基于数字孪生的桥式起重机自主运行系统研究

为了提高桥式起重机的智能化水平和数字化水平,借助数字孪生技术,对一桥式起重机的安全自主运行系统进行了仿真和实验研究。首先,采用数字孪生思想构建了起重机自主运行系统整体架构,根据桥式起重机的实际运行情况,采用四模型(即虚拟模型、物理动力学模型、行为控制模型和规则计算模型)的方法,构建了起重机的孪生模型;然后,在起重机孪生实验平台上进行了起重机路径规划和大小车轨迹跟踪仿真实验,采用了变论域模糊PID控制器,对起重机大小车轨迹跟踪进行了控制;最后,对该数字孪生系统进行了互联互通实物验证实验。研究结果表明:在起重机数字孪生系统中可以同步进行虚拟仿真和实物实验;在起重机大小车轨迹跟踪实验中,使用所提变论域模糊PID控制方法时,大车跟踪误差在±7 cm内,小车跟踪误差可达±6 cm,表明该控制方法的先进性;同时,该系统初步达成数字孪生技术虚实同步、虚实融合、虚实对照的目标,并且具有良好的三维可视化效果,可为推动机电装备的数字化进程提供一种思路。

VR交互式三维虚拟起重装备建模与仿真

起重机作为广泛应用的特种装备,运行危险性大,极易发生安全事故。为降低由操作不当引起的安全事故,国家高度重视起重机的安全培训工作。目前培训操作多为传统的示教式培训,培训成本高、效果差。虚拟现实技术具有沉浸式、交互性、多感知等优点。基于此,采用虚拟现实技术建立起重装备培训和考核系统,大幅提升工人培训效果。为还原起重机真实使用场景,采用逆向工程技术对起重机及起重机厂房进行建模;针对三维虚拟场景真实性以及模型数量巨大交互模型复用性差的问题,采用细节层次(levels of detail,LOD)模型构建起重装备几何模型,从而优化系统的真实感和实时性;利用Unity平台实现了起重装备的三维场景漫游、碰撞检测和快速导航;基于MySQL数据库,实时存储培训数据以及起重机重要参数数据;依据现有桥机平台对虚拟平台进行了验证,结果显示该起重机虚拟现实培训系统可以在降低培训成本的同时大幅提升了培训感官,实验效果良好。

桥式起重机主梁取消拱度的安全设计范围分析

桥式起重机主梁拱度取消对于节约成本和自动化作业具有十分重要的意义。通过有限元法搭建桥式起重机主梁模型更接近于实际工况,对于不同吨位,不同系列主梁,采用有限元计算,过程会过于繁琐,必然产生重复劳动,耗时耗力且浪费资源。这里采用耦合有限元方法的响应面方法搭建主梁预测理论模型,避免了利用有限元软件进行重复计算,为主梁模型直接提供显性目标函数。进一步开展了主梁传递路径分析和取消拱度安全预测的初步实验,并对一定误差范围内预测函数的正确性进行验证。研究结果为桥式起重机快速发展和装备更新换代提供理论支持。

基于区块链的粮食防伪溯源系统的设计与实现

针对粮食溯源系统的安全问题,传统的中心化存储数据在各企业之间存在着信任问题,消费者在进行溯源查询时同时存在着安全问题。以大米为研究对象,构建粮食供应链溯源模型,搭建基于Hyperledger Fabric的防伪溯源系统,设计数据上链以及查询的智能合约。组织节点添加作物生成编号并关联溯源ID,将二维码、溯源ID与区块链相结合实现防伪溯源,设计本地及链上双存储方式并进行数据校验后返回信息。为保障二维码的安全性,应用改进RSA加密算法生成密钥对,使用公钥加密,私钥解密的形式对溯源ID生成加密二维码,消费者解密时从链上获取私钥对密文解密获取溯源ID。设计小程序并验证改进RSA算法的有效性,将小程序运用在区块链溯源并进行测试应用。测试结果表明:具有防篡改功能的区块链网络与小程序结合可以满足消费者溯源查询的基本需求,可以实现更安全快捷的溯源模式,保障了粮食信息的安全性。

古人类骨骼的数字化重建与3D打印

针对古人类骨骼完整数字化信息存档的需求及文物在研究、展示等过程中可能会造成的不可逆损毁问题,提出了采用基于逆向工程的三维激光扫描技术对古人类骨骼进行数字化模型重建并运用3D打印技术对骨骼进行高精度实体模型复原的文物保护方案。以出土自考古遗迹的古人类颈椎骨(C1)为对象进行研究,首先使用高精度三维激光扫描仪对古人类骨骼进行点云数据的采集,并结合逆向设计软件对点云数据进行优化处理、面片重建以及领域划分,最终重构出骨骼的NURBS曲面模型并转化为实体模型进行存档;其次运用3D打印前处理技术,对实体模型进行支撑添加、切片分析等处理,然后通过SLA成型方法打印出古人类骨骼高精度复原模型。采用高精度三维激光扫描仪可以实现对文物的无接触式数据采集,既达到了数字化信息采集的目的,又能避免在信息采集过程中对文物造成损伤,而且利用3D打印技术制造高精度复原模型可以替代文物进行展示以避免在此过程中的损毁,这一整套针对文物保护的流程具有可行性且对大部分文物有适用性。

硬岩隧道掘进多臂协同钻孔技术研究

为实现硬岩隧道掘进机械化施工,提高三臂凿岩台车应用于硬岩隧道掘进时的施工效率,对三臂凿岩台车钻孔定位精度、多臂协同钻孔路径优化进行了研究分析。首先,基于D-H法建立三臂凿岩台车运动学模型,通过蒙特卡洛法得到三臂凿岩台车的有效工作空间,采用RBF神经网络算法实现钻臂钻孔的精确定位;其次,以钻臂末端移动距离最短和钻臂运动过程中各关节变量之和最小作为优化目标,提出一种改进遗传算法对三臂凿岩台车进行孔序优化,并与蚁群优化算法和自适应遗传算法两种现有孔序规划算法进行对比;最后,以两种不同方案钻孔顺序和所划分工作空间对多钻臂协同钻孔碰撞干涉进行仿真数值模拟分析。数值模拟结果表明:(1)3个钻臂的钻孔定位误差最大为2.94 mm,误差控制在3%以内;(2)与两种现有孔序规划算法相比,以钻臂末端移动距离最短作为优化目标时,3个钻臂末端行驶的总距离分别缩短了5.39 m和10.84 m,以关节变量之和最小作为优化目标时,3个钻臂的各关节变量之和分别减少了2.76 rad、5.34 rad;(3)以最短距离所得钻孔顺序进行钻孔作业时,中间钻臂与左右钻臂之间最短距离分别为984.6、580.8 mm,各钻臂之间不会发生碰撞干涉,以关节变量最小孔序方案钻孔作业时,综合钻臂结构尺寸及安全性,中间钻臂与左钻臂之间最短距离为193.5 mm,可能发生碰撞。综上,RBF神经网络算法可以实现钻孔精确定位,依据距离最短为优化目标所得孔序方案施工时可以提高三臂凿岩台车掘进效率,为硬岩隧道掘进施工提供了理论支撑。

基于MSC.fatigue的某轻型客车车架疲劳寿命分析

针对某轻型客车杂合车在路试5 000 km时车架出现疲劳裂纹的问题,综合采用多体动力学、有限元和疲劳分析方法对其进行疲劳破坏仿真.在MSC.Adams/Car中建立该车的多体动力学模型得到其在B级路面的载荷历程,在MSC.Nastran中采用惯性释放方法对其进行静力学分析,在MSC.Fatigue中对其进行疲劳寿命分析,通过对结果深入研究,找到该车架产生疲劳裂纹的主要原因,提出了合理的改进方案,最后对改进后的车架结构进行了寿命对比验证.

基于电子舌技术的大豆肽区分及苦味评价

本文对大豆分离蛋白在风味蛋白酶五种不同酶解时间下制取的大豆肽溶液进行区分和苦味评价。采用法国ASTREE电子舌传感器采集大豆肽溶液的味觉信息,基于判别因子分析法(DFA)对大豆肽溶液进行定性分析;基于偏最小二乘法与RBF神经网络分别建立苦味得分的定量预测模型。结果显示DFA对不同大豆肽样品的区分效果好,区分指数DI=100,并能准确对未知样品进行呈味预测,识别率为100%;采用偏最小二乘法模型时的建模集和预测集的RMSE分别为2.47%、6.81%,采用RBF神经网络模型时的RMSE分别为0.81%、3.37%,表明采用RBF模型的预测效果比偏最小二乘法好。研究结果可为后续大豆肽产品的呈味特性研究提供一种新的方法途径。

超声波近距报警装置设计

伴随着经济的发展和生活节奏的加快,我国汽车保有量逐年攀升,随之而来的就是逐年增加的交通事故。为了避免交通事故的发生,设计了一种超声波近距报警装置。整个系统以TI公司的16位微控制器MSP430G2553为核心,以74LS04和MAX232串联组成超声波发射电路,以CX20106A为核心构成了超声波接收电路。该装置的量程为17cm^8m,精确可靠,不仅可以用于汽车防撞,还可以用到诸如起重机吊臂,盲人导盲仪等防撞设备中,为我们的人身安全提供保障。

基于蓝牙低功耗技术的无线超声流量计设计

针对复杂工矿环境和高度自动化生产环境对无线流量计的需求,对超声波测流量的原理及实现方法和蓝牙低功耗技术进行了研究,设计了一种高精度的无线超声流量计。系统以TI的DSP芯片TSM320F28027为核心,采用高精度时间数字转换芯片TDCGP22测量超声波传播的时差,采用TI的CC2540作为蓝牙通信芯片。针对流量测量过程会出现错误的时差数据,提出了一种基于拉依达准则的数据处理算法。实验结果表明该流量计具有高精度流量计量,远距离、低功耗无线传输及无线组网等功能。

外置胎压检测系统设计

汽车胎压检测装置越来越多地加入到车载控制系统中,为减少交通事故做出很大的贡献。然而,现有车载胎压检测系统多内置于轮胎中,出现故障难以修复。目前,只有新上市的汽车配备有车载胎压检测系统,老旧汽车亟待配备胎压检测系统。针对内置胎压检测系统的缺陷及老车对胎压检测系统的需求,设计了一种外置胎压检测系统,该系统分为检测装置和监控装置两部分。检测装置以BOSCH公司的胎压检测芯片BMP180位传感原件,以低功耗蓝牙芯片DA14580为控制器。监控装置以STM32L152RBT6为控制器,同样以DA14580为蓝牙传输芯片。该系统可以实现胎压、胎温实时监控以及危险报警,具有可靠性高、成本低等特点。

起重设备多点无线应变监测系统设计

在起重设备作业过程中,其金属结构容易疲劳受损,须对其危险部位进行安全监测。基于STM32单片机设计一款多点无线应变测量系统,以单个应变传感器作为终端节点,多个节点通过LoRa技术将应变数据无线传输至LoRa网关,网关将数据打包后通过Wi-Fi将数据发送至监控中心进行实时监测和数据存储。测试结果表明,该系统的测试应变相对误差在1%左右,符合大部分工程的需求。该设计方案在解决传统有线应变测量布线困难、受限于环境、无法在起重设备作业过程中实时测量等问题上具有较高的实用性。

基于电子舌技术的不同品种大米区分识别研究

采用法国Alpha公司生产的Astree电子舌对四种不同品种大米进行区分识别研究,系统研究了大米样品经过不同预处理方法后的区分识别效果、研究味觉传感器优化前后大米样品区分效果、研究应用PCA、DFA两种模式识别方法区分识别效果;结果表明,大米经简单预处理后,电子舌能有效区分、识别出不同品种的大米。在大米品质检测方面,电子舌应用是一个新的检测方法,有着广阔的发展空间。

起重机钢丝绳智能在线监测系统设计

针对工业生产中起重机用钢丝绳缺陷检测设备体积大、可靠性差、精度低、在线监测困难等问题,设计开发了基于漏磁原理的起重机钢丝绳智能在线监测系统。系统采用永磁体对钢丝绳进行非饱和磁化,以降低磁化器的体积;选用高灵敏度、低磁滞TMR2701线性磁阻传感器,结合小波降噪算法,以提升钢丝绳漏磁信号信噪比。实验结果表明,该系统能有效提高检测信号的信噪比,提升钢丝绳断丝识别准确度。

电子舌对不同食用植物油区分识别研究

采用法国Alpha M.O.S公司生产的电势型味觉电子舌系统对20种不同品种、不同原料产地的食用植物油进行区分与识别,并对传感器阵列采集的食用植物油响应数据进行主成分分析和判别因子分析。结果表明:传感器阵列的选择与剔除由不同食用植物油样品和不同传感器响应能力决定,主成分分析和判别因子分析2种方法均能较好地对食用植物油样品进行分类识别,分析结果显示判别因子分析优于主成分分析。电子舌作为一种新型的现代检测技术在油脂品质定性定量检测与分析方面具有巨大的应用潜力。

基于Hilbert-Huang变换的室内地磁信号处理分析

提出一种利用Hilbert-Huang变换(HHT)处理分析室内地磁信号的方法。介绍HHT原理与方法,设计出一种室内地磁信号采集平台,对实际测量的室内地磁信号进行经验模态分解(EMD),并对分解后的固有模态函数(IMF)进行频谱和时频剖析,最后将经过HHT处理的原始信号进行重组。结果表明,HHT能用于描述复杂的室内地磁信号的非线性时变特征,为室内地磁信号的处理分析提供一种可行的方法。

一种基于TMR的地磁场测试平台设计

针对微弱地磁场信号难以精确测量的问题,设计一种三维地磁信号测试平台。以STM32为主要控制芯片,采用隧道磁电阻(TMR)传感器采集微弱地磁信号,MPU6050传感器获取平台姿态角,经两级放大电路放大及失调补偿后进行A/D转换,最终由LCD实时显示电压值与姿态角并将其存入SD存储卡内。实验结果表明该地磁测试平台具有超高的灵敏度和信噪比、良好的低频特性等优点。该设计为微弱地磁信号的检测和获取提供一种可行的方法。

一种多边形区域运算的改进算法

本文简述了利用两多边形的交点出入性质进行区域运算的方法，重新定义了一区域中有向边与另一区域的进出关系，给出了两多边形区域存在部分顶点或边界重合时交点出入性质的判别原则。改进后的算法适于任何非凸多边形（含孔洞）的区域运算。

电子舌技术在低钠盐配方检测评价中的应用

研究电子舌技术在低钠盐配方检测评价中的应用。利用伏安型电子舌对样品溶液进行数据采集,通过小波变换去除信号噪声;基于主成分分析和聚类分析对样品溶液进行分析评价;基于偏最小二乘法建立低钠盐配方的咸味得分预测模型。结果表明:小波变换能去除高频噪声,保留信号的有用成分;主成分分析和聚类分析能对样品进行区分分类,正确反映样品的亲疏关系;采用偏最小二乘法建立的咸味预测模型,建模集和预测集的RMSE分别为3.18%、1.75%,预测效果很好。研究结果为低钠盐配方品质评价提供了一种快速的检测方法。

基于电子舌技术的有机低钠盐配方呈味特性研究

食盐是人类生活中的重要调剂品,在日益注重生活品质与生活健康的今天,低钠盐成为更多人的选择。文章采用法国Alpha M.O.S公司ASTREE电子舌采集样品溶液的味觉信息,研究低钠盐配方的呈味特性,分析了氯化钾、葡萄糖酸钠的呈味属性,利用DFA和PCA两种模式识别方法对低钠盐配方及其他样品溶液进行定性分析评价。实验结果表明:两种模式识别方法均能够对不同低钠盐配方的呈味特性进行有效判别,电子舌为不同配方的低钠盐呈味特性研究提供了一种快速的检测方法。