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基于低延迟可解释性深度学习的复杂旋转机械关键部件知识嵌入与诊断方法研究

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机械工程学报 2024年第12期 107-115页

作者：刘岳开王天杨褚福磊清华大学摩擦学国家重点实验室清华大学机械工程系

对于复杂旋转机械关键部件的诊断任务，模型设计容易受限于以下两个特点：(1)机理驱动的方法往往难以实现复杂系统的完备、精准建模；(2)数据驱动方法多数需要规模化的高质量训练数据集用于训练。针对上述问题，提出一种先验知识嵌入的... 详细信息

对于复杂旋转机械关键部件的诊断任务，模型设计容易受限于以下两个特点：(1)机理驱动的方法往往难以实现复杂系统的完备、精准建模；(2)数据驱动方法多数需要规模化的高质量训练数据集用于训练。针对上述问题，提出一种先验知识嵌入的深度学习模型，融合机理知识与传感器信号特征。并通过引入轻量化模型结构，在保证模型精准性的前提下降低推理延迟。首先，通过融合先验机理知识与传感器信号特征，构建关键部件数字孪生体。然后，设计先验知识嵌入模块来提升深度学习模型对融合特征的表征能力。最后，基于帕累托最优化理论，设计考虑准确性指标和计算效率指标的多目标优化方法，对基于深度学习的诊断模型进行结构优化设计，并引入可解释性框架对深度学习模型决策过程进行分析。结果表明，所设计的关键部件数字孪生体能够提供丰富的先验信息从而加速模型收敛。基于帕累托最优化理论的训练策略，能够搜索到设定指标的相对最优解，从而在保证模型精准性的前提下有效降低模型推理延迟。

关键词：可解释深度学习先验知识嵌入数字孪生帕累托最优化低延迟推理

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调频连续波激光雷达光源非线性校正技术(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第3期61卷 285-294页

作者：谈宜东林晨啸清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

调频连续波(FMCW)激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势,近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很大程度依赖于其光源的扫频线性度。在实际... 详细信息

调频连续波(FMCW)激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势,近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很大程度依赖于其光源的扫频线性度。在实际应用中,扫频光源会受到诸如应力拉伸不均匀、腔内温度变化、电路噪声等因素的影响,导致扫频非线性的产生,使得测距分辨率和精度下降。针对这一问题,本文从原理出发,分析了FMCW激光雷达中光源扫频非线性的影响,系统介绍了不同类型扫频非线性校正技术的原理和国内外研究进展,并对这些方法的适用场景、特性和优缺点进行总结,为后续相关研究提供启发。

关键词：调频连续波激光雷达绝对测距扫频光源非线性校正

调频连续波激光雷达光源非线性校正技术（特邀）

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激光与光电子学进展 2024年第3期 305-314页

作者：谈宜东林晨啸清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室

调频连续波（FMCW）激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势，近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很大程度依赖于其光源的扫频线性度。在实... 详细信息

调频连续波（FMCW）激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势，近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很大程度依赖于其光源的扫频线性度。在实际应用中，扫频光源会受到诸如应力拉伸不均匀、腔内温度变化、电路噪声等因素的影响，导致扫频非线性的产生，使得测距分辨率和精度下降。针对这一问题，本文从原理出发，分析了FMCW激光雷达中光源扫频非线性的影响，系统介绍了不同类型扫频非线性校正技术的原理和国内外研究进展，并对这些方法的适用场景、特性和优缺点进行总结，为后续相关研究提供启发。

关键词：调频连续波激光雷达绝对测距扫频光源非线性校正

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调频连续波激光雷达光源非线性校正技术

激光与光电子学进展 2024年

作者：林晨啸谈宜东清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室

调频连续波（Frequency-modulated Continuous-wave,FMCW）激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势，近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很... 详细信息

调频连续波（Frequency-modulated Continuous-wave,FMCW）激光雷达具有非接触式测量、抗环境光干扰、高分辨率、能够同时获取速度和距离信息等优势，近年来被广泛应用于航空航天、精密制造、无人驾驶等领域。FMCW激光雷达的测距能力很大程度依赖于其光源的扫频线性度。在实际应用中，扫频光源会受到诸如应力拉伸不均匀、腔内温度变化、电路噪声等因素的影响，导致扫频非线性的产生，使得测距分辨率和精度下降。针对这一问题，本文从原理出发，分析了FMCW激光雷达中光源扫频非线性的影响，系统介绍了不同类型扫频非线性校正技术的原理和国内外研究进展，并对这些方法的适用场景、特性和优缺点进行总结，为后续相关研究提供启发。

关键词：调频连续波激光雷达绝对测距扫频光源非线性校正

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单舵轮AGV叉车的激光雷达定位与路径跟踪

清华大学学报（自然科学版） 2024年第1期64卷 117-129页

作者：姚铭段金昊邵珠峰苑韶伦苏云州清华大学机械工程系北京100084 清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084 清华大学精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室北京100084 北京诚益通控制工程科技股份有限公司北京102600

自动引导车(automated guided vehicle,AGV)叉车是工业领域重要的物料运输装备,其定位精度和路径跟踪精度是提高物料运输效率、工厂自动化及智能化水平的重要基础。该文以医药行业室内结构化环境下的单舵轮AGV叉车为对象,利用基于密度... 详细信息

自动引导车(automated guided vehicle,AGV)叉车是工业领域重要的物料运输装备,其定位精度和路径跟踪精度是提高物料运输效率、工厂自动化及智能化水平的重要基础。该文以医药行业室内结构化环境下的单舵轮AGV叉车为对象,利用基于密度的有噪声空间聚类(density-based spatial clustering of applications with noise,DBSCAN)算法和快速迭代最近点(fast iterative closest point,FICP)算法实现了基于反光柱的激光雷达导航定位,并提出了基于距离的异常点剔除规则,保证定位结果的稳定性及算法的鲁棒性。利用Kalman滤波算法,融合激光雷达、角度传感器和惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)的定位数据,提升了定位精度。对于AGV叉车的路径跟踪问题,建立了比例积分(proportional-integral,PI)控制器,设计了基于三阶Bézier曲线的圆弧路径,并对Bézier曲线的参数进行了优化,避免了曲率突变,提高了路径跟踪精度。实验结果表明,基于DBSCAN和FICP算法的激光雷达定位算法能够实现±3 mm的定位精度,实现了AGV叉车的准确定位;基于Bézier曲线改进后的圆弧路径跟踪误差降低了72%,直线和圆弧路径动态跟踪精度控制在25 mm以内,工作站点的重复定位精度达±12 mm,达到了预期设计要求。

关键词：自动引导车(AGV)叉车激光雷达定位路径跟踪比例积分(PI)控制 Bézier曲线

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无机材料飞秒激光3D打印技术研究进展(特邀)

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中国激光 2024年第12期51卷 206-226页

作者：侯郑为刘少峰林琳涵李正操孙洪波清华大学材料学院先进材料教育部重点实验室北京100084 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器全国重点实验室北京100084 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室吉林长春130012

飞秒激光三维(3D)打印具有无掩模、高精度、高分辨率、真三维制造等特点,在复杂微纳3D结构制造上难以替代,基于双光子聚合打印技术,已经在微机电、微纳光电、微纳光子等复杂器件制备上展现出巨大的应用前景。随着共混掺杂技术及新型无... 详细信息

飞秒激光三维(3D)打印具有无掩模、高精度、高分辨率、真三维制造等特点,在复杂微纳3D结构制造上难以替代,基于双光子聚合打印技术,已经在微机电、微纳光电、微纳光子等复杂器件制备上展现出巨大的应用前景。随着共混掺杂技术及新型无机光敏材料的发展,高无机功能材料占比的飞秒激光3D打印为高性能器件制备提供了更多的可能性,极大拓展了微纳3D制造的应用能力。围绕近年来基于无机材料体系的飞秒激光3D打印方法,从无机组分工艺、激光打印能力、无机功能材料体系及应用等方面总结现有飞秒激光3D打印微纳器件应用、发展前景及面临的挑战,并展望飞秒激光打印无机3D微纳结构的新材料、新方法、新应用。

关键词：激光技术飞秒激光 3D打印纳米技术无机材料功能材料

光纤锁模激光器:从单模时域耗散孤子锁模到多模时空耗散孤子锁模(特邀)

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中国激光 2024年第1期51卷 69-83页

作者：高晨心曹博鲍成英杨昌喜肖晓晟清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室北京100084 北京邮电大学电子工程学院信息光子学与光通信全国重点实验室北京100876

在光纤锁模激光器中,模式相位锁定产生周期短脉冲的过程称为锁模过程,产生的脉冲在广义上被称为“光耗散孤子”。光纤锁模激光器从传统的单模光纤锁模激光器发展到了多模光纤锁模激光器,锁模机理从一维(1D)时域耗散孤子锁模发展到了(3+1... 详细信息

在光纤锁模激光器中,模式相位锁定产生周期短脉冲的过程称为锁模过程,产生的脉冲在广义上被称为“光耗散孤子”。光纤锁模激光器从传统的单模光纤锁模激光器发展到了多模光纤锁模激光器,锁模机理从一维(1D)时域耗散孤子锁模发展到了(3+1)维时空耗散孤子锁模。通过深入理解耗散孤子的产生机理,有望进一步推动光纤锁模激光器在科学和应用领域的发展,为更多领域带来更多创新和可能性。首先介绍单模光纤锁模激光器中的一维时域耗散孤子锁模,探讨不同色散区域中时域耗散孤子的产生机理;随后介绍多模光纤锁模激光器中时空耗散孤子的最新研究成果,讨论模间色散的补偿方法,揭示其丰富的时空锁模机理和潜在的应用场景;最后对光纤锁模激光器的发展前景进行展望。

关键词：激光器光纤锁模激光器耗散孤子锁模机理非线性光学

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激光巨量转移复合型运动平台用洛伦兹磁轴承

机械工程学报 2024年第1期60卷 198-209页

作者：刘强高晴利王伟韩邦成牛萍娟王子羲北京石油化工学院精密电磁装备与先进测量技术研究所北京102617 天津工业大学膜国家重点实验室天津300387 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084

针对现有Mini/Micro LED巨量转移运动定位平台不具有轴向微高度调整能力的问题,提出了一种基于轴向平动单自由度洛伦兹磁轴承的复合构型运动定位平台(Motion positioning platform,MPP)。为提高平台轴向悬浮控制带宽与控制精度,设计了“... 详细信息

针对现有Mini/Micro LED巨量转移运动定位平台不具有轴向微高度调整能力的问题,提出了一种基于轴向平动单自由度洛伦兹磁轴承的复合构型运动定位平台(Motion positioning platform,MPP)。为提高平台轴向悬浮控制带宽与控制精度,设计了“L”型永磁体和倾斜磁化永磁体叠加的多通道磁轴承拓扑构型,利用等效表面电流法建立了气隙区域磁通密度数学模型,得到了影响磁通密度大小和均匀性的结构参数,借助灵敏度分析筛选设计参数并进行优化设计。优化后轴承气隙磁密强度为478.20 mT,气隙磁密轴向波动率为10.6%,分别比原始方案的323.07 mT和10.8%提升48.02%和1.8%。根据优化结果研制了一台基于洛伦兹磁轴承的复合支撑运动平台,并应用于巨量转移设备,进行磁密测量验证和芯片转移效果测试。结果表明,优化方案轴承气隙平均磁密强度为476.75m T,气隙磁密轴向波动率为11.1%,与设计结果相符。转移中使用轴向轴承主动承接芯片,可消除因芯片未完全剥落产生的转移坏点,对提升巨量转移效率和良率有重要意义。

关键词：巨量转移 Mini/Micro LED 运动定位平台洛伦兹磁轴承优化设计

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粗糙表面轴承微极流体润滑的平均流量模型

机械工程学报 2024年第7期60卷 203-211页

作者：朱少禹张向军孙军王大刚中国矿业大学机电工程学院徐州221116 清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084 合肥工业大学汽车与交通工程学院合肥230009

目前研究轴承的微极性流体润滑时,一般不考虑轴承表面粗糙度的影响。为处理重载工况下的轴承润滑需要建立综合考虑表面粗糙度和微极性流体综合影响的数学模型。基于平均流量法推导了适用于任意三维粗糙表面轴承的广义平均Reynolds方程... 详细信息

目前研究轴承的微极性流体润滑时,一般不考虑轴承表面粗糙度的影响。为处理重载工况下的轴承润滑需要建立综合考虑表面粗糙度和微极性流体综合影响的数学模型。基于平均流量法推导了适用于任意三维粗糙表面轴承的广义平均Reynolds方程。应用此方程分析了不同综合粗糙度均方根和表面方向参数下轴承的无量纲最大平均油膜压力随偏心率、无量纲微极流体特征长度和耦合系数的变化。结果表明,轴承的综合粗糙度均方根参数与无量纲微极流体特征长度和耦合系数具有很强的耦合特性。随着无量纲微极流体特征长度的减小或者耦合系数的增大,轴承的综合粗糙度均方根值越大,轴承的无量纲最大平均油膜压力越大。而且轴承的表面方向参数也具有类似的特性。提出的广义平均Reynolds方程是对现有微极流体润滑理论的补充,可以方便地用于任意三位粗糙表面轴承的微极流体润滑分析。此外,提出的广义平均Reynolds方程不仅适用于流体动力润滑领域的径向滑动轴承和推力轴承等摩擦副,而且也适用于混合润滑领域的活塞环-缸套等摩擦副。

关键词：径向滑动轴承微极性流体表面粗糙度平均流量方法

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