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通信受限条件下多无人机协同环境覆盖路径规划

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中国惯性技术学报 2024年第3期32卷 273-281页

作者：陈洋周锐武汉科技大学信息科学与工程学院武汉430081 武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心武汉430081

多无人机协同覆盖旨在有效分配多个无人机任务,实现给定区域的快速、高效全覆盖。然而,在现实应用场景中常常因为无人机之间距离超出通信范围,信号传输受阻,导致无人机之间的协作和信息交互面临极大挑战。为此,提出一种基于Deep Q Netwo... 详细信息

多无人机协同覆盖旨在有效分配多个无人机任务,实现给定区域的快速、高效全覆盖。然而,在现实应用场景中常常因为无人机之间距离超出通信范围,信号传输受阻,导致无人机之间的协作和信息交互面临极大挑战。为此,提出一种基于Deep Q Networks(DQN)的多无人机路径规划方法。采用通信中断率和最大通信中断时间两个指标来评价路径质量,通过构建与指标相关的奖励函数,实现了无人机团队的自主路径决策。仿真实验表明,所提方法在最短路径上可以与传统优化算法效果保持一致,权衡路径下在增加20%路径长度的情况下可以降低80%通信中断率,在全通信路径下则可以实现100%的全过程连接通信,因此可以根据不同的通信环境生成高效覆盖所有环境节点的路径。

关键词：环境覆盖多无人机通信约束深度Q网络路径规划

基于生成对抗网络的跨分辨率拓扑优化方法的比较研究

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振动与冲击 2024年第6期43卷 132-140页

作者：朱赫鹏丁喆张严李小白武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081 武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学精密制造研究院武汉430081

拓扑优化的迭代过程涉及大量有限元分析与灵敏度更新步骤,且随着划分网格数目的增加,其优化过程将耗费大量的计算成本。利用深度学习方法,通过建立低分辨率中间构型与高分辨率拓扑结构之间的映射关系,可实现结构的跨分辨率拓扑优化设计... 详细信息

拓扑优化的迭代过程涉及大量有限元分析与灵敏度更新步骤,且随着划分网格数目的增加,其优化过程将耗费大量的计算成本。利用深度学习方法,通过建立低分辨率中间构型与高分辨率拓扑结构之间的映射关系,可实现结构的跨分辨率拓扑优化设计,从而大幅提高其计算效率。该文基于两种不同的生成对抗网络,构建了可实现跨分辨率预测的拓扑优化方法,并将其扩展至三维结构的优化预测。首先,以柔顺度最小化为目标函数,利用各向同性材料惩罚法生成不同载荷条件、初始位移和体积分数下的优化结构数据集;然后,分别利用Pix2pix和Esrgan网络解决其跨分辨率预测问题,其中对于Pix2pix网络,使用了残差模块代替其生成器内部的卷积模块,以增强网络对低层信息的复用;最后,通过二维和三维算例验证了所提方法的有效性,并与现有基于CGAN(conditional generative adversarial network)网络的方法进行了比较研究。结果表明,综合考虑计算精度和计算效率,基于Esrgan网络的方法表现更优,最适合应用于跨分辨率拓扑优化设计。

关键词：拓扑优化柔顺度跨分辨率预测 Pix2pix Esrgan

基于灰狼优化算法的变截面点阵结构设计及性能优化

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力学学报 2024年第6期56卷 1702-1712页

作者：张树佰丁喆黄垲轩张严武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081

点阵结构因其比强度高、比刚度高,减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点,已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计.但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展,严重制约了材料分布优化的寻优空间,无法满足质量敏感领... 详细信息

点阵结构因其比强度高、比刚度高,减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点,已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计.但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展,严重制约了材料分布优化的寻优空间,无法满足质量敏感领域极致轻量化设计的迫切需求.而目前关于变截面点阵结构设计的研究大都基于实验的“试错式”经验调配模式,其相应的理论设计方法尚不完善.文章基于灰狼智能优化算法,提出了一种高效的变截面点阵结构设计方法.首先,基于水平集函数构建变截面点阵的显式几何描述模型,以实现变截面点阵几何形状的自由描述;其次,采用能量均匀化方法预测变截面点阵单胞的宏观等效力学属性,建立宏观点阵结构与变截面单胞构型间的内在联系;然后,以变截面点阵的几何描述参数为设计变量,材料用量为约束条件,最小化柔度为目标函数,构建变截面点阵优化数学模型,并采用灰狼优化算法实现上述模型的高效求解,得到性能优化的变截面点阵结构;最后,通过二维和三维数值算例和仿真分析共同验证了所提方法的正确性和有效性,并与相同条件下等截面点阵结构的承载能力进行了比较.结果表明:优化后变截面点阵结构的柔度相较于相同条件下的等截面点阵结构可降低30%以上,具有更优异的承载能力.研究结果丰富了变截面点阵结构设计理论,在高端装备极致轻量化设计领域具有重要应用前景.

关键词：点阵结构变截面显式拓扑描述灰狼优化算法柔度

基于改进人工蜂群算法的人机协作装配线平衡优化

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计算机集成制造系统 2024年第10期30卷 3525-3534页

作者：郑晨昱李梓响唐秋华张子凯张利平武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉科技大学精密制造研究院

随着员工成本的增加，协作机器人逐步应用于装配线以独立完成或者协助员工完成装配操作。针对人机协作装配线平衡问题，构建了混合整数规划模型以优化生产节拍，该模型可精确求解小规模案例，同时提出改进人工蜂群算法求解大规模问题。... 详细信息

随着员工成本的增加，协作机器人逐步应用于装配线以独立完成或者协助员工完成装配操作。针对人机协作装配线平衡问题，构建了混合整数规划模型以优化生产节拍，该模型可精确求解小规模案例，同时提出改进人工蜂群算法求解大规模问题。该算法采用操作排序向量和装配模式向量双层编码方式以及有效的解码获得可行的调度方案，并在改进的观察蜂阶段保留较优的种群，在改进的侦察蜂阶段提升新解的性能，在局部搜索阶段提高算法的局部搜索能力。最后，通过与已有算法对比，表明改进人工蜂群算法具有优越性，可以高效求解人机协作装配线平衡问题。

关键词：装配线平衡人机协作人工蜂群算法智能优化算法

基于人工表面等离激元的小型化电可调缺口带滤波器

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基于解析法CFD−DEM的烧结矿立式固定床气固接触特性

物理学报 2024年第3期73卷 48-54页

作者：孙淑鹏程用志罗辉陈浮杨玲玲李享成武汉科技大学信息科学与工程学院武汉 430081 武汉科技大学信息科学与工程学院武汉 430081 湖北隆中实验室襄阳 441000 武汉软件工程职业学院电子工程学院武汉 430205 武汉科技大学耐火材料与冶金国家重点实验室武汉 430081 湖北隆中实验室襄阳 441000

具有小型化的缺口带滤波器在微波集成系统中具有广泛的应用前景.本文基于倒山形单元的人工表面等离激元(spoof surface plasmon polariton,SSPP)提出了一种新型小型化电可调缺口带滤波器.与相同横向尺寸的传统SSPP单元相比,所提出的倒... 详细信息

具有小型化的缺口带滤波器在微波集成系统中具有广泛的应用前景.本文基于倒山形单元的人工表面等离激元(spoof surface plasmon polariton,SSPP)提出了一种新型小型化电可调缺口带滤波器.与相同横向尺寸的传统SSPP单元相比,所提出的倒山形单元的色散曲线表现出更好的慢波特性,渐近频率降低至原来的 55%.缺口带的频率可通过调整变容二极管两端的偏置电压来动态控制.随着偏置电压从 0.5 V增至 30 V,缺口带频率从 2.1 GHz移动到 2.3 GHz,实现动态调节.仿真结果表明,缺口带滤波器通带内实现了较低的插入损耗(S21-10 dB),并且具有小型化的优势,尺寸仅为 0.78λg×0.35λg,λg是中心频率处的波长.采用印刷电路板技术实际加工了缺口带滤波器.实物测量和仿真结果吻合较好,验证了设计的可靠性.

关键词：人工表面等离激元电子控制缺口带滤波器谐振器

来源：博看期刊评论

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工程科学学报 2024年第10期46卷 1753-1763页

作者：张宇李承志郭嘉敏张伟武汉科技大学材料学部武汉430081 武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室武汉430081 武汉科技大学钢铁冶金与资源利用省部共建教育部重点实验室武汉430081

烧结矿与冷却气体充分接触是实现烧结矿立式冷却工艺的关键.采用解析计算流体力学−离散元法(CFD−DEM)方法对烧结矿立式固定床的气固接触特性进行了研究,主要模拟了非规则烧结矿在固定床内的堆积过程,并采用浸没边界法和动态网格细化技... 详细信息

烧结矿与冷却气体充分接触是实现烧结矿立式冷却工艺的关键.采用解析计算流体力学−离散元法(CFD−DEM)方法对烧结矿立式固定床的气固接触特性进行了研究,主要模拟了非规则烧结矿在固定床内的堆积过程,并采用浸没边界法和动态网格细化技术获得颗粒表面的流场信息.结果表明,双粒径均匀混合料床的平均空隙率主要取决于小粒径颗粒,大粒径颗粒主要影响料床的大空隙结构及分布.“A型”偏析(中心区域堆积小粒径颗粒,近壁面区域堆积大粒径颗粒)料床压降显著低于均匀混合料床,但颗粒与气体接触不充分;“B型”偏析(偏析方式与“A型”相反)料床兼顾了低压降和气固充分接触的特点.料床实验压降与模拟压降随气体表观流速的变化趋势保持一致,验证了解析CFD−DEM方法的准确性.

关键词：计算流体力学−离散元法耦合计算浸没边界法网格细化烧结矿立式冷却气固接触

EI/P25/Zr-MOFs异质结的构筑及催化产氢性能

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高等学校化学学报 2024年第3期45卷 94-102页

作者：牟迪吴海洋张楠琦安兆坤何漩张富青赵雷陈辉方伟杜星王大珩李薇馨武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室武汉430081 武汉工程大学化学与环境工程学院武汉430070

UiO-66-NH_(2)(NUO)因具有优异的水稳定性被用于光催化分解水制氢,但其制氢效率仍有待提升.本文在NUO前驱体溶液中加入2-(2-芴基)-4,5-1-溴二苯基-咪唑(EI)和二氧化钛P25,采用水热法合成EI/P25/NUO异质结.与单一Zr-MOFs和二元EI/NUO相比... 详细信息

UiO-66-NH_(2)(NUO)因具有优异的水稳定性被用于光催化分解水制氢,但其制氢效率仍有待提升.本文在NUO前驱体溶液中加入2-(2-芴基)-4,5-1-溴二苯基-咪唑(EI)和二氧化钛P25,采用水热法合成EI/P25/NUO异质结.与单一Zr-MOFs和二元EI/NUO相比,EI/P25/NUO异质结可见光驱动的光催化产氢速率可达6530.60μmol·g^(-1)·h^(-1),分别为NUO和EI/NUO产氢速率的304倍和34倍.这是由于EI的引入可有效提高体系中光生载流子的浓度,电子传输层P25则可促进EI产生的光生电子向NUO间的转移,降低光生载流子的复合几率,从而进一步提升光催化分解水制氢性能.

关键词： EI/P25/NUO异质结光催化制氢电荷转移

复杂协同攻击下一类非线性系统的分布式一致性滤波器设计

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控制与决策 2024年第1期39卷 189-195页

作者：高霞吴怀宇郑秀娟武汉科技大学机器人与智能系统研究院武汉430081 武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心武汉430081

针对复杂协同攻击下一类非线性系统的状态估计问题,提出一种分布式一致性递推滤波算法.首先,将拒绝服务攻击(denial of service, DoS)和虚假数据注入攻击(false data injection, FDI)现象描述为两个随机Bernoulli序列,并利用统一的框架... 详细信息

针对复杂协同攻击下一类非线性系统的状态估计问题,提出一种分布式一致性递推滤波算法.首先,将拒绝服务攻击(denial of service, DoS)和虚假数据注入攻击(false data injection, FDI)现象描述为两个随机Bernoulli序列,并利用统一的框架建立包含DoS和FDI的复杂协同攻击模型;然后,基于一致性理论设计具有分布式结构的递推滤波器,计算最优滤波器增益,并推导该滤波器估计误差满足均方有界的充分必要条件;最后,利用室内机器人的定位问题进行验证,仿真结果验证了所提出滤波器算法的有效性.

关键词：一致性滤波器状态估计 FDI攻击 DoS攻击室内机器人定位

基于高基尼不纯度的UAV&UGV协作监测系统路径规划

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控制与决策 2024年第3期39卷 804-812页

作者：夏丹陈洋陈志环杨艳华武汉科技大学机器人与智能系统研究院武汉430081 武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心武汉430081

空地异构机器人系统由无人机和地面车组成,通过两者相互协作完成持续监测任务可以提高工作效率、解决无人机续航能力不足的问题.在该异构机器人系统中,地面车可以为无人机进行补能,保证监测任务的持续性.由于周期性的监测路径极易发生... 详细信息

空地异构机器人系统由无人机和地面车组成,通过两者相互协作完成持续监测任务可以提高工作效率、解决无人机续航能力不足的问题.在该异构机器人系统中,地面车可以为无人机进行补能,保证监测任务的持续性.由于周期性的监测路径极易发生监测规律信息的泄露,提高无人机监测路径的随机性具有重要意义.针对此问题,引入基尼不纯度指标来评估监测路径的随机性,以目标点的归一化访问间隔时间及其基尼不纯度的加权之和最小为优化目标,建立无人机和地面车协作系统持续监测路径规划模型,提升监测路径的隐私性.采用蚁群算法对无人机监测路径和地面车补能路径进行优化求解,验证了模型的有效性与合理性.通过与其他算法比较,说明了蚁群算法具有更快的搜索速度和运行效率.

关键词：异构机器人路径规划持续监测基尼不纯度路径随机性蚁群算法