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基于FBG传感的仿生机器手触滑热觉多信息协同感知研究

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基于FBG传感的仿生机器手触滑热觉多信息协同感知研究

作者：秦鸿宇重庆交通大学

学位级别：硕士

由于不同应用领域中机器人的工作环境存在较高的复杂性和不确定性,因此对仿生机器人智能柔性抓取提出了更高的要求,使得仿生智能机器人的控制需要更加智能化、多元化。多信息协同感知传感器是仿生机器手对外部环境监测的重要组成部件,... 详细信息

由于不同应用领域中机器人的工作环境存在较高的复杂性和不确定性,因此对仿生机器人智能柔性抓取提出了更高的要求,使得仿生智能机器人的控制需要更加智能化、多元化。多信息协同感知传感器是仿生机器手对外部环境监测的重要组成部件,能够对仿生机器手精细化操作过程中接触力、温度和位移等特征信号进行实时监测与信息反馈,实现仿生机器手运动机构中力与速度的动态调节,提升仿生机器手在复杂环境下的精准控制与高精度操作能力。针对仿生机器手工作过程中触觉、滑动觉、热觉以及多信息协同感知的精准测量和重复性测量等问题,本文以光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)为传感元件,开展以“机理研究-仿真分析-实体实验-数据处理”为研究主线的仿生机器手触滑热觉多信息协同感知研究。首先,在FBG传感理论基础上研究了触滑热觉感知机理;然后,设计了传感器结构,分析了传感器感知性能,研制了传感器样机;进一步结合仿生机器手,开展了触滑热觉感知实验;最后,基于信号特征提取分析方法,实现了触滑热觉协同感知特征信号监测,具体研究内容如下:(1)开展了触觉、滑动觉、热觉以及多信息协同感知机理研究。首先分析了FBG应变与温度传感原理,揭示了轴向应变与温度变化对FBG中心波长漂移量的影响关系;基于FBG基本传感理论,探究了柔性封装下的力触觉感知机理、滑动感知机理、热觉感知机理和多信息融合感知机理,揭示了FBG中心波长漂移量与被测参量之间的映射关系。(2)开展了传感器结构设计、仿真分析和样机研制。以触滑热觉多信息协同感知机理为基础,设计了一种特征分离式多信息感知单元,采用有限元分析方法,优化了两根FBG的封装位置,基于仿生机器手的接触特性,利用静力学仿真分析触觉感知特性,分析结果表明,该传感器的力触觉感知灵敏度为21.2031nm/MPa和1.4833nm/MPa;热力学仿真分析热觉感知特性,热觉感知灵敏度为13.395pm/℃和13.042pm/℃;最后结合仿生机器手指尺寸参数和仿真优化,采用浇灌式封装方法,利用柔性硅胶材料制作了传感器样机。(3)开展了触滑热觉多信息协同感知实验研究。搭建了触觉感知实验平台,开展了静态压力感知实验和机器手接触力感知实验,结果表明,传感器正向压力灵敏度分别为18.069nm/MPa和1.065nm/MPa,接触力灵敏度分别为15.499nm/MPa和1.341nm/MPa;搭建了滑动感知实验平台,开展了剪切力实验研究和滑动实验研究,结果表明,剪切力感知灵敏度为41.4pm/N和8.5pm/N,滑动状态下的波长漂移信号特征明显;搭建了温度感知实验平台,开展了静态温度感知实验和接触温度感知实验,结果表明,传感器温度灵敏度为11.808pm/℃和11.228pm/℃,接触温度灵敏度为11.087pm/℃和9.142pm/℃;搭建了热-触觉实验平台和触-滑觉实验平台,对热-触觉实验数据进行了结构解耦研究,并分析了触-滑觉感知实验中3N～6N接触力条件下低速滑动特征信号。(4)开展了热-触觉和触-滑觉信号特征识别和解耦方法研究。通过线性特征辨识方法,对单参量作用下的触觉信号和热觉信号进行了特征辨识和被测参量数值分析;通过BP神经网络方法,对触觉、热觉和热-触觉信号进行信号特征分类研究,神经网络算法特征辨识准确率为99.97%;针对热-触觉融合信号结构解耦方法误差较大的问题,利用WOA算法优化BP神经网络,构建WOA-BP神经网络算法进行触觉和热觉算法解耦,相比于结构解耦方法和传统BP神经网络算法,解耦误差分别下降了72.53%和68.55%。针对触-滑动信号,利用时域特征分析,分析了3N～6N的标准差,初步实现了滑动信号监测,基于连续小波变换和离散小波变换,分离了滑动特征信号,实现了不同抓握状态下滑动波动信号的快速检测。

关键词：光纤布拉格光栅多信息协同感知仿生机器手传感器设计感知信号特征辨识与解耦

LCC-S型MC-WPT系统的电能与信号同步传输技术研究

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LCC-S型MC-WPT系统的电能与信号同步传输技术研究

作者：季鸿宇重庆理工大学

学位级别：硕士

磁耦合无线电能传输(Magnetic Coupling Wireless Power Transfer,MC-WPT)技术具有设计简单、抗干扰能力强、电能传输高效、过程安全、应用场景广泛的特点,在电动汽车无线充电、植入式医疗设备、航空航天、移动通信等领域具有良好的应... 详细信息

磁耦合无线电能传输(Magnetic Coupling Wireless Power Transfer,MC-WPT)技术具有设计简单、抗干扰能力强、电能传输高效、过程安全、应用场景广泛的特点,在电动汽车无线充电、植入式医疗设备、航空航天、移动通信等领域具有良好的应用前景和研究价值。本文首先以S-S补偿拓扑为例分析了其电路特点并根据LCC-S型拓扑具有一次侧恒流输出,系统恒压输出的特点,明确了本文的研究对象为LCC-S型MC-WPT系统;针对信号在传输过程中存在与能量相互干扰导致信号传输速率低、电能质量受影响等问题展开研究,本文研究内容如下。(1)磁耦合无线电能传输系统补偿拓扑研究。首先以S-S补偿拓扑为例分析了其电路特点和传输特性,并介绍了目前应用较多的低阶补偿拓扑和高阶补偿拓扑。基于S-S补偿拓扑配置了LCC-S型补偿网络,对LCC-S型补偿拓扑构建了数学模型。通过对系统传输效率、输出功率及输出电压增益等多个方面的分析,得出LCC-S拓扑具有原边恒流输出和系统恒压输出的特性。(2)基于FSK频率调制的正向信号传输系统研究。首先,对LCC-S型补偿拓扑分析时发现系统存在多个谐振工作频点,通过仿真分析得出结论:系统不工作在谐振频点时会进入失谐模式,但在失谐模式中存在与谐振工作模式输出特性相同的频点。最后,根据这一特点提出一种基于FSK信号调制技术的新型选频策略,并进行参数规划和解调电路设计,实现了电能与信号的正向同步传输。(3)基于载波调制的反向信号传输系统研究。由于FSK调制方法只能实现信号的正向传输,本文采用了载波ASK调制方式来实现反向信号传输。引入信号载波后电能的传输会对信号产生干扰,因此,对载波调制式电能与信号同步传输技术中影响信号传输的关键因素进行了分析。随后针对基于LCC-S型补偿拓扑的信号传输电路进行系统电能传输和信号传输的分析。最后,利用MATLAB/Simulink仿真平台建立LCC-S型MC-WPT系统反向信号传输电路,对反向能量与信号传输系统进行了仿真,确定最佳的电路参数,并验证了该方案的可行性。(4)MC-WPT能量和信号同步传输及电能优化电路设计研究。对系统能量与信号传输同步传输的电能传输效率、电能质量和可靠性等方面做了全面的仿真验证和分析。分析得出正向电能传输时出现输出电压质量受损,电能幅值发生变化的结论。为了提高电能传输质量,在副边整流桥后加入四开关BUCK-BOOST电路,并搭建仿真模型。仿真结果显示,成功将幅值变化的电压转为稳定输出的电压,而负载电流不受频率切换的影响,能够实现恒压输出,验证了前文选择恒流频率点作为正向传输FSK调制策略的正确性和有效性。

关键词：磁耦合无线电能传输电能与信号同步传输电能频率调制频率切换 LCC-S补偿网络

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基于直线二级倒立摆的控制算法研究

基于直线二级倒立摆的控制算法研究

作者：纪鸿宇安徽理工大学

学位级别：硕士

基于SVM的我国北部沿岸海上风速估算方法研究

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气象 2024年第2期50卷 221-233页

作者：渠鸿宇胡海川黄彬国家气象中心北京100081

沿岸海上观测站点稀少,而沿岸陆地观测站点相对密集,开展海陆分布导致的海陆风速差异特征研究,实现由陆地观测风速估算海上风速,有助于提高海上大风预报服务能力。利用我国北方地区两组浮标及其邻近陆地观测站点的2016—2020年逐小时平... 详细信息

沿岸海上观测站点稀少,而沿岸陆地观测站点相对密集,开展海陆分布导致的海陆风速差异特征研究,实现由陆地观测风速估算海上风速,有助于提高海上大风预报服务能力。利用我国北方地区两组浮标及其邻近陆地观测站点的2016—2020年逐小时平均风速和阵风风速数据,统计分析海陆风速差异特征及规律,采用支持向量机方法,构建了基于陆地平均风速、陆地阵风风速、海陆站点距离、月份及观测时次的海上风速估算模型。利用另外两组海陆观测站2021年观测数据对估算模型进行检验,结果表明:对于6级及以上的平均风速和7级及以上的阵风风速,模型具有较高的估算准确率,模型估算的两个检验组的海上站点平均风速(阵风风速)RMSE分别为2.40 m·s^(-1)(3.20 m·s^(-1))和2.35 m·s^(-1)(2.57 m·s^(-1)),较ERA5分别减少了24%(14%)和23%(20%)。在一次温带气旋和冷空气共同影响的大风过程中,模型估算的两个检验组的海上平均风速(阵风风速)平均绝对误差分别为1.6 m·s^(-1)(2.3 m·s^(-1))和1.1 m·s^(-1)(1.5 m·s^(-1)),在极值时刻的平均风速(阵风风速)误差分别为-1.3 m·s^(-1)(-0.6 m·s^(-1))和-1.2 m·s^(-1)(-3.1 m·s^(-1)),均优于ERA5计算结果。基于支持向量机的海上风速估算模型能够利用陆地观测风速估算出较为准确的海上大风,可降低海上观测资料不足的影响,具有一定的应用前景。

关键词：海陆风速差异海上平均风海上阵风支持向量机

基于分布式光纤传感与目标检测的管道安全监测方法的研究

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基于分布式光纤传感与目标检测的管道安全监测方法的研究

作者：张鸿宇齐鲁工业大学

学位级别：硕士

油气管道在我国经济发展和社会生活中占据重要地位,我国90%以上的天然气和70%的原油都依赖管道运输。管道发生泄漏会造成环境污染,经济损失,严重威胁社会生命安全。然而传统的管道安全检测技术无法满足行业的需求,存在着误报多、漏报多... 详细信息

油气管道在我国经济发展和社会生活中占据重要地位,我国90%以上的天然气和70%的原油都依赖管道运输。管道发生泄漏会造成环境污染,经济损失,严重威胁社会生命安全。然而传统的管道安全检测技术无法满足行业的需求,存在着误报多、漏报多、实时性差的缺陷。分布式光纤传感技术是一种新型传感技术,具有本质安全,防雷防爆,抗电磁干扰,适应各种环境,不易损坏、寿命长等众多优势。通过在管道沿线部署光缆实时感知沿线振动信号,并且利用目标检测技术对管道安全事件信号进行定位和识别,从而可实现对油气管道长距离、无盲点、低成本的实时监测。但是现有的目标检测技术在对长距离管道安全的事件检测中,存在着定位和分类准确度低的问题,这也导致管道安全监测系统的误报率和漏报率偏高,可能会造成难以挽回的损失。因此本文通过对现有YOLOv7模型改进,提出了一种能准确定位和识别管道安全事件、并能够满足实时性要求的目标检测算法。具体研究内容如下:(1)概述了本课题的研究背景与意义,通过对光纤传感管道安全监测领域进行调研,总结了基于分布式光纤传感的管道安全监测信号识别研究现状,对不同人工智能算法识别事件信号的优劣势做了详细阐述。并探讨了光的散射原理,对基于相位敏感光时域反射技术的分布式光纤振动传感系统的原理、构造、性能指标和目标检测技术做了详细介绍。(2)搭建了基于分布式光纤传感的管道安全监测模拟系统,采集了电钻钻孔、锯磨管道、敲击管道、人员行走、挖掘和管道泄漏六类典型管道安全事件的时空信号数据,并对这些数据进行了信号去噪、差分平均、数据切分、数据增强等预处理操作,建立了管道安全事件时空信号数据库。(3)针对当前目标检测算法对分布式光纤振动传感系统采集到的长距离时空信号数据定位识别精度低的问题,提出一种YOLOv7-SPD-CBAM-DyHead目标检测模型。在原有YOLOv7模型的基础上,通过使用SPD-Conv(Space to Depth Conv)替代部分跨步卷积和池化操作,最大保留所有的特征信息,减少特征丢失,提升对小目标的检测效果。引入CBAM空间注意力机制,使模型有效地识别和细化特征,提高对分布式光纤振动传感二维时空信号的识别精度,同时引入了具备尺度感知、空间感知以及任务感知能力的目标检测头Dynamic Head增强网络对关键特征的利用,提高对二维时空数据中管道安全事件目标的检测精度。并设计了实验对模型的效果进行了评估。实验结果表明YOLOv7-SPD-CBAM-DyHead目标检测模型对于管道安全监测场景下的电钻钻孔、锯磨管道、敲击管道、人员行走、挖掘、管道泄漏事件的检测平均精度均值(mAP@0.5)分别可以达到99.3%,99.8%,99.8%,99.7%,99.9%,99.7%,检测六类事件的平均精度均值可以达到99.7%,与YOLOv5、YOLOv7等目标检测模型相比展示出了最优的性能。(4)在山东省石油天然气股份有限公司位于淄博市的天然气管道现场进行现场试验测试,来验证算法的可靠性。并在现场对人员挖掘、机械挖掘、人员行走、管道泄漏四种事件类型进行了100组现场测试,测试结果表明系统对于四类事件的检测成功率可达到97%,也证明提出的算法能够有效地定位和识别事件,实现长距离的管道安全监测。

关键词：分布式光纤传感目标检测管道安全

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2023年10月大气环流和天气分析

气象 2024年第1期50卷 126-132页

作者：宋佳凝董林渠鸿宇国家气象中心北京100081

2023年10月大气环流主要特征是北半球极涡呈多极型分布,欧亚中高纬地区主要由高压脊控制,西太平洋副热带高压位置偏北偏强,呈现带状分布的特征,亚洲东部有热带低值系统活动。10月,全国平均气温为12.0℃,较常年同期(10.6℃)偏高1.4℃,全... 详细信息

2023年10月大气环流主要特征是北半球极涡呈多极型分布,欧亚中高纬地区主要由高压脊控制,西太平洋副热带高压位置偏北偏强,呈现带状分布的特征,亚洲东部有热带低值系统活动。10月,全国平均气温为12.0℃,较常年同期(10.6℃)偏高1.4℃,全国平均降水量为35.4 mm,与常年同期(35.6 mm)持平。月内,华西秋雨偏多,持续时间偏长,给部分地区带来暴雨洪涝;台风生成个数偏少,登陆个数偏多,影响较重,其中“小犬”引发华南强降水,“三巴”3次登陆我国,造成华南地区受灾;有2次冷空气过程影响我国;发生1次雾-霾天气过程。

关键词：大气环流副热带高压台风气温偏高华西秋雨

超临界RP-3在Kagome点阵填充冷却通道内流动传热特性

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固体火箭技术 2024年

作者：万鸿宇胡建新徐熠熠湖南宏大日晟航天动力技术有限公司湘潭大学机械工程与力学学院

针对新一代超燃冲压发动机的换热需求，以超临界RP-3航空煤油为冷却剂，选用Kagome型点阵填充的冷却通道，通过数值模拟研究Kagome设置数量、流速及压强对流体流动、传热及压降特性的影响。结果表明，与光滑通道相比，给定工况下，增加K... 详细信息

针对新一代超燃冲压发动机的换热需求，以超临界RP-3航空煤油为冷却剂，选用Kagome型点阵填充的冷却通道，通过数值模拟研究Kagome设置数量、流速及压强对流体流动、传热及压降特性的影响。结果表明，与光滑通道相比，给定工况下，增加Kagome数量可降低下壁面温度最多至40%，努塞尔数最高可达光滑通道的4.243倍；增大流速，Kagome通道的传热系数随之提高，同时也会产生传热恶化现象。在流动特性方面，流体冲击Kagome点阵产生旋涡及尾迹可以强化换热；肋柱导致通道截面积收缩使得流速上升，也有利于换热；提高流速、增加Kagome数量会导致压强损失变大。

关键词：超燃冲压发动机主动冷却 Kagome点阵对流传热流动特性压强损失

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一种提高跨语言理解的NLP迁移学习

西南大学学报（自然科学版） 2024年第4期46卷 153-163页

作者：王坤盛鸿宇四川信息职业技术学院四川广元628017 北京联合大学机器人学院北京100101

随着互联网信息的发展,如何有效地表示不同语言所含的信息已成为自然语言处理(Natural Language Processing,NLP)领域的一项重要任务.然而,很多传统的机器学习模型依赖在高资源语言中进行训练,无法迁移到低资源语言中使用.为了解决这一... 详细信息

随着互联网信息的发展,如何有效地表示不同语言所含的信息已成为自然语言处理(Natural Language Processing,NLP)领域的一项重要任务.然而,很多传统的机器学习模型依赖在高资源语言中进行训练,无法迁移到低资源语言中使用.为了解决这一问题,结合迁移学习和深度学习模型,提出一种多语言双向编码器表征量(Multi-lingual Bidirectional Encoder Representations from Transformers,M-BERT)的迁移学习方法.该方法利用M-BERT作为特征提取器,在源语言领域和目标语言领域之间进行特征转换,减小不同语言领域之间的差异,从而提高目标任务在不同领域之间的泛化能力.首先,在构建BERT模型的基础上,通过数据收集处理、训练设置、参数估计和模型训练等预训练操作完成M-BERT模型的构建,并在目标任务上进行微调.然后,利用迁移学习实现M-BERT模型在跨语言文本分析方面的应用.最后,在从英语到法语和德语的跨语言迁移实验中,证明了本文模型具有较高的性能质量和较小的计算量,并在联合训练方案中达到了96.2%的准确率.研究结果表明,该文模型实现了跨语言数据迁移,且验证了其在跨语言NLP领域的有效性和创新性.

关键词：自然语言处理多语言双向编码器表征量迁移学习跨语言深度学习

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基于胶囊网络的高光谱图像分类方法研究

基于胶囊网络的高光谱图像分类方法研究

作者：唐鸿宇长春理工大学

学位级别：硕士