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苗床巡检补苗机器人底盘设计及导航技术研究

苗床巡检补苗机器人底盘设计及导航技术研究

作者：于健麟浙江理工大学

学位级别：硕士

近年来,温室育苗技术广泛应用于蔬菜、花卉等产业,补苗移栽作为其中的重要环节之一,多为固定作业模式,通过人工或物流系统将穴盘运送至补苗装备。为减轻工人在搬运过程中的劳动强度,针对设施温室中苗床跨度大、苗床间距狭窄和环境复杂... 详细信息

近年来,温室育苗技术广泛应用于蔬菜、花卉等产业,补苗移栽作为其中的重要环节之一,多为固定作业模式,通过人工或物流系统将穴盘运送至补苗装备。为减轻工人在搬运过程中的劳动强度,针对设施温室中苗床跨度大、苗床间距狭窄和环境复杂等问题,本文设计了一种横跨苗床行走的移动底盘,并对其巡检导航系统进行研究,为后期实现育苗温室中巡检补苗移栽作业奠定基础,具体研究内容如下:（1）根据育苗温室环境结构和巡检补苗作业的需求,结合现有轮式驱动方式和农用底盘结构,设计了一种四轮独立驱动转向的高地隙龙门式移动底盘,并完成了主要部件的选型和底盘的整体装配。（2）针对补苗机器人横跨苗床巡检导航需求,基于机器视觉技术的反应式导航方法,针对不同光照强度对图像处理的影响,设计了一种基于改进Canny-Otsu的苗床轮廓检测算法,然后使用投影法确定自动ROI区域对图像进行分割,分别采用最小二乘法和霍夫变换对直行导航线和横移导航线进行拟合,并进一步提取导航特征参数,经坐标变换后结合底盘巡检状态生成导航参数用于底盘的自主运动控制。（3）基于底盘结构和控制需求,对底盘的控制系统进行了总体设计,通过对底盘运动学进行分析,得出了四轮独立驱动转向底盘的控制方法,然后基于底盘结构和苗床尺寸,计算出横跨苗床行走时最大的位置偏差和航向偏差,设计了一种二输入单输出的模糊控制器用于巡检行走的路径跟踪,最后对主控板模块、遥控模块、驱动模块和底盘线路等控制系统软硬件进行设计和实现。（4）为验证导航系统可行性和底盘实际的跟踪行走精度,在三种光照条件和不同速度等级下分别进行静态参数试验和行走试验,静态试验表明,该参数获取算法的平均准确率在91%以上,平均耗时205ms,具有良好的鲁棒性和实时性;行走试验中,在不同最大初始偏差下,所有速度均可有效跟踪路径,且平稳后的位置偏差和航向偏差平均值分别为28.3mm和4°,其中0.2m/s速度下跟踪效果最好,位置偏差和航向偏差平均值为26.2mm和2.2°。

关键词：农用底盘独立驱动转向视觉导航模糊控制育苗温室

基于区块链的群机器人多目标决策安全控制架构及算法

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基于区块链的群机器人多目标决策安全控制架构及算法

作者：杨涵麟电子科技大学

学位级别：硕士

群体机器人区别于单体机器人,是指利用多个机器人,结合自治网络、去中心化控制的方式来进行管理和控制的一类机器人。有关于其控制算法、通信链路、任务管理等方面的研究起源于上世纪对于群体生物的观察和学习。已经证明,该技术在未来... 详细信息

群体机器人区别于单体机器人,是指利用多个机器人,结合自治网络、去中心化控制的方式来进行管理和控制的一类机器人。有关于其控制算法、通信链路、任务管理等方面的研究起源于上世纪对于群体生物的观察和学习。已经证明,该技术在未来拥有广阔的应用前景,尤其是在很多单体机器人无法完美胜任的领域。现有的群体机器人算法研究,集中在群体形态的控制和维持、数据探索和网络组建等方面。对于群体机器人的数据安全等问题没有做过多的研究。区块链作为一种新型的数据存储技术,在抗DDoS攻击、数据保密性、完整性方面,已被证实具有很高的实用价值。其突出特点——去中心化,与群体机器人不谋而合,但是关于两者结合方面的研究还很少。本文瞄准群体机器人在探索即服务的领域,研究了两大问题。分别是探索服务外包过程中的恶意攻击者以及探索执行层面的数据安全问题。据此,笔者基于区块链技术,对上述问题提出了一整套的解决方案。具体的内容包括针对服务外包过程的安全问题提出的服务层架构设计以及针对执行层安全问题的执行层架构设计。在这两部分设计当中,除了描述架构的本身,还对安全流程的算法、共识算法等进行了较为深入、详细的描述,并在最后针对这两层架构进行了安全性分析。从分析的结果来看,笔者的设计能够较好的抵御一般性的攻击。在执行层架构当中,笔者认为,该层的架构需要的是一种可插拔、替换的、针对具体任务的构架,而不能够设计成为一种通用的执行架构,因此选取了多目标决策任务作为架构设计的背景。区块链技术应用在群体机器人的关键在于,需要支持群体机器人的移动性、网络的分组性以及数据的高效性。因此,除了上述的架构及算法设计,笔者还根据这些问题,在文章的最后设计了两个实验,分别探究共识算法成组过程中的效率问题以及新型的分割容忍共识算法的实用性问题。

关键词：群机器人安全控制共识算法区块链

STEAM理念下艺术融入的中学化学活动研究

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STEAM理念下艺术融入的中学化学活动研究

作者：陈梦麟南京师范大学

学位级别：硕士

在提倡学科交叉融合的背景下,艺术正以积极的姿态融入其他学科教育中。分析STEAM教育中艺术融入的现状发现,研究者普遍认可艺术的诸多价值,但真正渗透艺术鉴赏和艺术创作等过程,并与其他学科聚合在一起解决复杂问题的案例十分有限,导致... 详细信息

在提倡学科交叉融合的背景下,艺术正以积极的姿态融入其他学科教育中。分析STEAM教育中艺术融入的现状发现,研究者普遍认可艺术的诸多价值,但真正渗透艺术鉴赏和艺术创作等过程,并与其他学科聚合在一起解决复杂问题的案例十分有限,导致艺术在培养学生想象力、创造力、审美力等方面的积极作用体现较少,学生对于艺术和科学、技术等其他学科的理解仍处于割裂状态。为此,本论文立足于已有研究,探索艺术融入STEAM活动的途径,并以化学实验为载体开发中学化学活动,旨在为艺术融入的STEAM教育提供活动路径,为跨学科美育融入中学化学教学提供经验参考。论文以体验学习理论和多元智能理论为研究基础,首先分析STEAM教育中艺术融入现状,总结并反思需要解决的问题。然后提出了STEAM理念下艺术融入的活动设计原则,即具身性、情境性、生成性,构建了STEAM理念下艺术融入的活动设计路径,分为活动主题分析、活动目标分析、活动步骤设计、活动效果评价四个部分,为开发活动提供框架。其中,活动步骤包括展示-赏析、探究-提问、猜想-解释、创新-设计、评价-改进五个环节,分别对应欣赏美、探究美、分析美、创造美、鉴赏美五个审美层次。依据活动设计原则和路径开发了“表面张力的艺术——油层上绽放的彩色液滴”“电解反应的艺术——木板上生长的金属枝晶”“光化反应的艺术——阳光下呈现的蓝色影像”三个中学化学活动。以化学实验为主体,重点突出艺术与化学学科的联系,用艺术形式表达化学中的美,将科学探究与艺术创作相结合,同时涉及数学方法、摄影技术、装置搭建等跨学科知识,将STEAM教育各元素自然地融入活动中。在设计每个活动之前进行了实验本体研究,以深入了解实验原理、操作及时长等,在此基础上确定合适的活动内容。在高一年级化学校本课上实施活动,从学生的活动表现、作品和访谈结果来看,论文开发的三个STEAM活动可以促进学生学习方式的改变,提高学生学习化学的兴趣,同时有助于促进学生审美能力的提升,加深学生对科学与艺术关系的理解。学生不仅用理性思维去探索规律,也积极调动感性思维去想象创作,在真实而深刻的经历中感知美、鉴赏美、创造美。他们体会到化学实验的趣味与美点,从而更热爱化学学科,更加主动地进行科学探究。

关键词： STEAM教育科学探究艺术创作化学实验

脉冲与时延交互效应下时滞系统指数稳定性与输入输出稳定性分析

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脉冲与时延交互效应下时滞系统指数稳定性与输入输出稳定性分析

作者：陈嘉麟广西大学

学位级别：硕士

在过去的几十年里,由于混杂系统复杂的动力学特性以及广泛的应用背景,混杂系统的稳定性分析研究得到了众多学者们的关注.脉冲系统作为混杂系统中常见的一类系统,其连续行为被瞬间状态跳跃打断的特性可以为生活中很多物理系统的数学建模... 详细信息

在过去的几十年里,由于混杂系统复杂的动力学特性以及广泛的应用背景,混杂系统的稳定性分析研究得到了众多学者们的关注.脉冲系统作为混杂系统中常见的一类系统,其连续行为被瞬间状态跳跃打断的特性可以为生活中很多物理系统的数学建模提供一个自然的框架,被广泛应用于生物学、密码学和工业机器人控制等不同领域.同时,时滞经常出现在系统状态甚至状态的导数上,在现实中,时滞体现为网络诱导延迟、电流传输延迟等方面.因此,研究脉冲时滞系统的时滞相关稳定性问题具有较大的理论意义和应用价值.本文针对具有脉冲效应的时滞系统及中立型时滞系统,对线性和非线性系统两类情况,分别构造新的充分利用系统特性的Lyapunov函数/泛函,建立保守性较低的指数稳定性以及混杂L2×l2-增益等判据.主要工作如下:（1）研究了一类线性脉冲时滞系统的时滞相关稳定性问题.基于时滞剖分框架,构造了一个新型脉冲计时器依赖的Lyapunov泛函,该泛函的构造既依赖于脉冲间隔的划分,同时也依赖于脉冲动力学.通过这个新构造的Lyapunov泛函,结合环路函数法、Young不等式以及改进的Jensen不等式,同时研究了线性脉冲时滞系统的指数稳定性和混杂L2×l2-增益性能分析问题.为了降低脉冲与时滞相互作用对系统稳定性分析带来的影响,该Lyapunov泛函的构造保证了所有时滞子区间内最多发生一次脉冲.最后通过新的基于积分不等式的方法,利用线性矩阵不等式建立了指数稳定性和混杂L2×l2-增益的时滞相关判据.（2）研究了一类具有脉冲效应的线性中立型时滞系统的脉冲驻留时间相关稳定性问题.在奇异系统表达法的框架下,引入一个分段脉冲计时器依赖的Lyapunov泛函来分析状态时滞和脉冲驻留时间对系统稳定性的影响.与以往的研究成果相比,该Lyapunov泛函在稳定性分析中不再需要在脉冲区间内正定的条件,降低了保守性.同时,通过Newton-Leibniz公式处理增维状态变量之间的关系,再利用线性矩阵不等式得到了指数稳定性和混杂L2×l2-增益判据.最后,通过两个数值例子证明了该理论结果的有效性.（3）研究了一类具有延迟脉冲和外部干扰的非线性时滞系统的Lp-稳定性问题.通过状态增维方法,将延迟脉冲系统建模为具有切换脉冲的无延迟脉冲系统,以此来规避延迟脉冲造成的技术难点.基于增维系统的切换结构,构造了一个新的时间依赖Lyapunov函数,结合Lyapunov-Razumikin方法,得到了系统指数稳定性和Lp-稳定性的充分性条件.该结果描述了脉冲时滞大小、脉冲间隔与Lp-增益性能之间的关系.（4）研究了一类具有延迟脉冲和外部干扰的非线性中立型时滞系统的L2-稳定性问题.同样的,利用上一章的增维建模方法处理脉冲延迟的存在.构造一个新的时间依赖Lyapunov函数,同时处理状态和状态导数上的时滞.在稳定性分析中,在相关引理的基础上,将状态导数延迟项相关Lyapunov函数转化为状态项Lyapunov函数.

关键词：混杂系统 Lyapunov函数/泛函延迟脉冲时滞剖分 Lyapunov-Razumikin方法线性矩阵不等式

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一种气动机械臂的设计与控制策略研究

一种气动机械臂的设计与控制策略研究

作者：陈翰麟哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

机械臂进入与人类共存的环境中工作是未来的发展趋势,对于在人机环境中工作的机械臂,安全性是最为关键的问题。由于气体的压缩性,气驱动器天然具有被动柔顺性,由气驱动器驱动的气动机械臂相对于传统电机驱动的机械臂具有较高功率-质量... 详细信息

机械臂进入与人类共存的环境中工作是未来的发展趋势,对于在人机环境中工作的机械臂,安全性是最为关键的问题。由于气体的压缩性,气驱动器天然具有被动柔顺性,由气驱动器驱动的气动机械臂相对于传统电机驱动的机械臂具有较高功率-质量比、良好的反驱动性和柔顺性等特点,具有本质安全的特性,因而有潜力应用于对于机械臂安全性要求较高而对机械臂的快速性、准确性要求较低的场合中。因此,本文设计了一种碰撞安全的气动机械臂。首先,在综合对比各类气驱动器性能参数的基础上,按照轻型化、小型化、模块化的设计思想,选用小型滚动薄膜气缸作为气驱动器,设计了由一组相互拮抗的滚动薄膜气缸驱动的轻型气动机械臂旋转关节模块,计算了关节模块的性能参数,并据此设计了具有四自由度的气动机械臂。其次,对气动机械臂关节位置伺服控制系统进行研究。针对机械臂关节气动系统的各个组成部分分别建立滚动薄膜气缸摩擦力及粘滞力模型、动力学模型、热力学模型,以及比例换向阀的质量流动模型,根据模型得到关节气动系统的状态空间表示。针对气动系统复杂、非线性的特点,利用反步法设计了基于滑模控制的机械臂关节位置伺服控制系统。而后,对机械臂进行运动学分析,设计了气动机械臂的柔顺控制系统。采用机械柔顺控制方法建立关节气驱动器压力与关节柔顺度的关系,结合关节位置伺服控制系统的滑模控制器,在对气动机械臂进行位置控制的同时,对气动机械臂进行柔顺控制。此外,为了增加机械臂整体安全性,对关节进行碰撞实验,分析碰撞过程中关节驱动器内压力变化,设计了一种利用关节驱动器压力差进行碰撞判断的碰撞安全控制,在检测到碰撞发生后迅速减小驱动器压力,使机械臂停止运动,降低关节刚性,以避免后续可能造成的伤害。最后,对气动机械臂控制系统进行设计,将控制系统的软件、硬件按照功能分为多个模块,各模块之间相对独立,协同工作。搭建了气动机械臂控制系统硬件平台,并利用Microsoft Visual Studio C#编写了基于Windows窗体应用的控制软件。基于样机平台分别进行了关节控制性能实验和机械臂控制性能的实验,通过位置转换实验、轨迹跟踪实验、碰撞检测实验测试了关节位置伺服控制系统的运动控制性能和安全性能,通过整机动作实验测试了气动机械臂的重复定位精度和整体安全性能。验证了气动机械臂设计与控制的有效性。

关键词：机械臂气动系统安全性气动控制

碲钼锌/碲钽锌玻璃形成、结构和近中红外发光特性的研究

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碲钼锌/碲钽锌玻璃形成、结构和近中红外发光特性的研究

作者：刘金麟华南理工大学

学位级别：硕士

传统的掺稀土石英光纤存在发光效率低、泵浦阈值高、调谐范围窄和难以实现中红外波段激光输出等本征问题,已无法满足大容量光通信、光纤传感、超快技术、生物医疗和激光雷达等领域应用的技术需求,制约着相关材料和元器件的发展,因此探... 详细信息

传统的掺稀土石英光纤存在发光效率低、泵浦阈值高、调谐范围窄和难以实现中红外波段激光输出等本征问题,已无法满足大容量光通信、光纤传感、超快技术、生物医疗和激光雷达等领域应用的技术需求,制约着相关材料和元器件的发展,因此探索新型光子玻璃成为了焦点问题。稀土掺杂碲酸盐玻璃由于其具有声子能量低(00 cm)、稀土掺杂量高(0 ions/cm)、红外透过范围宽(μm)、发光性能优异且带宽可调等优势,近年来被广泛应用于超宽带光纤放大器、中红外光纤激光器和非线性光学器件,而如何改善碲酸盐玻璃抗激光损伤阈值及热稳定性并实现高效率的红外发光成为了当前广泛研究的热点。基于以上研究背景,本论文旨在探索具有良好成玻能力、较高玻璃转变温度、优异热稳定性能的新型碲酸盐玻璃基质,以此为基础实现高效的近中红外发光,并对其激光性能进行预估。本论文共分为四章:第一章综述了碲酸盐玻璃基质的研究背景、碲酸盐玻璃的结构和特点、碲酸盐玻璃和光纤的研究进展以及存在的问题,重点介绍了碲酸盐玻璃结构与性能的关系以及改善其性能的方法,最后引出本论文的研究目的和研究内容。第二章研究了基于热力学原理计算预测新型三元碲酸盐玻璃形成区。针对碲酸盐玻璃形成区资料匮乏、新体系发展受阻的问题,本章采用热力学原理对TeO-NbO-XO(X=Na,Zn,Bi)和TeO-ZnO-YO(Y=Li,Na,Rb,Mg,Pb,Bi)三元体系的最佳玻璃形成区进行了预测。首先通过对比TeO-NbO-XO三元体系中的二元子体系,计算了理论液相线,并与实际液相线进行了对比,详细分析了计算与实际数据之间的误差。此外,所预测的TeO-NbO-XO三元体系最佳玻璃形成区与文献中的实际区域吻合程度较高,表明基于热力学原理预测玻璃形成区的方法对碲酸盐玻璃体系具有可行性。随后,基于TeO-ZnO体系优异的成玻性能和物化性能,预测了TeO-ZnO-YO三元体系的最佳玻璃形成区,并探讨了不同第二组分对预测玻璃形成区范围的影响。这些研究结果为以TeO-ZnO体系作为基础组分探索性能更为优异的碲酸盐玻璃新体系和提升碲酸盐玻璃的热学性能、光学性能以及制备高增益低损耗的有源近中红外光纤奠定了基础。第三章探索了新型碲钼锌玻璃体系及其玻璃形成、结构和近中红外发光特性,采用热力学原理计算预测了TeO-MoO-ZnO体系最佳玻璃形成区并加以实验验证,随后通过拉曼、示差扫描量热仪(DSC)、吸收和发射光谱以及荧光衰减曲线测试对其玻璃结构、热学和发光特性进行了详细的表征和分析。结果表明,MoO的加入可以显著的提升碲酸盐玻璃的成玻性能、热稳定性和光学性能。在此基础上,分别以Nd、Tm、Er离子掺杂为例,研究了碲钼锌玻璃的近中红外发光性能。对于Nd:F→I跃迁,TeO-MoO-ZnO玻璃展现出高发射截面(3.12×10 cm)和光谱品质因子(6.01×10 s·cm)等优异的光谱参数,预示着碲钼锌玻璃在高功率1.06μm激光器的应用前景。进一步的,本章对Tm和Er在碲钼锌玻璃中的发光特性的研究结果也表明TeO-MoO-ZnO玻璃是一种优异的红外激光基质材料。第四章研究了碲钽锌玻璃形成区、物理性能和2.7μm的高效发光。针对石英玻璃中Er发光效率低和碲酸盐玻璃抗激光损伤阈值低的问题,本章详细探索了Er掺杂TeO-TaO-ZnO玻璃在中红外激光器领域的应用前景。首先预测并制备了TeO-TaO-ZnO三元体系的玻璃形成区,采用晶体合成并测试其熔化热的方法有效地提升了玻璃形成区预测的准确性。碲钽锌玻璃的基本物理性能和光学性能通过Raman、DSC、荧光发射光谱和寿命衰减曲线等测试手段得到了详细的表征和分析。此外,在980 nm LD的激发下,获得了强的2.7μm荧光发射。结果表明,Er掺杂碲钽锌玻璃具有热稳定性优异(△T=264℃)、声子能量低(70 cm)、发射截面大(0.82×10 cm)和光谱品质因子高(3.22×10 cm·s)等优异性能,是μm光纤激光器的优异候选材料。

关键词：碲酸盐玻璃热力学原理玻璃形成区玻璃结构近中红外发光

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输电线路直线塔和基础耦合体系风振响应分析

输电线路直线塔和基础耦合体系风振响应分析

作者：严梦麟重庆大学

学位级别：硕士

输电塔是一种工程量十分巨大且比较重要的高耸轻柔结构建筑体系,而随着我国国民经济的迅速发展和科技水平的日益提升,现如今设计并建造的输电塔高度和档距都逐渐变大,所以就导致风对输电塔产生的荷载越来越大,强风所引起的输电塔受损甚... 详细信息

输电塔是一种工程量十分巨大且比较重要的高耸轻柔结构建筑体系,而随着我国国民经济的迅速发展和科技水平的日益提升,现如今设计并建造的输电塔高度和档距都逐渐变大,所以就导致风对输电塔产生的荷载越来越大,强风所引起的输电塔受损甚至倒塌的案例不断出现,造成了巨大的经济损失甚至人员伤亡。但是到目前为止,与地震作用下考虑土-结相互作用(SSI)对输电塔结构的影响相比,风荷载作用下考虑SSI效应对其结构影响方面的研究成果还相对较少。所以本文以一座塔脚间距15.5m,高82.2m的特高压直线输电塔为例,对风荷载作用下考虑土-结相互作用对上部结构的影响进行了研究。本文首先进行了风洞试验上部输电塔模型和下部基础及地基土的设计,确定了模型的缩尺比大小、材料的类型、杆件的截面形式、模型的制作方案、测点的布置位置、地基土的模拟方法及试验工况的数量等一系列重要试验参数,同时按照选定的缩尺比进行了输电塔、基础和地基土模拟材料的制作和组装,并将其放入风洞实验室中进行了风洞试验,得到了4个塔脚的轴力,塔顶横风向和顺风向位移以及塔身两个方向的加速度。随后,又运用ANSYS有限元分析软件建立了输电塔-基础-地基的完整数值模型,并通过不断修改地基土的弹性模量、阻尼比,等效风荷载的大小及作用点方位以获取不同工况下结构的加速度、位移和塔脚轴力响应。最后,将数值模拟与风洞试验获取的结果数据进行了对比和分析,总结得出了在不同风速和风向角的风荷载作用下,不同阻尼比和刚度的地基土对上部输电塔结构各种响应的影响规律。分析结果表明:考虑了SSI效应后,在地基土阻尼比较小的情况时,上部结构的响应将会增大;地基土阻尼比越大,上部结构加速度风振响应越小,而位移响应基本没有变化;地基土刚度越小,上部结构的加速度和位移响应越大。所以总体来说,考虑SSI效应后对输电塔结构设计是不利的。

关键词：有限元风洞试验输电塔土-结相互作用

中小学图书馆在校园阅读活动体系中的主体作用及未来路向

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中国图书馆学报 2022年第5期48卷 43-58页

作者：杨玉麟王铮赵冰西北大学公共管理学院公共信息资源管理系陕西科技大学图书馆

中小学校园阅读活动的内容与质量，关乎全民阅读的整体质量和基础教育改革的成效。受当前我国文化与教育两类政策的影响，在围绕校园阅读活动的供给与需求的变动调整中，中小学图书馆遇到了新的价值彰显契机和发展空间。中小学图书馆在... 详细信息

中小学校园阅读活动的内容与质量，关乎全民阅读的整体质量和基础教育改革的成效。受当前我国文化与教育两类政策的影响，在围绕校园阅读活动的供给与需求的变动调整中，中小学图书馆遇到了新的价值彰显契机和发展空间。中小学图书馆在校园阅读活动体系中处于何种定位、发挥何种功能、承担何种责任、与其他参与主体的关系如何，对这些问题的研究和解答能够为中小学图书馆适应外在教育环境变化、实现内在职业使命提供参考和帮助。根据中小学图书馆所发挥的职业价值和基础教育价值，可将中小学校园阅读活动的类型划分为以培养德智体美人才而开展的活动、以实现课程教学目标而开展的活动、以提升教师专业技能和学生综合素养为目标的活动、以帮助师生提升信息素养而开展的活动等四种。中小学图书馆在校园阅读活动中的主要功能定位是全校性阅读活动的支撑者和推动者、课程学习中阅读活动的嵌入者、面向师生综合能力提升的阅读行为的引导者、师生信息素养和数字素养教育的主导者和实施者、校园内外阅读活动的协调者和沟通者。中小学图书馆在参与和推动校园阅读活动的过程中，需要根据校园阅读活动的具体类型和目标，适配相对应的角色功能。图1。表1。参考文献41。

关键词：中小学中小学图书馆校园阅读阅读推广

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二十四节气

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