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2022年  第48卷  第6期

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2022年, 第48卷, 第6期
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论文
直升机前飞状态旋翼结冰风洞试验研究
黄明其, 王亮权, 袁红刚, 彭先敏, 章贵川
2022, 48(6): 929-936. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0703
摘要:

为研究直升机旋翼在不同前飞状态的结冰情况,研制了直升机旋翼模型结冰试验台,在中国空气动力研究与发展中心结冰风洞4.8 m×3.2 m试验段中进行了旋翼结冰风洞试验。以某型直升机2 m直径旋翼缩比模型为试验对象,分析了旋翼转速、初始拉力系数对旋翼结冰的影响。结冰试验过程中保持旋翼操纵恒定,利用天平测量了旋翼拉力和扭矩性能的动态变化,并采用二维冰形切割及三维冰形扫描的方式分别测量了桨叶展向典型剖面的翼型及桨叶的整体结冰形态。试验得到了旋翼结冰关键数据,分析结果表明:旋翼桨叶结冰主要集中在桨叶前缘和下表面,结冰会在降低旋翼升力的同时增大旋翼扭矩和功率;小拉杆杆端轴承的积冰可能造成卡塞,变距拉杆上的积冰可能造成杆端轴承卡塞,从而使旋翼操纵失效。

近距空战训练中的智能虚拟对手决策与导引方法
孟光磊, 刘德见, 周铭哲, 朴海音, 陈耀飞
2022, 48(6): 937-949. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0687
摘要:

针对近距空战训练中智能虚拟对手攻防博弈的自主决策与占位导引问题,提出了基于动态贝叶斯网络(DBN)和约束梯度法的智能虚拟对手决策和导引一体化方法。结合空间占位态势、火控攻击区和机动动作识别结果等信息,建立近距空战决策动态贝叶斯网络模型,实现根据战场动态环境变化的占位导引指标决策。针对在线识别的各类目标机动动作,建立轨迹预测模型,实现目标轨迹的实时预测。根据占位导引指标和目标预测轨迹,考虑飞行性能约束,采用约束梯度法计算智能虚拟对手的优化占位导引量。实现了近距空战智能虚拟对手空间占位决策与导引量计算的无缝结合。近距空战仿真实验结果表明:所提方法能够实现智能虚拟对手的合理化自主决策和占位导引,克服了传统方法实现机动动作方式固化的问题,具备较好的实时性和优化性。

基于损伤力学的增材制造金属材料疲劳寿命预测
洪海铭, 詹志新, 王佳莹
2022, 48(6): 950-956. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0722
摘要:

增材制造(AM)技术发展迅速,广泛应用于航空航天领域合金构件的加工制造,而很多增材制造合金构件承受循环载荷,疲劳失效破坏十分普遍。通过建立考虑增材制造过程影响的疲劳损伤模型,计算了增材制造金属材料的疲劳寿命。给出了弹塑性本构模型和考虑增材制造过程参数的疲劳损伤模型,进而给出了疲劳寿命计算的有限元数值方法;对增材制造金属材料进行了疲劳寿命预测,预测值与试验值基本吻合,并从疲劳数据的分散性及增材制造金属材料内部的孔隙率2个方面分析了计算误差;讨论了体积能量密度比对增材制造金属材料疲劳性能的影响,并对结果进行了分析,为增材制造金属材料的疲劳损伤评定提供一种有效的方法。

基于朝向约束和重识别特征的目标轨迹关联方法
艾明晶, 单国志, 刘鹏高, 杨澎钢
2022, 48(6): 957-967. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0089
摘要:

基于检测关联和深度学习的目标轨迹关联方法是计算机视觉领域的研究热点之一,但现有方法设计中缺乏有效的时空约束,且目标表观特征泛化能力不足,在目标朝向差异明显的情况下会发生识别错误,在目标轨迹关联时会导致频繁的ID切换和错误关联。针对该问题,提出了一种基于朝向约束和重识别特征的目标轨迹关联方法。将行人朝向判别引入行人重识别中,提出了一种具有朝向约束力的行人重识别网络模型,提升了目标特征的表示能力。结合目标朝向、卡尔曼滤波得到的位置信息、重叠面积等时空特征,提出一种基于朝向约束的分层轨迹关联模型,得到单相机内的目标轨迹。在跨相机场景中,通过引入一种简单有效的双向竞争匹配机制,实现了目标轨迹的有效关联。实验结果表明: 所提方法在MOT数据集上度量指标优于多种方法,能够减少频繁的ID交换,有效解决了相似目标相向而行时的错误关联;帧率达到19.6帧/s,能够满足近实时场景下的使用要求。

基于μCT图像的PVC泡沫微观试样几何模型生成算法
周勇, 薛斌, 郭昀鑫, 王人鹏
2022, 48(6): 968-978. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0726
摘要:

在泡沫微观结构的数值模拟中,泡沫空腔的几何特征和排列状态对计算效率及计算结果有着重要的影响,基于前进面搜索几何构造算法和Laguerre划分算法,提出了一种新的PVC泡沫微观试样几何模型生成算法。从μCT扫描图像重构泡沫的真实几何模型,测量泡沫空腔的几何特征及体积分布规律,将测量得到的泡沫空腔体积转化为球体,并通过前进面搜索几何构造算法投入空间,通过Laguerre划分算法将空间球体进行区域划分,赋予壁厚参数,构建出闭孔PVC泡沫的微观几何模型。所建立的模型在微观几何特征上与实际材料符合较好。

金属蜗杆与塑料斜齿轮不等齿距啮合方法
任继华, 石照耀, 王得峰, 余石鹏
2022, 48(6): 979-985. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0690
摘要:

为了进一步提高金属蜗杆与塑料斜齿轮传动中塑料齿轮的承载能力,研究了传统等齿距蜗杆与斜齿轮啮合传动时受力的特点,提出了蜗杆与斜齿轮不等齿距啮合方法。基于梁弯曲理论和轮齿变形理论,得到了齿面载荷、变形及接触刚度的关系,并以轮齿齿根弯曲变形率相等为前提,推导了不等齿距啮合的设计方法,得到了不等齿距啮合时蜗杆的齿距调整量,通过静态强度实验进行了验证。实验结果表明:不等齿距设计可以使塑料斜齿轮的承载能力提高13.69%。

卷积神经网络卫星信号自动调制识别算法
崔天舒, 崔凯, 黄永辉, 赵文杰, 安军社
2022, 48(6): 986-994. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0711
摘要:

自动调制识别是空间认知通信系统的关键技术,有助于实现自适应信号解调。深度神经网络虽然具有特征提取能力强的优势,但也存在参数众多、计算量大的问题,难以实现空间在轨应用。针对以上问题,提出了一种轻量化、高性能的卷积神经网络结构。网络先提取信号的同相正交相关特征,再提取时域特征,最后提取各通道特征均值进行分类。对11种调制方式分类的实验结果表明:当信噪比高于0 dB时,平均识别准确率能达到86.94%,较传统的高阶累积量的方法提高了31.54%;与目前高识别准确率的深度神经网络模型相比,仅使用不到10%的模型参数,在树莓派4B上计算速度平均提高了20倍。

产品协同设计中异构模型数据融合的有效策略
薛俊杰, 周军华, 施国强, 宋晓, 蒋炎红, 全红艳
2022, 48(6): 995-1003. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0699
摘要:

针对复杂产品设计中,不同设计工具产生的模型数据之间的融合问题,提出了一种工具间端到端的异构模型数据融合策略。利用数据库管理动态特性,通过模型信息共享,实现异构模型数据之间的融合。在OpenMBEE系统集成环境中,通过建模工具CREO二次开发,利用所提策略获取全生命周期设计中的动态模型属性信息,通过3D模型编辑及重用功能测试,验证了所提策略的有效性。利用自动获取可视化模型属性信息的智能算法,设计一种基于Transformer模型与双向长短期记忆(Bi-LSTM)模型相结合的模型属性智能提取算法,利用神经网络的多层感知特性,通过对模型中属性文本信息进行深度学习、特征分析,实现了对异构数据属性信息的自动提取功能。利用CAMEO建模工具设计的需求分析模型构建模型数据集,验证了智能模型信息自动提取功能的有效性。

一种基于自动分区的海量科学数据计算框架
田杨, 晏海华
2022, 48(6): 1004-1012. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0704
摘要:

在科学研究领域, 存储容量、处理效率和分析精度并不能适应科学数据的指数级增长速度。通过对科学数据结构与标准的研究, 提出了一个海量科学数据计算框架BSDF。提出了一种基于模型驱动的统一数据接口, 实现对异构科学数据的无差别访问;提出了一种基于元数据的自动分区算法, 通过参数预取与超平面维度计算确定任务颗粒度。实验结果表明:与H5Spark科学数据计算框架的基于9项基准测试的性能相比, BSDF计算框架提升了39%~68%;在特定领域PKTM的算法优化上, BSDF达到了41.62倍的加速比。

移动机器人自主动态避障方法
张贺, 缪存孝, 唐友军, 闫晓强, 时彦洋, 余远金
2022, 48(6): 1013-1021. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0727
摘要:

针对基于水流场的全向移动机器人动态避障过程中可能出现的避障失效和避障路径过长问题, 提出了一种基于速度斥力场改进人工势场方法的全向移动机器人自主动态避障方法。详细分析基于水流场改进的人工势场法在动态避障过程中存在的移动机器人从障碍物前方绕过而引起的避障路径过长或避障失效问题;在基于水流场的人工势场避障方法中, 根据移动机器人和动态障碍物的相对速度, 引入速度斥力场, 使得移动机器人从动态障碍物的后方通过, 实现全向移动机器人的安全自主动态避障。通过仿真和室内避障实验, 验证了所提自主动态避障方法的有效性和实用性。

基于VMD-MPE的开关磁阻电机功率变换器故障诊断
张竞文, 熊立新, 马宏昌, 边敦新
2022, 48(6): 1022-1029. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0696
摘要:

故障诊断是提升开关磁阻电机(SRM)调速系统可靠性的重要技术。针对功率变换器故障信号非线性不稳定、有效信息易被噪声掩盖的特点, 提出了一种新的故障特征提取方法。对直流母线电流进行变分模态分解, 得到若干本征模态分量, 取多尺度有效模态分量排列熵平均值作为特征向量, 输入支持向量机分类器进行故障识别。为验证所提方法的可行性, 建立仿真模型, 与传统的小波分析等故障诊断方法进行对比;搭建了开关磁阻电机实验台架, 测试了开路、短路故障状态。仿真和实验结果表明:所提方法可减小噪声影响, 提高故障识别准确率。

基于多任务辅助推理的近眼视线估计方法
王小东, 谢良, 闫慧炯, 闫野, 印二威, 李卫国
2022, 48(6): 1030-1037. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0700
摘要:

眼动交互是头戴式虚拟现实(VR)/增强现实(AR)设备的关键操控方式, 如何进行高精度、高鲁棒性的非标定视线估计是当前VR/AR眼动交互的核心问题之一, 高效、鲁棒的非标定视线估计需要大量的眼图训练数据和高效的算法结构做支撑。在现有基于深度学习的近眼视线估计方法的基础上, 通过添加多任务辅助推理模块, 增加网络结构的多阶段输出, 进行多任务联合训练, 在不增加视线估计测试耗时的前提下, 有效提升视线估计精度。在模型训练时, 从视线估计网络结构的多个中间阶段引出多个眼部特征的辅助推理并行网络头, 包括眼动图像的语义分割、虹膜边界框及眼部轮廓信息, 为原始视线估计网络提供多阶段中继监控, 在不增加训练数据的基础上, 有效提升视线估计网络的测试精度。在国际公开数据集Acomo-14与OpenEDS2020上的验证实验表明, 与无辅助推理的网络相比, 所提方法精度分别得到了21.74%与18.91%的效果提升, 平均角度误差分别减少到1.38°与2.01°。

输入受限下多无人机三维协同路径跟踪控制
刘荣华, 刘树光, 张博洋, 王欢, 李伟
2022, 48(6): 1038-1049. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0701
摘要:

针对多无人机在三维空间的协同路径跟踪问题,设计了基于反步法的协同控制器。考虑无人机在飞行过程中的输入饱和问题,加入辅助控制系统,以确保系统在输入受限下仍能保持良好的控制性能。将无人机六自由度非线性模型反馈线性化处理,同时考虑无人机飞行时受到的外界不确定扰动及自身模型存在的未建模动态,利用径向基函数在线估计补偿,提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力。为了解决反步法需要对虚拟控制量求导导致的控制器复杂问题,引入一阶滤波器,避免对虚拟控制量的求导。利用图论解决无人机机间通信问题,基于一致性理论实现了多无人机的协同控制。基于Lyapunov稳定性理论,证明了系统的稳定性,仿真结果表明,所设计的路径跟踪协同控制器能够达到良好的协同跟踪控制效果。

一种改进PSO-ARMA半球谐振陀螺温度误差建模方法
吴宗收, 汪立新, 李新三, 李灿
2022, 48(6): 1050-1056. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0710
摘要:

为减小半球谐振陀螺(HRG)在温度效应下产生的漂移,建立了温度漂移补偿模型,对与温度有关的确定性漂移进行了补偿。提出了一种改进PSO-ARMA建模方法,对不确定性漂移进行了补偿。改进的PSO-ARMA建模方法将惯性权值递减策略引入到反向学习粒子群优化(PSO)算法中,提高算法跳出局部、快速收敛的能力,在建模时利用改进的PSO算法对ARMA参数寻优,以提高模型的精度。利用半球谐振陀螺升温实验数据进行了检验,经该模型补偿后,陀螺输出精度可达0.07°/h,且较传统ARMA建模方法精度提高了一倍。

基于AK-IS法的航空齿轮泵滑动轴承可靠性分析
高宁, 李华聪, 洪林雄, 曹瑞, 符江锋
2022, 48(6): 1057-1064. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0713
摘要:

为研究高转速、低介质黏度运行的航空齿轮泵滑动轴承动压润滑可靠性,通过将Reylonds润滑方程与影响矩阵耦合,建立了考虑轴瓦弹性变形的航空齿轮泵滑动轴承弹流润滑(EHL)模型。考虑滑动轴承尺寸公差和运行工况等引起的不确定性,将与滑动轴承润滑特性密切相关的动压润滑的压力峰值作为可靠性判据,采用自适应Kriging和重要抽样法相结合的AK-IS法对滑动轴承动压润滑特性进行了可靠性及灵敏度计算。研究结果表明:考虑轴瓦弹性变形的压力峰值比刚性轴瓦压力峰值降低15.04%,表明滑动轴承弹流润滑对轴承动压润滑的影响不能忽略;基于AK-IS法的航空齿轮泵滑动轴承动压润滑可靠性分析具有准确性和高效性;各不确定因素对动压润滑可靠性的影响程度不同,其中轴承的半径间隙对可靠性最敏感,转速对可靠性最不敏感。

吸气流动控制对翼身融合飞机气动特性的影响
贾媛, 曹翔, 吴江浩
2022, 48(6): 1065-1071. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0715
摘要:

以采用分布式动力的翼身融合飞机为研究对象,探究了吸气流动控制方式(吸气位置和吸气动量)对飞机起飞和巡航状态下气动特性的影响规律,解释了吸气流动控制影响翼身融合飞机气动特性的机理。研究结果表明:起飞大攻角状态下,采用外翼段吸气方案(吸气位置为0.05c,吸气动量为0.02),飞机最大升力系数与无吸气状态相比提升7.16%;巡航状态下,采用中心体段吸气方案(吸气位置为0.6c,吸气动量为0.012 5),可改善动力系统的压力分布,飞机升阻比与无吸气状态相比最大提升2.14%。

基于KF-LESO-PID洛伦兹惯性稳定平台控制
熊颖, 刘强, 任元, 樊亚洪, 孙津济
2022, 48(6): 1072-1081. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0721
摘要:

为克服现有惯性稳定平台使用机械轴承干扰量大, 使用气/液浮轴承难度高, 使用磁阻力磁轴承线性度差的缺点, 提出一种基于洛伦兹力偏转磁轴承的新型洛伦兹惯性稳定平台(LISP)。为克服耦合效应和承载摩擦谐振干扰对平台偏转通道高频姿态补偿控制的影响, 提出一种基于LESO-PID结合卡尔曼滤波(KF)反馈的数字控制方案。根据洛伦兹力磁轴承(LFMB)支承偏转系统结构特点, 建立了LISP转子偏转动力学模型;利用模型分析径向两自由度偏转特性, 提出在PID控制器的基础上, 引入线性扩张状态观测器(LESO)和卡尔曼滤波反馈以抑制摩擦谐振干扰及耦合效应;搭建了以DSP和FPGA为核心的数字控制系统, 并以离散形式将控制方法进行数字化实现。采用对数频率特性判据和Nichols曲线对所提控制方法的稳定性进行分析, 通过仿真比较引入LESO-KF前后转子偏转通道的稳定性。实验结果表明:PID控制条件下在高频时失真, 引入LESO-KF后明显降低噪声及干扰, 同时还可对系统内部状态参数进行实时观测。实验结果验证了所提控制方法对摩擦谐振干扰及耦合效应的抑制作用。

基于ESO的电液位置伺服系统反步滑模控制
张震阳, 汪成文, 郭新平, 陈帅
2022, 48(6): 1082-1090. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0724
摘要:

针对阀控电液位置伺服系统未建模摩擦力、参数不确定性和外部随机干扰造成的复合扰动问题, 提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的反步滑模控制方法。ESO的设计可以对作动器速度、加速度和复合扰动进行在线估计, 解决工程应用中对以上信号难以测定的问题;基于ESO估计值和位移反馈信号进行反步滑模控制器设计, 通过构造包含反步设计误差、滑模函数和观测器误差的Lyapunov函数, 对所提控制方法进行稳定性证明;为验证所提方法的有效性, 进行了AMESim和MATLAB/Simulink联合仿真, 与PID控制器、传统的反步滑模控制器和基于ESO的滑模控制器的控制效果进行对比, 并对仿真数据进行了分析。研究结果表明:所提方法可以有效抑制系统复合扰动, 位移跟踪精度高, 鲁棒性强。

多四旋翼无人机系统分布式分层编队合围控制
郑伟铭, 徐扬, 罗德林
2022, 48(6): 1091-1105. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0725
摘要:

针对带有多个领航者与跟随者的欠驱动四旋翼无人机群系统, 提出了一种分布式分层编队合围控制方法。设计分层分布式有限时间滑模估计器, 实现在仅有部分领航者获取到期望轨迹的条件下, 每架无人机都能生成其满足控制需求的估计位置信息。针对六自由度欠驱动四旋翼无人机模型的特点, 提出一种无人机位置层和姿态层的分层控制方法, 实现了无人机对所生成的估计位置的跟踪控制, 该方法采用高阶导数逼近算法, 防止在求解期望角速度的过程中出现微分爆炸。所提方法能在满足姿态稳定收敛的条件下实现有效的编队合围控制。通过数值仿真验证了所提方法的有效性。

采用改进导重法的拓扑结构灰度单元过滤技术
高翔, 王林军, 杜义贤, 付君健
2022, 48(6): 1106-1114. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0728
摘要:

针对二分法计算拉格朗日乘子时收敛速度较慢的问题, 提出了拉格朗日乘子计算方法, 应用于优化准则(OC)法和导重(GW)法2种密度更新方法, 并与二分法进行了对比。建立体积约束下柔度最小的拓扑优化模型;通过固体各向同性材料惩罚(SIMP)法或材料属性有理近似(RAMP)法计算单元的弹性模量;通过所提方法计算拉格朗日乘子, 并通过导重法更新单元密度;通过Heaviside投影函数减少灰度单元的数量。计算结果表明:虽然所提方法对有限元分析次数并没有显著改进, 但计算拉格朗日乘子所用CPU时间少于二分法, 且密度更新次数降低至50%以下;在2个数值算例中, 采用SIMP模型时, 导重法所得结构柔度比OC法更小, 能够得到刚度更高的结构。

常见问答