郑州大学学报(工学版)

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2025年03月10 00:00

基于ADRC的多电极协同上肢康复运动控制方法

2025年03月10 00:00

功能性电刺激(FES)是重要的卒中致残康复治疗方法,而现有的功能性电刺激设备多使用单对表面电极对肌肉施加刺激,难以在肢体运动过程中精确定位最佳刺激位置,同时,受内外干扰的影响,康复运动控制精度有待提高。为此,提出了一种基于自抗扰控制(ADRC)的多电极协同控制方法。首先,设计了一套用于上肢康复的多电极功能性电刺激系统;其次,通过分析上肢的动力学模型确定电极切换策略,在角度跟踪过程中根据角度区间动态调整电极组合,实现对最佳刺激位置的跟踪;再次,引入ADRC作为控制器实时估计和补偿系统的扰动;最后,招募健康受试者,开展仿真和实验验证。结果表明:所提出的控制方法实现了对上肢运动的精确控制,与固定电极策略的控制方法相比,平均跟踪误差均值降低了约50.41%,均方差降低了约43.30%。此外,受试者肌电信号分析结果表明:采用电极切换策略的肌电信号与固定电极策略相比,振幅平均绝对值MAV和中值频率MF分别减少了约40.21%、 17.97%,肌肉疲劳得到了一定的缓解。

基于单目视觉前馈的机械臂目标快速三维瞄准方法

2025年03月10 00:00

针对基于单目视觉的机械臂目标瞄准缺少三维深度信息和收敛速度慢等问题,提出了一种单目视觉前馈的六自由度机械臂快速瞄准方法。首先,对YOLOv4的CSPDarknet网络进行裁剪,减少Conv2d_BN_Mish单元数量,简化特征提取网络复杂度,得到Lite YOLOv4以此提高目标检测速度;其次,根据从单目图像中检测得到的目标像素坐标,求取目标像素坐标的反投影归一化坐标,得到激光瞄准器期望的相对三维瞄准射线方程;再次,提出多点标定法实现单目相机、激光瞄准器以及机械臂坐标系的外参数标定,并根据外参数标定结果与激光瞄准器的期望三维射线方程计算机械臂各个关节的期望姿态;最后,基于机械臂的直接位置控制代替图像视觉伺服,加快收敛速度,实现基于单目视觉前馈的机械臂目标快速三维瞄准。经实验验证,所提方法单目平均瞄准响应时间仅为0.611 s,同时目标瞄准成功率达95.238%,与传统基于图像的视觉伺服的方法相比提高了4.762百分点。

基于JPS和变半径RS曲线的Hybrid A∗路径规划算法

2025年03月10 00:00

为解决混合A∗(HybridA∗)算法在高分辨率地图和复杂场景下搜索效率低、耗费时间长的问题,通过对影响传统HybridA∗算法搜索效率的因素进行分析,提出了J-HybridA∗算法。首先,在HybridA∗算法扩展节点前,使用跳点搜索(JPS)算法进行起点到终点的路径搜索,将该路径进行拉直处理后作为计算节点启发值的基础;其次,设计了新的启发函数,在HybridA∗算法扩展前就能完成所有节点启发值的计算,减少了HybridA∗扩展节点时计算启发值所需的时间;最后,将RS曲线由最小转弯半径搜索改为变半径RS曲线搜索,使RS曲线能够更早搜索到一条无碰撞路径,进一步提升了HybridA∗算法的搜索效率。仿真结果表明:所提J-HybridA∗算法在简单环境中比传统HybridA∗算法和反向HybridA∗算法用时分别缩短68%、21%,在复杂环境中缩短59%、27%。在不同分辨率地图场景中,随着地图分辨率的提高,规划效率显著提升。实车实验表明:所提J-HybridA∗算法相较于传统HybridA∗算法和反向HybridA∗算法的搜索用时分别减少88%、82%,有效提升了HybridA∗算法的搜索效率、缩短了路径规划所需时间。

基于障碍密度优先策略改进A∗算法的AGV路径规划

陈一馨, 段宇轩, 刘　豪, 谭世界, 郑天乐 — 2025年03月10 00:00

针对传统A∗算法在障碍物较多的实际场景下进行AGV路径规划时,存在路径拐点多、路径冗余节点过多以及易陷入局部最优解等问题,提出一种改进A∗算法,采用栅格法进行环境建模。首先,在启发函数中引入障碍物密度函数K(n)改进代价函数,用于更准确地估计当前节点到目标节点的实际代价;其次,采用动态邻域搜索策略提高算法的搜索效率和运行效率;最后,通过冗余节点处理策略减少路径拐点和删除冗余节点,得到只包含起点、转折点以及终点的路径。采用不同尺寸和复杂度的栅格环境地图进行仿真实验,结果表明:所提改进A∗算法与传统A∗算法以及其他改进的A∗算法相比,路径长度分别缩短了4.71%和2.07%,路径拐点数量分别减少了45.45%和20.54%,路径存在节点分别减少了82.24%和62.45%。

基于群体智能优化算法的移动机器人分组聚集方法

刘中常, 李国良 — 2025年03月10 00:00

为了应对多个混合移动机器人集群在进行分组聚集时速度慢、成功率低等问题,设计了一种基于群体智能优化算法的分散式的分组聚集导航方法,使得每个机器人只利用有限感知范围内其他机器人的信息,结合灰狼优化(GWO)算法的原理来计算其与同组其他机器人进行聚集的首选导航速度。在确定每个机器人可利用的局部信息时,根据各组机器人的信息共享意愿,分为不同组之间相互合作和相互独立两种情况分别进行设计,从而实现了对原始的集中式GWO算法的分散化处理与应用。进一步对原始GWO算法进行改进,通过采用非线性收敛因子来提高机器人的前期探索能力,从而增大与同组成员的相遇概率,最终提高分组聚集的成功率。为了避免移动过程中机器人之间发生相互碰撞,利用分散式的最优互惠避碰(ORCA)算法对每个机器人的首选导航速度进行修正。仿真结果显示了所设计的不同分组聚集导航算法的有效性,并且相较于现有的基于粒子群优化(PSO)算法的分组聚集方法,所设计的各算法均具有更高的成功率、更快的收敛速度及更强的稳定性。

基于改进GAN的人机交互手势行为识别方法

2025年03月10 00:00

为改善现有手势识别算法需要大量训练数据的现状,针对识别准确率不高、识别过程复杂等问题,基于生成式对抗网络(GAN)和变分自编码器,引入标签信息,提出一种基于改进GAN模型的人机交互手势行为识别方法。首先,在编码器和解码器中分别添加改进InceptionV2和InceptionV2-trans结构增强模型的特征还原能力;其次,在各组成网络中进行条件批量归一化(CBN)处理改善过拟合,以Mish激活函数代替ReLU函数提升网络性能;最后,通过实验证明该方法能够以较少的样本获得100%的分类准确率,且收敛时间短,验证了该方法的可靠性。

基于自适应采样策略的模糊分类代理辅助进化算法

李二超, 吴　煜 — 2025年03月10 00:00

针对基于分类代理辅助进化算法模型管理效率不高和如何有效降低真实函数评估次数的问题,提出了一种基于自适应采样策略的模糊分类代理辅助进化算法。首先,算法通过帕累托支配关系筛选样本来构造代理模型;其次,采用基于转移的密度估计策略提高选择压力,兼顾收敛性与多样性,同时利用十折交叉验证得到精度信息用来划分状态;最后,设计了一种自适应模型管理策略,其考虑当前种群的收敛性、多样性和不确定性,并根据不同精度状态采用有针对性的采样方式,该算法能够在保证整体性能的前提下,合理减少真实评估次数。为验证所提算法性能,将该算法与其他4种算法在MaF、WFG测试集和汽车侧面碰撞设计与驾驶室设计的实际工程问题上进行了分析对比实验,实验结果表明:所提算法在有限次评估条件下,在解决昂贵多目标优化问题时具有较好的竞争力。

基于交叉量化和样本校正的自监督遥感图像检索

2025年03月10 00:00

自监督遥感图像检索模型由于标签缺失导致使用错误的样本对进行学习,从而产生抽样偏差,影响图像表征的准确性,为此提出一种基于交叉量化和样本校正的自监督遥感图像检索模型(CQSC)。首先,为了降低数据存储和处理负载,将传统对比学习中的映射层与乘积量化相结合,压缩高维图像数据,提高了检索效率;其次,使用交叉学习策略,最大化检索模型中特征映射前后的交叉相似性,增强模型的特征生成能力和检索精度;最后,针对自监督遥感图像检索中因标签缺失导致的抽样偏差,设计自适应纠错标签,标注训练样本,校正训练过程中存在的错误负样本。在UCMerced和EuroSAT数据集上进行了大量实验,结果表明:与PLSH方法相比,在UCMerced数据集上,所提方法mAP@20平均提升了2.52百分点;在EuroSAT数据集上取64 bits时,所提方法mAP@100提升了3.83百分点。

RIS辅助无人机通信系统波束赋形双重循环优化算法

2025年03月10 00:00

为提高复杂城市环境中无人机(UAV)集成可重构智能表面(RIS)构成的RIS-UAV中继通信系统的频谱效率,研究了定轨迹RIS-UAV中继通信系统的最大化系统下行和速率问题,构建了一个联合主被动波束赋形的多变量非凸优化问题。为了解决该问题,设计了一种基于分式规划(FP)的流形优化的低复杂度交替优化双重循环算法。首先,通过FP算法将问题化简;其次,利用标准凸优化算法设计基站主动波束赋形,利用流形优化算法设计RIS被动波束赋形;最后,通过内外双重循环交替迭代优化直至收敛。仿真结果表明:所提算法与经典方案对比具有较好的收敛性和较低的复杂度,且在最大发射功率为20 dBm时,和速率比随机相位方案实现大约6 dB的增益。此外,RIS采用3 bit离散相移时系统和速率性能与连续相移近似。

基于图像处理指标的串级非高斯系统性能评估

张金芳, 周宇龙, 王童雨, 乔贝贝, 徐慧如 — 2025年03月10 00:00

为了对串级系统进行准确快速的性能评估,并改进熵指标平移不变性的缺点,基于图像处理中图像质量评价相关知识提出了新的性能指标;同时,针对传统系统辨识算法不够准确与快速的问题提出了一种混合麻雀算法。首先,基于最小方差理论对串级系统进行丢番图方程分解,获得系统反馈不变量,从而获得系统的评价基准;其次,通过融合了正余弦思想的混合麻雀算法对系统进行辨识,得到系统的模型参数及主副回路的噪声概率密度函数;最后,将所提新指标与熵指标进行混合,得到适用性更好的混合指标。对处在不同噪声下的串级系统进行仿真验证,仿真结果表明:算法的准确性有了明显提升,同时算法运行速度提升了11.98%,新指标的评估结果也比熵指标更加合理。

级联失效下城市交通网络可靠性评价

2025年03月10 00:00

为缓解城市交通网络拥堵问题,提高网络可靠性,基于复杂网络理论对城市交通网络级联失效现象进行研究。首先,构建加权双层城市交通网络模型,并在非线性负载-容量模型中引入失效阈值的概念量化节点失效概率,在此基础上将节点分为正常、失效和拥堵3种状态;其次,考虑到节点的时空相关性,提出了混合负载重分配策略,将失效负载分配到故障节点的相邻节点和次相邻节点;最后,以南京市某区域作为研究对象,从网络拓扑结构和节点运行质量两个角度来分析不同攻击方式和失效阈值对城市交通网络可靠性的影响。仿真结果表明:城市交通网络具有抵抗小规模节点和边失效的能力;攻击高重要性节点会加速城市交通网络崩溃,造成网络可靠性下降;在拥堵传播初期(t=40~65),增大失效阈值δ能够在一定程度上延缓级联失效扩散;当拥堵到达临界时间之后,更大的失效阈值(δ=1.6相较于δ=1.8)将引发更严重的级联失效现象。

基于可重构电路的串联电池动态分组主动均衡方法

秦东晨, 赵鸿飞, 武红霞, 杨俊杰, 陈江义, 王婷婷 — 2025年03月10 00:00

针对电池组中单体电池电量不一致问题,以串联电池组为研究对象,对电池主动均衡控制技术进行研究,研究内容包括均衡拓扑的改进和均衡控制策略的设计。首先,提出了一种新型均衡拓扑结构并对其进行验证;其次,建立均衡电路的数学模型,分析均衡过程中电压差和开关频率对均衡性能的影响,并根据电压差分析结果设计了基于可变占空比的多对多均衡控制策略,以提高电池组均衡速度和均衡一致性;最后,在MATLABR2021b/Simulink中进行均衡拓扑与均衡算法的联合仿真。结果表明:与固定分组均衡控制策略相比,所提均衡拓扑和控制策略能够提高电池组均衡速度和均衡一致性,均衡时间减少了29.71%,电池荷电状态(SOC)方差降低了16.13%,均衡过程中能量转移次数减少了52.5%。

喷氢射流点火对煤层气发动机燃烧特性影响

何义团, 王　乾, 秦子涵, 付艳艳 — 2025年03月10 00:00

为避免大缸径低浓度煤层气发动机在发电过程中出现燃烧不稳、爆震等现象,对喷氢射流点火的助燃效果进行研究,探究点火-喷氢间隔对射流火焰结构以及对发动机助燃效能的影响。基于三维流体力学软件,固定喷氢时刻及喷氢脉宽,通过改变点火时刻来研究不同点火-喷氢匹配策略对发动机燃烧性能的影响。结果表明:在一定范围内先点后喷(喷氢前5 ℃A内点火)及边喷边点两种工况均可形成较为明显的烟羽射流火焰结构,可提高发动机燃烧速率,滞燃期及燃烧持续期相较于原机分别缩短了64%和68%;缸压峰值和放热率峰值分别提高2.1 MPa和1.05 kJ/℃A。另外,固定喷氢时刻改变点火时刻,先点后喷和边喷边点两种工况指示热效率相差不大,均在40%左右;而先喷后点的两组案例效率有所下降,分别为38.3%和36.7%。合理控制点火-喷氢时刻可使发动机指示热效率比原机提高约4%。

基于拓扑优化的类翼型扰流元件空气引射器性能分析

刘华东, 张　雅, 郝　琪, 孙　浩 — 2025年03月10 00:00

针对传统空气引射器引射率较低的问题,采用拓扑优化方法对传统空气引射器进行了结构优化,并基于拓扑优化结果和减阻机理分析,提出了新型类翼型扰流元件空气引射器。利用数值模拟方法研究了新型空气引射器内部流场,分析了类翼型扰流元件高度和扰流元件与喷嘴喉部距离对引射器性能的影响。结果表明:扰流元件与引射器壁面形成二次喷嘴效应,工作流体流出喷嘴后会继续加速,压力进一步降低,与引射流体驱动压差增大,使引射率显著提升;引射率随类翼型扰流元件高度增大而增大,随着扰流元件与喷嘴喉部的距离增加,引射率先增大后减小;相比于传统引射器,新型空气引射器引射率可提高146%~224%;当类翼型扰流元件的高度为3.3 mm、扰流元件与喷嘴喉部最佳距离为0.8 mm时,引射率达到最大值2.07。

基于动态融合注意力机制的电力负荷缺失数据填充模型

2025年03月10 00:00

为了提高电力负荷数据的缺失值填充精度,保障后续数据分析与应用的高效进行,首先,提出一种基于动态融合注意力机制的填充模型(DFAIM),该模型由注意力机制模块和动态加权融合模块构成,通过注意力机制模块的两种不同注意力机制挖掘特征与时间戳之间的深层关联;其次,通过动态加权融合模块将可学习的权重赋予注意力机制模块的两个输出以得到特征表示;最后,利用特征表示来替换缺失位置的值,从而得到准确的填充结果。使用纽约市某地区的气象及负荷数据集及UCI电力负荷数据集对提出的模型进行验证,实验结果表明:相较于统计学、机器学习和深度学习填充模型,DFAIM在评价指标MAE、RMSE和MRE上均具有一定优势。

基于多站点预测模型的分布式光伏电站智能选址方法

2025年03月10 00:00

为了提升光伏电站运营效率,针对多站点选址问题提出了一种多站点预测模型(MSFM),通过时空相关性、事件数据和气象因素来预测多站点的电力输出。引入三维张量来表示时空数据,采用张量分解技术恢复零条目,并利用三维张量和ResNet模型模拟时空邻接性、趋势、事件文本数据及气象影响。根据山东省济南市的 1 155 个光伏发电站运行数据和气象数据建立实验数据集,通过平均绝对误差、相对绝对误差、均方根误差和相对均方根误差来验证所提方法的效果,4个评价指标分别至少降低了2.3%、0.9%、2.6%、2.5%。实验结果表明:所提方法能够应用于多站点选址问题。

水位变化对浸水拓宽路基渗流特征和稳定性的影响

2025年03月10 00:00

沿河路基长期受单侧水位变动的影响,会加大路基整体失稳的风险。为分析浸水拓宽路基在水位季节变动情况下的渗流特征和稳定性,基于FLAC3D 软件的二次开发实现对路基渗流特性的实时计算,并在此基础上对土体强度参数进行修正,研究水位季节变动对拓宽路基稳定性的影响。结果表明:在路基近水面一定区域内,不同时间相同水位下路基孔隙水压和饱和度曲线随水平距离的分布规律不同;高水位期其曲线形成类似滞回圈形态,中间区域的孔隙水压和饱和度在水位下降期大于水位上升期;低水位期其曲线在一定深度处交汇,但近水区域的孔隙水压和饱和度在水位下降期大于水位上升期;迎水面边坡安全系数随水位季节变化变动幅度较大,最大达22%,背水面受其影响较小,变化幅度仅为4.5%;迎水面边坡安全系数变化趋势与水位季节变化趋势成呈相关,背水面则截然相反;水位季节性涨落过程中,最不利工况在水位达到峰值时出现,潜在滑动面出现在背水面新旧路基结合处。

河南省非确定性土地利用优化规划研究

周　科 — 2025年03月10 00:00

以土地利用适宜性为基础,研究了非确定性影响下土地利用优化格局。将地理信息系统(GIS)与区间概率规划(IPP)技术相结合,构建区间概率非确定性土地利用规划管理(IPP-LUPM)模型。首先,基于GIS数据,进行土地利用适宜性评价。其次,以不同类型土地利用最大面积和各类约束条件为输入,用IPP-LUPM模型优化土地利用面积,得出非确定性条件下土地利用优化方案和效益。以河南省为例,计算结果表明:当土地利用适宜性i= 1,非确定性概率p=0.01 水平时,土地利用效益为[4.78,5.55]万亿元;当 i=1,p=0.5 水平时,土地利用效益为[9. 66,10. 44]万亿元。适宜性条件越好,土地利用效益越高,但同时带来的生态环境风险也相应偏大。构建的模型方法可为解决非确定性条件下土地利用优化方案提供有效途径,对于土地利用格局和管理方案优化分析具有重要的参考价值。