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基于多视图的视觉伺服水下作业控制

基于多视图的视觉伺服水下作业控制

作者：卞鑫宇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

人类用手来操作各种形状、大小和材料的物体是一种强大的天赋。受人手启发,制造具有自主拾取和操作物体功能的机器人,一直是机器人技术的重要组成部分。在这个基础上,考虑人眼与手的协调运动,在机器人领域迅速发展出了视觉伺服控制方法... 详细信息

人类用手来操作各种形状、大小和材料的物体是一种强大的天赋。受人手启发,制造具有自主拾取和操作物体功能的机器人,一直是机器人技术的重要组成部分。在这个基础上,考虑人眼与手的协调运动,在机器人领域迅速发展出了视觉伺服控制方法,并成熟应用于陆地和太空机器人的自主作业。然而,由于海洋远远不同于陆地和太空的机器人作业环境,使得视觉伺服控制方法在水下机器人-机械手系统(Underwater Vehicle Manipulator System,UVMS)的应用与发展受到了各种限制。UVMS的水下环境限制光的传播,导致摄像机在水下的可视距离很小,并且随着距离的增大,图像的质量迅速下降,使得摄像机的有效像素变低。不准确的图像感知则直接导致UVMS视觉伺服作业的精度下降,小的可视距离则限制了UVMS在水下的视觉伺服有效作业范围。此外,陆地机器人机械臂的基座固连在大地上,机械臂的作用惯性可以由大地对基座的作用反力瞬时抵消。UVMS机械手的运动惯性则需要艇体的额外驱动来抵消,从而产生了复杂的艇体与机械手的耦合作用。另一方面,陆地机器人与空间机器人的作业环境密度远远低于水下机器人,在机械臂作业时可以忽略环境介质对系统的相互作用力。对于UVMS而言,系统和水环境的相互作用力则是系统稳定作业不可忽略的重要组成部分。针对上述的UVMS水下视觉伺服作业难点,本文首先提出了基于线性与非线性组合的图像特征点的亚像素观测器算法,利用现有的整数化的像素点位置反馈信息,对目标特征点在图像平面的位置进行亚像素水平的估计,从而提高摄像机在水下对目标特征点的观测精度。然后本文,提出了基于多视图融合的视觉伺服水下作业控制方法。该方法基于所提的虚拟成像平面,将UVMS的多个摄像机图像误差在UVMS的广义自由度进行了统一,相比于远近摄像机切换的视觉伺服控制方法,可以平稳的实现远距离到近距离的作业过度问题,极大的增强了系统的鲁棒性和稳定性。最后,考虑到水下机械手的运动与几何特征,结合莫里森公式,对水下机械臂作业运动过程中与水环境的交互力进行估计。将其作为UVMS机械手与艇体的协调运动控制器的前馈项,从而减弱水环境与机械手交互力对系统运动稳定性的影响。基于该分析方法设计了带有积分项的非奇异滑模控制器,使得系统不仅超调小,可以快速的稳定收敛,还拥有较高的控制精度。在各章节最后,对所提的方法进行了仿真实验,从仿真结果可以看出所提方法有效性和鲁棒性。

关键词：水下机器人-机械手系统视觉伺服图像亚像素估计水下自主作业控制

相变回填材料中石墨体积分数对PHC能源桩换热性能的影响

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第5期64卷 831-840页

作者：王皓宇张丹钱征宇南京大学地球科学与工程学院南京210023

通过掺入石墨可以提高相变材料的导热性能,为探究预应力高强度混凝土(pre-stressed high-strength concrete,PHC)能源桩桩芯回填材料中石墨体积分数对桩换热性能的影响,开展了PHC能源桩模型试验,并建立基于试验验证的数值模型。分析了... 详细信息

通过掺入石墨可以提高相变材料的导热性能,为探究预应力高强度混凝土(pre-stressed high-strength concrete,PHC)能源桩桩芯回填材料中石墨体积分数对桩换热性能的影响,开展了PHC能源桩模型试验,并建立基于试验验证的数值模型。分析了不同石墨体积分数对PHC能源桩的进出口温差、桩身温度和回填材料相变状态的影响,结果表明:PHC能源桩的进出口温差随石墨体积分数的增加而增大;PHC能源桩换热时间一致时,桩身温度随着石墨体积分数的增加而上升,而桩体沿轴向的温度增量变化并不显著,分布较为均匀;回填材料的相变速度随石墨体积分数的增加而加快。

关键词：预应力高强度混凝土桩能源桩相变材料石墨换热性能

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多策略帝王蝶优化算法及其工程应用

清华大学学报（自然科学版） 2024年第4期64卷 668-678页

作者：王振宇王磊西安理工大学计算机科学与工程学院西安710048

针对帝王蝶优化算法存在的收敛速度慢、寻优精度低和易陷入局部极值等缺陷,提出了一种多策略改进的帝王蝶优化算法。首先,采用正向正态云发生器对父代帝王蝶个体执行非线性云化操作,增加候选解数量,提高算法的局部开发能力;之后,引入基... 详细信息

针对帝王蝶优化算法存在的收敛速度慢、寻优精度低和易陷入局部极值等缺陷,提出了一种多策略改进的帝王蝶优化算法。首先,采用正向正态云发生器对父代帝王蝶个体执行非线性云化操作,增加候选解数量,提高算法的局部开发能力;之后,引入基于凸透镜成像的反向学习策略,应用到当前最优个体上产生新的个体,提高算法收敛速度和寻优精度;最后,在调整算子中融入自适应策略,增加种群的多样性,避免算法陷入局部最优。通过对8个基准测试函数的寻优对比,以及Wilcoxon秩和检验结果的对比,发现改进算法具有更好的收敛性能、寻优性能和鲁棒性。与此同时,通过工程应用中压力容器设计和焊接梁设计的优化对比,进一步验证了改进算法处理实际工程问题时的优越性。

关键词：帝王蝶优化算法正态云模型凸透镜成像自适应调整率压力容器设计焊接梁设计

偶极-偶极相互作用诱导量子点自组装的高效发光二极管

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科学通报 2024年第11期69卷 1387-1389页

作者：卢思宇郑州大学化学学院郑州450001

量子点发光二极管(quantum dot light-emitting diodes,QD-LED)具有色域覆盖范围广、溶液加工成本低以及低电压下亮度和效率高等突出优势,是下一代显示技术的有力竞争者[1~3].外量子效率(external quantum efficiency,EQE)是QDLED走向... 详细信息

量子点发光二极管(quantum dot light-emitting diodes,QD-LED)具有色域覆盖范围广、溶液加工成本低以及低电压下亮度和效率高等突出优势,是下一代显示技术的有力竞争者[1~3].外量子效率(external quantum efficiency,EQE)是QDLED走向应用至关重要的性能指标,其中,内量子效率与外耦合效率共同决定了外量子效率.

关键词：外量子效率量子点发光二极管内量子效率耦合效率溶液加工

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直升机声学超材料舱壁的低频多带隙降噪特性

航空学报 2024年第6期45卷 349-364页

作者：王晓乐孙萍顾鑫赵春宇黄震宇上海交通大学感知科学与工程学院上海200240 航空工业空气动力研究院气动噪声重点实验室哈尔滨150001

针对直升机舱内500 Hz以下的低频噪声控制难题,在原有直升机舱壁结构基础上引入声学超材料设计范式,提出一类低频多带隙声学超材料结构。该声学超材料结构单元内部包含4个悬臂梁式共振结构,在各个共振结构的谐振频率处能够打开局域共振... 详细信息

针对直升机舱内500 Hz以下的低频噪声控制难题,在原有直升机舱壁结构基础上引入声学超材料设计范式,提出一类低频多带隙声学超材料结构。该声学超材料结构单元内部包含4个悬臂梁式共振结构,在各个共振结构的谐振频率处能够打开局域共振完整带隙。首先,建立声学超材料结构单元的有限元动力学模型,算例分析其能带结构特性并揭示多带隙形成机理。其次,开展声学超材料样件安装于小尺寸均匀平直板前后的法向入射传声损失试验与锤击激励振声试验,发现实测的隔声提高区和传递函数幅值衰减区均符合理论预测的带隙频率范围,从而验证了理论模型的正确性。最后,在混响室-全消声室测试环境中开展声学超材料样件附加于大尺寸曲面加筋壁板前后的扩散场入射传声损失试验与激振器激励振声试验,证明即便应用于复杂结构壁板,声学超材料的带隙频段仍然显示出很高的潜力来改善隔声性能和振声行为。研究工作旨在为采用轻薄声学超材料降低直升机舱内噪声提供思路和方法。

关键词：直升机噪声声学超材料低频带隙

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三角形布置圆柱体群绕流特性与流动机理研究

船舶力学 2024年第3期28卷 354-367页

作者：涂佳黄吕海宇胡刚王贯宇湘潭大学土木工程学院湖南湘潭411105 重庆市城市建设发展有限公司重庆400014

基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(Kd)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明:不同流场下尾流模式分为单漩... 详细信息

基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(Kd)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明:不同流场下尾流模式分为单漩涡、单漩涡体向双漩涡过渡、不规则的双漩涡、规则的双漩涡、双漩涡向三漩涡过渡、不规则的三漩涡和规则的三漩涡模式,在α=30°时流场下游涡街更加规则,尾流模式转变更快。三圆柱所受的时均流体力系数受间隙流流速影响较大,各来流角度下随间距比(除小间距比外)的变化趋势基本一致,尾流模式转变会导致三圆柱群的流体力系数均方根值发生显著变化,在Kd≥3.5后上游圆柱流体力系数均方根值有较大起伏。除α=0°工况外,在Kd≥2.5后中游圆柱的涡脱落频率受α和Kd影响较小,数值相对稳定。

关键词：浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法等边三角形布置尾流模式流体力系数流动机理

基于特征图像组合与改进ResNet-18的电能质量扰动识别方法

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中国电机工程学报 2024年第7期44卷 2531-2544,I0003页

作者：张逸欧杰宇金涛毕贵红福州大学电气工程与自动化学院福建省福州市350108 昆明理工大学电力工程学院云南省昆明市650500

针对传统电能质量扰动(power quality disturbance,PQD)识别体系中单一图像特征信息受限与算法识别能力不足等问题,依据特征融合的思想,提出一种基于特征图像组合与改进ResNet-18的PQD识别方法。首先,对PQD信号进行变分模态分解(variati... 详细信息

针对传统电能质量扰动(power quality disturbance,PQD)识别体系中单一图像特征信息受限与算法识别能力不足等问题,依据特征融合的思想,提出一种基于特征图像组合与改进ResNet-18的PQD识别方法。首先,对PQD信号进行变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)得到一系列固有模态函数(intrinsic mode functions,IMFs)与残差分量;其次,将IMFs、残差分量、原始扰动信号与Subtract分量纵向拼接成分量矩阵,利用信号-图像转化方法生成特征分量彩色图;再次,对原始扰动信号进行连续小波变换(continuous wavelet transform,CWT)生成小波时-频图;最后,将特征分量彩色图与小波时-频图组合输入改进的六通道ResNet-18中训练学习并完成扰动识别。通过仿真对PQD识别方法进行分析并将其与目前常用识别体系进行比较。结果表明,所提方法具有较好的抗噪性能并且能够更好地提取PQD特征信息,达到更高的识别准确率。

关键词：电能质量扰动变分模态分解特征分量彩色图小波时-频图残差网络

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多旋翼无人机串联混合动力系统能量管理仿真

航空动力学报 2024年第6期39卷 216-227页

作者：徐楷王步宇帅石金清华大学航空发动机研究院北京100084

以最大输出功率为14.9 kW、功质比为2.8的活塞发动机作为主动力源搭建了多旋翼无人机准静态飞行串联混合动力系统功率模型,针对最大起飞质量80 kg级的多旋翼无人机进行了飞行性能模拟计算,重点比较不同能量管理策略的节油效果,并进一步... 详细信息

以最大输出功率为14.9 kW、功质比为2.8的活塞发动机作为主动力源搭建了多旋翼无人机准静态飞行串联混合动力系统功率模型,针对最大起飞质量80 kg级的多旋翼无人机进行了飞行性能模拟计算,重点比较不同能量管理策略的节油效果,并进一步探索多旋翼无人机起飞电池容量和燃油量对经济性和续航能力的影响。结果表明:在荷电状态保持约束下,减少电池上的能量损耗能够降低混动无人机油耗,且最小等效能量消耗策略表现较好;短航时条件下一定比例的电池容量有利于节油,但长航时条件下所用电池能量比例越大,油耗越大,系统经济性越差;载质量越大,任务时间越短,则系统的燃油经济性越好。

关键词：串联混动多旋翼无人机最小等效能量消耗策略能量管理动态规划

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挠性航天器姿态动力学数据驱动辨识与控制

力学学报 2024年第2期56卷 433-445页

作者：陈竑宇陈提南京航空航天大学航空学院南京210016

挠性航天器的姿态机动与其挠性部件的振动存在强耦合,这导致系统表现出明显的非线性特征,其动力学行为的描述与控制是非常具有挑战的问题.为了处理挠性航天器建模与姿态控制中的非线性问题,针对挠性航天器的姿态控制问题提出了一种基于K... 详细信息

挠性航天器的姿态机动与其挠性部件的振动存在强耦合,这导致系统表现出明显的非线性特征,其动力学行为的描述与控制是非常具有挑战的问题.为了处理挠性航天器建模与姿态控制中的非线性问题,针对挠性航天器的姿态控制问题提出了一种基于Koopman算子理论的数据驱动建模方法,并基于数据驱动辨识得到的模型设计了最优控制器,实现对挠性航天器的姿态控制和振动抑制.首先,提出了一种基于Koopman算子理论和非线性系统稀疏性辨识算法(SINDY)的SO(3)上挠性航天器姿态动力学数据驱动辨识方法,根据SO(3)上挠性航天器姿态的动力学特点,设计了一组包含姿态动力学状态的观测函数,用于提升空间上挠性航天器姿态动力学的广义线性模型稀疏性辨识.然后,在小角速度假设下进行全局线性化,通过去除广义线性模型中的高阶项来得到挠性航天器姿态动力学的有限维Koopman稀疏模型,并通过仿真验证了广义线性SINDY模型与Koopman线性化模型的预测能力.最后,以数据辨识得到的线性化模型为基础,提出了基于Koopman算子的最优线性二次型调节器(LQR)用于挠性航天器的姿态控制与振动抑制.通过仿真验证了所提出控制器的效果,并将所提出的控制器与经典非线性最优控制方法进行对比,证明了所提出算法的优势.

关键词：挠性航天器 SO(3) Koopman算子数据驱动 SINDY LQR