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基于LoRa的智慧农田土壤环境监测系统研究

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农业装备与车辆工程 2024年第1期62卷 18-22页

作者：曹帅钱谦张娅玲曹永军李文威梁佳楠文桂林昆明理工大学信息工程与自动化学院云南昆明650500 广东省科学院智能制造研究所广东省现代控制技术重点实验室广东广州510070 华南智能机器人创新研究院广东佛山528300 佛山智优人科技有限公司广东佛山528300

在信息化全面到来的时代背景下,农业生产正向着规模化、智慧化、信息化的方向发展。以西南山区特色农产品生产为研究背景,针对农田管理和农作物生长监测问题展开研究,将现代信息处理技术、传感器技术与试验田环境因素相结合,设计一种基... 详细信息

在信息化全面到来的时代背景下,农业生产正向着规模化、智慧化、信息化的方向发展。以西南山区特色农产品生产为研究背景,针对农田管理和农作物生长监测问题展开研究,将现代信息处理技术、传感器技术与试验田环境因素相结合,设计一种基于LoRa无线通讯技术的智慧农田土壤环境监测系统。通过对试验田土壤温湿度、土壤pH值、土壤氮磷钾浓度、电导率和光照强度等土壤环境数据进行采集、存储、处理和分析,可实现数据远程共享、土壤参数预警、辅助决策等智慧服务功能。该环境检测系统为农作物在不同阶段的生长情况提供数据支撑,进而改良试验田的土壤环境。

关键词： LoRa 智慧农田监测系统土壤墒情物联网技术

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基于鸟类脖颈结构的仿生超冗余机器人

Acta Mechanica Sinica 2023年第5期39卷 132-143页

作者：何俊峰文桂林刘杰 School of Mechanical and Electric Engineering Guangzhou UniversityGuangzhou510006China Hebei Innovation Center for Equipment Lightweight Design and Manufacturing Yanshan UniversityQinhuangdao066004China

一些鸟类的脖颈具有出色的柔性弯曲能力,模仿其特性可以设计仿生机器人.该类仿生设计的主要挑战是如何处理鸟类脖颈固有的灵活性和冗余的自由度.本文以鸡的脖颈结构为例,提出了一种模仿其脖颈结构特征的仿生超冗余机器人的设计方法.在... 详细信息

一些鸟类的脖颈具有出色的柔性弯曲能力,模仿其特性可以设计仿生机器人.该类仿生设计的主要挑战是如何处理鸟类脖颈固有的灵活性和冗余的自由度.本文以鸡的脖颈结构为例,提出了一种模仿其脖颈结构特征的仿生超冗余机器人的设计方法.在我们的设计中,首先研究鸡脖颈的多骨节连接与运动特性,并定义了一个具有弹簧和万向节组合的仿生椎骨单元(BVU)来模拟鸡脖颈结构.然后,由三根钢丝平行驱动的三个仿生椎骨单元形成单个颈椎节段.最后,连接四个相同的颈椎节段构成了所提出的仿生超冗余机器人.结合几何分析法和Denavit-Hartemberg(D-H)参数法,研究了仿生超冗余机器人的驱动空间、关节空间和任务空间的运动学关系.通过蒙特卡洛方法进一步计算了可达工作空间.此外,原型样机的单平面运动实验的最大位置偏差约为四个颈椎节段总长度的5.8%.同时,一系列空间形状的展示,包括S形仿生弯曲配置和对兴趣目标体的成功缠绕和提升,证明了所提出的设计方法的有效性、机器人具有优异的灵活性和应用潜力.

关键词： Bird’s neck Bionic hyper-redundant robot Kinematic analysis Physical model experiment

基于强化学习控制三连杆双足机器人实现节能周期步态

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Acta Mechanica Sinica 2023年第2期39卷 205-227页

作者：潘泽邦殷珊文桂林谭朝 State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body Hunan University Changsha 410082China School of Mechanical Engineering Yanshan UniversityQinhuangdao 066004China

由于双足机器人有着强非线性和非光滑性的响应特性,为双足机器人设计高性能的步态控制器依旧是一个开放的研究领域.为了克服这些挑战,本文首先提出了一个包含躯干,并考虑碰撞与摩擦的三连杆双足机器人模型.随后,采用双延迟深度确定性策... 详细信息

由于双足机器人有着强非线性和非光滑性的响应特性,为双足机器人设计高性能的步态控制器依旧是一个开放的研究领域.为了克服这些挑战,本文首先提出了一个包含躯干,并考虑碰撞与摩擦的三连杆双足机器人模型.随后,采用双延迟深度确定性策略梯度算法为该机器人设计了强化学习控制器.为了同时在下坡和上坡中实现节能周期步态,本文基于庞家莱截面法和幂函数构建了能为控制器提供学习指引的奖励函数.因此,所提出的控制器能够在不依赖于预先设计的参考轨迹或嵌入的不稳定周期步态的情况下,学会自适应输出精确的余弦力矩来实现控制目标.通过和神经网络比例微分控制器的对比研究表明,在不同的斜坡上,所提出的强化学习控制器均能实现精确、高效的周期步态,并具有较强的适应性和鲁棒性.

关键词： Three-link biped robot Deep Reinforcement learning Periodic gaits Energy optimization

具有增强计算效率和收敛性的多分辨率非线性拓扑优化

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Acta Mechanica Sinica 2022年第2期38卷 93-109,I0003页

作者：陈梓杰文桂林王洪鑫薛亮刘杰 Center for Research on Leading Technology of Special Equipment School of Mechanical and Electric EngineeringGuangzhou UniversityGuangzhou 510006China

高昂的计算成本和算法收敛困难是非线性拓扑优化的两大核心难题.为此,基于多分辨率设计策略和附加超弹性技术,提出了一种考虑几何非线性和材料非线性的多分辨率非线性拓扑优化方法.在固体各向同性材料惩罚方法框架中建立多分辨率非线性... 详细信息

高昂的计算成本和算法收敛困难是非线性拓扑优化的两大核心难题.为此,基于多分辨率设计策略和附加超弹性技术,提出了一种考虑几何非线性和材料非线性的多分辨率非线性拓扑优化方法.在固体各向同性材料惩罚方法框架中建立多分辨率非线性拓扑优化策略,并采用Neo-Hookean超弹性材料本构模型表征材料非线性.利用粗糙的分析网格用于有限元计算,而精细的材料网格用于描述材料构型.为了解决算法非线性收敛问题和降低灵敏度计算复杂度,联合ANSYS软件与附加超弹性技术进行非线性有限元计算.在灵敏度分析过程中,提出了一种应变能重分配策略,将Neo-Hooken和二阶Yeoh超弹性分析单元的应变能转换为对应的材料单元应变能.数值算例表明了所提出方法的三个显著优点:(1)可显著提高计算效率;(2)进一步弥补了基于附加超弹性技术的非线性拓扑优化方法在解决非线性拓扑优化问题时所遇到的收敛困难,该效果在三维问题中更为显著;(3)可在个人计算机上成功处理高分辨率三维复杂非线性拓扑优化问题.

关键词：多分辨率计算成本拓扑优化各向同性材料超弹性材料三维问题应变能材料非线性

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低频弹性波超材料的若干进展

力学学报 2022年第10期54卷 2678-2694,I0001页

作者：王凯周加喜蔡昌琦徐道临文桂林湖南大学机械与运载工程学院长沙410082 湖南大学重庆研究院重庆401133 燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004

超材料是一类新兴的具有超常物理性质的人造周期/拟周期材料,能够改变电磁波、声波以及弹性波等在介质中的传播特性.因在航天、国防以及民用科学等方面的巨大应用潜力,超材料自被提出后便受到极大的关注并引发研究热潮.弹性波超材料是... 详细信息

超材料是一类新兴的具有超常物理性质的人造周期/拟周期材料,能够改变电磁波、声波以及弹性波等在介质中的传播特性.因在航天、国防以及民用科学等方面的巨大应用潜力,超材料自被提出后便受到极大的关注并引发研究热潮.弹性波超材料是超材料的一种,能够基于弹性波与超材料结构的相互耦合作用实现对弹性波的操控.带隙是评估弹性波超材料实现弹性波操控的重要工具,其性质与超材料的材料参数、晶格常数以及局域振子的固有频率相关.受制于超材料的承载能力、外观尺寸以及局域振子结构等因素,利用传统超材料开启低频(约100 Hz)弹性波带隙依然存在较大困难.文章首先简要介绍超材料开启弹性波带隙的基本原理,然后从低频弹性波超材料基本结构与低频带隙实现方法、低频带隙优化与调控策略、低频带隙潜在应用等三个方面详细总结低频弹性波超材料的研究工作.其中,低频带隙超材料的基本结构主要包括布拉格散射型超材料、传统局域共振型超材料以及准零刚度局域共振超材料.文章通过总结低频弹性波超材料的研究进展,分析了目前研究中的不足并对未来低频弹性波的研究方向进行了展望.

关键词：超材料低频带隙准零刚度带隙调控振动抑制

磁性Ag_(2)S/Ag/CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4)Z型异质结的制备及光催化降解性能

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无机材料学报 2022年第12期37卷 1329-1336页

作者：陈士昆王楚楚陈晔李莉潘路文桂林淮南师范学院化学与材料工程学院淮南232038

光催化降解水体中的有机污染物具有广阔的应用前景。本研究以CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4)作为载体,通过原位沉积法和光还原法制备了Z型异质结Ag_(2)S/Ag/CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4),采用不同表征手段对样品的微观形貌、物相结构、光学和... 详细信息

光催化降解水体中的有机污染物具有广阔的应用前景。本研究以CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4)作为载体,通过原位沉积法和光还原法制备了Z型异质结Ag_(2)S/Ag/CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4),采用不同表征手段对样品的微观形貌、物相结构、光学和磁学性能进行表征分析。Ag_(2)S/Ag/CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4)复合物催化活性最高,其光催化降解动力学常数(k)分别是Ag_(2)S/Ag,Ag_(2)S和CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4)的2.96, 3.71和8.24倍。引入CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4)可以有效地促进Ag_(2)S/Ag中光生载流子的分离效率。·O_(2)^(-)和·OH^(-)是光催化过程中的主要活性物。此外,在光催化反应后,外加磁场可以将制备的Ag_(2)S/Ag/CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4)复合材料快速从溶液中分离出来。循环降解实验显示, Ag_(2)S/Ag/CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4)复合材料在光降解过程中具有稳定的降解能力和晶体结构。本研究为进一步开发高效、窄带隙和磁性的光催化剂提供了有效的解决思路。

关键词： Ag_(2)S/Ag/CoFe_(1.95)Sm_(0.05)O_(4) Z型异质结光催化降解回收

含自重载荷的功能梯度材料结构时域动力学拓扑优化设计

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中国机械工程 2022年第23期33卷 2774-2782页

作者：文桂林陈高锡王洪鑫薛亮魏鹏刘杰燕山大学机械工程学院秦皇岛066004 广州大学机械与电气工程学院广州510006 湖南大学机械与运载工程学院长沙410082 华南理工大学土木与交通学院广州510641

提出了一种含自重载荷的功能梯度材料(FGM)结构时域动力学拓扑优化设计方法。在固体各向同性材料惩罚(SIMP)框架下,提出了一种针对FGM-SIMP的结构自重载荷分布策略。以FGM结构动柔度最小为优化目标、以结构体积为约束,建立了动力学结构... 详细信息

提出了一种含自重载荷的功能梯度材料(FGM)结构时域动力学拓扑优化设计方法。在固体各向同性材料惩罚(SIMP)框架下,提出了一种针对FGM-SIMP的结构自重载荷分布策略。以FGM结构动柔度最小为优化目标、以结构体积为约束,建立了动力学结构优化列式。基于伴随法,在时域内进行了灵敏度推导,并用移动渐近线方法进行求解。通过二维和三维典型数值算例系统研究了含自重载荷下FGM结构的拓扑优化设计问题,并深入探讨了自重载荷和材料梯度分布方向对结构优化结果的影响,发现自重载荷和材料梯度分布方向对FGM结构的优化构型和动刚度具有很大影响。最后,以均一材料(FGM的特例)为例,通过数值仿真和实验测试方法验证了所提方法的有效性,并证实了所提方法可有效提高结构的固有频率和结构动刚度。

关键词：结构拓扑优化时域动力学分析结构自重功能梯度材料

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非光滑准零刚度隔振器实验研究

Acta Mechanica Sinica 2023年第6期39卷 136-152页

作者：曾嵘文桂林周加喜殷珊王强伍新 State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body Hunan UniversityChangsha 410082China School of Mechanical Engineering Yanshan UniversityQinhuangdao 066004China School of Mechanical Engineering Hunan Institute of EngineeringXiangtan 411104China

理论上,与传统准零刚度隔振器(QZS)相比,含限位结构的准零刚度隔振器具有更低的位移传递率峰值和更宽的隔振频率范围.但是,目前还没有相关的实验研究证明这一理论结果的正确性.因此,为了研究含限位准零刚度隔振器在实际应用过程中的隔... 详细信息

理论上,与传统准零刚度隔振器(QZS)相比,含限位结构的准零刚度隔振器具有更低的位移传递率峰值和更宽的隔振频率范围.但是,目前还没有相关的实验研究证明这一理论结果的正确性.因此,为了研究含限位准零刚度隔振器在实际应用过程中的隔振特性,本文设计制作了相应的结构,并进行了动力学实验.首先,根据赫兹接触理论,建立了含限位结构的准零刚度隔振器(QZS-HCM)动力学模型.然后,对隔振器的结构进行设计和加工,制作了QZS-HCM系统,并对系统进行静力学实验来验证理论结果的正确性.接着,在简谐位移激励下,对QZS-HCM系统进行动力学测试,通过分析系统的位移传递率和时间历程来评价系统的隔振性能.同时,将QZS-HCM系统与传统QZS系统的动力学测试结果进行对比,表明QZS-HCM隔振器在大幅值位移激励下具有更低的位移响应峰值和更宽的隔振频带.

关键词：准零刚度隔振器位移传递率赫兹接触理论动力学实验频率范围时间历程隔振性能

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曲线折痕折纸力学超材料可定制压缩力学特性

哈尔滨工程大学学报 2022年第9期43卷 1362-1369页

作者：刘杰徐依璐陈高锡文桂林薛亮李志勇广州大学机械与电气工程学院广东广州510006 燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004 湖南大学机械与运载工程学院湖南长沙410082

针对现有折纸力学超材料大多基于直线折痕图折叠而成,一定程度上限制了其可定制力学特性。本文将曲线折痕引入到二维折痕图,提出了一种曲线折痕圆柱折纸力学超材料。利用金属增材制造方法制备了折纸力学超材料样品,并借助三维CT扫描证... 详细信息

针对现有折纸力学超材料大多基于直线折痕图折叠而成,一定程度上限制了其可定制力学特性。本文将曲线折痕引入到二维折痕图,提出了一种曲线折痕圆柱折纸力学超材料。利用金属增材制造方法制备了折纸力学超材料样品,并借助三维CT扫描证实了较高制造精度。采用基于超算平台并行计算的显式动力学数值仿真和物理试验法阐明了曲线折痕圆柱折纸力学超材料的变形模式和压扭特性。进一步,研究了改变曲线山折和曲线谷折可实现曲线折痕圆柱折纸力学超材料的可定制压缩力学特性。所提曲线折痕圆柱折纸力学超材料为可定制力学特性需求的新型力学超材料提供了一种新的思路。

关键词：曲线折痕折纸力学超材料可定制压缩力学特性数值仿真物理试验三维CT扫描