模型补偿反步控制及其在四旋翼编队中的应用

针对多无人机受模型偏差和外部扰动导致的编队构型不稳定问题,提出一种模型补偿控制的思想,在此基础上设计基于补偿函数观测器(CFO)的模型补偿反步控制器并应用于编队协同控制,把编队协同控制问题转化为传统控制问题,实现多无人机在复杂外部扰动下的编队集合、飞行和队形切换。所提出的控制器不仅保留了基于Lyapunov准则的全局指数渐近稳定性,还采用CFO来准确估计模型偏差和干扰并补偿到控制器中,有效增强了编队系统整体的抗扰能力。最后通过仿真和实验验证了算法的有效性。

磁耦合无线电能传输频率控制技术研究进展

磁耦合谐振式无线电能传输技术因其可靠性和实用性等优势进而成为近几年的研究热点。当电源频率与发射端和接收端电路的固有谐振频率相同时,系统可以取得较高的传输效率。但系统有时可能会偏离谐振状态,造成传输效率大幅下降。在对频率分裂现象进行研究后,分析了几种抑制频率分裂的方法,并从动态补偿、频率跟踪等方面给出了使得系统恢复谐振频率的对策。最后对系统频率控制技术进行了总结,并展望了未来的发展趋势。

基于嵌入式系统的纱线张力非接触实时检测

为了提高纱线张力检测的精度,避免接触式测量带来的接触误差,提出了基于机器视觉与嵌入式系统结合的纱线张力非接触实时检测方法。首先,为了同时保证实时系统中图像处理算法的运行速度与纱线张力的检测精度,提出了一种基于阈值分割的快速特征提取算法,同时实现图像降维与边缘特征提取,在实时提取运动纱线波形的同时减小了外界环境对纱线图像的干扰;其次,搭建了由高速线阵相机与FPGA高速转存系统组成的图像采集系统和由主芯片为TMS320C6678的图像处理器组成的检测系统,通过实时采集运动纱线的图像,从单位周期内的纱线振动波形中提取纱线振动频率,利用弦振动模型推算纱线的实时张力。实验结果表明,基于嵌入式机器视觉的非接触式纱线检测系统的检测值与电阻式传感器的最大检测误差均值在1.5%之内,满足实时系统的控制需求。

开关磁阻电机的新型直接瞬时转矩控制方法及其高效率运行

针对传统直接瞬时转矩控制(DITC)由于未考虑各相绕组的输出转矩随转子位置变化而采用单一的控制策略,造成换相期间转矩脉动较大的问题,提出了一种新型DITC方法来抑制开关磁阻电机(SRM)的转矩脉动。按照电机绕组的电感变化规律对导通周期进行区域划分,根据电机绕组在各导通区域输出转矩能力的变化,对各区域分别设计滞环策略,以实现在整个导通周期始终采用输出转矩能力较大的电机相的内滞环来调节转矩误差,进一步减小SRM的转矩脉动。并针对DITC效率偏低的问题,通过对关断角的优化设计以及对开通角的离线寻优,来提高电机效率。仿真分析和实验结果表明,所提方法有效地减小了SRM的转矩脉动,并提升了电机效率。

全数字无线电能传输频率跟踪控制方法

针对无线电能传输过程中传输功率和传输效率问题,考虑到频率失谐控制策略,通过分析全数字锁相环的结构和数学模型,改进了传统的全数字锁相环,基于FPGA设计一种具有动态分频和动态时滞功能的自适应模值全数字锁相环,并提出一种全数字频率跟踪控制方法。为保证系统工作效率,设计的全数字锁相环可以对系统阻抗角进行控制,使系统在不同工况下都呈弱感性,确保了功率开关管工作在ZVS软开关状态。利用FPGA实现了电压电流频率和相位跟踪,搭建了一台输出功率1 kW,工作频率和阻抗角可调的实验样机,验证了理论分析的正确性。仿真和实验结果表明,该方法显著提高了无线电能传输功率和传输效率,提升了系统工作的稳定性。

大型压力容器内部焊接点位实时检测方法

为了解决大型压力容器铝合金罐体内部防浪板自动化焊接过程中,机器人系统对焊接点位检测不智能、检测精度不高、检测鲁棒性差的问题,设计了一种结构光视觉引导机器人的多特征融合三维焊接点位实时检测方法。首先对工件进行视觉特征提取,得出多个感兴趣区域(Region of interest,ROI),然后将多个特征融合,得到二维关键点,最后通过快速、无约束的系统标定确定三维预焊接点位。工业现场试验得出,相机坐标系下三维焊接点位提取最大误差为0.196 mm,平均误差0.099 mm,平均检测时间0.09 s,焊接点位检测精准、快速、智能,能够满足工业机器人焊接路径规划及自动焊接任务。

基于多视角红外传感器的三维重建方法

为了实现有特征物体和无特征物体更精准的三维重建,本文研究了多视角传感器下三维点云的自动拼接算法。首先由不同视角的传感器双目标定后进行轴线数据的标定,接着在三维空间内对多条轴线数据进行分析并提出了一种基于多视角传感器轴线融合的点云拼接方法,从而计算出误差最小的最优轴线数据,最后以拟合出的轴线数据为轴心在世界坐标系内进行三维点云的拼接。实验结果表明,在1.3~1.9 m的测量范围内,本文所提出的拼接方法对直径为144.9542 mm的标准球进行三维重建的误差在0.037 mm以内,重建无特征点物体和有特征点物体都能有较好的拼接效果且拼接时间不受点云总量大小的限制。该拼接方法基本满足三维重建的稳定性好、效率快、精度高等要求。

基于阵列式发射模组的群体机器人动态无线供电路径规划研究

群体机器人可依靠群智能有效分工协作完成复杂和大规模任务,在物流、制造、交通和军事等领域有极大的应用价值。然而,目前已有电能补给方式均无法满足其持续不间断充电的需求,导致强大的协同工作能力得不到充分发挥。为此,提出一种基于阵列式发射模组的群体机器人动态无线充电方式,可为群体机器人工作过程中实时供给电能。分析了机器人动态无线充电过程中效率和功率的波动特性,以充电效率最优为目标,提出一种带有惩罚机制改进的蚁群算法以及协同工作模式,并应用于群体机器人协同动态无线充电系统。最后,进行仿真实验,验证了所提出的方法可实现群体机器人在动态无线充电过程中稳定可靠协同工作。文中的研究对群体智能的研究具有极大的促进作用。

改进的复合高斯型杂波模拟方法

零记忆非线性变换(ZMNL)方法和球不变随机过程(SIRP)是模拟复合高斯型杂波的主要方法.针对基于传统ZMNL与SIRP方法中的K与Pareto分布雷达杂波仿真中存在的形状参数只能为整数或半整数的问题,通过增加支路利用Gamma函数第二参数的可加性,提出将Gamma函数的概率密度函数(PDF)转化为二阶非线性常微分方程,并求解产生任意参数下的Gamma分布随机数,从而将复合高斯型分布杂波的形状参数扩展到一般实数.仿真实验表明:提出的方法不仅适用于非整数或非半整数形状参数值的杂波仿真,而且进一步提高了拟合度.

基于机器视觉的弦振动纱线张力非接触检测系统

为提高运动纱线张力检测精确性,解决接触式测量引起的摩擦力误差、断头等织物问题,采用振动频率和图像处理方法来分析纱线张力,设计一种基于机器视觉的纱线张力非接触检测系统。检测系统由纱线传送装置、工业线阵相机、白色线光源、伺服控制电动机、张力传感器组成。根据弦线悬链性理论建立纱线运动模型,结合纱线图像处理算法,寻找纱线图像上边界作为特征线计算其张力,结果表明:通过像素折算出的振动频率与实际张力拟合优度达0.99,在张力区间为5~30 cN以内,视觉系统测量值与张力传感器测量值相对误差率在±10%左右,非接触检测系统检测精度满足生产要求,避免了接触式测量存在的易磨损、稳定性较差等问题。

液态镓合金与铜电极间接触电阻特性与可靠性提升

目的 针对使用液态金属的电气设备中源极输出电阻波动的抑制问题,分析接触电阻随接触面间接触应力的变化规律,探索电极材料镀膜方法减小膜层电阻变化进而提高接触可靠性。方法 理论推导建立了镓合金与铜电极的固液接触电阻理论模型,并据此使用COMSOL Multipyhsics软件仿真了随着接触应力的变化接触电阻的变化情况。使用化学气相沉积法在铜基底上生长碳纳米薄膜来减小膜层电阻对铜电极的影响,并对生长了石墨烯薄膜的电极与镓合金的接触电阻进行了稳定性实验。结果 仿真结果表明接触电阻随着接触应力的增加而减小,接触应力较小时的接触电阻变化较大,随着接触应力的不断增加,接触电阻变化也逐渐缓慢,并进行了实验验证;通过调整化学气相沉积法中碳源的通入量来生长更符合电极使用条件的石墨烯薄膜,在6mL/min乙炔流量下生长的石墨烯薄膜接触电阻由未生长石墨烯薄膜的246μΩ减小到165μΩ,减小了镓合金与铜电极间的固液接触电阻,并且自身电阻值增加较小。长期稳定性实验也表明石墨烯薄膜可以有效防护铜电极,并通过相关的接触角实验进一步分析了生长碳纳米薄膜后电极表面润湿性变化。结论 铜电极表面生长石墨烯薄膜可以有效防护电极,提高铜基底电极与液态镓合金形成固液接触电阻的稳定性,同时控制接触面的接触应力,可以量化控制接触电阻的数量级。

基于改进YOLO v4网络的马铃薯自动育苗叶芽检测方法

为提高马铃薯幼苗叶芽检测识别的准确率,提高自动育苗生产系统的工作效率,提出了基于YOLO v4网络的改进识别网络。将YOLO v4特征提取部分CSPDarknet53中的残差块(Residual Block)替换为Res2Net,并采用深度可分离卷积操作减小计算量。由此,在增大卷积神经网络感受野的同时,能够获得叶芽更加细小的特征信息,减少马铃薯叶芽的漏检率。设计了基于扩张卷积的空间特征金字塔(DSPP模块),并嵌入和替换到特征提取部分的3个特征层输出中,用于提高马铃薯叶芽目标识别定位的准确性。采用消融实验对改进策略的有效性进行了验证分析。实验结果表明,改进的识别网络对马铃薯叶芽检测的精确率为95.72%,召回率为94.91%,综合评价指标F1值为95%,平均精确率为96.03%。与Faster RCNN、YOLO v3、YOLO v4网络相比,改进的识别网络具有更好的识别性能,从而可有效提高马铃薯自动育苗生产系统的工作效率。

改进Inception-Resnet-V2网络的无人机航向识别

为解决无人机在复杂环境下电力巡检的避障难题,研究并改进了基于Inception-Resnet-V2网络的一种无人机航向识别方法。引入深度可分离卷积,将卷积操作分解为深度卷积和逐点卷积两个过程,压缩了计算量。改进后的网络结构保证高精度的识别,同时节约了计算成本。改进后的网络模型在标准数据集上达到了92.5%的准确率。在实际电力巡检实验中,改进的网络模型针对于基杆塔的航向预测精度达到95.63%。实验结果表明,搭载改进后Inception-Resnet-V2网络模型的无人机可以在复杂环境下成功识别大型基杆塔并进行精确地航向识别与预测。

碳纤维软磁复合材料在无线电能传输电磁耦合机构中的应用

为解决电动汽车无线充电应用中电磁耦合机构长时间工作中铁氧体受振易碎、电磁耦合机构体积和质量大的问题,利用碳纤维屏蔽电磁波和吸能减振的特性,将碳纤维软磁复合材料作为导磁材料,分别建立了基于铁氧体和碳纤维软磁复合材料的仿真模型,设计并制作出碳纤维软磁复合材料,建立无线电能传输测试平台进行实验验证。结果表明:整块铁氧体的电场和磁场屏蔽最大数值分别为0.29 V/m和1.23×10^(-3)mT;碳纤维软磁复合材料的电场和磁场屏蔽最大数值分别为0.22 V/m和0.79×10^(-3)mT,铁氧体外侧加入两层碳纤维编织结构制成屏蔽材料,其磁场和电场屏蔽效果均优于铁氧体。

多尺度残差网络模型的开放式电阻抗成像算法

针对开放式电阻抗成像(OEIT)的图像重建算法存在的成像精度低、对噪声敏感、重建图像伪影面积较大等问题,提出基于多尺度残差网络模型的OEIT算法.该算法利用不同尺寸卷积核的残差块提取边界电压的多尺度特征;在完成特征拼接后,利用卷积实现深层信息融合,得到预测的电导率分布结果.使用有限元法搭建OEIT正问题模型,构造“边界电压-电导率分布”数据集,将所提算法与其他算法在该数据集和实际模型实验中进行比较.结果表明,所提算法使OEIT的重建精度、抗噪能力和定位目标准确性显著提高,并使检测目标的伪影面积缩小.

多泵磁流体动力学角速度传感器的低频拓展设计研究

针对磁流体动力角速度传感器对低频(<1 Hz)信号检测性能差的问题,在原有的角速度传感器的基础上提出了一种含多磁流体动力泵的角速度传感器。采用改进传感器机械结构的方法,在流体通道边缘周向上均匀构建多个磁流体动力泵,并优化了流体泵磁极形状,以提高流体传感环中径向流速分布大小与稳定性,增强低频下科里奥利力效应。仿真与实验结果表明设计的多泵结构传感器相比于单泵结构,径向流速分布提高了20.28%,流体泵通道磁场均匀度增加了38.36%。测试实验中施加补偿电流后,传感器可以实现对低频角速度信号的检测,全通带范围内幅值波动误差小于0.5%,相位差减小到0~10°范围内。

机器人随机位置下动态无线供电阵列式发射模组优化设计

为群智能行为研究和货物分拣场景中随机移动的多机器人实时补给电能,满足其不间断工作的需求是一个重要问题。该文提出一种基于有效耦合区域定量分析的阵列式电磁发射模组优化设计方法,可满足机器人在工作区域任意位置实时补给电能的需求。首先,分析了机器人运动过程中收发线圈存在的耦合情形以及相应的接收功率解析式。其次,提出了以满足机器人额定功率需求为基准,界定有效耦合区域的划分方法,并采用有限元分析方法定量表述了不同激励模式下的有效耦合区域,进而得到阵列式发射模组空间结构排布方法以及相应的线圈激励导通工作模态。最后,搭建了基于2×2阵列发射模组的小功率动态无线供电平台,验证了机器人随机位置动态无线获取电能补给的有效性。

磁流体角速度传感器的固液接触电阻特性研究

针对基于磁流体动力学(MHD)的角速度传感器中源级输出电阻波动的抑制问题,主要分析了MHD角速度传感器金属电极与镓合金的接触电阻特性,以及随着应力改变和接触面粗糙度的变化规律。通过理论推导建立了传感器中固-液接触电阻的理论模型,并据此使用COMSOL仿真了不同接触应力下接触电阻的变化情况;使用接触角测量仪分析了电极粗糙度对接触电阻的影响,电极材料为铝或铁时,粗糙度由1.6增加到3.2时,接触角增加4°~10°。仿真表明,MHD角速度传感器的接触电阻随着接触应力的增加而减小,在1kPa应力变化范围内,固-液接触电阻急剧变化。接触角测试表明,随着粗糙度的增加,接触角增加,浸润性变差。

基于观测器的四旋翼控制-抗扰-避障一体化

针对四旋翼飞行器“规划-跟踪”避障方法中存在执行器跟踪误差的问题,采用控制-抗扰-避障一体化的设计方案,提出了一种带障碍约束的避障位置控制器。将Barrier李亚普诺夫函数用于约束障碍物边界,通过引入飞行器与目标位置的距离信息使目标点成为平衡点,从而解决传统势场方法中目标不可到达的问题。对于四旋翼控制系统状态强耦合、模型建立不精确的问题,提出了一种基于观测器的模型补偿控制策略并应用于姿态控制。采用补偿函数观测器估计模型偏差及外界扰动,并实时将估计值反馈补偿给控制器以达到自适应抗扰的控制跟踪效果。最后,对上述算法仿真验证,结果表明,基于观测器的模型补偿控制相较于其他控制算法在暂态性能、跟踪期望响应和抗干扰方面有更优的控制效果;避障位置控制器无需考虑跟踪误差问题,在仿真时间角度上,一体化避障方法较传统的“规划-跟踪”避障方法大幅度缩短,通过给定起始、目标位置后可以实现对静态障碍的躲避。

低重叠率人体点云拼接方法研究

为解决点云重叠率低、特征缺失等造成的拼接错位严重的问题,提出一种基于点云复合特征的法向约束点到面ICP拼接方法。首先采集被测物的多视角激光点云并预处理;结合待拼接点云数据的特点,分别提取内部形状描述子和法线对齐径向特征点,并补充提取显著性约束特征点;将提取的特征融合,得到各视角点云的复合特征点集,以Kd-Tree搜索待拼接点云的邻域内公共复合特征为拼接步骤的输入;基于公共复合特征,使用改进的法向约束点到面ICP方法实现低重叠点云的拼接。试验表明,本文所提出的特征提取方法能有效选取特征点,简化点云约为原数据量的0.25%;法向约束点到面ICP方法能有效拼接低重叠的激光点云,与ICP、FPFH等方法相比具有更高的精度,人体点云拼接误差仅0.073 m,综合表现更好。