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2020年  第46卷  第5期

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2020年, 第46卷, 第5期
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论文
基于复杂网络的空中交通复杂性识别方法
吴明功, 叶泽龙, 温祥西, 蒋旭瑞
2020, 46(5): 839-850. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0354
摘要:

在空中交通管理中,识别空中交通复杂性是一项重要工作。目前的算法多采用飞机密度、机群、滞留程度等宏观指标对复杂性进行评价。利用复杂网络理论描述空中交通状况,将空域中的飞机视为节点,飞机与飞机之间距离小于彼此的机载防撞系统(ACAS)通信距离时开始构成连边,以此构建飞行状态复杂网络模型,可以更好地描述网络内部的微观特征。选取环边数、节点强度、平均聚类系数、介数中心性和网络效率等拓扑特性指标,对动态空中交通状况进行了研究。在此基础上,采用独立主元分析(ICA)在线识别空中交通复杂性,将交通顺畅的情况作为训练数据集进行处理,根据SPE统计量、I2统计量和Ie2统计量的变化来识别复杂性情况。仿真结果表明,所提方法可以较好地识别空中交通复杂性。

CFRP/钛合金叠层构件陀螺铣孔方法
高延峰, 方向恩, 熊俊, 肖建华
2020, 46(5): 851-861. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0330
摘要:

陀螺铣孔方法在普通螺旋铣孔的基础上,通过将铣刀倾斜一定的角度,使其在自转的同时围绕孔中心轴线做圆锥摆动式公转,以减少轴向力、提高制孔质量。利用陀螺铣孔方法对碳纤维增强复合材料(CFRP)/钛合金叠层构件进行制孔,分析了陀螺铣孔方法下制孔入口和出口阶段的材料去除速率、刀具侧刃和底刃的切削比例、底刃速度零点等。与普通螺旋铣孔相比,陀螺铣孔方法不会引起制孔入口和出口阶段材料去除速率的突变、其侧刃和底刃切削比例变大、底刃速度零点不进行切削。通过试验研究了制孔轴向力、切削温度的变化情况,发现陀螺铣孔方法可显著减小轴向力和切削温度。利用扫描电镜(SEM)对孔壁的表面质量进行了观测,发现陀螺铣孔方法可以消除CFRP孔入口部位的分层现象,且CFRP和钛合金材料的过渡部位也未产生明显的损伤。研究结果表明,陀螺铣孔方法有助于提高CFRP/钛合金叠层构件的制孔质量,具有潜在的工业应用价值。

基于最小二乘拟合法的分布式POS全局估计方法
叶文, 刘艳红, 王博, 蔡晨光, 李建利
2020, 46(5): 862-869. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0345
摘要:

针对无法保证各子阵天线附近均安装高精度子惯性测量单元(IMU)的问题,提出了一种基于最小二乘拟合的分布式位置姿态测量系统(POS)全局估计方法。首先,建立了考虑一维柔性变形角的主/子传递对准误差模型;然后,采用卡尔曼滤波(KF)估计已安装子IMU的子阵天线运动参数;最后,在已获取运动参数的基础上,采用最小二乘拟合估计未安装子IMU的子阵天线运动参数。半物理仿真实验结果表明,所提方法精确实现了阵列天线运动参数的全局估计,且未安装子IMU的子阵天线运动参数估计精度与相邻的子阵天线运动参数估计精度相当。

带前缘小翼的扇翼翼型气动特性数值模拟分析
杜思亮, 冯衬, 唐正飞
2020, 46(5): 870-882. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0356
摘要:

扇翼升力和推力的产生主要依靠翼型前缘弧形槽上方低压涡的形成,使得升力和推力具有较强的耦合关系,如何对其解耦控制是扇翼进一步工程应用的关键。对于扇翼翼型各项几何参数确定的情况下,前缘开口角的大小对扇翼气动性能的影响最大。因此考虑在基准扇翼翼型的前缘安装前缘小翼的方法来改变扇翼前缘开口角的大小,通过数值模拟的方法,对比分析了单片、双片和三片前缘小翼在不同前缘小翼偏转角、来流速度、迎角下对扇翼升力和推力的影响规律。结果表明:通过对前缘小翼偏转角的角度控制不仅仅可以改善扇翼的升力和推力,还可对低压涡的强度和位置进行控制,满足对扇翼气动力的主动控制要求,因而可实现对扇翼飞行器姿态进行操控的目的。

DRO计算及其在地月系中的摄动力研究
吴小婧, 曾凌川, 巩应奎
2020, 46(5): 883-892. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0353
摘要:

针对远距逆行轨道(DRO)的航天工程应用问题,研究了DRO的计算方法以及轨道特性,分析了DRO在实际力环境中的主要摄动因素,为DRO的精确建模和标称轨道设计奠定一定的理论基础。首先,利用仿真算例验证流函数法在计算DRO周期轨道族中的有效性。然后,利用该方法,通过改变雅可比常数,延拓计算DRO周期轨道族,获得不同共振比的DRO,仿真结果表明整数共振比的DRO在地月惯性坐标系中的轨迹是封闭的曲线,而共振比非整数的DRO则不封闭。最后,通过轨道外推分析影响DRO稳定性的主要摄动因素,仿真结果表明太阳引力和月球轨道偏心率是影响DRO稳定性的主要摄动因素。在动力学模型中,使用标准星历表示行星的运动状态,当积分时间多于10天时模型误差为km量级,因此在地月系这样大尺度的空间范围内,可以使用星历模型近似的分析DRO在真实力环境中的运动状态,为任务轨道设计提供依据。

基于M-K模型的TA15钛合金高温成形极限
毕静, 马博林, 张艳苓, 张志, 吴向东
2020, 46(5): 893-899. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0358
摘要:

为了探究TA15钛合金高温环境下的成形极限,明确本构方程中参数对成形极限的影响规律,建立了考虑高温软化效应TA15钛合金高温环境下的本构关系,利用高温成形极限试验平台及M-K失稳理论对TA15钛合金板高温环境下的成形极限分别进行了试验测试及理论预测。理论预测结果表明当温度从800℃提升至880℃时,平面应变状态下的极限主应变由0.18提升至0.33。基于M-K失稳理论和建立的高温本构模型,分析了本构方程中的参数对成形极限的影响规律,结果表明提高加工硬化指数、速率敏感因子及减小软化因子,均可以提升应变强化率的大小,进一步延缓沟槽内应变状态趋于平面应变状态,从而提升理论成形极限曲线在应变空间中的位置。此外,理论计算结果表明速率敏感因子对成形极限曲线的左侧影响程度要大于其对右侧部分的影响,该现象主要归因于速率敏感因子对不同应变大小下的应变强化率的影响不同。

非线性多目标概率约束规划免疫优化算法
张仁崇, 张著洪
2020, 46(5): 900-914. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0350
摘要:

针对噪声信息未知的一般非线性多目标概率约束规划(MOPCP)问题,探讨基于危险理论的多目标免疫优化算法(MOIOA)。算法设计中,借助自适应采样方法估计机会约束的概率和目标值;借助危险理论蕴含的应答模式分割进化种群为已感染、易感染和未感染子群;借助二进制交叉、自适应变异概率、多项式变异策略平衡种群的全局与局部搜索能力。与7种算法相比较获得的数值结果表明,所提算法的搜索效率有明显优势且搜索效果有一定的优越性,同时对复杂工程问题有应用潜力。

基于背景和变化稀疏性的瞬变源图像重建算法
杨宜, 邓丽, 段然, 杨震
2020, 46(5): 915-924. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0222
摘要:

针对射电干涉测量通过结合长时间观测的多组可见度数据对静态源进行高空间分辨率成像,但无法得到时变信息的问题,提出了一种基于背景和目标变化的直和空间上稀疏性的稀疏基线综合孔径动态场景图像重建算法。将起始时刻的亮温和相邻时刻的亮温变化作为待求解矢量,不同时刻的亮温表示为它们的和,构造测量方程,并利用起始时刻亮温和相邻时刻亮温的稀疏性进行求解,重建出不同时刻的瞬变源图像。仿真实验结果表明,对于小区域背景下的瞬变源,所提算法与已有方法相当,对于大区域背景下的瞬变源,所提算法优于已有方法。

基于散射光强度的碳黑团聚体分形结构和粒径分布同时反演
张俊友, 齐宏, 王一飞, 任亚涛, 阮立明
2020, 46(5): 925-932. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0339
摘要:

利用散射光信号实现碳黑团聚体分形结构和粒径分布参数的同时反演,在火焰辐射换热模拟和污染物测定方面有着重要应用价值。反演的正问题基于瑞利-德拜-甘斯多分散分形团聚体(RDG-PFA)散射理论,研究了2种信号方案,包括多角度散射及多角度散射-准直透射率。反演前,对比2种信号方案的残余适应度值分布发现,散射与透射信号同时使用有效减弱了反问题的病态性。反演过程基于协方差矩阵自适应的演化策略(CMA-ES)算法,该算法具有很强的局部搜索能力,为快速且稳定地反演各个目标参数提供了保障。反演结果表明了CMA-ES算法较大搜索空间内的可行性和普适性,同时也证明了采用多角度散射-准直透射率的组合信号有效提高了目标参数的反演精度。

丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究
刘成, 谢荣建, 王仕越, 吴亦农
2020, 46(5): 933-940. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0322
摘要:

通过采用石英补偿器和高速摄像机实现了对丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究,重点研究了补偿器内工质的状态随充装量和传热量的变化及充装量对环路热管传热性能的影响。研究发现,容积为51.4 mL的环路热管最佳充装量约为19.7 g。充装量小于最佳充装量的各工况下,能观察到对应补偿器内工质液面高度低于引流管,蒸发器和补偿器之间相变换热强烈,引流管外壁面明显有工质的冷凝及流动,且工质冷凝和流动的速度随着传热量的增加而加快;随着充装量增加,环路热管传热热阻减小,280 K工作温度以下的传热量增大。最佳充装量对应的补偿器内液面高度浸没引流管而接近蒸发器核心通道顶端,得到280 K以下最大传热量为40 W,对应的最优传热热阻为2 K/W。充装量大于最佳充装量的工况下,补偿器内液面高度超过蒸发器核心顶端,随着充装量增加,环路热管传热热阻增大,280 K以下的传热量减小。补偿器和蒸发器核心通道内的工质分布能影响蒸发器向补偿器的漏热量,这是充装量影响环路热管性能的重要原因。

基于CFD/CSD松耦合的直升机配平分析方法
余瑾, 王松, 刘勇, 杨卫东
2020, 46(5): 941-951. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0329
摘要:

针对直升机配平问题,基于CFD/CSD松耦合策略建立了计入旋翼气弹效应的配平分析方法。旋翼桨叶CSD求解器与旋翼CFD求解器以桨叶弹性轴和变距轴线为媒介,通过线性插值方法交换气动载荷和响应数据。CFD模块和CSD模块在时域内推进,旋翼每旋转一圈交互一次数据,以CFD模块计算的气动力来修正配平计算中气弹分析的气动力输入,直到配平量和CFD气动力在迭代过程中不再变化,即得到耦合配平解。以SA349/2“小羚羊”直升机小速度前飞状态为算例,计算表明所提方法收敛迅速、稳定性良好,计算结果与飞行实测值的对比分析验证了方法的有效性,对桨叶气动力曲线及桨涡干扰等现象具有很好的捕捉能力。

基于光场成像技术的散射性火焰温度场重建
黄兴, 齐宏, 牛志田, 任亚涛, 阮立明
2020, 46(5): 952-959. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0337
摘要:

光场成像是一项新兴的非接触式测温技术,针对传统辐射成像温度场重构效率低的问题,开展了基于光场成像的散射性火焰温度场重建研究。在火焰光场成像模型的基础上,以广义源项多流法为正问题模型,利用Landweber算法重构吸收散射性火焰的三维温度场,同时引入最小二乘QR(LSQR)分解算法作为对比以衡量Landweber算法的性能。分析了测量误差对于重建精度的影响,重建结果表明,即使在添加5%测量误差的情况下温度场的平均重建相对误差也仅为0.91%和0.92%,重建结果仍然是合理的。Landweber算法和LSQR算法具有相当的计算精度,但Landweber算法的计算时间是LSQR算法的1/10,其计算效率明显优于LSQR算法。

二阶多智能体系统自抗扰编队跟踪与避撞控制
姚辉, 席建祥, 王成, 胡来红
2020, 46(5): 960-977. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0359
摘要:

在多智能体编队的目标跟踪任务中,智能体受环境中的障碍物的遮挡作用会丢失目标,而外部扰动会影响系统的时变编队跟踪的控制效果。为此,研究了这两种因素同时存在情况下的二阶多智能体系统时变编队跟踪和避撞控制。采用基于目标跟踪优先级的切换拓扑控制策略以实现在障碍物遮挡环境中对目标的持续跟踪,根据自抗扰理论设计包含扰动补偿项的编队跟踪控制器。首先,基于一致性方法提出切换拓扑下自抗扰时变编队跟踪控制协议,并给出一种基于跟踪微分器的编队指令生成方法;其次,设计了求解控制参数的算法并给出协议作用下系统的稳定性分析和证明;然后,基于人工势场法设计避撞控制协议;最后,提出障碍物遮挡环境下自抗扰时变编队跟踪控制协议。仿真实验结果表明:所设计的控制协议在上述两种因素存在时仍具有良好的控制效果。

一种基于图论的机场空域无人机流量控制方法
崔恺, 曾国奇, 林伟, 全权
2020, 46(5): 978-987. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0282
摘要:

城市物流无人机机场需具有同时起降多架无人机的能力,针对中小型垂直起降无人机设计了一种单入口单出口、航路交叉、多停机坪的机场模型,提出了一种基于图论的飞行安全优先的流量控制方法。根据机场内无人机飞行状态,控制无人机进离场时间,规划出机场内飞行航路,保证无人机飞行安全。仿真结果表明:该流量控制方法可以确保无人机在机场空域内安全有序飞行;分别测试了面积不同的机场进场与进离场运行容量,在单个停机坪面积一定时,停机坪数量越多进场容量越大,但进离场容量反而越小;因此在设计机场时,在给定的机场面积情况下,需要合理规划停机坪数量。

单频RTK动态精度检测法及实验验证
孙艺轩, 蔚保国, 杨东凯, 杜毅, 汉牟田
2020, 46(5): 988-993. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0341
摘要:

单频RTK技术在高精度测绘、无人驾驶等领域有着广泛应用,针对单频RTK的动态定位精度量化问题,提出了一种易于操作、适用地域广、不需要额外辅助设备的单频RTK动态精度检测法。首先,在地面建立基准直线; 然后,沿基准直线以走停模式测量RTK静态、动态组合数据,将静态数据利用整体最小二乘法拟合得到检核直线,并以此为参考评定动态定位精度; 最后,进行可靠性检验。精度评定时,以动态点到检核直线的平均偏离作为动态精度指标,采用间距误差作为检验所提方法可靠性的指标。实验结果表明,所提方法具有较高的可靠性,可以准确量化单频RTK约2~5 cm的动态定位精度。

基于深度学习的大型陨石坑识别方法研究
郑磊, 胡维多, 刘畅
2020, 46(5): 994-1004. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0342
摘要:

陨石坑是天体表面最为显著的地形特征,传统陨石坑识别方法主要是对小型陨石坑正负样本的二分类问题研究,且效率和精度均不高。以星体宏观视角下的大型陨石坑作为研究对象,结合图像处理和神经网络等方面的知识,创建了来自不同数据源的陨石坑样本数据库,研究了数据源对网络模型泛化能力的影响,提出了一种效率更高的陨石坑多分类识别方法。在非极大值抑制(NMS)算法基础上,提出了一种精度更高的陨石坑检测算法。经过参数优化和实验验证,构建的基于深度学习的多尺度多分类陨石坑自动识别网络框架取得了较高的准确率,在同源验证集上识别率可达0.985,在异源验证集上识别率可达0.863,并且有效改善了目标检测时检测框冗余及误检测的问题。

基于扩张状态观测器的运输机多故障容错控制
董文瀚, 童颖裔, 朱鹏, 郭佳
2020, 46(5): 1005-1017. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0346
摘要:

针对含有传感器与舵面故障的运输机姿态跟踪问题, 提出了一种基于扩张状态观测器的反步容错控制方法。采用状态观测器与控制器分开设计的方法, 设计含神经网络的扩张状态观测器估计系统状态、传感器和舵面故障信息。在此基础上, 利用状态估计值代替实际状态, 采用反步法设计姿态角跟踪控制律, 并引入指令滤波器提高反步法的控制性能, 基于Lyapunov稳定性理论推导证明了闭环系统跟踪误差的最终有界收敛。仿真结果表明, 在系统存在传感器与舵面多故障的条件下, 所提方法依然可以实现运输机姿态角的稳定跟踪。

昼夜温度变化对燃油箱空余空间氧浓度的影响
张瑞华, 刘卫华, 彭孝天, 冯诗愚
2020, 46(5): 1018-1023. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0331
摘要:

燃油箱空余空间氧浓度变化规律的确定是惰化系统的设计基础,但影响燃油箱空余空间氧浓度因素很多,当前人们对于昼夜温度变化这一实际现象还缺少必要的分析计算。为此,以某型飞机中央翼燃油箱为研究对象,依据FAR25适航条款中昼夜温度变化的相关规定,建立理论仿真模型,利用实验数据对模型进行验证,探讨燃油箱空余空间氧浓度与昼夜温度变化之间的对应关系,并分析昼夜温度变化范围、载油率、初始氧浓度、溶解氧析出等因素对燃油箱空余空间氧浓度的影响,提出满足适航条款要求的夜间停机前燃油箱初始氧浓度限值。研究结果表明:昼夜温度的变化范围、载油率、初始氧浓度等因素对燃油箱空余空间氧浓度变化规律影响程度有所不同;停机前燃油箱初始氧浓度限值应该低于最低氧浓度限值0.5%~1%。研究成果将对惰化系统设计、燃油箱可燃性暴露时间计算具有较好的参考价值。

一种飞机大尺寸曲面测量点差异性规划方法
毛喆, 李泷杲, 徐岩, 曾琪, 主逵
2020, 46(5): 1024-1031. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0334
摘要:

数字化测量技术在飞机大尺寸零部件检测的应用日益广泛,合理规划测量点数量和分布以精确地描述待测特征已成为关键问题之一。针对复杂曲线曲面的测量点规划问题,提出了一种基于确定性表达的测量点差异性规划方法。利用非均匀有理B样条(NURBS)理论精确拟合自由曲线,通过粒子群优化算法综合优化控制点及权因子,构建高精度的拟合曲线。提出了面向曲率特性和测量不确定度的布点策略,结合曲面特性建立完整、高效的测量点规划流程。基于CAA模块程序化实现了测量点规划方法,并以试验件为验证对象,验证了所提方法的可行性和系统的有效性。

燃油箱耗氧惰化与中空膜惰化的数值模拟及比较
王苏明, 冯诗愚, 李宗祺, 彭孝天, 刘卫华
2020, 46(5): 1032-1038. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0332
摘要:

针对耗氧型惰化系统燃油箱上部空间氧气体积分数随时间变化规律的问题,对耗氧型惰化系统的反应过程建立了数学模型,并通过CFD方法对机载绿色惰化气体产生系统(GOBIGGS)系统和机载惰化气体产生系统(OBIGGS)的惰化过程进行了模拟仿真,并与实验数据进行对比,验证了仿真结果的准确性。研究结果表明,当耗氧型惰化系统抽吸气的体积流量与中空膜惰化产生的富氮气体(NEA)体积流量相同时,耗氧型惰化系统不仅惰化时间短,而且能将燃油箱的O2摩尔分数降至更低。同时耗氧型惰化系统的惰化效果与相同体积流量下NEA0(100%N2)的中空膜惰化效果相近。另外,耗氧型惰化系统使燃油箱气相空间上部O2摩尔分数大于下部O2摩尔分数,中空膜惰化则相反。

基于深度学习的图像拼接篡改检测
边亮, 罗霄阳, 李硕
2020, 46(5): 1039-1044. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0583
摘要:

传统图像拼接检测算法通过研究人员手动构造拼接特征,随着科技的进步以及图像处理技术的不断发展,手动构造特征的局限性逐渐体现出来,鲁棒性较弱,位置不易确定等。为了解决这些问题,构建了一种卷积神经网络(CNN),将卷积核前置并固定,自主学习相关特征从而检测拼接篡改的图像区域。经过一系列研究,发现拼接篡改图像的拼接篡改区域特征可以被CNN模型学习。在CNN模型之前,卷积核使用高通滤波器,激活函数采用指数线性单元(ELU),使得CNN模型具有识别拼接篡改图像边缘痕迹等特征的能力。检测结果表明:在IEEE IFS-TC图像拼接取证竞赛训练集上对拼接篡改图像拼接篡改区域定位的准确率为84.3%,对拼接篡改区域判定的真负类率为96.18%。

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