移是放大器温度漂移的两大因 素。 通过低温漂敏感器件的选择、PCB 热布局的优化及防风壳的设计,改善系统整体温度系数。 实验表明,该放大器失调电压 绝对值小于 11 μV,优于 JFET 类型精密放大器 OPA828;放大器温度系数为-2 ~ -4 μV/ ℃ ,与没有温度校准的 Keysight 3458A 温度系数处于同一等级。 该放大器满足 7. 5 位万用表的设计需求。

    机器人感知与人工智能专题
    • 仿生扑翼飞行机器人自主导航系统研究进展

      蒋济州,徐文福,潘尔振

      2023,44(11):66-84, DOI:

      摘要:

      仿生扑翼飞行机器人模仿自然界鸟类和昆虫等生物的飞行方式,具有安全性强、迷惑性好等优点,在灾害救援、反恐防 暴等方面具有极其重要的应用前景。 为实现其在未知复杂环境下的自主飞行并执行探测任务,需研制一套集感知建图、规划避 障与飞控制导等功能模块为一体的导航系统。 本文首先对扑翼飞行机器人的导航系统进行了概述,按照翼展大小将扑翼飞行 机器人分为微小型和大中型两类,其次对比分析了国内外在微小型、大中型扑翼飞行机器人导航系统方面的主要研究进展。 接 着对自主导航系统所涉及到的感知定位与建图、运动规划与避障、轨迹跟踪与飞控制导等关键技术进行了分析总结,指出其局 限性及亟待解决的问题。 最后,对未来的研究趋势进行了展望,包括提升机载嵌入式计算能力、多模态信息融合、面向多模态飞 行的流场感知、仿生视觉系统研究、群体感知与编队控制等热点方向。

    • 软体机械臂控制方法研究现状及展望

      耿 鹏,何彦霖,杨 溢,历文宇

      2023,44(11):85-98, DOI:

      摘要:

      软体机械臂由于具有多自由度、高灵活性、较强的环境适应能力以及安全可交互性高等优势,近年来在生物医疗和海洋 勘探等诸多领域得到广泛应用。 软体机械臂采用高度可变形的柔性材料制作而成,由于其材料的非线性特征,软体机械臂的精 确控制一直是该领域的研究重点和难点,国内外研究人员针对软体机械臂的控制方法开展了大量研究并取得了较大进展。 但 是目前仍然存在若干问题,亟待探讨解决方法。 为此,本文梳理了近十年来国内外研究人员在软体机械臂的运动控制方法上取 得的研究成果,分析总结了目前软体机械臂常用的控制方法和最新技术等,指出了软体机械臂控制面临的难题与挑战,并对软 体机械臂控制方法的未来发展方向进行了探讨和展望。

    • 基于阻抗控制的骨外固定机器人矫形力自适应跟踪

      苏 鹏,谢实辉,刘 霖,赵 伟,张 力

      2023,44(11):99-108, DOI:

      摘要:

      针对传统骨外固定器矫形力无法准确控制、安全性差的问题,本文基于 RCM 构型,搭建一种膝关节骨外固定机器人,提 出一种间接自适应阻抗的矫形力跟踪方法。 由于存在机械摩擦以及外部不确定性,针对阻抗控制鲁棒性差的问题,采用力误差 信号作为目标阻抗的驱动力,建立新的阻抗模型适应矫形环境的变化,根据矫形力误差的变化,设计自适应律对阻抗参数实时 调节,在线补偿动态环境的不确定性,使系统的力跟踪误差为零。 并对所提的控制算法进行了胫骨矫形力控制的对比仿真和样 机实验。 结果表明:阻抗控制仿真结果各性能指标的加权平均值分别为 2. 12、8. 58 和 13. 2,且力跟踪实验的最大误差为 20 N; 相比于阻抗控制,自适应阻抗控制仿真性能指标的加权平均值仅为 0. 36、0. 18 和 0. 61,力跟踪波动误差控制在±3 N 以内,具有 更好的鲁棒性和自适应能力。

    • 一种主动型踝关节助力外骨骼设计及性能实验

      韩亚丽,韩子瑒,金壮壮,徐闽海,吴应达

      2023,44(11):109-118, DOI:

      摘要:

      为实现踝关节的运动助力,针对踝关节运动过程角度变化快、运动自由度多的特点,本文提出了一种基于多支链空间连 杆机构的主动助力外骨骼,通过电机带动丝杆传动并组合空间连杆机构的设计方式,实现了踝关节主动的背屈/ 跖屈及从动的 内收/ 外展,旨在提高踝关节外骨骼运动跟随的协调性,减少其对穿戴者运动自由度的限制。 基于脚底测力系统进行步态识别, 采用运动状态机对踝关节助力外骨骼进行分层控制策略研究。 并对踝关节进行运动实验测试及助力评估。 实验结果表明,踝 关节外骨骼的有效助力范围(跖屈 30° ~背屈 20°,内收 35° ~外展 15°)能够满足正常行走需求,具有良好的运动跟随性(角度误 差≤2°),受试者小腿肌电信号明显衰减,减幅均值可达 28. 91% ,可实现有效助力。

    • 基于变波阻抗控制策略的六足机器人双边遥操作

      李佳钰,张喜洋,于晓洋,刘宇飞,尤 波

      2023,44(11):119-129, DOI:

      摘要:

      针对变时延条件下六足机器人行进任务中的跟踪性较差问题,本文提出了一种基于波阻抗在线补偿策略的六足机器人 双边遥操作控制方法。 该策略以四通道控制架构为基础,采用时延预估器对通信时延进行预估,并设计波阻抗在线调整规则, 以此提高系统的跟踪性。 同时结合时域无源性控制方法,对通信环节与环境端潜在的有源性进行二次补偿,保证系统的绝对无 源,利用 Llewellyn 准则设计主从端的控制律参数。 搭建基于 Vortex 半物理仿真实验平台与实物实验平台对本文所提出的方法 进行验证。 实验结果表明变波阻抗控制结合时域无源性控制可以保证系统的无源性,相对于传统双边遥操作速度跟踪性提高 了 84. 3% ,力波动范围降低了 84. 7% 。

    视觉检测与图像测量
    • 基于深度学习的三维点云分析方法研究进展

      陈慧娴,吴一全,张 耀

      2023,44(11):130-158, DOI:

      摘要:

      点云是目前自动驾驶、机器人、遥感、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、电力、建筑等领域最常用的三维数据处理形式,深 度学习方法能够处理大型数据,且可自主提取特征,因此点云深度学习方法已逐渐成为研究热点。 本文综述了近十年来基于深 度学习的三维点云分析方法的研究进展。 首先给出了三维点云深度学习的相关概念;然后针对点云目标检测与跟踪、分类分 割、配准和匹配以及拼接这 4 种任务,分别阐述了相应的深度学习方法的原理,分析并比较了各自的优缺点;随后整理了 18 种 点云数据集和 4 种点云分析任务的性能评价指标,并给出了性能对比结果;最后总结了点云分析方法目前存在的问题,对进一 步的研究工作进行了展望。

    • 随掘连续超前探测异常体辨识成像研究

      许少毅,卢文庭,王承涛,林嘉睿,邢方方

      2023,44(11):159-175, DOI:

      摘要:

      本文提出了一种新型随掘连续超前探测异常体辨识成像方法,有效解决了固定场源超前探测单次成像准确度差的问 题,为巷道掘进与超前探测并行作业提供有力支撑。 首先,构建了随掘连续超前探测异常体辨识成像理论模型;然后,对异常体 辨识成像效果及成像准确度提高方法进行研究,在可有效辨识前方异常几何体形态的基础上,通过扩大随掘里程、加快电位采 集频率和增加电位测点数量,将电导率均方误差分别从 0. 273 降至 0. 156、0. 173 降至 0. 153、0. 183 降至 0. 167,成像准确度逐渐 增高;最后,分析了随掘场源前方不同类型、形状异常体成像效果,构建泥槽实验系统并进行了成像效果对比实验,验证了本方 法的有效性。

    • 基于深度学习的铸件 CT 图像分割算法

      赵恩玄,何云勇,沈 宽,刘 杰,段黎明

      2023,44(11):176-184, DOI:

      摘要:

      针对现有方法分割弱边缘铸件 CT 图像难度大、精度低、鲁棒性差的问题,提出一种融合残差模块与混合注意力机制的 U 型网络分割算法(AttRes-U-Nets)。 该算法以 U-Net 网络为基础,首先构建深度残差网络 ResNets 作为算法的编码网络,解决 传统 U-Net 网络特征提取能力不足的问题;然后,引入改进后的混合注意力机制,突出分割目标区域与通道的特征响应,提高网 络灵敏度;最后,将 Focal loss 与 Dice loss 结合为一种新损失函数 FD loss 缓解样本不平衡带来的负面影响。 使用 120 阀体数据 集对算法性能进行验证,实验结果表明,本文算法对铸件分割的像素准确率(PA)和交互比( IoU)分别达到 98. 72% 和 97. 40% , 优于传统 U-Net 算法与其他主流语义分割算法,为弱边缘分割提供了新思路。

    • 基于形变卷积和深层聚合网络的水下文物检测

      周道先,张吟龙,徐高飞,杨雨沱,梁 炜

      2023,44(11):185-195, DOI:

      摘要:

      搭载有视觉检测系统的自主水下航行器(AUV)具有水下文物探测功能,对深海考古有着重要意义。 水下文物所处环境复 杂多变,目标存在破损、堆叠和泥沙掩埋等情况,导致判别特征提取困难,使得 AUV 视觉检测系统无法可靠、准确地实现水下文物 的检测。 针对上述问题,提出一种基于可形变深层聚合网络模型的水下文物检测算法。 为了充分提取复杂环境下水下文物目标 特征信息,设计了具有可形变卷积层的多尺度深层聚合网络。 在此基础上,引入 SimAM 注意力模型进行特征优化,来增强文物目 标潜在特征信息并削弱背景干扰。 最后,通过不同尺度的特征融合实现水下文物检测。 在采集的水下文物数据集上进行大量验 证和分析,算法的精确率、召回率和平均精度均值(mAP)分别达到了 92. 7% 、90. 5% 和 92. 2% 。 此外,算法已部署到 AUV 系统中。 在实际深海测试场景中,视觉检测系统的文物检测帧率达到 19 fps,可满足实时检测的任务需求。

    • 单目视觉空间移动靶位姿测量方法研究

      刘其林,董明利,孙 鹏,燕必希,祝连庆

      2023,44(11):196-204, DOI:

      摘要:

      为向室内定位技术定位精度及抗干扰能力提供高精度数据对比标准,提出单目视觉空间移动靶位姿测量方法。 结合机 器视觉投影矩阵求解与摄影测量后方交会技术,实现任意靶位姿下的相机外参数求解。 首先,通过世界坐标系下地面控制点坐 标及其像面坐标,计算真实相机站位;随后,根据靶点初始世界坐标及其实时像面坐标,求解虚拟相机站位;最后,根据虚拟及真 实相机站位外参数,将靶点初始世界坐标变换至靶点实时世界坐标。 实验结果表明,在 10 m×4. 5 m×3. 8 m 测量空间中,靶位 移距离测量误差 X 方向均方根误差(RMSE)为 0. 358 3 mm,Y 方向 RMSE 为 0. 350 9 mm,Z 方向 RMSE 为 1. 475 2 mm。 靶姿态 角 φ 测量 RMSE 为 0. 094 0°,ω 测量 RMSE 为 0. 089 3°,κ 测量 RMSE 为 0. 025 4°。 满足大范围移动载体的高精度实时定位定 姿需求。

    • 基于多阶段关联的多目标跟踪算法

      霍 旭,盖绍彦,洪 濡,周伟典,达飞鹏

      2023,44(11):205-214, DOI:

      摘要:

      针对现有多目标跟踪算法关联过程中,外观和几何信息利用不充分,同时跟踪对象的邻域间信息交互不足的问题,提出 了一种基于多阶段关联的多目标跟踪算法,根据目标之间的不同关联状态,将几何信息和外观信息合理应用于不同关联阶段。 算法提出了基于正则化距离交并比(DIoU-Mea)的匹配模块,仅利用几何信息快速将强关联目标匹配。 同时基于稀疏图网络 (GNN)的关联模块对跟踪对象的邻域建模,促进对象之间的信息交换并提高跟踪精度。 基于通道注意力融合特征模型和形状 交并比的双校验模块(Double-Revise)进一步细化跟踪结果。 所提算法利用不同阶段匹配算法的互补优势,在各阶段合理利用 外观和几何信息,过滤掉错误的匹配并识别正确的目标对应关系,在 MOT17 数据集上进行了验证与测试,其高阶跟踪精度 (HOTA)在测试集中达到了 64. 8% ,表明算法具有较好的性能,在密集场景下具有较好的鲁棒性。

    • 基于多任务学习的快速序列视觉呈现脑电图分类

      谢 平,胡锦城,江国乾,王鹏宇,门延帝

      2023,44(11):215-223, DOI:

      摘要:

      针对快速序列视觉呈现的脑电图数据存在样本不平衡问题,提出一种基于多任务学习的快速序列视觉呈现脑电图分类 模型。 首先,建立深度共享特征提取模块,利用卷积神经网络自动学习共享参数,提取与任务关联的深度特征;其次,基于分类 任务和超球约束任务构造多任务目标函数,利用两种任务的联合学习提取更有效的判别特征,提高模型泛化性。 在快速序列视 觉呈现公开数据集中进行实验,与常见的脑电分类模型 DeepConvNet、EEGInception、DRL 以及 EEGNet 相比,提出的 Multi-task EEGNet 在 32 个受试者中平均 AUC 分别提升 3. 57% 、1. 84% 、6. 22% 和 2. 09% 。 实验结果表明,提出的多任务学习模型能更充 分地提取判别特征,有效提升模型分类性能,较好地解决 EEG 分类任务中样本不平衡问题。

    • 基于并联多尺度卷积神经网络的微动脉瘤检测方法

      苑玮琦,王 安

      2023,44(11):224-233, DOI:

      摘要:

      由于视网膜图像中微动脉瘤尺寸小、背景干扰多,导致传统方法检测时准确率低,现阶段的深度学习模型大多针对大尺 寸目标进行检测,存在结构复杂、对小目标的检测效果不佳的问题。 为解决以上问题,提出了一种基于并联多尺度卷积神经网 络的微动脉瘤检测方法。 首先,建立微动脉瘤尺寸与检测用理论感受野之间的对应关系;然后,根据微动脉瘤的类型和尺寸范 围构建包含两个感受野尺度的并行卷积网络;最后,提出了一种基于主动学习的训练集构建与数据增广方式,以提高模型的检 测性能。 方法在两个公开数据集和 1 个自采眼底数据集中进行了对比实验,实验结果表明,该方法能有效实现微动脉瘤的检 测,相比于同类方法对于小尺寸和与血管粘连的微动脉瘤具有更好的检测效果。

    传感器技术
    • 柔性差测量科赫分形涡流传感器内部裂纹检测

      陈国龙,张帅帅,樊 乐,陈依琳,靳伍银

      2023,44(11):234-242, DOI:

      摘要:

      柔性涡流传感器由于其可变形性有望被用于复杂形貌结构的无损检测。 柔性科赫分形涡流传感器由于其局部微结构 对涡流的调理效果,对各方向短裂纹检测性能的一致性较高,但该传感器对于近表面及内部裂纹的检测还未展开研究。 构建了 差测量传感器的等效电路模型;通过仿真方法研究了涡流分布随深度的演化规律;通过试验方法,研究了传感器对覆盖不同厚 度铝板预制裂纹试块的检测效果。 有限元结果表明,随着深度的增加,涡流密度减小,集中性降低,分布的形态与其在表面差异 越来越大,形态由雪花状向圆形演化。 试验结果表明,传感器输出信号随着覆盖层厚度的增加而减弱;当激励频率为 10 kHz 时,传感器可检测到裂纹时覆盖铝板最大厚度为 2. 0 mm。

    • 漏磁检测多排传感器的数据修正理论及方法

      张仕忠,李红梅,赵春田

      2023,44(11):243-251, DOI:

      摘要:

      漏磁检测因其显著的技术优势,被广泛应用于无损检测铁磁性构件中的缺陷,尤其是在油气管道的内检测领域。 漏磁 检测信号的空间分辨率由传感器的排布密度决定,但传感器的排布密度受其尺寸限制,尤其是对单排传感器。 因此为提升检测 信号的空间分辨率,传感器的多排、错排布置是简单易行的方法。 由于多排传感器所处位置的背景磁场不同,不同背景磁场对 检测信号的影响规律尚不清晰,因此需要对以上问题进行理论分析,并提出对多排传感器检测数据进行修正的方法。 本研究基 于磁荷理论,将缺陷检测信号划分成背景磁场和缺陷漏磁场两部分的叠加,给出了两者叠加的规律。 基于此提出了对多排传感 器的检测数据进行修正的方法,并通过 COMSOL 仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

    • FBG 传感技术在飞机机翼动态形变监测中的应用

      张 俊,陈光辉,倪国新,熊 俊,曾 捷

      2023,44(11):252-260, DOI:

      摘要:

      机翼是飞机的关键部件之一,在飞行过程中对机翼形变进行在线监测,有助于提升飞机的安全性能及任务执行能力。 为此,本文提出一种基于光纤布拉格光栅传感技术的机翼动态形变测量系统;理论分析了 FBG 波长变化量与机翼表面曲率变 化的关系,利用 FBG 温度传感器实现应变补偿,利用三次样条插值实现离散曲率的连续化,采用基于连续曲率的形变重构算法 实现机翼形变测量;在 CA42 飞机的 4 个翼面上布置了 36 个 FBG 应变传感器,4 个 FBG 温度传感器,通过地面静力试验得到了 机翼的形变测量误差为 2. 5% ;最后,针对机翼动态形变测量系统开展了飞行试验,试验过程完整地记录下了机翼表面的应变、 温度及形变信息。 试验结果表明,由机翼形变产生的翼梢位移量正比于机翼法向过载,系数分别为 86. 33 mm/ g(左机翼)及 80. 04 mm/ g(右机翼),翼梢最大位移量 250 mm,发生在法向过载为 2. 25 g 的时刻。 此外,飞机机动半径越小,机翼形变量越 大。 机翼动态形变测量系统体现了良好的工程适应性。

    • 基于碳点的小型自校正比率荧光光纤铬(VI)传感器

      蔡 忆,姜天雨,张 静,李 意,赵 勇

      2023,44(11):261-270, DOI:

      摘要:

      荧光比率传感探针检测方法能够克服环境(如样品基质、猝灭剂等)和仪器等外部因素影响, 得到更加可靠的检测结 果。 本文合成用于组成比率型荧光纳米探针的两种荧光碳点(CDs), 在 365 nm 紫外光的激发下, 这两种碳点分别在 440 nm 和 570 nm 处具有荧光发射峰, 且对 Cr(VI)具有相反的响应。 通过水凝胶将比率荧光探针包覆在设计的光纤尖端上, 能够实 现 Cr(VI)浓度的在线检测。 利用飞秒激光微加工系统制作的齿形光纤结构, 有利于荧光探针的激发和传感器荧光的收集。 为进一步降低传感器成本、缩减传感器体积, 采用低成本的 LED 灯珠作为激发光源。 采用比率荧光探针包覆, 克服 LED 灯珠 光源稳定性差的缺点, 使传感器可以实现自校正。 实验表明,即使光源强度波动较大, 该传感器连续 7 次测量的相对标准偏差 (RSD)仅为 3. 1% 。 在 0~ 200 μM 范围内, 该传感器对 Cr(VI)具有良好的线性关系, 检出限(LOD)为 0. 9 μM。 该传感器能够 应用于实际样品中 Cr(VI)的检测, 说明该传感器的具有实用性和可靠性。

    • 面向协作集群的鲁棒协同自定位与相对定位方法

      熊 骏,解相朋,熊 智,庄 园

      2023,44(11):271-281, DOI:

      摘要:

      协同定位是卫星拒止等导航基础设施受限环境下提升载体定位精度的重要手段,载体自定位和载体之间相对定位是其 主要的两项应用。 然而现有方法通常将自定位与相对定位剥离开来,仅用于估计其中一种定位状态,不仅存在应用局限性,也 忽略了集群相对运动与个体运动之间的关联性,导致性能损失。 为解决该问题,提出了一种适用于协作集群的鲁棒协同自定位 与相对定位方法,基于自定位、相对定位和协同量测之间的概率关系建立概率图模型,描述了相对运动与个体运动之间的概率 关系;采用高斯置信传播传递实现图模型的边缘概率求解,实现消息传递的高效计算;设计了基于 Huber 损失函数的 Huber 因 子,可实现异常量测在高斯消息传递过程中的降权,从而实现鲁棒协同估计。 实验结果表明,所提出的方法不仅能够同时进行 自定位与相对定位估计,且估计精度优于传统协同定位方法,所设计的 Huber 因子能够有效处理异常量测,为集群协同导航定 位的融合架构提供了新思路。

    信息处理技术
    • 针对不连续带洞结构的声发射源定位方法研究

      张 宇,刘嘉成,冯 舒,芮小博,徐立鑫

      2023,44(11):282-289, DOI:

      摘要:

      由于兰姆波在舷窗等带孔结构表面的传播路径不再是线性路径,传统方法难以解决撞击的声源定位问题。 本文针对该 问题,提出了一种基于声发射的网格映射概率成像定位方法。 该方法通过建立网格映射模型解决了信号传播的非线性路径难 题,并通过对网格节点的信号最快传播路径计算得到相应的理论时间差值。 之后利用自适应能量阈值方法与 AIC 方法计算信 号的实际到达时间差,通过比较理论值与实际值的偏差构建概率图像以实现定位解算。 通过有限元模拟分析了带洞结构对兰 姆波传播路径的影响,给出信号传播路径的确定依据。 通过对 32 个撞击点的定位实验验证了定位方法的可行性,平均绝对误 差为 1. 15 cm。

    • 磁流变液响应时间检测方法及装置研究

      李 佩,卢 川,尹剑飞,周 威,谢 磊

      2023,44(11):290-299, DOI:

      摘要:

      磁流变液的响应时间是一个关键指标,关系到磁流变智能执行器的实时可控性能。 然而,MRF 的动态响应面临从电 流、磁场强度及剪切应力等多参数耦合中解耦的难题。 本文提出基于偏置正弦激励电流的相位检测法,通过施加偏置正弦电流 激励正弦磁通密度,由扭矩与磁场相位差获得 MRF 响应时间,无需面临阶跃响应中的复杂解耦问题。 此外,本文通过关键机械 参数设计,突破商用流变仪的剪切率限制,实现了最高 3 000 s -1 下的响应时间测量。 基于此,本文设计和制作了一套 MRF 响应 时间检测装置,分析了装配偏心和磁场探针位置引起的误差;测得多种样品在 1~ 3 A 振幅电流下的响应时间为 23 ~ 140 ms,并 发现响应时间随 MRF 浓度增大而先减小再延长,且与外部磁场强度呈负相关。

    • 毫米波雷达微弱行人轨迹跟踪-预测一体化方法

      方 鑫,何 敏,黄大荣,张振源,葛 亮

      2023,44(11):300-309, DOI:

      摘要:

      针对城市道路场景微弱行人目标雷达回波信号极易被强背景杂波淹没,导致目标轨迹跟踪及预测失效难题,提出了一 种基于调频连续波-多输入多输出毫米波雷达的微弱行人轨迹跟踪-预测一体化方法。 首先,利用递归贝叶斯检测前跟踪算 法,直接从未经阈值处理的雷达三维原始频谱数据中提取目标运动轨迹,解决了传统阈值决策信息丢失带来的跟踪性能下降问 题,并在此基础上提出了一种基于 Transformer 的端到端轨迹预测模型,进一步挖掘隐藏在跟踪轨迹中的时空相关性,完成了微 弱行人目标轨迹的精准预测。 实验结果表明,方法在信噪比大于-20 dB 时,预测轨迹的平均位移误差和最终位移误差分别小 于 0. 706、1. 215 m,均优于高斯过程、长短期记忆网络等传统方法。

    • 基于无人艇载侧扫声呐的水下目标定位方法研究

      左 震,黄泓赫,孙 备,吴 鹏

      2023,44(11):310-319, DOI:

      摘要:

      水下目标高精度定位是无人艇开展海底测绘、航道清理、沉船打捞等任务的重要前提。 然而,现有的基线式定位方法无 法对未知水域内的目标进行精确定位。 实际任务中,无人艇往往需要搭载侧扫声呐并辅以其他手段来确定水下目标的准确位 置。 针对无人艇水下目标定位难题,首先对侧扫声呐水下目标定位过程进行建模,然后分析姿态误差对水下目标定位造成的影 响,利用姿态矫正矩阵消除姿态误差,最后利用离散卡尔曼滤波算法对多点测量数据进行最优估计,得到水下目标的精确位置。 仿真实验和无人艇集成实验结果表明,该定位方法能够有效的减小测量过程中的误差,平均定位精度达到 0. 334 m。

    • 可重构磁耦合水下推进器的磁场分析及性能评估

      李亚鑫,张 冀,王 宇,任 诚

      2023,44(11):320-328, DOI:

      摘要:

      在保证微小型水下机器人运动灵活的同时,降低矢量推进器机械复杂性,改善其防水密封问题,设计了一款可重构磁耦 合的水下矢量推进器。 基于磁耦合非接触式动力传输,解决了驱动电机与螺旋桨之间的防水问题;与此同时,采用重构机构在 两自由度内改变螺旋桨位姿,实现了可重构矢量推进水下机器人的目的。 在建立磁耦合磁场模型的基础上,通过 ANSYS Maxwell 磁场仿真与搭建的磁转矩测量装置,验证了磁场建模的正确性并分析了重构机构对磁耦合动力传输磁转矩的影响。 在 此基础上,进一步搭建了螺旋桨水下测力装置,评估了转速与推力以及不同重构角下最大矢量推力的变化情况。 结果表明,推 进器能够在[-15°,15°]两自由度可重构角范围内稳定地输出矢量推力。

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