当期目录

2023年 第36卷 第6期 刊出日期：2023-06-15

  

基于扩张状态观测器的管桩自动焊接机滑模控制

刘文景,章国宝,刘宇恒

2023, 36(6):  1-7.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.001

摘要 ( 113 )   HTML ( 8 )   PDF (888KB) ( 34 )  

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针对管桩自动焊接机中齿轮传动结构带来的齿隙非线性问题,文中提出一种基于扩张状态观测器的改进滑模控制器设计方法。将非线性、时变齿隙模型等价为全局线性化模型,并证明建模误差上限有界。基于该模型,考虑到输入齿隙未知以及外界干扰未知的情况,文中分别设计了滑模控制器和基于扩张状态观测器的改进滑模控制器。前者能够渐进稳定的跟踪输入信号,抗干扰能力强,但存在较大抖振;后者利用扩张状态观测器观测出未知扰动并直接补偿给控制器,在保证跟踪误差在期望精度范围的同时减少了抖振,便于工程实现。仿真实验证明了相较于传统滑模控制器,基于扩张状态观测器的改进滑模控制器系统到达滑模面的速度更快、抖振更少。

基于图像处理的可见光通信自动对准系统

苑振博,白勃,张晓薇,罗柳君,尚韬

2023, 36(6):  8-15.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.002

摘要 ( 181 )   HTML ( 4 )   PDF (1641KB) ( 35 )  

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为提高可见光下行链路的通信质量,文中搭建了基于OpenMV的可见光通信自动对准系统。该系统基于图像处理和颜色识别等技术,实现室内白光LED(Light Emitting Diode)的自动识别。系统通过灰度质心法确定白光LED的质心坐标,并使用PID(Proportional Integral Differential)算法驱动舵机实现室内白光LED的跟踪。实验结果表明,在接收距离2 m处,可见光通信自动对准系统能在多种运动轨迹下实现白光LED的自动对准,最大对准角度误差小于0.534°。此外,无论是白光LED被遮挡还是存在干扰光源,系统仍能保持良好的跟踪效果,表明系统具有良好的鲁棒性。

一种自动调谐高频车载电小环天线设计

詹菲,闫永谋

2023, 36(6):  16-20.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.003

摘要 ( 127 )   HTML ( 10 )   PDF (1531KB) ( 33 )  

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针对短波通信天线难以在一套设备上实现宽频段工作且不便运输的问题,文中提出了一种适用于近垂直入射天波技术高频通信的自动调谐电小环天线。该天线安装在车辆顶部,主体由耦合环、辐射环及自动调谐控制单元等部分构成,引入两种不同调谐方法,并对两种匹配网络进行集成与自动控制,具有物理结构简单、携带方便且辐射效率较高等优点。仿真和测试结果表明,该环天线在3~30 MHz整个高频频段驻波比小于2,中心频率在25 MHz处的最大增益可达2.7 dBi,最大辐射方向为垂直方向,满足高频近垂直入射天波通信需求,是短波通信系统的重要组成部分。

水下机械手柔顺抓取的阻抗控制方法

鲁亮,梁承元,王浩,杨新

2023, 36(6):  21-26.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.004

摘要 ( 91 )   HTML ( 4 )   PDF (1291KB) ( 24 )  

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针对具有较多不确定性和随机干扰的水下机械手系统,文中分析了水下环境对动力学模型和阻抗控制器的影响,构建了基于环境参数辨识的阻抗控制器来解决水下柔顺抓取的力跟踪问题。通过引入遗忘因子的递推最小二乘法在线辨识环境刚度并修正参考位置,从而减小接触力的稳态误差,实现实时性和准确性的力跟踪。利用MATLAB/Simulink软件平台进行仿真实验,仿真结果表明该控制器在引入持续外部干扰力和期望力调整的情况下,能快速实现对期望力的跟踪和实时估计接触刚度,具有较好的鲁棒性。最后,通过实验验证了该控制器在真实的水下柔顺抓取任务中具有快速稳定的力跟踪性能,其平均稳态力跟踪偏差约为0.014 N,最大力跟踪偏差约为0.138 N。

融合IMU信息的三维激光SLAM方法

张明,章国宝,朱宏伟

2023, 36(6):  27-33.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.005

摘要 ( 226 )   HTML ( 7 )   PDF (3210KB) ( 46 )  

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针对激光雷达SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)算法定位精确度不高且鲁棒性较差的问题,文中提出了一种融合IMU(Inertial Measurement Unit)数据到三维点云配准过程的SLAM方法。在LeGO-LOAM(Lightweight and Ground-Optimized Lidar Odometry and Mapping on Variable Terrain)算法的研究基础上,在地面点提取环节引入IMU数据,将点云映射到世界坐标系下,减小载体抖动对地面点提取的影响。利用IMU输出信息消除点云由于载体运动产生的畸变,增强算法的鲁棒性。使用三点聚类法对一帧点云进行聚类分析,减少杂点的干扰,加快点云配准过程,提高了算法定位精度;同时引入闭环检测,减小匹配过程中的累积误差,得到全局最优解。结果表明,在大型户外干扰较多的环境中,改进SLAM算法减少了求解得到的轨迹波动,提升了点云配准精度,增强了算法的鲁棒性。

机器视觉技术在轨道交通中弯道测距的应用研究

王慧敏,毕嘉桢,沈拓,张轩雄

2023, 36(6):  34-40.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.006

摘要 ( 173 )   HTML ( 5 )   PDF (2189KB) ( 25 )  

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实时检测列车之间的距离是保障轨道交通安全并提高列车运能的重要途径。位于弯轨上列车之间的距离测量是测距的难点。为了推算和优化列车在弯道处的实时测距计算式,文中提出了一种基于机器视觉在轨运行列车的弯道测距方法。该方法通过单目摄像机对轨道进行图像采集,利用OpenCV算法对采集到的图片进行处理和分析,采用神经网络方法拟合弯轨轨道线,实现动态提取所需要的轨道特征点。通过搭建数学模型可以推算和优化列车之间的测距计算式。实验结果表明,在时间间距为40~50 ms时,测距系统的整体误差率小于9.11%,测距与图像中获得到的其他信息可进行有效融合与集成,且能作为提高列车安全性能的重要判据之一。

基于自适应UKF的UWB/PDR行人定位系统

卢敏龙,郭崴,张轩雄

2023, 36(6):  41-49.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.007

摘要 ( 157 )   HTML ( 4 )   PDF (2447KB) ( 20 )  

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UWB(Ultra-Wide Band)无线通讯技术在室内导航定位领域获得了广泛的应用,然而基于UWB的行人定位系统在复杂室内环境下的稳定性不佳,导致定位误差增大。为了解决这一问题,文中提出了一种基于自适应无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)的UWB/PDR(Pedestrian Dead Reckoning)行人定位系统。该系统利用无迹卡尔曼滤波算法将PDR模型与UWB的定位信息进行融合,以得到最优位置估计,随后利用UWB定位与PDR系统所获得的步长差概率密度函数来计算定位点的非视距评估概率,并将评估结果作用于系统的自适应噪声调整,以此提高系统对环境的适应性。实验验证结果表明,该系统可有效降低复杂环境下定位误差,提高行人定位结果的精度和稳定性,平均定位精度达到10 cm以内。

一种低功耗射频能量采集系统的仿真与分析

李帅,杨健,王涛,黄鑫,麻士峰

2023, 36(6):  50-56.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.008

摘要 ( 100 )   HTML ( 2 )   PDF (2157KB) ( 34 )  

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针对传统射频能量采集系统中RF-DC转换效率偏低的问题,文中设计了一种在入射功率为5~10 dBm范围内转换效率整体大于50%的低功耗射频能量采集系统。该方法在单阶Villard整流倍压电路结构的基础上将倍压阶数增加到七阶,有效提高了系统的输出电压和输出功率,从而提升了系统的转换效率。通过ADS射频软件对系统进行了总体设计与仿真,当回波损耗S₁₁参数满足设计要求后,将电路导入Altuim Designer中进行实物制作,在不同入射功率下测量系统负载电阻的输出电压,并计算得到对应功率下的整流转换效率。仿真结果与实验数据表明,系统在入射功率为5~10 dBm的范围内,整体整流转换效率可达50%以上,在10 dBm处得到最大转换效率为54.1%。与相同频点的射频能量采集系统相比,在设有同级别负载电阻和输入功率的条件下,文中所设计系统具有更高的输出电压,提升了RF-DC的转换效率。

电子引信无线装定技术应用研究

张明跃,房立清,郭德卿,石永雷,刘炳男

2023, 36(6):  57-63.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.009

摘要 ( 328 )   HTML ( 8 )   PDF (1515KB) ( 70 )  

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现代化战争要求武器具有更高程度的环境适应能力以及更精确的制导能力。电子引信作为制导武器的核心控制部件,其快速反应能力和精准控制能力不仅与武器的性能紧密相关,更是影响武器打击能力的重要因素。无线装定技术是精确制导武器的核心技术之一。与传统的有线装定技术相比较,无线装定技术具有非接触式、装定速度快以及适应能力强等特点。通过无线装定技术快速稳定地将控制信息传输至电子引信是未来智能化弹药发展的关键技术之一。文中针对不同无线装定技术的原理,分析了无线装定技术产生的原因,得出无线装定技术研究的必要性,对目前研究最广泛的3种无线装定方式:电磁感应装定、射频装定、磁耦合共振装定的关键技术及特点进行了综述,并且展望了无线装定技术未来的发展趋势。

一种基于CA-Net的面部口罩分割方法

李珂然,陈胜,柯盼盼

2023, 36(6):  64-71.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.010

摘要 ( 92 )   HTML ( 8 )   PDF (2093KB) ( 37 )  

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佩戴不同材质、型号的口罩对病毒传播的防控效果各不相同,对图像数据集中的口罩进行分割,将有助分析不同类型的口罩在防控效果上的差异。当前,面部口罩检测算法较多,但缺乏进一步的分割,为此文中提出一种基于图像处理和深度学习的面部口罩分割方法。文中所提方法是一种改进的对比度自适应直方图均衡化预处理方法,其通过亮度自适应调整减少因部分图像过暗导致的传统预处理效果不佳的影响。以SSD(Single Shot MultiBox Detector)进行口罩预检测,对结果以CA-Net(Comprehensive Attention Convolutional Neural Networks)进行口罩分割。CA-Net以U-Net为骨干网络,增加了空间注意模块、通道注意模块和尺度注意模块以便同时实现关于特征地图的空间、通道和比例的综合注意力引导,突出空间位置、通道和尺度。使用该方法初步分割结果的Dice系数评价指标可以达到79.18%±3.44%;增加预处理和后处理操作后,Dice系数可提升至84.03%±2.81%,表明文中所提方法能够明显改善视觉分割结果。

基于改进GD-HASLR算法的遮挡人脸识别

徐恬恬,席志红

2023, 36(6):  72-79.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.011

摘要 ( 68 )   HTML ( 3 )   PDF (1758KB) ( 24 )  

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针对遮挡人脸识别方面的算法在训练样本数目减少时,其识别结果也会下降。为了解决该问题,文中提出了一种改进的GD-HASLR(Gradient Direction-Based Hierarchical Adaptive Sparse and Low-Rank)算法。该算法先求得人脸图像的广义梯度方向,计算人脸图像从一阶到三阶的梯度大小和梯度方向,再利用映射函数进行映射后求得梯度方向向量,然后将其作为层次稀疏低秩模型的输入,求解出图像的表示系数和误差。文中采用了重启的快速迭代收缩阈值算法-II求解稀疏表示系数。最后,计算一阶到三阶测试样本的残差,选取其频率最高或者平均等级最低的类别作为分类结果。在AR、Extended Yale B数据库上的实验结果表明,与GD-HASLR等方法相比,文中改进方法获得的识别效果更好。

一种新型PMSM负载转矩和转动惯量辨识策略

朱凌童,蒋全

2023, 36(6):  80-86.  doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2023.06.012

摘要 ( 292 )   HTML ( 8 )   PDF (915KB) ( 74 )  

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精确的负载转矩和转动惯量辨识是实现永磁同步电机高性能伺服控制的关键之一,而目前负载转矩和转动惯量的辨识多局限于其本身,未能联系到负载转矩和转动惯量之间的相互影响与制约。针对该问题,文中首先设计了一种互相连接的扩展滑模观测器,充分考虑负载转矩和转动惯量间的相互影响,并且将已辨识转动惯量值作用于电机速度环的比例系数和积分系数,使得两个扩展滑模观测器拥有更加精确和稳定的速度输入。然后,文中将新型策略与其他算法进行了对比分析,结果表明新型辨识策略使负载转矩和转动惯量的辨识拥有更快的响应能力和更好的辨识精度。此外,为了验证辨识系统的抗干扰能力和辨识的稳定性,基于变速和负载突变环境进行辨识,仿真结果表明即使在复杂环境下,文中所提的新型策略依旧具有较为稳定的辨识效果。