ISSN 1009-0134
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2025年, 第47卷, 第3期
刊出日期：2025-03-25
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研究了由建模误差和环境干扰引起的未知项下飞行机器人的稳定控制问题，提出了一种基于未知项估计器用以实现飞行机器人稳定运动的模糊自适应非奇异终端滑模控制器。其中，采用模糊估计器实现对飞行机器人建模不确定项和环境干扰的估计，利用稀疏模糊规则库并结合模糊规则插值方法提高了模糊估计器的估计精度和收敛速度。基于模糊规则插值估计器，提出了一种新的模糊自适应非奇异终端滑模控制器，用以保证飞行机器人在不确定条件下的稳定控制。利用李雅普诺夫理论分析了所提估计器和控制器的稳定性，通过对比仿真实验验证了该控制器的性能和可行性，证明了该控制器在不确定条件下飞行机器人的稳定控制能力和良好的鲁棒性。
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为进一步提高装卸机器人的工作效率和平稳性，以成品烟装卸机器人为研究对象，提出了一种基于改进斑马算法的时间最优复合多项式插值轨迹规划方法。采用五次多项式和正弦加速度的复合多项式对机器人轨迹进行插值；通过改进Tent混沌映射和斑马动态引导策略对斑马算法进行优化，以最短时间为优化目标，采用改进斑马算法对复合多项式规划的轨迹进行优化。通过仿真实验进行验证，结果表明：优化后的运动时间缩短了约34.30%，改进后的斑马算法收敛速度得到显著提升，有利于快速跳出局部最优陷阱；机器人运动连续平稳，各关节角位移、角速度和角加速度曲线平滑无突变，在运动时间最优的同时保持机器人运动的平稳性，提高了成品烟装卸机器人的工作效率和稳定性。
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为提高移动机器人路径规划效率，解决灰狼优化算法在路径规划避障问题上存在的收敛效率低和易陷入局部最优的不足，提出了一种改进的灰狼优化算法。首先，加入Tent混沌映射对初始种群初始化，以增加种群的多样性，进而提高收敛速度；其次，加入非线性收敛因子改进策略，从而在降低局部最优解的同时提高全局搜索的效率；进而，将粒子群位置更新策略用于灰狼种群位置更新中，旨在增强灰狼个体的自主搜索能力；最后，选用标准测试函数与PSO、GWO算法对比，改进算法具有优越的收敛性能和寻优精度。环境仿真实验表明，改进算法在平均路径长度、迭代次数、寻优时长等指标均优于其他对比算法。
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针对过曝光区域检测问题，提出了一种基于主成分分析（Principal Components Analysis，PCA）和Logistic回归的过曝光图像饱和像素检测方法。首先通过研究分析过曝光图像的显著性特征，提取了亮度及颜色特征、人类视觉修正的饱和度特征、空间邻域特征、局部熵特征、灰度对比度特征等变量作为检测图像过曝光的初始指标；接着利用主成分分析方法对原始指标变量进行降维处理，然后利用建立的L2正则化的Logistic回归模型进行分析预测；最后与其他过曝光检测算法进行了对比分析，并在某安防监控图像中进行了过曝光区域检测效果验证。结果表明，该模型检测结果更具整体性，检测区域更紧凑，也更符合人眼对过曝光区域的视觉感知。
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为提高放顶煤过程中煤矸识别准确率，提出了一种结合变分模态分解（VMD）、主成分分析（PCA）和卷积神经网络（CNN）的多通道信息融合煤矸识别方法。首先，搭建放顶煤液压支架煤矸滑移试验台，采集多个传感器通道的煤矸振动数据；其次，将采集到的数据利用VMD分解得到本征模态函数（IMF），分别计算每个IMF分量的时域和频域特征，接着将特征进行PCA降维，得到降维后的煤矸振动信号特征向量并以此构建煤矸振动信号特征数据集；然后，利用CNN模型分别对不同通道数据进行训练；最后，通过加权平均法进行多通道信息融合来综合评判识别。研究结果表明该方法具有较高的煤矸识别准确率，经信息融合后准确率可达97.15%，煤矸识别效果良好。
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轴向柱塞泵长期工作在高速、高压的恶劣环境下，其内部的关键零件常发生故障，导致整个液压系统失效。采用自制非接触式麦克风阵列（声阵列）研究了轴向柱塞泵故障噪声特征分析、定位与故障分类。首先，基于二维传感器阵列建立了噪声定位与空域滤波模型，实现噪声源定位下的特定方位滤波，将空域滤波后的时域信号及其频域信号作为典型故障样本；然后，用支持向量机（SVM）替代原来的分类器，并利用空域滤波后的典型故障样本训练一维CNN-SVM故障分类模型；通过柱塞、配流盘、斜盘和回程盘等四个关键部件预制故障的实验研究，实现了轴向柱塞泵运行状态下的故障源定位，并结合CNN-SVM模型对故障进行了分类，其中时域样本的测试集准确率为89.5%，频域样本的测试集准确率为93.5%。
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工件的轮廓距测量在保证加工质量方面具有重要影响，但传统测量方法通常效率较低且成本较高。而常规的机器视觉测量方式往往存在测量精度不足和稳定性不高的问题。为了提升加工制造的质量，提出了一种基于双远心成像的高精度工件轮廓距测量系统。首先，基于双远心成像方式进行测量系统的分析建模与整体结构设计。其次，提出一种改进的自适应阈值的Canny边缘检测算法对目标图像进行初步的边缘检测，对融合后的图像进行边缘粗定位，随后通过三次样条插值算法来获取边缘梯度插值信息，然后曲线拟合得到边缘的亚像素级坐标。最后，采用RANSAC算法进行轮廓拟合，完成工件轮廓距的检测。算法在标准件检测实验中表现出高准确性和可靠性，能够准确进行不同大小的标准件测量，同时，大批量检测时重复性误差极小，为高效精确的工业零件轮廓检测提供了可行的解决方案。
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针对焦炉砌筑机器人自动化抓取中耐火砖识别与定位精度要求高，砌筑现场设备计算资源有限等问题，提出了一种轻量化耐火砖识别与定位算法。首先，针对因干砌耐火砖排列紧密导致误检或漏检的问题，通过多边界特征随机合成方法增强自制耐火砖数据集，并在YOLOv8模型中嵌入全局注意力模块（GAM）和引入损失函数Wise-IoUv3，以提高特征提取能力与锚框质量；其次，针对设备计算资源有限的问题，通过基于参数幅值的剪枝算法对模型进行剪枝处理，以降低模型的计算量和参数量；然后，基于二维识别信息，融合一种基于点云数据的轻量化深度信息阈值分割算法获取的定位深度信息，以完成耐火砖的精准识别与定位；最后，通过搭建焦炉砌筑机器人实验平台，进行测试验证。实验结果表明，本算法的识别平均精度均值达到98.83%，参数量和浮点计算量分别达到了0.211 M和0.856 G，较YOLOv8模型平均精度均值增加了0.21个百分点，参数量和浮点计算量分别减少了92.99%和89.56%。测量深度信息在800 mm~1000 mm时平均相对测量误差为0.28%。本算法能在保证识别与定位精度的同时，降低了设备对计算资源的要求，为焦炉砌筑机器人实现自动化应用提供技术支持。
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相比机械轴承，磁浮轴承具有非接触、无磨损、无须润滑、寿命长、适合高速运动和性能参数可主动控制等优点。磁浮转子高速旋转时伴有陀螺效应导致位置与姿态变化耦合呈现出复杂动力学特性，动力学模型建模的精确性直接影响到控制系统的控制精度与稳定性。在对磁浮转子静态起浮和稳定悬浮阶段进行动力学建模的基础上，针对磁浮转子实际动力学参数与设计参数存在较大差异，传统的PID控制难以保证系统鲁棒性这一问题，提出了一种面向磁浮转子的参数自适应控制方案，旨在控制过程中自适应辨识出真实模型参数，并通过李雅普诺夫判据证明了系统的稳定性。仿真的结果表明，改进的算法能够有效改善磁浮转子的控制性能。
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为了提高装配质量和装配效率，确保产品质量的一致性，对工人的装配动作进行识别监测。提出一种融合Longformer的时空分离注意力装配动作识别网络，基于时空分离注意力结构分别使用Longformer注意力编码器和Transformer注意力编码器提取视频的外观特征和运动特征，有效整合了长视频序列中的时空信息，同时降低了网络的计算复杂度和网络参数量。在装配动作数据集上的实验结果表明，方法相比基于卷积的SlowFast网络可以更好的提取全局视频特征，Top-1准确率提升了2.44%。相比基于Transformer的TimeSformer网络，Top-1准确率提升了0.45%，参数量降低了65.9%，同时允许输入更长的视频序列，能更有效识别工人的装配动作。
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为提升离散制造车间检测的精度和效率，并克服传统异常检测方法在多品种、变批量数据处理及时间序列相关性捕捉方面的不足，提出了一种基于量子粒子群算法加权的Transformer-GAN（QPSO-TGAN）模型。该模型利用Transformer结构的生成器学习时间序列数据的正常模式，鉴别器则提取数据内在特征，以区分正常与异常模式。同时，引入量子粒子群算法进行参数优化，提高异常检测能力。实验基于真实离散车间数据，并与KNN、RNN、VLSTM、LSFL、DAGAN及Transformer等模型对比，结果表明QPSO-TGAN在准确率、召回率和F1分数上均优于其他方法，展现出卓越的异常检测性能，能够有效地适用于现实离散车间场景中。
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冷链运输是指在整个供应链中，保持货物在低温条件下从一个地点运输到另一个地点的过程。其主要应用于食品、制药、生物医药等行业以确保货物的品质和安全性，而运输的合理规划对于降低物流成本、减少碳排放、提高运输效率具有重要意义。建立了冷链物流运输路径优化的数学模型，考虑了不同客户点之间的距离、服务时间窗、货物需求等因素，以达到包括固定成本、运输成本、制冷成本等运输总成本最小的目标。然后采用改进海鸥算法对该模型进行求解，该算法是一种基于仿生学的优化算法，模拟了海鸥觅食时的行为，算法具有全局搜索能力和自适应性。在算法实现过程中，考虑了迭代参数设置和收敛性控制，以避免陷入局部最优解，确保实验结果的可靠性和高效性。通过实验算例的应用及不同算法对比分析，验证了基于改进海鸥算法的冷链物流路径优化方法的有效性。
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为了优化卸货的便捷程度，提高卸货效率，提出一种组合式卸货的三维装箱算法。首先，定义了箱子之间相邻判断标准以及互斥无固定范式卸货组合的概念，其次，以互斥卸货组合率和空间利用率以及装箱率为优化目标，建立了以卸货为导向的装箱数学模型，再次，针对最大互斥卸货组合数量的求解，结合图论思想设计提出了相邻关系检测、相邻关系无向图转化、基于BFS广度优先的卸货组合生成、互斥卸货组合筛选四部分子算法，最后，采用田口法对改进的遗传算法进行参数配置，并结合NSGA-II多目标优化策略，对装箱方案进行优化。经过不同比例的卸货组合实例测试分析，证明算法能够将有同样待卸需求的货物优化形成卸货组合，以达到便捷卸货，提高物流环节经济效益的目的。
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转盘轴承在工作中承受巨大的轴向力和倾覆力矩的作用，使得载荷常集中于远离倾覆力矩轴线的沟道，导致这些位置的沟道容易出现塑性变形或疲劳损伤，严重影响轴承的承载能力和使用寿命。为此，提出了一种非平面滚道的转盘轴承。首先，通过矢量表达的方法建立任意形状滚道的转盘轴承力学计算模型对其进行理论分析，并对传统圆形滚道的载荷分布进行寿命最大优化，通过分解调控得到最佳的非平面滚道廓线，对比非平面滚道与传统圆形滚道下的载荷分布，然后通过有限元仿真验证并考虑套圈变形修正非平面滚道。结果表明：非平面滚道的转盘轴承比传统圆形滚道的转盘轴承最大载荷明显降低，载荷分布更加均匀，寿命提高了8%~15%。为均匀和降低转盘轴承滚道接触载荷提供了一种新思路。
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为了降低高温接触角测量仪中石墨基座因受热不均而产生的测量误差，首先基于该仪器的感应加热原理建立了Comsol有限元模型，采用控制变量法探究了电流频率、石墨基座厚度、石墨基座下表面与线圈截面圆心的间距等参数对石墨基座上表面温度差的影响，试验结果表明上表面温度标准差与电流频率、基座厚度成正比，与石墨基座下表面和线圈截面圆心的间距成反比；接着通过软件Design-Expert对多种参数交互作用进行了响应面分析，在此基础上利用软件内的优化模块确定了最优参数为：基座厚度为2 cm，电流频率为306 kHz，石墨基座下表面和线圈截面圆心的间距为3.65 cm；最后将最优参数带入有限元模型并对线圈的结构进行了优化，优化后有限元仿真后处理结果表明：不同电流下，石墨基座上表面工作区域的温度浮动最小为0.16%，最大为0.33%，温度分布均匀性良好。
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为了充分利用城市环境中的风能，设计一种升阻复合型垂直轴风力机（Darrieus Combined with Savonius Vertical Axis Wind Turbine，DCS-VAWT），用以解决低风速下升力型垂直轴风力机无法自启动的问题。采用计算流体力学（CFD）模拟评估DCS-VAWT的动态自启动性能和稳态性能。与传统静态CFD模拟方法不同，采用流固耦合的被动型CFD方法，模拟了风力机由静止到稳定运行的瞬态自启动过程。研究结果表明，DCS-VAWT能够在5 m/s的低风速条件下成功自启动。DCS-VAWT自启动性能随着内部阻力型转子的直径的增加而提高，但是稳态性能下降。由于转动惯量和气动外型的影响，DCS-VAWT内部采用两叶片的阻力型转子的自启动性能比三叶片的好。经过优化后的两叶片DCS-VAWT，在5 m/s来流风速下，16 s成功自启动，最佳叶尖速比2.5时，最大的风能利用效率为0.261。
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针对目前Mini/Micro LED气动巨量转移中气体射流冲击不均匀、不稳定的问题，提出了一种利用基于多通孔的吹气方案，利用气体射流透过多通孔玻璃板，同时对薄膜冲击使其形变产生微泡，减小芯片与薄膜之间的接触面积，从而实现芯片向目标基板的转移，并从仿真和试验的两个方面对工作过程中的气体射流的流场特性进行了研究。通过COMSOL Multiphysic 软件对流场分析得到了不同数量的射流孔的气体驱动规律。设计了试验平台并进行测试，试验结果表明将射流孔布置在中心位置且射流孔与芯片的接触面积越大，驱动效果越佳，实现芯片的高精度、无损伤转移。在气压为1.0 MPa，气体持续时间0.3 s，出气孔和通孔玻璃板之间的间距为0.1 mm的环境下进行转移，试验得到本方案的实际转移良率达到99.9815%。