Twist-angle two-dimensional superlattices and their application in(opto)electronics

Twist-angle two-dimensional systems,such as twisted bilayer graphene,twisted bilayer transition metal dichalcogenides,twisted bilayer phosphorene and their multilayer van der Waals heterostructures,exhibit novel and tunable properties due to the formation of Moirésuperlattice and modulated Moirébands.The review presents a brief venation on the development of"twistronics"and subsequent applications based on band engineering by twisting.Theoretical predictions followed by experimental realization of magic-angle bilayer graphene ignited the flame of investigation on the new freedom degree,twistangle,to adjust(opto)electrical behaviors.Then,the merging of Dirac cones and the presence of flat bands gave rise to enhanced light-matter interaction and gate-dependent electrical phases,respectively,leading to applications in photodetectors and superconductor electronic devices.At the same time,the increasing amount of theoretical simulation on extended twisted 2D materials like TMDs and BPs called for further experimental verification.Finally,recently discovered properties in twisted bilayer h-BN evidenced h-BN could be an ideal candidate for dielectric and ferroelectric devices.Hence,both the predictions and confirmed properties imply twist-angle two-dimensional superlattice is a group of promising candidates for next-generation(opto)electronics.

LOCALIZATION ALGORITHM USING DISTANCE AND ANGLE INFORMATION IN WIRELESS SENSOR NETWORKS

A localization algorithm using distance and angle information is proposed in wireless sensor networks. Assuming that node axial orientations are unknown, all angles are measured to calculate the angle differences between two nodes viewed by the third one. Then, localization problems are formulated as convex optimization ones and all geometric relationships among different nodes in the communication range are transformed into linear or quadratic constraints. If all measurements are accurate, the localization problem can be formulated as linear programming （LP）. Otherwise, by incorporating auxiliary variables, it can be regarded as quadratic programming （QP）. Simulations show the effectiveness of the proposed algorithm.

Tracking of Thigh Flexion Angle during Gait Cycles in an Ambulatory Activity Monitoring Sensor Network

An accelerometry-based gait analysis approach via the platform of sensor network is reported in this paper. The hardware units of the sensor network are wearable accelerometers that are attached at the limbs of human body. For the specific task of gait analysis, flexion angles of the thighs during gait cycles are computed. A Kalman filter is designed to estimate the flexion-extension angle, angular velocity of the thigh using the output of the wearable accelerometers. The proposed approach has been applied to four subjects and the performance is compared with video-based approach. Comparative results indicate that with the proposed Kalman filter, the sensor network is able to track the movement of the thighs during gait cycles with good accuracy and simultaneously detect major gait event of foot contact from the waveform of the angular velocity.

Roll angle measurement system based on triaxial magneto-resistive sensor

Aiming at large error when inertial devices measure the roll angle under high overload conditions,the article designs one kind of roll angle measurement system based on magneto-resistive sensor which calculates the roll angle by micro controller STM32.Experiment results of a triaxial turntable show that using magneto-resistive sensor to measure roll angle is feasible and of high accuracy,and it can calculate the roll angle of the conventional projectile with the error in 1°.

A target group tracking algorithm for wireless sensor networks using azimuthal angle of arrival information

In this paper, we explore the technology of tracking a group of targets with correlated motions in a wireless sensor network. Since a group of targets moves collectively and is restricted within a limited region, it is not worth consuming scarce resources of sensors in computing the trajectory of each single target. Hence, in this paper, the problem is modeled as tracking a geographical continuous region covered by all targets. A tracking algorithm is proposed to estimate the region covered by the target group in each sampling period. Based on the locations of sensors and the azimuthal angle of arrival （AOA） information, the estimated region covering all the group members is obtained. Algorithm analysis provides the fundamental limits to the accuracy of localizing a target group. Simulation results show that the proposed algorithm is superior to the existing hull algorithm due to the reduction in estimation error, which is between 10% and 40% of the hull algorithm, with a similar density of sensors. And when the density of sensors increases, the localization accuracy of the proposed algorithm improves dramatically.

Emerging properties of two-dimensional twisted bilayer materials

Recent studies in van der Waals coupled two-dimensional(2D) bilayer materials have demonstrated a new freedom for material engineering by the formation of moiré pattern. By tuning the twist angle between two layers, one can modulate their electronic band structures and therefore the associated electrical transport and optical properties, which are distinct from the original ones of each individual layer. These new properties excite great passion in the exploration of new quantum states and possible applications of 2D bilayers. In this article, we will mainly review the prevailing fabrication methods and emerging physical properties of twisted bilayer materials and lastly give out a perspective of this topic.

自发电式井下钻具多功能振动倾角传感器研究

钻探过程中井底钻具的振动及倾角是调控钻探工艺及轨迹的重要参数,有必要实时监测。基于摩擦纳米发电机,提出了一种新型的多功能自发电井下传感器,可同步实现振动频率及倾角的测量。试验表明,该传感器测量振动频率及倾角范围分别为0~11 Hz及0~90°,测量误差均为±5%,可在温度0~100℃及湿度0~90%的工况环境下正常工作。与传统的井下传感器相比,该传感器可同步监测振动频率和倾角,有效缩减了传感器数量,同时还具有自发电功能,有效减轻了井下供电压力。

基于角度传感器的弓网相对坐标检测技术研究

在电气化公路弓网相对坐标的检测中,基于机器视觉的非接触式检测技术的检测精度受图像采集环境的影响较大,基于光电传感器的接触式检测技术的检测精度受传感器安装密度限制。提出了一种基于角度传感器的接触式相对坐标检测技术,用于电气化公路的弓网相对坐标检测。首先,基于双接触线的电气化公路接触网,搭建弓网相对坐标检测实验台,建立弓网相对坐标与角度信息关联函数;然后,研究系统刚度、角度传感器线性度对实验台检测误差的影响规律,建立多项式修正函数对关联函数进行修正;最后,基于修正的弓网相对坐标关联函数,进行弓网相对坐标检测实验,得到实验台检测的绝对误差为±1 mm,相对误差为±0.5%,具备较高的检测精度。

旋变二次谐波测角误差自校正

旋变幅值误差和正交误差在角速度频谱上表现为旋变转频的二次谐波,是旋变测角误差的主要来源,影响伺服系统角速度控制精度和稳定度。本文提出了一种基于特征频率参考的二次谐波误差自校正方法。首先,分析旋变测角误差产生的机理,获知其幅值误差和正交误差的互不相关性,并证明对旋变输出信号进行幅值调整和相位差调整可实现二次谐波误差校正。然后,在旋变和旋变数字信号转换器(Resolver-to-Digital Converter,RDC)之间设计基于比例放大的幅值校正器和基于交叉调节的相角校正器。最后,根据误差信号在线性控制系统中特征频率不变的特性,对伺服系统进行匀速控制,以角速度频谱中二次谐波频率的幅值为参考基准,分别调整幅值校正器和相角校正器,校正二次谐波误差。实验结果表明:本方法可将旋变二次谐波测角误差幅值降低78.5%,伺服系统速率波动量降低40.5%。本方法实现了旋变二次谐波测角误差的自校正,大幅提升了旋变的测角精度和伺服系统的转速控制稳定度。

基于激光传感器的无人驾驶变换轨迹跟踪系统

针对常规无人驾驶轨迹跟踪过程依据一个给定的参考轨迹,存在跟踪角度及速度协同性较差、精度较低的问题,提出基于激光传感器的无人驾驶变换轨迹跟踪系统。设计包含激光传感器、电机控制、液晶显示、上位机通讯模块、键盘控制、微控制器的硬件结构,根据角速度及速度误差调整角速度协同控制器误差,通过神经元加权处理偏置数,优化双推角速度协同控制效果;引入滑模控制器,得到速度控制指令及角速度控制指令回角速度协同控制器,通过轨迹控制器和角速度协同控制器的设计,实现无人驾驶变换轨迹跟踪控制。实验结果表明,应用该系统后,角度轨迹跟踪结果更接近期望角度,直线状态和曲线状态下的轨迹跟踪误差均较小,最高为4 cm,轨迹跟踪精度高、定位准,整体应用效果更佳。

十字滑台式多维不倒杆自主纠偏实验装置设计

为了让学生理解海洋风力发机不倒杆结构,该文设计了基于十字滑台的多维不倒杆自主纠偏实验装置,上位机测量并绘制不倒杆在三维空间中的角度、角速度和角加速度的变化,探究抵御外部干扰的相关物理量。通过研究不同受风力面积、不同材料的杆的平衡性,得出选用密度较大、迎风面积小的杆可较好抵御外界干扰。该装置的灵敏度较高,能够作为应用物理和新能源等专业的实验教学装备,有助于深入理解新能源领域的控制理论,提高学生动手能力。

多级冗余强干扰下医用三维力传感器数据的自动挖掘方法

针对医用三维力传感器容易受电磁场等外部环境的影响,产生大量相似特征数据,导致其输出紊乱信号,降低传感器控制精度和测量速度的问题,提出一种多级冗余强干扰下三维力传感器数据挖掘方法。根据角度标定理论采集三维力传感器冗余数据;引入相似度指数函数计算冗余因子,获取三维力传感器冗余数据活跃度,完成数据冗余分类;通过差值去噪算法高性能过滤三维力传感器冗余数据;利用谱聚类算法构建拉普拉斯矩阵,剔除冗余数据,实现三维力传感器数据自动挖掘。仿真结果表明,所提方法在多级冗余强干扰下的三维力传感器控制精度为96.54%,测量速度为0.61 ms,能量消耗为0.26 kcal。由此证明,所提方法的控制精度高、测量速度快、传输效果优,能够满足机器人辅助手术过程中的力反馈控制需求。

基于LSTM-GRU神经网络的机床主轴回转误差分离降噪研究

频域三点法是分离主轴回转误差的常用方法,其误差分离精度受被测信号中噪声的影响较大,不适当的降噪方法会使测试结果失真。为此,提出了基于LSTM-GRU神经网络的机床主轴回转误差分离降噪方法。首先,使用经遗传算法优化的传感器夹角搭建测试系统并对主轴回转误差进行数据信号采集。然后,配置卡尔曼滤波器对3个传感器信号进行降噪,通过三点法分离出同步误差和异步误差。最后,使用LSTM-GRU模型分别对同步误差和异步误差降噪,并将该模型降噪结果与LSTM-LSTM双层神经网络降噪、卡尔曼滤波和小波阈值降噪和结果对比,分别计算其Allan方差来评价不同方法的降噪效果。实验结果显示,使用该LSTM-GRU模型降噪后的同步误差Allan方差为2.014×10^(-8)mm^(2),异步误差Allan方差为3.967×10^(-8)mm^(2),均小于卡尔曼滤波、小波阈值降噪和LSTM-LSTM双层神经网络降噪结果。LSTM-GRU模型的降噪效果最优,被测主轴在转速为6000 r/min时的同步误差为2.42μm,异步误差为3.21μm,符合实际情况。

霍尔效应实验自主分层次教学探究

为了解决2023版《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》中分层次教学要求与现有仪器设备不完全匹配问题,我们结合本校实际探索了一条低投入高效能的自主化分层次实验教学途径。本文以霍尔效应实验自主化分层次教学实践为例,探究了如何在现有B层次的实验仪器上,细挖深究结合动手改造,开展C层次研究性实验和D层次设计性实验。在霍尔效应副效应研究性实验中,我们评估了所有效应的阶数,并定量测量了副效应引起的附加电势差;在角度传感器设计性实验中,我们完成了基于霍尔效应的角度传感器设计,并发展了一套两参量最小二乘法误差处理方法。自主化分层次实验教学有助于因地制宜地开展实验教学改革,提升实验教学质量。

基于TOA与AOA算法的室内定位方法

为了解决传统室内定位技术成本较高、稳定性差以及难于部署等问题,提出一种将到达时间(time of arrival,TOA)与到达角(angle of arrival,AOA)相结合的室内定位系统.该系统由定位基站与被控定位单元组成,其特征在于使用对射式布置的超声波传感器获取定位基站与被控定位单元之间的距离特征,利用角度传感器获取被控定位单元相对于定位基站的角度特征,以单基站就实现了精确的室内定位过程.分析了该系统基本结构与原理,建立定位与控制模型,在一定范围内对其定点定位精度与跟随定位精度进行了实验验证.实验结果表明:该系统结构简单,易于安装布置,鲁棒性强,在测试范围内的最大定点定位误差不超过5 cm,跟随定位误差不超过15 cm.

一种弹丸全向入射弹着点定位模型的研究

立靶测量是射击训练及射击比赛中一种常用的弹着点位置测量方法,弹道俯仰角是立靶测量的重要参数之一,其偏差水平是影响测量精度的重要因素。重武器弹丸入射时由于重力、地形等各种因素的影响,使弹丸产生弹道俯仰角,因此以弹丸垂直入射为假设条件的传统T型报靶模型不再适用。针对上述情形,本文以单个激波传感器全向入射理论为基础,提出基于6个激波传感器组成H型阵列的弹丸全向入射弹着点定位模型,解决传统T靶模型传感器数目少、无法求解俯仰角与方位角的问题,以提高测量的精度。对该模型进行数学推导与仿真分析,并应用到靶场实验中进行验证。实验结果表明,通过该模型计算出的弹着点坐标与实际弹着点坐标相比误差较小。因此,该模型能够有效减小弹道俯仰角对报靶系统的影响,更具实用价值。

一种长基线被动传感器数据关联方法

为了提高测向交叉定位系统多目标环境下的去鬼点性能,提出了一种长基线被动传感器数据关联方法.首先利用被动传感器量测的视线矢量信息进行交叉定位并计算定位误差协方差矩阵,然后基于两个定位点构造了一个卡方分布的检验统计量,将多目标条件下的去鬼点问题转换为假设检验问题.为了分析该方法的性能,定义了真实目标的正确关联概率和鬼点目标的错误关联概率,并在使用两部和三部被动雷达的情况下分别与倾斜角方法进行了仿真对比.仿真结果表明所提出的方法在使用三部被动雷达或多目标与被动雷达共面时关联性能更好.

基于IQPSO-EKF的多传感器融合姿态测量方法研究

为解决自动化竖井掘进设备的定位调姿精度对竖井、孔桩挖掘效率与质量的影响,提出了一种基于改进量子粒子群(IQPSO)-扩展卡尔曼滤波(EKF)的姿态测量算法,以提高微机电系统(MEMS)传感器测量精度。首先,对MEMS传感器数据进行了预处理(除噪、滤波、校准等);然后,参考现有飞行器的坐标系,建立了姿态解算模型,通过姿态角数学模型及运动学分析,构建了EFK状态方程,针对EKF方法参数估计不准确的问题,以分段混沌映射优化初始种群,引入平均位置最优值来避免陷入局部最优的IQPSO-EFK算法,优化EKF的系统、测量噪声的协方差参数;最后,对改进算法和三组姿态误差估计进行了对比实验。研究结果表明:对比三种典型目标函数,IQPSO-EFK相较于普通粒子群算法(QPSO-EFK)具有更强的寻优能力与收敛精度;对比三组旋转速度姿态测量误差,基于IQPSO-EKF算法的姿态测量方法在测量误差时比真实测量误差减少了约86.3%,比扩展卡尔曼滤波减少了约68.7%,比普通粒子群算法减少了约28.2%,证明该算法有效地提高了MEMS传感器测量精度。

三杯风速传感器非水平风场测量性能

为解决三杯风速传感器在计量检定条件下与观测场景中环境差异所导致的测量数据误差,致力于研究空气流速计量标准在量值传递过程中的真实性、准确性和一致性,为新一代三杯风速传感器作为计量器具的新产品型式评价提供思路和参考指标,依据杯式测风仪测量方法与自动气象站风速风向传感器检定规程,并在实验中加入了主体由角度编码器构成的自动化转盘系统,设计了三杯风速传感器在非水平风场内测量性能水平实验。通过调整三杯风速传感器在风洞试验段内的倾斜角度,模拟其在自然界非水平风场中的测量状态,同步采集风洞的标准指示风速、三杯风速传感器的实测风速以及其相应的倾斜角度,计算示值误差,利用方差分析、趋势分析、相关性分析和线性回归分析等统计方法,对不同倾斜角度下三杯风速传感器示值误差进行研究,得出了三杯风速传感器在风洞试验段内的示值误差与实测风速和倾斜角度之间的相关关系,提出了三杯风速传感器在非水平风场下的测量性能指标。研究了三杯风速传感器在非水平风场中实测风速与标准风速和倾斜角度的回归关系,提出了三杯风速传感器在计量环境下非水平风场中数据的量值传递修正算法。

基于无线倾角传感器的活动翼面偏转测试

为了解决传统活动翼面偏转测试中传感器安装平行度要求高、线缆长、人工操作复杂繁琐等问题,提高空间角度测量准确性和现场测试效率,在分析倾角传感器底层测量原理的基础上,综合考虑飞机测试现场系统误差,参考已有的空间角度测量模型,对双测量轴空间旋转模型进行推导和改进.得到适用于机翼活动翼面绕水平轴偏转情况下的空间角度测量误差模型,提出适用于活动翼面偏转测试需求的倾角传感器校准方法.以该模型和校准方法为基础设计实现基于无线倾角传感器的大型飞机活动翼面偏转测试系统.实验平台旋转角度精度测试和活动翼面现场测试的结果表明,相对于现有方法,该校准方法能够获得更大有效测量量程以满足实际工况需求,提升角度校准精度,并显著提升测试效率.