Chebyshev配置点法解Volterra型积分微分方程

采用Chebyshev配点法求解Volterra型积分微分方程,首先将Volterra型积分微分方程重新写成一个第二类的线性积分方程组,然后将方程组中的被积函数用Lagrange基函数展开,再将Lagrange基函数用Chebyshev多项式展开,在L∞范数下作误差分析,最后用数值算例来证明该方法的可行性.

Chebyshev配置点谱方法直接求解离散坐标辐射传递方程

针对三维长方形炉内具有吸收-发射介质的辐射换热,基于Chebyshev配置点谱方法和Schur分解开发了直接求解辐射离散坐标方程的求解器。针对离散后所得到的三维矩阵方程,分别用两种方法进行求解,一种是用张量积将三维转变成二维然后直接用Schur分解求解;另一种是自行开发三维Schur分解直接求解。数值实验表明,在相同的输入参数下,新求解器具有很好的精度,尤其相比于标准离散坐标法,新求解器能节省大量计算时间。特别是基于三维Schur分解的直接求解器,在相同的输入参数下,计算时间只有标准离散坐标法的10%～1%。

求解测地线边界值问题的均匀B样条配点法

曲面上的测地线在图像处理、机器人学、数控加工等领域有着广泛的应用.针对参数曲面,提出了采用二阶、三阶均匀B样条配点法求解测地线边界值问题.首先建立了测地线边界值问题的离散控制方程,在给定初始逼近后,该方程可采用近似牛顿迭代法进行求解;然后推导了B样条配点法的计算精度;最后在Matlab2016b软件环境下,结合球面、圆环面以及样条曲面对所提出的方法进行了验证.实验考察了不同方法的计算精度、时间成本以及计算效率,结果表明三阶B样条配点法获得相同计算精度所需的时间通常更少,即该方法在计算效率方面具有优势.当计算测地线长度误差为0.01%时,三阶B样条配点法相较于Chen的近似测地线法节省时间成本5.5%~26.9%.对于二阶B样条配点法,其计算效率与Kasap的中心差分法相当.所提出的方法计算结果为连续曲线,无需额外的插值函数,一个潜在的应用场景为自动铺带轨迹规划.

基于配点法的参数化暂态稳定性约束的电力最优潮流分析

为实现针对暂态稳定约束最优潮流的精确描述,提出一套参数化TSCOPF模型。通过该模型来判定电力系统中可变参数与TSCOPF解之间的定量关系。借助可变参数的多项式表达式来逼近参数化TSCOPF的最优解。在此基础上,只需在参数化TSCOPF中代入电力系统的可变参数即可取得符合暂态稳定性的最优控制方案。

基于重心插值配点法求解变系数广义Poisson方程

提出了一种求解二维变系数广义Poisson方程的重心插值配点法,重心插值配点法是一种真正的无网格配点方法,其在计算域内不用划分网格,得出的数值解在一定误差范围内可以无限接近精确解,同时具有很好的数值稳定性.本文中的数值算例均采用重心有理插值配点法和重心Lagrange插值配点法来计算,然后通过与解析解的比较,可以得出该方法具有快速、准确和易于数值计算的优点,是一种较好的数值计算方法.

配速法分析带电粒子在复合场中的摆线运动临界问题

摆线是指一个圆沿一直线缓慢地滚动,圆上一固定点所经过的轨迹.近几年高考出现了带电粒子在复合场中受不为零的恒力,导致粒子的速度大小改变,洛伦兹力随着变化,使粒子做比较复杂的摆线运动.下面通过配速法分析带电粒子在电场、磁场或重力叠加场中摆线运动的规律,并阐述其临界条件.

靶向精细化分析的鲁棒等几何无网格配点法

现有等几何基函数的无网格表示理论虽然搭建起了无网格法和等几何分析方法的连接桥梁,但该方法并未解决高阶梯度计算复杂且耗时的问题.文章在无网格形函数再生梯度理论基础上,构建了由等几何基函数再生点定义的混合梯度基向量,提出了一种等几何基函数梯度的无网格等价表述形式,丰富和完善了无网格法与等几何分析的无缝衔接.在此基础上,提出了一种鲁棒的等几何无网格配点法,该方法保证了全域内近似函数的一致性、高效性和模型局部靶向精细化的简捷性.与传统等几何基函数梯度的递推算法相比,所提方法可同步构造相应阶次等几何基函数梯度,数值实现更加简捷.文中以二维二次基函数为例,数值验证了特定影响域条件下所构造的无网格再生梯度与等几何基函数的标准梯度之间的等价性.同时对比分析了所提无网格再生梯度与等几何无网格形函数直接梯度的再生条件,结果表明,等几何无网格形函数直接梯度的再生条件并不稳定,而所提等几何基函数的无网格再生梯度在不同节点序列精确满足不同阶次的再生条件,保证了配点法分析的结果收敛性.数值算例结果表明,所提配点方法相较于传统等几何配点法在局部细化问题分析方面具有更高的计算精度.

超收敛光滑再生梯度无网格配点法

无网格配点(meshfree collocation,MC)法易于实现,但形函数高阶梯度的计算限制了其计算效率。为了提高MC法的梯度计算效率和收敛精度,本文结合无网格再生梯度理论与梯度光滑方法,提出了一种超收敛光滑再生梯度无网格配点(smoothed reproducing gradient meshfree collocation,SRGMC)法。所提方法以一阶再生梯度为基础递推构造二阶光滑再生梯度,避免了形函数中矩量矩阵的逆矩阵求导运算,数值实现便捷且计算效率高。文中通过典型数值算例验证了SRGMC法的精度和收敛性,结果表明,本文所提SRGMC法具有超收敛特性,且精度明显优越于MC法。

三维激光点云配准算法研究

为提高点云配准的效率与精度,弥补传统点云配准算法中的不足,本文尝试将主方向贴合算法与改进的最近点迭代(Improved Iterative Closest Point, IICP)算法作为组合点云配准算法;该组合算法充分利用主方向贴合算法在粗配准中的优势,并结合IICP算法作为精配准的方法。以某三维激光扫描建模工程为案例,依靠Matlab软件编程实现了本文所提及的配准算法。实验结果表明,改进的ICP算法较传统ICP算法配准效率与精度均有提高。充分验证了主方向贴合算法与IICP点云算法在点云三维模型构建方面的有效性。

基于直接配点法的智能车出入库路径交通规划研究

在智能汽车的实际应用中,进出站路线的交通规划问题一直是困扰人们的难题。为了解决这个问题,本文将研究基于直接点匹配方法的智能车辆进出路径的交通规划。采用直接点匹配方法,通过拟合多项式对状态变量和控制变量在时间和空间上进行近似。本文研究了垂直停车位、平行停车位和倾斜停车位的进出路径。建立车辆运动学模型和停车位函数,分析车辆运行过程中遇到的各种约束。进一步使用直接点匹配方法,结果验证了该方法能够有效规划车辆的避障路径,具有良好的实时性和低延迟。该方法在求解最优控制问题时具有计算复杂度低、数值稳定性好的优点。

等几何分析中Dirichlet边界条件的配点施加方法

相对于传统有限元,等几何分析使用NURBS基函数统一表示几何和分析模型,它能消除传统有限元的网格离散误差,容易构造高阶协调单元。但是由于NURBS基函数缺乏插值性,控制顶点也不一定位于几何边界上,使得难以直接施加Dirichlet边界条件。针对这一问题,提出一种基于样条拟合的Dirichlet边界条件施加方法,通过引入一组边界配点来拟合边界条件。注意到不合适的配点策略会使得边界插值方程组奇异或者条件数过大,详细讨论配点选取的基本准则,提出两种鲁棒的配点方案:Greville横标和Chebyshev插值点法。并且将配点方法扩展到最小二乘形式,设计一种快速的场变量消去算法。通过实例验证上述方法的可行性和有效性。试验结果表明,各种配点策略的收敛率基本保持在一个量级,因此配点法的关键是选择稳定的配点方案。

散乱点云数据配准算法

提出一种以物体表面上不附加任何几何和拓扑信息的散乱点集为处理对象,自动进行点云数据配准的算法·该算法针对待配准的2组点云数据,根据测点及其邻域点估算每个点的曲面法矢,并对法矢方向进行调整,使其指向曲面的同一侧;然后计算各个测点的曲率·根据每个测点的曲率来识别出2组点云数据中可以匹配的点对集合,计算将每一个点对的法矢方向映射为一致的三维空间变换,采用几何哈希方法找出使得最多数量的点对法矢一致的变换,运用该变换将散乱点云作初次配准·以初次配准后的结果作为新的初始位置,将匹配点对集合中的所有点对采用最近点迭代法进行二次配准,从而实现了2组散乱数据的精确配准·应用实例表明,该算法效果良好·

基于曲率的点云数据配准算法

为了实现不同视角下测得的数据的多视定位,提出一种点云数据配准算法。该算法针对近邻内的点,采用二次曲面逼近的方法来求得每个点的曲率,并根据曲率的Hausdorff距离来寻找有效点集,建立名义上的对应关系,最后用四元组法来求得坐标变换,把数据统一到一个坐标系下。该算法利用曲率的性质准确判断对应点集,解决了任意多视点云的拼合问题,试验结果验证了其有效性和精度。

基于直接配点法的再入轨迹优化设计

介绍了直接配点法在再入飞行器三维轨迹最优化问题中的应用。首先给出了再入飞行器轨迹最优化控制问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为末端速度最大,控制变量则为迎角和滚转角。再入飞行过程中受到加热率、过载和动压约束,终端状态受到航迹倾角和高度的约束。然后,应用直接配点法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,即将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各节点和配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用基于M at-lab语言的SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解,该软件包对于求解大型非线性规划问题具有很好的收敛性。仿真结果表明直接配点法对于再入飞行器轨迹初始参数取值不敏感,且求解过程具有一定的实时性。因此,直接配点法对于再入轨迹优化问题的求解是可行的。

应用改进迭代最近点方法的三维心脏点云配准

在医学多图谱配准中,为了改善因初始位置差异较大、形状复杂和局部残缺导致的配准效率低和精度差的问题,本文采用了先粗配准再精配准的处理策略,在主成分分析法(PCA)实现粗配准的基础上,提出了基于双向距离比例的迭代最近点(ICP)的精配准算法。精配准算法中,首先采用KD-tree进行最近邻搜索以提高对应点对的搜索速度,然后为每个点提出了双向匹配方法并计算其双向距离和比值,为进一步提高配准精度,引入了一个指数函数判断点对正确匹配概率,最后运用奇异值分解法(SVD)计算最终变换矩阵。为了验证算法的可行性和有效性,分别设计了不同缺损程度的斯坦福点云数据实验和两组CT心脏点云数据配准实验,结果表明本文方法较经典ICP算法的平均误差减少约21%,较TrICP算法减少约13%,在心脏点云数据配准实验中,本文方法较TrICP算法的15.5 s加快到1.77 s。因此本文方法在解决三维心脏点云数据的配准问题中具有良好的效率、精度和稳定性。

随机响应面法最优概率配点数目分析

系统地研究随机响应面法采用线性无关原则选取概率配点的优越性,给出了基于线性无关原则选取概率配点的流程图,比较了基于回归方法和基于线性无关原则选取概率配点的优缺点。算例结果表明,基于回归方法选取概率配点时,配点数目应保证Hermite系数矩阵达到满秩,此时随机响应面法的计算精度才能得到保证,计算效率也远远高于传统的蒙特卡洛模拟方法。基于线性无关原则选取概率配点的随机响应面法在保证计算精度的同时,其计算效率远远高于基于回归方法选取概率配点的随机响应面法,它是结构可靠度分析一种有效的方法,尤其适用于极限状态方程不能用显式函数表达的复杂结构可靠度问题。研究成果为随机响应面法最优概率配点数目的确定奠定了一定的基础。

圆环变形及屈曲的重心插值配点法分析

采用数值稳定性好、计算精度高的重心Lagrange插值近似未知函数,提出数值分析圆环变形和临界载荷的重心插值配点法。给出基于重心Lagrange插值微分矩阵的显式表达式,建立分析圆环在对径外力作用下变形的配点法公式和边界条件施加方法。详细推导均布压力作用下圆环屈曲载荷的计算公式。给出圆环变形和屈曲载荷的数值计算算例。数值算例表明,重心插值配点法不但具有较高的计算精度,而且具有很好的数值稳定性。

三维地下水流随机分析的配点法

提出三维地下水不确定分析的随机配点法,比较了张量积配点法(TPCM)、Smolyak配点法(SmCM)、Stroud-2配点法(StCM)和概率配点法(PCM)等4种配点法的基本原理。其渗透系数场和水头场分别被表示为Karhunen-Loeve展开和多项式展开的形式;初始随机偏微分方程被转化为在相应配点上的确定性方程。进一步建立了基于Modflow-2000的随机模型,讨论了以上不同算法的计算精度及计算成本。分析结果表明,配点法可充分继承现有模拟软件或代码的求解功能,配点的选取方法决定了其计算成本,SmCM具有最高的计算精度,但StCM具有最好的性价比。

基于概率配点法的岩土材料参数随机场及其响应分析

概率配点法是进行不确定性问题分析的一种有效方法。通过对输入参数场进行Karhunen-Loeve展开,将其表示为一系列独立随机变量在不同权重下的线性组合,再以与之相同的随机变量组合形成混沌多项式展开对输出随机场进行分解,通过某种算法选取随机变量的值,将其作为插值点的组合(配点),在这些配点上,概率方程演化为一个确定性问题方程。由此,可以直接利用现有软件或者确定性问题计算程序进行求解,生成混沌多项式的系数矩阵后,即可得到该随机问题的各阶统计矩,从而实现参数随机场的不确定性分析。本文将该方法引进岩土工程材料参数随机场,将体积模量视为输入随机场,位移视为输出场,分别进行了弹性及塑性变形计算。结果表明该方法极大地降低了随机问题的求解难度,与MC法(Mento Carlo)相比,减少了运算消耗,提高了计算效率,具有明显的优越性。

改进迭代最近点法的亚像素级零件图像配准

针对模板匹配方法用于非结构化环境下的杂乱零件识别与定位精度低的问题,提出了亚像素级的配准算法.首先提出亚像素级的配准问题可视为计算模板图像与待配准图像的边缘点集的最优几何变换;然后提出了改进迭代最近点法来估计几何变换,包括使用动态邻域搜索策略快速搜索匹配点、利用匹配点的方向一致性约束和距离约束来移除误匹配点、用光照不变的点到曲线的距离来构造误差度量函数,再用线性最小二乘法给出误差函数的封闭解;最后使用自制零件和MPEG-7 shape B数据集进行实验,结果表明该算法配准正确率、实时性和精度均明显优于传统算法,能够满足非结构化环境下的杂乱零件亚像素配准精度和鲁棒性要求.