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2022年  第58卷  第24期

仪器科学与技术
齿轮特征线统一模型及在齿轮三维误差评定中的应用
石照耀, 赵保亚, 于渤, 孙衍强
2022, 58(24): 1-9. doi: 10.3901/JME.2022.24.001
摘要:

表征渐开螺旋齿轮的特征线有多种,广为熟知的是几何意义明确的渐开线和螺旋线。其实齿面上还有法向啮合齿形、接触线等工程价值突出的其他特征线。但特征线增多带来了两个问题,一是复杂的特征线方程彼此不关联,数学上缺乏统一性;二是除了渐开线和螺旋线,其他特征线没有测量手段,缺乏可测性。据渐开线齿轮传动的特点,将齿面特征线映射到啮合平面里,发现齿面上各条特征线在啮合平面里都有各自对应的二维直线,以此建立直线模型统一表达了齿面各种特征线;基于齿轮三维误差测量数据和特征线统一模型,提出了各种特征线偏差的提取方法,应用于测量实践,通过与通用齿轮仪器测量的渐开线偏差和螺旋线偏差作比对,证明了特征线统一模型及特征线偏差提取方法的有效性和实用性,解决了齿面复杂特征线的可测性问题。同时,齿轮特征线统一模型在齿轮工艺误差溯源、传动性能预报等方面也有重要应用价值。

基于三轴测量机拓扑结构的单项几何误差模型
赖涛, 彭小强, 徐超, 戴一帆, 胡皓, 刘俊峰
2022, 58(24): 10-19. doi: 10.3901/JME.2022.24.010
摘要:

基于刚体模型和小角度假设,传统的几何误差模型采用传递矩阵建立几何误差与测量机空间误差的关系。但通过传递矩阵建立的几何误差模型难以清晰揭示各单项几何误差对空间误差的影响关系。为了更清楚地表达单项几何误差对空间误差的影响关系,基于三轴测量机拓扑结构建立了各单项几何误差模型,分析了测量机各项阿贝误差产生机制。利用所建立的单项几何误差模型分析各单项几何误差的影响权重,对自研测量机高权重几何误差进行辨识与补偿,结果表明,补偿后测量机测量直径150 mm平面与直径60 mm凹球面的PV值分别达到344.32 nm和161.74 nm,面形误差与波面干涉仪测量结果基本一致。单项几何误差模型有助于了解阿贝误差的产生机理;提出的几何误差权重计算方法有助于实现对测量机敏感误差的精确控制,指导高精度测量机结构设计与测量精度的提升。

基于源强先验引导的正交匹配追踪声源识别算法
徐亮, 权璐纯, 尚俊超, 李敬豪, 张小正
2022, 58(24): 20-31. doi: 10.3901/JME.2022.24.020
摘要:

压缩感知理论的出现为采用较少的传声器实现高分辨率声源识别与定位,提供了理论可能和实现途径。因此越来越多的学者将压缩感知方法应用到声源识别领域当中。在已有的诸多压缩感知重构算法中,正交匹配追踪(Orthogonal matching pursuit,OMP)算法具有旁瓣小、分辨率较高、算法过程简单、计算速度快、易于硬件实现等优点,具有广泛的应用潜力。但是OMP算法在实际应用场合中表现出的对低频声源定位效果差,聚焦面网格密集划分时易出现定位偏差的缺点限制了算法的应用范围。为此,通过对OMP算法关键步骤的理论分析,找出OMP算法上述缺陷的理论来源,在此基础上提出一种基于源强先验引导的OMP声源定位算法,该方法在OMP原子筛选过程中引入了源强先验信息,可以较好地克服由相邻声源距离较近或分析频率较低时原子间相关性增强引起的原子选择错误,从而进一步提高了算法的声源定位准确率,拓宽了算法适用的频率范围,在实际中可实现宽频带声源的高分辨率识别与定位。

基于改进ACGAN的钢表面缺陷视觉检测方法
李可, 祁阳, 宿磊, 顾杰斐, 苏文胜
2022, 58(24): 32-40. doi: 10.3901/JME.2022.24.032
摘要:

为提高小样本环境下钢表面缺陷检测精度,提出一种基于改进辅助分类生成对抗网络(Auxiliary classifier generative adversarial network, ACGAN)的钢表面缺陷检测方法。利用残差块优化ACGAN的网络结构,提高模型的特征提取能力;其次,为提高模型训练的稳定性,在网络的卷积层中添加谱范数归一化,防止模型异常的梯度变化;基于正-未标记分类的思想优化判别器的损失函数,提高生成样本的质量;同时,为缓解生成对抗网络的模式崩塌问题,在损失函数中添加梯度惩罚来约束判别器的梯度;通过生成器和判别器的对抗优化训练实现样本扩充。通过对钢表面缺陷数据集的试验,验证了提出的方法能准确有效地实现小样本环境下钢表面缺陷检测。与经典的SVM、ResNet50以及一些小样本分类模型相比,所提方法具有更高的检测精度。

曲面工件自动超声检测轨迹规划
赵新玉, 李鹏飞, 段晓敏, 张斌
2022, 58(24): 41-48. doi: 10.3901/JME.2022.24.041
摘要:

航空发动机叶片是典型复杂曲面结构,为实现叶片的自动化超声检测,提出基于曲面点云数据重建的自动化检测轨迹规划方法,在此基础上实现7轴联动复杂曲面自动扫描成像。叶片点云采用线激光轮廓仪配合工件旋转轴自动扫描获取,数据拼接整理后采用数据拟合方法获得曲面轮廓方程,基于曲面上的曲线方程规划加减速扫描轨迹,进一步对各扫描轨迹点进行多轴运动分解,获得包括六轴机械手和工件旋转轴在内的各轴轨迹。实际检测试验表明,轨迹规划算法可以实现叶片自动扫描,获得清晰C扫描图像。

筒状构件应力集中磁记忆检测补偿方法研究
胡斌, 闫梁, 张砚耕, 范孟豹
2022, 58(24): 49-57. doi: 10.3901/JME.2022.24.049
摘要:

筒状构件是一种常用的工程构件,一旦发生事故将会造成重大损失,应力集中是导致构件失效的重要原因。磁记忆检测方法是一种有效的应力集中检测方法。对筒状构件进行圆周扫查时,地磁场的作用变化影响磁记忆检测结果,容易造成应力集中区域的误判。建立铁磁质筒状构件外表面地磁场分布模型,探究地磁场在筒状构件外表面作用效果及补偿方法。试验结果显示,对铁磁质筒状构件进行圆周扫查时,法向分量与幅值约为地磁场的2倍。将磁信号法向分量减去2倍地磁场作为筒状构件磁记忆检测补偿方法,补偿后与直线扫查相关系数稳定在0.8以上,优于传统反向补偿法。提出的筒状构件补偿方法有效提高了应力集中区域定位精度。

材料科学与工程
超超临界火电机组异种钢焊接接头高温断裂机理综述
康举, 王启冰, 王智春, 韩哲文, 左月, 张华, 焦向东
2022, 58(24): 58-83. doi: 10.3901/JME.2022.24.058
摘要:

我国现役超超临界(Ultra-supercritical, USC)火电机组锅炉受热面管系中有大量由铁素体耐热钢与镍基合金/奥氏体耐热钢构成的异种钢焊接接头(Dissimilar metal welded joints, DMWJs)。生产实践表明,大量的DMWJs在服役7万~10万h后发生早期失效,使用寿命远低于设计寿命30年或20万h。DMWJs早期开裂事故的频发,不仅对机组的安全运行造成极大危害,而且给发电企业带来了巨大的经济损失和负面的社会影响,同时也反映了当前对异种钢焊接,尤其是DMWJs高温服役性能的认识仍存在不足。为深入解析DMWJs的早期失效原因,回顾并总结了国内外近20年对9-12%Cr钢/镍基合金、9-12%Cr钢/奥氏体耐热钢DMWJs在高温蠕变、高温疲劳等高温力学性能方面的研究结果;分别从环境温度、加载应力、DMWJs的热力学特性、焊接残余应力、微观组织演变等方面,总结了不同因素对DMWJs高温断裂模式和断裂特征的影响,详细阐述了DMWJs在高温蠕变和疲劳条件下的断裂机理,归纳了当前较流行的高温断裂损伤物理模型及其发展应用。最后,本文建议了两种较为有效的可改善接头高温力学性能的方法,并对未来的研究方向进行了建议和展望。

焊接残余应力对桥壳疲劳寿命的影响研究
张红卫, 桂良进, 范子杰
2022, 58(24): 102-110. doi: 10.3901/JME.2022.24.102
摘要:

桥壳作为驱动桥的核心零部件,其疲劳寿命对驱动桥乃至整车安全性有决定性的影响,对于制造过程中使用焊接工艺的桥壳,焊接残余应力的影响不容忽略。以某商用车驱动桥桥壳为研究对象,在获得其焊接残余应力分布的基础上,分析焊接残余应力对桥壳在静态载荷和动态循环载荷工况下应力应变响应的影响。使用应变-寿命分析方法对桥壳在弯曲疲劳试验工况下的寿命进行预测,并与台架试验结果进行对比,结果表明考虑焊接残余应力时,疲劳寿命次数和破坏位置的预测结果与试验结果吻合较好,验证桥壳疲劳寿命预测模型的准确性。与不考虑焊接残余应力的模型相比,焊接残余应力导致桥壳疲劳寿命次数降低,且失效位置不同,说明了疲劳寿命预测时考虑焊接残余应力的必要性。本文方法可推广应用于含有焊接残余应力的结构疲劳寿命预测,为结构优化设计提供指导。

热-机荷载作用的P-FGM扁球壳跳跃屈曲分析
郭冬梅, 龚雪蓓, 赵伟东
2022, 58(24): 111-120. doi: 10.3901/JME.2022.24.111
摘要:

基于经典壳体理论和Sanders非线性应变-位移关系,导出了幂律型功能梯度材料(P-FGM)扁球壳在热-机械荷载作用下的几何非线性常微分控制方程。推导过程考虑了沿厚度存在一维热传导温度场和法向均布荷载作用。采用打靶法求解了由控制方程和固定夹紧边界条件构成的两点边值问题。得到了FGM扁球壳的一些典型的屈曲平衡路径和双稳态构形。对热-机械荷载作用的FGM扁球壳的跳跃屈曲行为进行了参数影响分析。结果表明:温度上升时,球壳上临界荷载显著增加、下临界荷载变化不明显。梯度指数增加时,球壳上、下临界荷载均显著减小。组分材料模量增加时,球壳上、下临界荷载均显著增加。当底圆半径和厚度给定时,随壳体中面曲率半径增加,球壳上、下临界荷载均显著增加。当中面曲率半径和厚度给定时,随底圆半径增加,球壳下临界荷载显著减小,上临界荷载几乎不变。

运载工程
锂离子电池碰撞安全仿真方法的研究进展与展望
李红刚, 张超, 曹俊超, 周典, 张美合
2022, 58(24): 121-144. doi: 10.3901/JME.2022.24.121
摘要:

锂离子电池以优异的电化学储能和循环性能,已成为电动汽车和电动飞机等新能源装备的主要动力源。然而,其受外部冲击、碰撞等载荷导致的结构失效、内短路、热失控以及起火/爆炸等安全问题,严重制约了其进一步的发展与应用。详细总结了锂离子电池结构特性和电池机械滥用试验方法,阐述了锂离子电池在机械滥用下从力学失效到内短路和热失控的多场耦合失效机理。在此基础上,系统地综述了近年来国内外学者在锂离子电池碰撞安全仿真方法方面的研究进展,从材料本构建模、电池单体的力学建模与仿真、多场耦合仿真方法等方面总结了仿真方法的研究现状。梳理了各类仿真方法的特点、适用性与局限性,并重点讨论建模方法、仿真精度和效率等关键问题。最后,对锂离子电池碰撞安全仿真方法存在的瓶颈问题和未来的发展趋势进行展望。可为锂离子电池的碰撞失效机理研究、建模仿真和安全设计提供系统的参考与指导。

锂离子电池系统均衡策略研究进展
钱广俊, 韩雪冰, 卢兰光, 孙跃东, 郑岳久
2022, 58(24): 145-162. doi: 10.3901/JME.2022.24.145
摘要:

相比电池单体,成组后电池系统的容量、寿命和安全性均会大幅度下降,其原因在于内部参数和外部环境导致的不一致性问题。因此,需要均衡管理系统保障电池的一致性,其中均衡策略是关键之一。从均衡动机、均衡目标、均衡算法和均衡策略评价四方面,对国内外电池均衡策略研究进展进行了综述。首先深入分析电池组一致性影响因素,确定均衡动机。其次,从均衡目标出发,总结了电池组、电路和多目标融合三方面研究进展。再次,根据不同的算法分类详细阐述均衡算法。之后,对均衡策略的评价进行总结并提出一种新的评价方法。最后,系统梳理了目前亟待解决的均衡技术关键问题,对未来均衡策略的研究进行了展望。

基于云控系统高精度地图驱动的深度强化学习型混合动力汽车集成控制
唐小林, 陈佳信, 高博麟, 杨凯, 胡晓松, 李克强
2022, 58(24): 163-177. doi: 10.3901/JME.2022.24.163
摘要:

在智能化、网联化与新能源化的发展背景下,汽车工业将联合计算机、信息通信、人工智能等领域实现融合性发展。基于新一代信息与通信技术——智能网联汽车云控系统,通过网联数据驱动的形式实现新能源汽车的云控级自动驾驶,将为车辆行驶与动力系统提供革新的规划与控制思路。首先,基于云控系统的资源平台获取目标路段的经纬度、海拔、气象信息,建立包含坡度、曲率、转角等数据在内的高精度模型。其次,提出了一种基于高精地图驱动的深度强化学习型混合动力汽车集成控制方法,通过利用两种深度强化学习算法对整车层的速度与转向以及动力系统层的发动机与变速器进行控制,实现了四种控制策略的同步学习。最后,采用高性能边缘计算设备NVIDIA Jetson AGX Xavier进行了处理器在环测试。结果表明,当变量空间涉及14种状态与4种动作时,深度强化学习型集成控制策略在全程172 km的高速工况下实现了在整车层对速度与转向的精准控制,同时取得了5.53 L/100 km的燃油经济性,并且在嵌入式处理器在环测试中仅消耗104.14 s的计算时间,有效验证了学习型多目标集成控制策略的优化性与实时性。

高速列车S38C车轴外物致损模拟与疲劳性能研究
高杰维, 余明华, 朱顺鹏, 廖鼎, 李亚波, 韩靖
2022, 58(24): 178-187. doi: 10.3901/JME.2022.24.178
摘要:

外物致损是造成高速列车车轴疲劳失效的典型因素之一。采用立体显微镜分析CRH2系列高速列车S38C车轴表面的损伤,借助轻型空气炮向取于S38C车轴表面的四点弯曲疲劳试样发射多种角度、速度的球形和正方形钨钢弹体,模拟外物致损。采用逐步加载法来确定损伤试样的疲劳强度,在场发射扫描电镜下观测损伤特征和疲劳断口形貌。结果表明,车轴表面的损伤大部分是刮擦,少部分是缺口。球形弹体垂直冲击损伤随着速度的增大变得逐渐恶劣,材料缺失和微裂纹分布在损伤边缘,底部出现绝热剪切带引发的裂纹;球形弹体斜冲击损伤出射区主要以形变和剪切作用下的掉块为主;方形弹体冲击损伤形态各异。不考虑损伤形成的工况,试样疲劳强度随着损伤深度的增加而降低,深度作为损伤评价参数具有可操作性,本研究为车轴外物致损检修标准的制定提供参考。

高速列车车轮型面多目标优化研究
祁亚运, 戴焕云, 干锋
2022, 58(24): 188-197. doi: 10.3901/JME.2022.24.188
摘要:

对于动车组车轮磨耗引起的动力学性能降低问题,车轮型面优化是一个很好的解决方案。采用旋转压缩微调法(Rotary-scaling fine-tuning method,RSFT)进行型面生成;建立某型动车组车辆动力学模型,采用该模型计算相应的优化目标和约束条件;利用径向基神经网络-粒子群(Radial-based neural network-particle swarm optimization,RBF-PSO)算法优化出最优廓形。通过对比优化前后车轮型面的动力学性能和磨耗性能,可以发现:优化后车轮型面临界速度为424.6 km/h,增大10.2%;横向平稳性和垂向平稳性指标整体减小,同时提高了曲线通过时的安全性指标,脱轨系数、倾覆系数和轮轴横向力都进一步减小。优化后车轮型面接触点分布相对更加均匀,等效锥度减小。同时优化后车轮型面有效减小车轮磨耗深度,并减小了轮缘根部磨耗,车轮最大磨耗深度减小9.8%。

双离合变速器预选档策略下齿轮敲击动力学分析
郭栋, 周仪, 周益, 罗瑞田, 任杰
2022, 58(24): 198-210. doi: 10.3901/JME.2022.24.198
摘要:

双离合自动变速器(Dual clutch transmission,DCT)在预选档状态下具有换档无动力中断和换档平顺等优点,然而在预选档策略下双离合自动变速器的齿轮敲击问题更加突出。以某型湿式双离合变速器为研究对象,分别建立变速器1档无预选以及预选2档下的齿轮敲击动力学模型。模型中各空套齿轮拖曳力矩包括齿轮搅油阻力矩、轴承阻力矩以及同步器阻力矩,此外,模型还考虑了变速器非功率流中未结合状态下离合器所产生的拖曳力矩。齿轮接触模型在考虑齿面弹性接触的基础上,计入了由润滑效应引起的齿隙间非线性油膜力。运用龙格库塔算法对模型求解,获得各齿轮副的动态响应。通过变速器敲击台架试验验证了动力学模型的可行性,计算结果与试验结果具有较好的一致性。对变速器齿轮动力学响应的研究结果表明:在一定角加速度激励下,变速器中空套齿轮存在明显的双面敲击现象;预选档位并不会对无预选状态下已发生敲击的齿轮副产生影响,但是预选档后,变速器非功率流分支发生改变,变速器内空套齿轮数量增多,整体上使变速器敲击问题更加突出。

融合双注意力机制EfficientNet的沥青路面状态分类方法
杨炜, 黄立红, 屈晓磊
2022, 58(24): 211-222. doi: 10.3901/JME.2022.24.211
摘要:

针对现有EfficientNet模型应用于沥青路面状态分类时,卷积操作易导致高层特征信息丢失问题,在现有EfficientNet模型的深层结构中引入一种双注意力机制,包含通道注意力模块和位置注意力模块,借助Sigmoid线性单元(Sigmoid linear unit,SiLU)激活函数和余弦学习率衰减策略,提出一种融合双注意力机制EfficientNet(Dual attention network based on EfficientNet,DAEfficientNet)的沥青路面状态分类方法。首先,建立不同天气下5种沥青路面共5 938张图像作为数据集,积雪样本来自开源数据集(Canadian adverse driving conditions dataset,CADCD)。然后,对所提出模型进行训练,并得到沥青路面图像分类结果。最后,利用准确率(Accuracy)、精确率(Precision)、召回率(Recall)、F1 score和特异度(Specificity),将所提出模型与其他现有卷积神经网络模型进行分类效果对比分析。试验结果表明:所提出模型优于其他对比模型,能准确、有效地对不同天气下的沥青路面状态进行分类。

汽车涡轮增压系统泄压噪声分析及控制
杨亮, 彭川, 李沛然, 张晋源, 杨洋, 褚志刚
2022, 58(24): 223-232. doi: 10.3901/JME.2022.24.223
摘要:

涡轮增压系统在改善汽车动力性和燃油经济性的同时也带来了严重的噪声问题。为控制汽车涡轮增压系统泄压噪声,综合运用计算气动声学方法和动网格技术,分析泄压工况下泄压阀的准稳态响应和涡轮增压系统的瞬态响应,并结合宽带噪声源模型和声类比方法获取涡轮增压系统泄压噪声特性,揭示汽车涡轮增压器连续瞬变工况下泄压噪声的产生原因,明确泄压噪声强度与进气质量流量的关联。泄压噪声主要由壁面涡脱效应引起,呈现宽频特征,且声源强度随质量流量减小而降低。鉴于此,提出通过改进泄压阀结构进行进气质量流量控制进而实现泄压噪声控制,并对泄压阀结构进行改进设计。仿真分析结果表明改进后强声源区域明显减少,总声压级平均降低约24 dB,泄压噪声得到有效控制。改进样件装车试验亦验证控制措施的有效性。该研究为涡轮增压系统泄压噪声分析与控制这一行业难题的解决提供有益参考。

基于非定常气动特性的高架动车组振动特性试验研究
黄尊地, 常宁
2022, 58(24): 233-242. doi: 10.3901/JME.2022.24.233
摘要:

定常横风引起的非定常气动特性影响高架运行列车的安全性和舒适性。开展定常横风下高架动车组的风洞试验,测试记录其车体表面压力时程曲线,进而分析其非定常气动特性及振动特性。试验结果表明,同一侧滑角同一风速下,车体中部同一侧测点的时程压力平均值差别不大,基本相等。当侧滑角保持90°不变时,测点气动压力的平均值、最大值和最小值与合成风速的二次方成正比;随着风速的增加,测点非定常压力波动加剧,波动幅度显著增大。当合成风风速保持60 m/s不变时,测点气动压力的平均值、最大值和最小值与侧滑角的1.27次方成正比;随着侧滑角的增大,测点的峰峰值呈现抛物线变化规律,非定常波动幅度先减小后增大。高架动车组车体的主振频率带随横风风速的增大基本保持不变,随侧滑角的增大基本保持不变;振动频率均在0~18 Hz范围内,并明显存在几个主要振动频率带,分别为8~10 Hz、0~2 Hz、14~16 Hz及16~18 Hz。

基于鲁棒积分滑模的四轮轮毂电机驱动电动汽车电液复合制动防抱死控制研究
张雷, 刘青松, 王震坡
2022, 58(24): 243-252. doi: 10.3901/JME.2022.24.243
摘要:

为了充分发挥四轮轮毂电机驱动电动汽车电机制动与液压摩擦制动响应快且独立可控的优势,提高紧急制动时车辆稳定性与安全性,提出一种基于鲁棒积分滑模的电液复合制动防抱死控制策略。采用分层控制架构,上层控制器为基于鲁棒积分滑模的车轮滑移率控制,下层控制器为电液复合制动力协调分配。建立整车动力学与电液复合制动系统模型,基于Simulink-AMESim-Carsim联合仿真平台,在四种典型制动工况下对上述电液复合制动防抱死控制策略进行仿真验证。结果表明,在无需实时获取路面附着系数与轮胎纵向力的情况下,所提出的控制策略仍能消除外界干扰使车轮滑移率收敛至期望值,适用于多种紧急制动工况,响应迅速且鲁棒性强;电机再生制动与液压摩擦制动可稳定协同工作,在保证制动可靠性的同时提升了乘坐舒适性。

基于数据驱动的电池系统泛化SOH估计方法
车云弘, 邓忠伟, 李佳承, 谢翌, 胡晓松
2022, 58(24): 253-263. doi: 10.3901/JME.2022.24.253
摘要:

准确可靠的电池健康状态估计是保证锂离子电池安全运行的关键,同时为失效预警提供参考。提出一种适用于电池单体和电池组的健康状态估计通用方法。首先,提出基于局部充放电数据的电池单体高效健康因子提取方法,保证健康因子和容量的高相关性和实现健康因子的在线可获取性。其次,提出考虑电池组容量衰减和不一致性的特征生成策略,利用主成分分析获取融合特征,利用双时间尺度滤波和电池组等效电路模型拓宽特征提取方法的应用范围。然后,基于高斯过程回归算法框架,考虑健康因子和容量衰减的整体关系和局部变化提出改进的高斯核函数提高估计精度和可靠性。最后,利用多个试验数据集验证算法在不同应用条件下的泛化能力。估计结果表明,对恒流放电工况的电池单体估计误差小于1.28%,在动态变温条件下电池单体估计误差小于1.82%;串联电池组的验证结果表明在各种应用场景下估计误差均小于1.43%。提高了电池系统健康状态估计的精度以及在广泛应用场景下的适应性。

基于线性时变模型预测控制的自主车辆轨迹跟踪控制器设计与验证
庞辉, 刘楠, 刘敏豪, 张风奇
2022, 58(24): 264-274. doi: 10.3901/JME.2022.24.264
摘要:

随着自动驾驶技术的快速发展,精确的轨迹跟踪已经成为汽车工业和学术领域公认的实现自主车辆运动控制的核心技术之一。为提高自主车辆轨迹跟踪的实时性与准确性,提出一种应用于自主车辆的线性时变模型预测跟踪控制器(Linear time-varying model predictive controller, LTV-MPC)设计方法。根据运动学原理建立某自主无人小车的二自由度运动学模型,其次,基于该模型构建车辆轨迹跟踪系统的误差模型并利用线性参数化理论对其进行离散化,在模型预测控制框架内将该轨迹跟踪控制器的设计转化为一个线性二次规划最优问题。在一个实际搭建的自主车辆试验平台上对所提出控制器的有效性进行不同预设参考路径轨迹下的实车验证,结果表明,该自主车辆能够对所预设的实际参考道路轨迹进行快速、准确的轨迹跟踪控制,且具有较好的行驶稳定性能。

基于变预测时域MPC的自动驾驶汽车轨迹跟踪控制研究
杜荣华, 胡鸿飞, 高凯, 黄浩
2022, 58(24): 275-288. doi: 10.3901/JME.2022.24.275
摘要:

为了保证自动驾驶汽车轨迹跟踪的精度及行驶过程中的稳定性,提出一种基于车辆横向稳定状态在线识别和模糊算法的变预测时域模型预测控制(MPC)方法。针对车辆稳定状态的在线识别,采用k-means聚类算法对车辆行驶状态参数进行聚类分析,得到聚类质心,通过在线对比当前车辆状态量与不同聚类质心之间的欧氏距离获取车辆的实时安全等级。同时计算出当前车辆的轨迹跟踪横向偏移量,以这二者为输入,通过模糊控制算法在线计算出预测时域的变化量并输出给MPC控制器实现预测时域的自适应调整,最后求解出自动驾驶车辆跟踪轨迹的最优的控制序列,以达到在保持车辆稳定的前提下实现高精度轨迹跟踪控制的目的。CarSim/Simulink联合仿真结果表明,改进后的变预测时域MPC算法在提高自动驾驶汽车轨迹跟踪精度及横向稳定性方面的表现优于传统MPC控制器。

基于激光点云与图像融合的3D目标检测研究
刘永刚, 于丰宁, 章新杰, 陈峥, 秦大同
2022, 58(24): 289-299. doi: 10.3901/JME.2022.24.289
摘要:

目前基于激光雷达与摄像头融合的目标检测技术受到了广泛的关注,然而大部分融合算法难以精确检测行人、骑行人等较小目标物体,因此提出一种基于自注意力机制的点云特征融合网络。首先,改进Faster-RCNN目标检测网络以形成候选框,然后根据激光雷达和相机的投影关系提取出图像目标框中的视锥点云,减小点云的计算规模与空间搜索范围;其次,提出一种基于自注意力机制的Self-Attention PointNet网络结构,在视锥范围内对原始点云数据进行实例分割;然后,利用边界框回归PointNet网络和轻量级T-Net网络来预测目标点云的3D边界框参数,同时在损失函数中添加正则化项以提高检测精度;最后,在KITTI数据集上进行验证。结果表明,所提方法明显优于广泛应用的F-PointNet,在简单、中等和困难任务下,汽车、行人和骑行人的检测精度均得到较大的提升,其中骑行人的检测精度提升最为明显。同时,与许多主流的三维目标检测网络相比具有更高的准确率,有效地提高了3D目标检测的精度。

交叉与前沿
基于Wasserstein距离测度的非精确概率模型修正方法
杨乐昌, 韩东旭, 王丕东
2022, 58(24): 300-311. doi: 10.3901/JME.2022.24.300
摘要:

复杂物理系统的数学代理模型往往包含多类不确定性因素。在实际工程问题如机械系统可靠性优化设计中,可结合系统响应的部分实测数据,校准模型关键参数取值,修正模型结构,提高代理模型的保真性。但对于具有混合不确定性的非精确概率模型,传统基于欧式距离的模型修正方法并不适用。针对这一问题,提出一种基于Wasserstein距离测度的模型修正方法,该方法基于Wasserstein距离测度构建核函数,利用p维参数空间中Wasserstein距离的几何性质以量化不同概率分布之间的差异,相较于现有模型修正方法,可校准模型的高阶超参数,显著降低模型结构及参数不确定性。针对工程实际需求,进一步采用近似贝叶斯推理与切片分割技术以降低计算成本。通过受迫振动钢板本构参数校核问题与NASA Langley多学科不确定性量化问题验证了本方法在静力学与动力学等实际工程问题中的有效性。

基于具有墙角信息的语义地图改进AMCL重定位算法
蒋林, 聂文康, 朱建阳, 刘奇, 田体先, 李峻
2022, 58(24): 312-323. doi: 10.3901/JME.2022.24.312
摘要:

针对原始自适应蒙特卡洛定位(Adaptive monte carlo localization,AMCL)算法仅利用激光信息存在的缺陷,提出一种基于激光与视觉融合的语义地图进行全局定位,该语义地图融合基于深度学习的目标检测方法提取环境中的墙角语义;利用建立的包含墙角信息的二维语义栅格地图,结合视觉预定位方法及角点周围语义信息表来提高算法全局初始定位的效率和准确性,使得移动机器人可以在少量先验信息和运动的情况下更迅速地实现定位。提出视觉预定位的方法,改进了粒子权重更新方式,再同步结合AMCL算法与环境地图匹配进行精定位。最后通过搭建的移动机器人在不同场景下进行对比试验,验证了该方法的有效性。

基于概率-概率盒混合模型的气囊座椅防护特性可靠性分析方法
刘鑫, 何泽波, 周振华, 胡林
2022, 58(24): 324-333. doi: 10.3901/JME.2022.24.324
摘要:

针对不确定因素对载人空降气囊座椅防护性能的影响,提出一种基于概率-概率盒混合模型的气囊座椅防护特性可靠性分析方法。研制空降乘员气囊座椅,并建立相应的“假人-座椅”数值分析模型,通过开展装备落地碰撞试验对数值模型进行试验验证;然后,根据可靠性问题中的混合不确定性变量,在概率-概率盒混合模型基础上构建适用于气囊座椅防护特性的可靠性分析模型,并借助等概率变换和不确定性变量的区间分析将原始的双层嵌套的优化问题转化成单层优化问题,实现循环嵌套优化问题的解耦,从而提高可靠性指标的求解效率;最后,采用近似模型技术和隔代映射遗传算法完成对可靠性指标的高效求解。结果表明,该方法能有效对气囊座椅的防护特性进行可靠性评估,在装备空降技术领域具有一定的实际工程意义。

起重机变幅系统Simcenter 3D机液联合仿真分析
张旭飞, 邵焱, 付玉琴, 权龙
2022, 58(24): 334-341. doi: 10.3901/JME.2022.24.334
摘要:

针对传统起重机变幅系统仿真分析中未建立机械结构准确模型,不能精确模拟变幅动作过程的问题,以某大型起重机为例,在变幅机构的工作原理和简化数学模型分析基础上,基于NX和AMESim软件分别建立高精度三维机械结构和液压系统仿真分析模型;然后在NX的运动分析模块Simcenter 3D中建立机液联合接口,继而搭建机械-液压联合仿真分析系统,仿真计算了变幅上升过程中的变幅液压缸无杆腔压力和变幅角度等关键参数曲线,并进一步计算传统情况单独基于AMESim的仿真分析结果;通过将机液联合仿真与基于AMESim的仿真分析结果与试验测试结果对比可知,联合仿真分析的无杆腔压力和变幅角度等关键参数分布曲线更接近试验测试曲线,可大幅提高仿真分析精度,更准确模拟起重机的变幅动作过程。