B Spline Interpolation Based on Optimization

Curve and surface interpolation is the core of geometric modeling. The paper gives a new method to interpolate B spline curves and surfaces based on nonlinear optimization. The beauties of the method are: it is not necessary to calculate parameter values of data points, and the curves and surfaces generated have good behavior of fairness. The theory and procedures of the method are introduced in detail, the differences between the conventional method and the new one are discussed, and some figures generated by this new technique are presented.

B-Spline曲线聚风装置直线翼垂直轴风力机启动性能数值模拟

为了提升直线翼垂直轴风力机的启动性能,基于B-Spline曲线生成方法,提出一种具有流线型轮廓的聚风装置,将其分别安装在风轮顶端和底端,用以提升风轮附近的来流风速,使风轮汲取更多风能,达到更易启动的特点.选取聚风装置的5个结构参数进行设计:聚风装置与风轮间隙距离ΔL、底圆半径R_(1)、顶圆半径R_(2)、入口角度α_(1)和出口角度α_(2).设计方法采用二次旋转正交组合筛选最优模型,通过三维数值模拟研究聚风装置参数对直线翼垂直轴风力机启动性能的影响,获得了最佳外形参数组合.此外,对有无加装聚风装置的直线翼垂直轴风力机进行了静态三维数值模拟.结果表明,通过添加具有外凸流线型轮廓的聚风装置,直线翼垂直轴风力机的启动性能有显著提升.在风速较低的情况下,性能改善更加明显.聚风装置可使直线翼垂直轴风力机的平均启动力矩系数最大增加38.8%,峰值平均启动力矩系数最大可增加31.2%.

基于B-spline的路径规划与轨迹跟踪研究

为满足局部路径规划换道路径下的特性和提高智能驾驶车辆在多种变曲率条件下的路径跟踪精度和稳定性,采用贝塞尔曲线、B-spline等路径规划换道条件下的方法,分别在圆形轨迹、8字形轨迹、S形轨迹、正弦曲线形轨迹路径下,基于MATLAB对4类路径跟踪算法进行分析,得出最合理的B-spline路径规划和跟踪算法。结果表明,B-spline算法在换道点和并道点曲率为0,满足换道条件的要求;MPC算法在正弦轨迹下比其他算法平均误差小约48.6%,在圆形轨迹下比其他算法平均误差小约84%,说明该算法在多种轨迹下都具有很好的跟踪性,能在一定程度上保证智能驾驶汽车的安全性和稳定性,为今后智能车辆路径规划和轨迹跟踪控制研究提供参考。

基于二维B-splines方法研究强磁场中类氢离子He+的低能能级

采用改进的二维B-spline方法在柱坐标系下研究了强磁场下类氢离子He^(+)的结构和电子空间几率密度,计算包含三种对称性0^(+)、0^(-)和(^(-)1)^(+)共10个本征态1 0^(+)、2 0^(+)、ν 0^(-)(ν=1~4)和ν(-1)^(+)(ν=1~4)的能级,选定磁感应强度分别为0、0.001、0.003、0.005、0.007、0.010、0.030、0.050、0.070、0.100、0.200、0.300、0.500、0.700和1.000 a.u.。计算结果表明,类氢离子He^(+)的能级在强磁场中发生劈裂,简并度消除,得到了各个能级随磁感应强度变化规律,并且发现随着磁感应强度的增加能级高低会改变,甚至会发生能级翻转现象;定量地研究了类氢离子He^(+)的基态1 0^(+)和激发态3 0^(-)几率密度分布随磁感应强度的变化规律,并与氢原子进行比较。本研究部分计算结果与他人研究结果十分吻合,有助于进一步理解其他复杂原子的电子运动行为。

一种基于曲率和B样条的矿区装载车辆连续路径规划方法

矿区装载车辆的任务是从进入点到装载点进行装载,然后离开矿区。在进入装载点前,车辆要在回转点改变行进方向,以便倒车进入装载点。针对装载车辆的任务特点,本文提出了一种基于曲率和B样条的路径规划方法。首先,基于车辆运动模型设计了A*算法的成本函数,获得了与车辆转弯半径相关的离散路径。为了进一步获得装载车辆的连续路径,又提出了改进的B样条插值法,使得连续路径两端切线符合车辆起始点和终点的位姿。随后,基于模拟退火算法,获得了车辆的回转点,使得车辆可以在进入装载点前改变前进方向。仿真结果表明,所提出的连续路径规划方法能够保证生成曲率连续的装载车辆路径,并保证路径两端符合车辆在起始点和终点的位姿,为矿区装载车辆的自动驾驶技术提供了基础。

基于B样条与鲸鱼优化算法的机械臂轨迹规划

为了提高机械臂的工作效率,构建一种基于B样条与鲸鱼优化算法(whale optimization algorithm,WOA)的机械臂时间最优轨迹规划方法.用蒙特卡罗法描绘机械臂的工作空间,用B样条对给出的路径点进行插值处理,根据机械臂各个关节的性能,引入角速度与角加速度约束,同时加入边界条件.在构建时间最优的目标函数后,利用引入惯性权重值的WOA对机械臂运行时间进行优化.用Matlab进行仿真验证,结果表明构建的算法在时间优化方面效果好于传统的5次多项式方法,并且角速度与角加速度曲线连续平滑,验证了算法的有效性和可行性.

二阶非线性抛物方程的B样条有限元法

首先,用二次B样条有限元法求解Fisher-Kolmogorov(FK)方程,证明半离散格式与全离散格式解的稳定性与收敛性;其次,用Crank-Nicolson方法离散时间变量,得到近似解的收敛阶为O((Δt)^(2)+h^(3));最后,用数值算例验证了理论分析结果及B样条有限元法的有效性.

基于二元三次B样条拟插值的反应-扩散方程数值解

反应-扩散方程在科学和工程的许多分支中有着重要的应用,对此类方程数值解的研究具有重要意义.鉴于计算域的复杂形状、大量的自由度等导致计算非常困难,提出张量积型二元三次B样条法求解一类分数阶反应-扩散方程和交叉反应扩散系统,首先计算得出二元三次B样条拟插值的矩阵表达式,然后利用Matlab进行数值模拟,最后将数值模拟解与精确解进行对比.研究表明,当变量t的迭代次数较低时,所提方法行之有效.

基于五次B样条的工业机器人轨迹优化

为提高工业机器人的工作效率,提出一种以时间最优为目标的轨迹优化方法,在5次B样条曲线轨迹规划原理的基础上,引入遗传算法对轨迹进行优化。针对工作时间建立适应度函数,并通过选择交叉概率和变异概率操作产生新的轨迹解,与未被淘汰的父代组成新的种群,经过迭代求得运行时间最优的期望解。利用MATLAB软件对这一方法进行仿真,结果表明,经分析遗传算法优化后,轨迹运行时间明显减少,且具有良好的轨迹效果。

基于B-Spline的位移监测数据动态优化拟合

为更好地进行工程位移的监测,对基坑施工过程钢支撑水平位移激光监测数据特征、误差类型及其成因进行了分析,研究了B-Spline在海量监测数据去噪中的适用性,并通过引入待估参数的B样条基函数修正,建立最小二乘控制下位移-时间关系的高精度拟合优化。结果表明:待估参数ζ_(i)的修正重构,把监测数据序列转化为参数估计问题,使位移时变关系的最优化拟合成为可能;移动时间坐标方法,可实现等时距监测数据的动态处理,优化计算时间;B-Spline融合最小二乘法,在最小方差控制下实现监测数据-时间关系最优拟合,形成光滑、连续的高精度拟合曲线,有利于提高监测反馈控制的精度和可靠性。实例应用验证了成果的可靠性和适用性。

基于灰度直方图自适应B样条曲线拟合的光伏组件热斑检测方法

红外热图像探测热斑的过程中,会受到复杂环境以及采集过程引入的诸多因素干扰,导致常规图像处理方法无法准确检测出热斑。提出一种改进的热斑检测方法,该方法根据灰度直方图特征进行自适应节点配置的B样条拟合,从而实现阈值选取和热斑分割,不仅同样具有抑制噪声的特点,且提高了热斑检测的准确率。实验证明该方法能实现含有大量噪声的光伏组件红外热图像的热斑检测,提高热斑检测的效率和准确率。

基于B样条的螺旋桨桨叶参数化及曲面生成

为了提高螺旋桨优化过程中桨叶的参数化灵活性和建模效率,开展基于B样条方法的螺旋桨桨叶参数化及曲面生成研究。基于B样条曲线方法,采用最小二乘法对不同半径处的叶切面型值点进行拟合,并利用比例、偏移、坐标转换等方法,实现了桨叶叶切面和外形轮廓的参数化;基于B样条曲面方法,高效生成螺旋桨叶面、叶背、叶根和叶顶曲面;基于Python语言完成相关程序编写,并给出程序的UML类图。最终,通过对螺旋桨实例进行对比分析,证明螺旋桨桨叶参数化的灵活性和桨叶曲面生成的高效性。

基于5阶B样条的避障泊车路径规划

[目的]为实现安全泊车,针对自动泊车路径规划方法中泊车环境存在障碍物的情况进行路径规划研究.[方法]提出基于5阶B样条曲线的双步式避障泊车路径规划方法,建立泊车环境避障及障碍物避障约束函数,以B样条路径曲线控制点为主要变量,以泊车完成时车辆在车位内且车身平行于车位为目标,建立含有多个非线性约束的泊车路径函数,并进行求解.[结果]数值仿真结果表明,基于5阶B样条曲线的避障泊车路径规划方法,可得到同时满足环境避障约束、障碍物避障约束及车辆参数约束的泊车轨迹曲线,能够实现当泊车环境存在障碍物时的路径规划.[结论]本文提出的5阶B样条曲线双步式避障泊车路径规划方法适用于平行泊车与垂直泊车,能够有效规划出一条可行的避障泊车路径,且保证行驶过程中车辆转向角速度连续,车辆与障碍物保持一定安全距离.该方法能够应用在较多泊车场景,具有较好的理论意义与工程价值.

基于观测数据的地表太阳形状B-样条函数模型

描述地面上接收太阳辐射能分布的函数被称为地表太阳形状模型。它对塔式光热太阳能发电中接收器上辐射能密度分布的精确仿真至关重要。光晕辐射能占太阳辐射总能量的百分比,也被称为光晕辐射能占比(CircumSolar Ratio,CSR),它是地表太阳形状模型中的一个重要参数。目前,常用的地表太阳形状模型普遍存在精度不高、计算所得CSR无法与输入CSR对齐、辐射能分布不连续、模型函数不能解析积分等不足。针对这些问题,文中提出了基于观测数据拟合的地表太阳形状张量积B-样条函数模型。首先,对两个观测数据集进行数据清洗、去噪、归一化、分组平均和拼接,得到具有不同CSR值、随入射角度偏移θ变化的84组太阳辐射能扫描剖面数据;其次,选择变化最剧烈的CSR为0.005这组数据,以θ为自变量,进行带约束的B-样条函数拟合(二次规划问题),拟合过程中,通过差分进化算法优化节点向量,并通过实验确定最优控制系数的数量;然后,采用上述节点向量、控制系数数量,以相同的方式拟合其他CSR值的83组数据;最后,将所得84个单变量B-样条函数模型作为输入,以CSR为自变量对其控制系数进行拟合,并类似地确定节点向量和控制系数数目,最终得到以CSR和θ为自变量、具有12×15个控制系数的张量积B-样条函数模型,即地表太阳形状模型。与已有模型相比,该B-样条函数模型是一个C2光滑的模型,具有CSR对齐、拟合精度高和辐射能分布可解析积分的优点。

基于B样条曲线的心轨重构廓形参数影响分析

针对固定辙叉钢轨廓形不规则变化特点,基于B样条理论提出一种考虑固定辙叉钢轨断面廓形特征的参数化设计方法,并提出拟合钢轨廓形贴合度评价指标和关键控制参数对廓形贴合度影响权重指标;以60 kg/m钢轨12号固定辙叉为例,采用DOE(design of experiments)方法分析轨顶横坡、侧面纵坡和复合圆弧段比例系数对心轨轨头整体廓形、轨顶面廓形和侧面廓形的影响.结果表明:1)在心轨20 mm断面,轨顶横坡、侧面纵坡和复合圆弧段比例系数对心轨整体廓形变化的影响权重分别为21.08%、56.89%和22.02%,对心轨顶面廓形变化影响权重分别为8.42%、61.95%、29.63%;在心轨50 mm断面,各关键控制参数对心轨轨头整体廓形变化影响权重分别为55.9%、33.38%、10.72%;侧面纵坡对心轨20 mm和50 mm断面的侧面廓形变化影响权重分别为76.82%、66.04%.2)当心轨轨头宽度为20 mm时,侧面纵坡对各部分廓形变化影响均达到50%以上;随着心轨轨头宽度的增大,心轨轨顶横坡对整体廓形变化影响权重由21.8%增至55.9%,侧面纵坡和复合圆弧段比例系数影响权重则分别减小41.3%和51.3%.

两条B样条曲线求交的高效计算方法

曲线曲面间求交计算在CG和CAD中有着广泛的应用.牛顿法等迭代法计算效率高但需要良好的初始值;裁剪法具有良好的鲁棒性但计算效率不理想,尤其是对于相切情况的求交问题.为此,提出一种计算2条B样条曲线交点的混合方法.首先提出一种高效的线性复杂度裁剪方法,用于获得良好的初始值;然后提出一种与导数无关且效率更高的改进的割线法,用于验证贯穿性相交情况;最后提出一个相切情况下收敛阶为2的迭代公式,其性能远优于现有的牛顿法和裁剪法.理论上,混合方法若与根隔离法相结合,可以应用于更多类型曲线间的求交问题.数值实验结果表明,与现有的同类方法相比,在贯穿情况下,所提方法的计算效率提高约10%,在相切情况下则提高约100%~300%.

基于BD-RRT算法的动态路径规划研究

针对Bi-RRT算法规划路径不平滑、路径生成冗余、规划时间长和动态环境不适用等问题,展开了基于BD-RRT(bidirectional-dynamic-RRT)算法的动态路径规划研究,以解决实际场景中障碍物变化时的避障问题。在路径生长方面,提出动态步长增长策略提高对障碍物附近点的采样精度,减少采样点以增强算法的探索能力;在环境发生改变时,引入动态RRT算法,可以修剪首次规划路径中有碰撞的节点,在无碰撞的节点的基础上继续重规划;采取B样条曲线平滑生成的路径以达到减少能耗的目的。仿真结果表明,在静态环境中,BD-RRT算法较其它传统算法能生成更简短有效的路径,路径规划的时间更短,生成的路径更加平滑,且平均路径规划长度与时间分别为Bi-RRT算法的21.1%和95.3%,证明了改进的有效性;在动态环境中,BD-RRT算法的平均重规划时间和路径长度都短于Extended-RRT,仅为该算法的5.2%和95.8%,有着更好的动态环境实用性。

基于B样条线圈模型的段染纱针织物外观模拟

针对段染纱针织物花纹预测困难且现有织物模拟方法真实感有待提升的问题,提出了一种基于真实段染纱的针织物外观模拟方法。首先,使用图像处理技术对获取的段染纱图像进行阈值分割和形态学处理等预处理,从原始图像中提取纱线主体区域。然后,从真实织物中提取线圈点位信息,借助最小二乘拟合构建B样条线圈曲线,并根据曲线将段染纱真实图像映射为线圈图像。最后,在考虑线圈交织覆盖关系以及光照因素后,通过排列线圈实现纬平针针织物及其系列针织面料的外观模拟。结果表明:所模拟的线圈模型能够还原真实线圈中的纱线走向,且模拟织物外观花纹效果与实物一致,整体呈现出较好的真实感。

B样条函数法的任意荷载近似计算方法

为优化B样条函数法数值计算流程,提升解决复杂荷载问题的能力。本文基于B样条函数法,通过与相关文献数值算例结果进行比较分析,研究任意荷载的新型计算方法。论文以解圆柱壳结构模型为数值算例,基于文中提出的计算方法,构建出三组不同的单方向荷载逼近函数,分别求解得到特殊点的位移、弯矩、轴力,以及位移和内力沿坐标轴方向的分布,与精确解(扁壳解法)进行比较研究,分析近似计算方法的精确性与实用性。结果显示,在特殊点处二次插值方法的相对误差均低于1.5%,三次、四次插值方法的相对误差均低于0.6%,沿坐标轴方向的分布与精确解均一致,表明本方法具有精度高、处理复杂荷载简便、易于程序编写、构造函数灵活等特点。本方法用逼近函数替代原函数便于数值积分的想法,为未来B样条函数法处理复杂荷载提供新思路。

B样条拟插值算子在Orlicz空间中的逼近

为了研究B样条拟插值算子在Orlicz空间的逼近性质,根据m阶B样条算子所构造出的B样条拟插值算子的定义,利用B样条算子的基本性质、Orliz空间的相关性质和光滑模、K泛函及其等价性质等工具,参照B样条拟插值算子在Lp空间逼近的研究方法对B样条拟插值算子进行了研究,得到B样条拟插值算子的有界性,最后得出B样条拟插值算子在Orlicz空间的逼近正定理。