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基于Swin-Unet的奶牛饲料消耗状态监测方法

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华南农业大学学报 2024年第5期45卷 754-763页

作者：张博罗维平武汉纺织大学机械工程与自动化学院湖北武汉430200

【目的】针对监控图像中饲料区域结构较长、边界模糊,且形状与尺寸复杂多变等特点,本研究旨在更准确地分割饲料残余区域与消耗区域,以达到准确监测饲料消耗状态的目的。【方法】本研究提出了基于Swin-Unet的语义分割模型,其在Swin Trans... 详细信息

【目的】针对监控图像中饲料区域结构较长、边界模糊,且形状与尺寸复杂多变等特点,本研究旨在更准确地分割饲料残余区域与消耗区域,以达到准确监测饲料消耗状态的目的。【方法】本研究提出了基于Swin-Unet的语义分割模型,其在Swin Transformer块的开始阶段应用ConvNeXt块,增强模型对特征信息的编码能力,以提供更好的特征表示,并利用深度卷积替换线性注意力映射,以提供局部空间上下文信息。同时提出了新颖的宽范围感受野模块来代替多层感知机,以丰富多尺度空间上下文信息。此外在编码器的开始阶段,将线性嵌入层替换为卷积嵌入层,通过分阶段压缩特征,在块之间和内部引入更多的空间上下文信息。最后引入多尺度输入策略、深度监督策略,并提出了特征融合模块,以加强特征融合。【结果】所提出方法的平均交并比、准确率、F1分数与运行速度分别为86.46%、98.60%、92.29%和23帧/s,相较于Swin-Unet,分别提高4.36、2.90、0.65个百分点和15%。【结论】基于图像语义分割的方法应用于饲料消耗状态的自动监测是可行的,该方法通过将卷积引入Swin-Unet,有效地提高了分割精度与计算效率,对提升生产管理效率具有重要意义。

关键词：饲料消耗自动监测语义分割 Swin Transformer 奶牛深度卷积

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基于改进跟踪微分器前馈的PMSM复合控制

华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第6期52卷 164-170,178页

作者：陈华秋杨建中向单奇许光达华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074 武汉智能设计与数控技术创新中心湖北武汉430040

为实现位置伺服系统的无超调快速跟踪,提出一种基于改进非线性跟踪微分器前馈的永磁同步电机复合控制方法.在基于传统跟踪微分器前馈控制方法的基础上,设计了用于位置指令前馈环节的改进跟踪微分器,针对加速度因子调参问题,结合系统电... 详细信息

为实现位置伺服系统的无超调快速跟踪,提出一种基于改进非线性跟踪微分器前馈的永磁同步电机复合控制方法.在基于传统跟踪微分器前馈控制方法的基础上,设计了用于位置指令前馈环节的改进跟踪微分器,针对加速度因子调参问题,结合系统电流限幅给出了加速度因子计算公式,简化了调参过程;针对阶跃响应超调问题,引入最大速度约束参数实现系统对阶跃指令的无超调快速跟踪;针对连续信号跟踪滞后问题,引入超前计算步长参数实现对输入指令的超前预测,补偿了系统的跟踪滞后.仿真和实验结果均表明:该方法能实现控制系统对于阶跃指令快速且无超调的跟踪,在给定实验条件下能使系统的超调量由4.4%减小到0.0%,同时能使系统对于给定正弦指令的最大跟踪误差降低34.4%,显著提高了系统的位置跟踪性能.

关键词：永磁同步电机复合控制前馈改进跟踪微分器无超调

基于改进YOLOv8和多目标跟踪的鱼苗计数方法

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农业工程学报 2024年第16期40卷 163-170页

作者：申阳王冲宇赵佳怡都令炜熊新周明刚湖北工业大学农机工程研究设计院武汉430068 湖北时瑞达重型工程机械有限公司襄阳441116

水产养殖业中鱼苗的数量检测是一个重要环节。针对传统的人工计数方法效率低、精度差、易造成鱼苗应激和损伤等问题,该研究以体长20~50 mm的草鱼苗为检测对象,提出了一种基于改进YOLOv8和多目标跟踪的小鱼苗计数方法。根据鱼苗目标小且... 详细信息

水产养殖业中鱼苗的数量检测是一个重要环节。针对传统的人工计数方法效率低、精度差、易造成鱼苗应激和损伤等问题,该研究以体长20~50 mm的草鱼苗为检测对象,提出了一种基于改进YOLOv8和多目标跟踪的小鱼苗计数方法。根据鱼苗目标小且检测速度要求高的特点,在YOLOv8算法中引入了P2小目标检测层,同时在检测头前添加GAM(global attention mechanism)注意力机制,并将目标识别损失函数优化为Inner-SIoU(inner-SCYLLA-intersection over union)损失函数以加快模型的收敛速度、提高对小目标和重叠目标的识别准确率;然后,针对检测识别到的鱼苗目标,结合多目标跟踪算法实现了一种适用于小鱼苗的跟踪计数方法。最后通过设计鱼苗计数试验平台、采集制作数据集、训练计数模型并进行计数试验验证该计数方法的优点和性能指标。试验结果表明,平均计数精度、平均绝对误差、均方根误差分别为97.16%、 3.67、 5.26,各项指标优于YOLOv5+DeepSORT、 YOLOv8+DeepSORT、 YOLOv8+StrongSORT、YOLOv8+ByteTrack、YOLOv8+BoT-SORT等方法。该研究方法能够以更快的速度和更高的准确性统计视频中小鱼苗数量,为工厂化水产养殖的鱼苗快速准确计数、生物量估计等奠定了基础。

关键词：水产养殖机器视觉鱼苗计数 YOLOv8 多目标跟踪

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基于菱形高斯组合窗滤波的四波横向剪切干涉相位重建

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光电子．激光 2024年第8期35卷 844-850页

作者：袁训禹李卓骏周向东汪慧王华森连子萱湖北工业大学机械工程学院湖北武汉430068 江汉大学智能制造学院湖北武汉430056

针对四波横向剪切干涉(quadriwave lateral shearing interference, QLSI)相位重建中现有常规滤波窗提取差分相位时存在易受噪声、频谱泄漏和其他级次频谱串扰影响等问题,提出了一种采用菱形高斯组合窗滤波的相位重建方法。通过由频谱... 详细信息

针对四波横向剪切干涉(quadriwave lateral shearing interference, QLSI)相位重建中现有常规滤波窗提取差分相位时存在易受噪声、频谱泄漏和其他级次频谱串扰影响等问题,提出了一种采用菱形高斯组合窗滤波的相位重建方法。通过由频谱面内的菱形窗和垂直于频谱面的一系列二维高斯窗组合而成的滤波窗,从QLSI干涉图中提取两正交方向的差分相位,最终由两个差分相位通过基于最小二乘的傅里叶变换法重建出待测相位。采用标准样品进行实际测量,比较了使用菱形高斯组合窗和其他四种常规滤波窗滤波对重建相位的重建相位差、均方根误差(root mean square error,RMSE)和峰谷(peak to vally,PV)误差的影响。结果表明:本文提出的方法重建相位的相位差最接近样品标称值,重建相位的RMSE误差和PV误差均取得最小值,可以有效提高相位重建质量。

关键词：四波横向剪切干涉(QLSI) 相位重建差分相位滤波窗

基于SVMD与参数优化MCKD的轴承故障诊断

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机电工程 2024年第7期41卷 1179-1188页

作者：钟先友何流赵潇三峡大学机械与动力学院湖北宜昌443002 湖北文理学院机械工程学院湖北襄阳441053

针对轴承故障信号存在噪声干扰,难以提取故障特征的问题,提出了一种将连续变分模态分解(SVMD)与改进的最大相关峭度反卷积(MCKD)相结合的轴承故障诊断方法。首先,为了表征轴承振动信号中的故障特征,将峭度与高斯核相结合,提出了比峭度... 详细信息

针对轴承故障信号存在噪声干扰,难以提取故障特征的问题,提出了一种将连续变分模态分解(SVMD)与改进的最大相关峭度反卷积(MCKD)相结合的轴承故障诊断方法。首先,为了表征轴承振动信号中的故障特征,将峭度与高斯核相结合,提出了比峭度指标更为突出的加权峭度指标;其次,利用SVMD方法对轴承信号进行了分解,获得了若干模态分量,并使用加权峭度指标从多个模态分量中筛选出了故障特征最丰富的模态分量;然后,以包络熵为标准,通过几何平均优化器(GMO)优化MCKD的滤波器长度和周期两个参数,获得了最佳的参数组合;最后,采用GMO-MCKD方法对轴承信号进行了降噪,对降噪后的信号进行了包络分析,提取了轴承特征频率;同时,采用粒子群优化(PSO)的变分模态分解(VMD)和粒子群优化的变分模态提取(VME),对轴承信号进行了对照分析。研究结果表明:采用SVMD-GMO-MCKD方法在辛辛那提数据集中诊断出轴承特征频率为234.4 Hz及其二倍频;在西储大学轴承数据集中诊断出轴承特征频率为108.96 Hz,二倍频为218.09 Hz。该方法可以增强滚动轴承的周期性冲击成分,在有干扰的背景下有效地提取出滚动轴承内圈和外圈的故障特征,且轴承故障特征提取效果优于PSO-VMD和PSO-VME方法。

关键词：噪声干扰连续变分模态分解最大相关峭度反卷积几何平均优化器故障特征提取效果轴承特征频率

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结构光测量中相机曝光优化与图像质量评估

激光与光电子学进展 2024年第12期61卷 184-193页

作者：张伟宋杰吕圣曾志龙方麒王生怀湖北汽车工业学院机械工程学院湖北十堰442002 湖北中程科技产业技术研究院有限公司湖北十堰442003

为了解决结构光三维测量采集过程中无法准确确定曝光量的问题,提出了一种基于相机响应函数求解最优曝光时间的方法。该方法主要通过使用大津法(Otsu)对不同被测物体图像进行背景分割,然后利用相机响应函数求解真实像素值与曝光时间之间... 详细信息

为了解决结构光三维测量采集过程中无法准确确定曝光量的问题,提出了一种基于相机响应函数求解最优曝光时间的方法。该方法主要通过使用大津法(Otsu)对不同被测物体图像进行背景分割,然后利用相机响应函数求解真实像素值与曝光时间之间的关系,从而得到在理想像素均值下的最优曝光时间。此外,构建了通过计算图像过曝与欠曝像素点的占比与归一化的像素均值等其他基本图像质量评价参数的图像质量评价方法,该方法能够对被测物体图像进行有效评价。实验使用不同曝光时间进行双目结构光三维测量,对比了模型重建中相位匹配点数量与关键特征的测量结果。结果表明:使用最优曝光时间采集被测物,图像评价结果参数均在90%以上;在模型重建过程中相位匹配点数最多,关键特征测量结果准确,与其他测量方法的最大测量误差为0.02 mm;同时被测物图像质量评价结果与相位匹配点数呈正相关,证明了该评价方法的有效性。本研究为结构光三维测量中曝光量的选择提供了科学的依据。

关键词：测量与计量结构光三维测量相机响应函数阈值分割图像质量评价方法

基于YOLOv5s的精密视觉检测系统快速调焦方法

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中国机械工程 2024年

作者：胡新宇刘锡阳张骏巍严爽李云翔叶旭辉湖北工业大学机械工程学院

视觉检测系统在测量时因受生产精度、装配误差等外界因素影响，图像存在离焦模糊的问题，因此提出了一种基于YOLOv5s的精密视觉检测系统快速调焦方法。该方法采用粗精结合调焦策略，首先利用训练的YOLOv5s模型搜索清晰成像的景深区间，... 详细信息

视觉检测系统在测量时因受生产精度、装配误差等外界因素影响，图像存在离焦模糊的问题，因此提出了一种基于YOLOv5s的精密视觉检测系统快速调焦方法。该方法采用粗精结合调焦策略，首先利用训练的YOLOv5s模型搜索清晰成像的景深区间，准确率达到97.6%，耗时900ms内完成粗调焦过程；然后，利用清晰度评价函数及改进搜索算法实现精调焦，在景深区间内快速准确地找到最佳成像平面。实验结果表明，在±4mm的离焦区间内，调焦精度达到0.04mm，平均用时不超过1600ms，较现有基于图像处理的方法缩短了47.6%，具有速度快、精度高、适应性强等优点，可应用于视觉检测系统的在线精密测量。

关键词：自动调焦视觉检测 YOLOv5s 区间搜索清晰度评价函数

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叠合式有机朗肯循环的热力学分析

太阳能学报 2024年第9期45卷 421-427页

作者：李新国徐期峰苗小旦天津大学机械工程学院天津300354 湖北航天技术研究院总体设计所武汉430040

针对有机朗肯循环(ORC)中传热过程对循环性能的影响,该文提出一种既相似但又区别于混合工质,各工质独立运行的叠合式有机朗肯循环(AORC)。AORC中,各工质进行串/并联的叠合换热,可形成类似于非共沸混合工质的温度滑移。由于各工质独立运... 详细信息

针对有机朗肯循环(ORC)中传热过程对循环性能的影响,该文提出一种既相似但又区别于混合工质,各工质独立运行的叠合式有机朗肯循环(AORC)。AORC中,各工质进行串/并联的叠合换热,可形成类似于非共沸混合工质的温度滑移。由于各工质独立运行,使得叠合工质的温度滑移量可进行调节,以减小与外界热/冷源的传热温差,提高传热匹配性以及循环性能。以两种工质叠合的AORC为例进行循环性能分析,并与常规ORC进行对比。结果表明,AORC并不是各工质基本ORC的简单线性叠加,而是一种优化叠加。相比常规ORC,AORC的净输出功率最大可提升34.48%。但当热源温度高于高温工质的热源转折温度时,AORC趋近于高温工质的基本ORC。

关键词：有机朗肯循环非共沸混合工质传热匹配叠合循环工质热源转折温度

非平坦环境下履带机器人多目标路径规划方法研究

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中国机械工程 2024年

作者：张道德卢子健赵坤杨智勇湖北工业大学机械工程学院

为实现在非平坦环境下履带机器人路径规划高效、安全、节能等运行目标，本文提出了一种改进的NSGA-II多目标路径规划方法。首先，综合分析非平坦环境下履带机器人作业需求，建立2.5D栅格环境模型简化复杂的环境地图；然后，选取路径长... 详细信息

为实现在非平坦环境下履带机器人路径规划高效、安全、节能等运行目标，本文提出了一种改进的NSGA-II多目标路径规划方法。首先，综合分析非平坦环境下履带机器人作业需求，建立2.5D栅格环境模型简化复杂的环境地图；然后，选取路径长度短、能量消耗低和安全性高作为机器人路径规划子目标指标；最后，通过8邻域曼哈顿防碰撞算法改进栅格选择方式避免机器人与障碍物栅格顶点碰撞，并在NSGA-II算法中引入精英替换策略扩大种群规模，防止优良路径基因流失，加速算法收敛。相较于MOVNS算法，所提方法规划出的路径在路径长度平均缩短9.02%、能耗平均节省18.36%、危险率平均降低7.28%，有助于提升非平坦环境下的路径质量。

关键词：路径规划非平坦环境能量消耗防碰撞多目标优化