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• 2022年, 43卷, 第4期
  刊出日期：2022-07-10

    

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  基于图像特征和HMM的前方附着系数辨识

  袁朝春， 张海峰， 何友国， JIE Shen， 陈龙

  2022, 43(4): 373-380. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.001

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  为了辨识前方道路附着系数，利用灰度共生矩阵和 HSV（hue，saturation，value）颜色空间提取了典型路面图像7种纹理特征参数，基于类比特性对Burckhardt μ-s模型进行改进，提出一种当前路面峰值附着系数实时估计算法，通过Carsim和Simulink联合仿真验证了其有效性和实时性.建立基于隐马尔可夫模型（hidden Markov model，HMM）的前方道路-轮胎附着特性模型，并验证所建模型的正确性.通过实车试验对 HMM 模型算法进行了验证.结果表明：HMM模型对前方道路-轮胎附着系数识别率达到 90%以上，并且能够用于智能汽车自动紧急制动模块中，可以在前方恶劣路面环境下进行提前制动，有效缩短制动距离.
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  考虑可变车头时距的智能网联车跟驰模型

  秦严严， 杨金滢， 李淑庆

  2022, 43(4): 381-385. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.002

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  针对智能网联车辆（intelligent and connected vehicle, ICV）的跟驰问题，提出ICV跟驰模型，并分析模型特性. 考虑可变车头时距的跟驰特性，提出模型结构简单且参数物理意义明确的ICV跟驰模型. 基于均衡态“车头间距-速度”函数关系式，计算所提ICV跟驰模型的流量-密度函数曲线，分析所提ICV跟驰模型的通行能力提升机理，并从微观动力学角度，理论推导所提ICV跟驰模型的稳定性判别条件.结果表明：所提ICV跟驰模型可在66.887 2 辆·km^-1的密度状态下，以63.576 0 km·h^-1的速度实现最大通行能力；模型稳定性判别条件与交通流速度有关，且能够在任意速度下保持稳定，具备模型稳定性较好的特性.
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  基于双层控制策略的四轮独立转向无人驾驶汽车路径跟踪

  李宇昊， 赵又群

  2022, 43(4): 386-393. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.003

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  为提高四轮独立转向（four wheel independence steering，4WIS）无人驾驶汽车在路径跟踪时的系统稳定性和跟踪精度，并改善轮胎磨损情况，提出了一种基于双层控制策略的路径跟踪控制算法.上层为基于Popov超稳定性理论的模型参考自适应路径跟踪控制器.基于二自由度单轨模型推导出路径跟踪误差状态方程，采用线性二次最优方法，解决了系统正向线性环节无法严格正实的问题.求解Popov积分不等式，保证了系统的超稳定性.在下层控制器中，基于阿克曼转向定理，设计了考虑轮胎侧偏的转角分配控制算法.在CarSim/Simulink联合仿真平台中进行仿真试验，结果表明：所设计的基于双层控制策略的路径跟踪控制算法能够高精度地完成路径跟踪任务，同时也保证了四轮独立转向无人驾驶汽车的行驶稳定性，轮胎的磨损情况也能得到改善.
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  基于模糊MPC的智能车队纵向跟随控制

  雷利利， 张通

  2022, 43(4): 394-399. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.004

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  针对车队纵向跟随控制存在跟随效率低且系统不稳定的问题，提出一种基于模糊模型预测控制（model predictive control，MPC）方法的智能车队纵向跟随模型.根据车队动力学方程推导出包含跟随性和乘坐舒适性的MPC目标函数，在MPC控制器的基础上引入模糊策略，实时调整MPC目标函数中的跟随性权重系数，输出符合驾驶场景需求的理想加速度.结合纵向逆动力学模型和比例、积分、微分(proportional integral derivative,PID)控制建立下层控制器，将期望加速度转化为节气门开度或制动压力.搭建Carsim和Simulink联合仿真平台，模拟智能车队高速行驶工况，并分别与PID方法和传统的MPC方法对比.结果表明：模糊MPC控制器在高速工况下，动力学参数均满足约束条件，间距误差控制在8 m以内，相较于PID控制和传统MPC控制最大速度误差分别减小了6.6、2.5 m·s^-1，且在紧急制动场景中车速变化更加平稳，车队的乘坐舒适性得到了提高.
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  基于行人关键点的低亮度行人轨迹和意图估计

  汪威， 罗石， 耿国庆， 刘军

  2022, 43(4): 400-406. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.005

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  夜晚行车环境比白天复杂，所以辅助驾驶系统对夜晚行车环境的感知尤为重要.对于行人识别而言，传统的行人轨迹和意图估计算法在夜间的适用性不足.为了能够在夜间估计行人的意图和轨迹，提出一种低亮度环境下近距离行人的意图和轨迹估计方法.使用新的图像增强算法以提高人脸特征识别率.对于增强后的图像，基于YOLOv3和Openpose提出匹配2类结果的算法.进一步采用卡尔曼滤波修正YOLOv3识别误差，再基于匹配结果提出一种行人面部朝向估计算法，然后在上述2点基础上提出估计行人意图新方法.结果表明：图像经过新增强算法处理后，提出的行人轨迹和意图估计方法对于低亮度环境有较好的适用性.
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  变车载质量下重型车辆ISD悬架平顺性与道路友好性分析

  颜龙， 杨晓峰， 沈钰杰， 何涛， 刘雁玲

  2022, 43(4): 407-415. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.006

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  针对重型车辆载质量变化大、易造成道路损伤等问题，建立了重型车辆被动悬架半车模型与重型车辆惯容器-弹簧-阻尼器（inerter-spring-damper，ISD）悬架半车模型.利用改进蚁群算法优化了重型车辆ISD悬架元件参数.从时域与频域角度，仿真分析了变车载质量条件下重型车辆平顺性和道路友好性作用机理.结果表明：相比于传统被动悬架，重型车辆ISD悬架可以大幅度降低车身加速度、悬架动行程与轮胎动载荷，其中质心加速度均方根值平均改善率为15.08%，道路损伤系数在全簧载率范围内有均匀且明显的下降，其均方根值平均改善率为14.21%；重型车辆ISD悬架在平顺性与道路友好性的综合协调提升方面具有一定优势.
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  深旋耕土壤高速气雾消毒联合作业机研制与试验

  高建民, 艾安君, 刘兴达, 张伯钊

  2022, 43(4): 416-423. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.007

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  为了克服土壤中病菌影响农作物生长，提出一种将土壤深旋耕和土壤消毒的联合作业方法，并研发制造了实物样机.对本机传动系统进行设计，利用锥齿轮换向传动，7个圆柱直齿轮与水平夹角成15°人字形布置；其次对消毒结构设计，将药管从中空刀轴上方接入，通过刀轴旋转将药液扩散至土壤深层，同时设有表面喷药杆用于土壤表面施药；针对深旋耕功耗和牵引阻力大的问题，选用混合型因素、混合型水平均匀设计表U8(82×42)和LS-DYNA对立式旋耕单刀辊切土过程进行虚拟仿真试验，刀辊的转速从100 r·min^-1依次按间隔100 r·min^-1取8个值，其运动速度从0.1 m·s^-1依次按间隔0.1 m·s^-1取8个值.刀片的形状分别为曲线形、矩形、三角形和弯扭状，旋耕刀排列方式为4对相邻两刀片螺旋角成90°、60°两种以及3对相邻两刀片螺旋角成90°、60°两种共4个水平.虚拟仿真试验结果表明：选用曲线形旋耕刀，排列方式采用3对旋耕刀且同一螺旋线上相邻两刀片螺旋角为90°的排列方式时，刀辊的切土扭矩最小，此时刀辊的运动速度对扭矩影响很小.田间试验结果表明：该样机最大耕深达到320 mm，耕深稳定性系数为94.484%，消毒均匀度为92.554%，而传统人工表面施药均匀度仅为72.546%，因此采用该样机可较好地实现土壤深耕和消毒的要求.
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  交流电场对生物柴油相和甘油相分离的影响

  王军锋， 陆帅全， 范志恒， 王东保

  2022, 43(4): 424-430. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.008

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  采用高压交流电场促进大豆油-甲醇酯交换产物生物柴油和甘油的分离，探究了不同电场强度、醇油物质的量比、催化剂对甘油液滴沉降速率的影响，并对不同酯交换条件下制得的生物柴油和副产物甘油进行物性测量.研究表明：高压交流电场可以有效提高生物柴油和甘油的分离效率，GC-MS检测结果显示高强电场不会对生物柴油品质产生影响；在螺旋形电极形式下的电场中，电场强度E′=175 V·mm^-1时甘油的聚结效率达到最大；不同的醇油物质的量比会造成副产物甘油物性的差异，但其对甘油液滴的沉降速率影响不大；碱性催化剂含量的增加会加快甘油的沉降，氢氧化钾作用下甘油的沉降效率较高.
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  SCR系统控制PODE/甲醇混合燃料NO_x排放的仿真

  嵇乾， 赵廉， 谈秉乾， 刘军恒， 魏明亮

  2022, 43(4): 431-438. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.009

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   为了控制聚甲氧基二甲醚(PODE)/甲醇混合燃料的NO_x排放, 基于Converge软件构建选择性催化还原(SCR)系统仿真模型, 利用数值模拟探究SCR系统对PODE/甲醇混合燃料NO_x排放的影响. 结果表明：随着质量比n(NH₃)/n(NO_x)的增加, SCR催化剂载体前的NH₃分布均匀性γ_NH3、速度分布均匀性μ_ν和NO_x转化效率η(NO_x)呈先升高后下降的趋势, 而氨泄露量则逐渐增加, 当n(NH₃)/n(NO_x)为1.3时,γ_NH3达到最高值0.988, μ_ν达到最高值0.983,η（NO_x）达到最高值81.4%; 混合器可以有效提升SCR系统的性能. 基于正交优化对SCR混合器进行优化后得出最优方案为混合器叶片数量为16个、叶片倾角为30°、叶片宽度为16 mm, 并通过台架试验对优化方案进行验证，结果表明：柴油机1 800 r·min^-1, 100%负荷下, 混合器优化后的SCR系统的NO_x转化效率为75.4%, NH3泄漏量下降了9.6×10^-7.
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  基于点激光的横拉闸门门头运动轨迹检测方法与分析

  王化明, 周凯强, 强斌, 马东明, 张恒鸿

  2022, 43(4): 439-445. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.010

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  为分析横拉闸门底台车运行磨损导致闸门门头运动轨迹的变化状况，提出一种基于点激光的横拉闸门门头运动轨迹检测方法.对预处理后的图像采用阈值分割与孔洞填充法分割得到图像中激光光斑区域，利用Canny边缘检测和基于Zernike矩亚像素边缘提取算法计算光斑区域的亚像素级边缘，通过光斑质心计算得到光斑中心坐标.采用线性回归分析法分析门头的运动轨迹变化趋势.结果表明，所提出方法可以如实获取并记录横拉闸门门头运动轨迹坐标数据，计算得到门头运动轨迹线性回归模型，分析得到横拉闸门底台车关键部件的磨损情况与磨损规律.
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  基于层级残差连接LSTM的命名实体识别

  王进， 李颖， 蒋晓翠， 吕晓旭， 肖黄清

  2022, 43(4): 446-452. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.011

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   针对命名实体识别任务中现有的LSTM提取特征向量存在对短期信息特征表达能力不足的问题，提出一个基于层级残差连接的LSTM网络.通过添加残差块堆叠LSTM网络深度，增强短期信息特征非线性拟合能力；利用全局信息编码动态选择激活函数，在加强网络计算能力的同时降低了参数量；通过注意力机制，对输入动态调整残差连接的层数加强模型拟合能力.给出了残差网络和Dynamic ReLU激活函数，建立了基于层级残差连接的LSTM命名实体识别整体框架，定义了残差连接模块、Dynamic ReLU模块、注意力机制模块.对比了所提出方法与FLAT、Lattice LSTM等相关算法，在Weibo和Resume数据集上进行试验.结果表明，基于层级残差连接的LSTM在Weibo上达到了最好的效果，在Resume上效果仅次于FLAT，F₁分别为0.700 1、0.958 6.
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  模糊聚类分析在粗集料分类选择中的应用

  岳光华， 滕丽， 周文波， 刘宁， 郝嘉平

  2022, 43(4): 453-457. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.012

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  为克服新建高速公路集料选择时重视某项指标而忽视整体性能的问题，避免集料分类评价过于主观而缺乏科学性，将模糊聚类分析应用于集料的分类选择.给出了模糊聚类分析方法的基本原理和计算步骤.选取甘肃某新建高速沿线9个碎石厂生产的粗集料，首先对粗集料的各项物理力学性能进行试验；然后将集料的9个技术性能指标作为原始数据，使用模糊聚类分析的方法对其进行标准化、建立模糊相似矩阵、计算传递闭包并聚类；最后利用F统计量加经验法检验分类结果的有效性和可靠性.结果表明：模糊聚类分析方法用于石灰岩粗集料分类是可行的，该方法可为道路建设初期集料的选择提供参考依据.
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  基于虚拟功率的VSG并网控制策略

  吴丹丹, 葛强, 徐金, 徐逍帆， 仇宝云

  2022, 43(4): 458-463. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.013

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  为了提高分布式电源接入电网的效率，解决逆变器并网中阻尼和惯性不足的问题，研究了一种可实现传统同步发电机功能的逆变器控制方法，即虚拟同步发电机（virtual synchronous generator,VSG）技术.以锁相环在VSG的作用为基础，提出一种基于虚拟功率的预同步控制方法.在功率环中模拟二次调频和二次调压功能，输出值经过惯性环节弥补有功和无功损耗，依据不同的功率等级灵活调节控制参数.针对VSG机端的电压和电流，利用PR控制方式增加对电气值的约束.分析了VSG的拓扑结构和数学模型，给出了改进VSG的控制方法.搭建了对应的仿真模型，从VSG的预同步并网和突变负载时并网的稳定性两方面验证VSG的控制效果.结果表明：改进后的VSG控制可降低逆变器并网的复杂性和输出功率的震荡频率，平抑网侧的电流冲击，使逆变器时刻跟随电网的动态变化过程.
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  凸轮泵转子腔内部黏油的流动特性

  黎义斌， 白常秀， 乔慧丽， 杨悦民

  2022, 43(4): 464-471. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.014

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  为了探究黏度、压差和转速对凸轮泵性能的影响，以及流速、激励力的变化规律，在不同的黏度、压差和转速下，对凸轮泵的流场进行三维瞬态数值计算，并通过试验加以验证.研究结果表明：随着黏度从1.8×10^-5 m²·s^-1增大到2.2×10^-4  m²·s^-1，泵的出口流量从16.856 m³·h^-1增大到20.736 m³·h^-1，出口流量脉动趋于稳定，容积效率不断增长，同时进、出口段的高速区变宽；随着压差从0.1 MPa增大到0.6 MPa，出口流量和容积效率减小，出口流量脉动基本一致，x方向激励力最大绝对值从514.04 N增大到1 893.37 N，y方向激励力最大值从1 709.17 N增大到8 855.57 N；随着转速从100 r·min^-1增大到300 r·min^-1，出口流量和容积效率递增，出口平均压力从400.552 kPa增大到405.117 kPa，但出口流量脉动和压力脉动增加，x方向激励力最大绝对值从1 211.17 N增大到1 513.11 N，y方向激励力最大值从5 810.77 N增大到6 276.51 N.
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  井下自激脉冲射流增能装置设计及其射流冲击特性

  艾白布·阿不力米提， 庞德新， 刘永红， 麦尔耶姆古丽·安外尔，孙长友， 郭新维， 陈波

  2022, 43(4): 472-480. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.015

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   利用流体附壁效应，结合涡流能量转向冲击和反馈通道强制转向原理，研制出一种新型井下自激脉冲射流增能装置.采用控制变量法对装置的结构参数进行数值模拟，分析了不同结构和运行参数下脉冲射流的冲击特性，并制作样机，进行室内试验.研究结果表明：进出口直径比为0.71~1.18时，形成的脉冲效果良好，随着进出口直径比的增大，脉冲频率呈增大趋势，脉动压力振幅则呈现下降趋势，最大压力振幅为10.20 MPa；随着分流板喷距的增大，脉冲频率呈先增大后减小趋势，脉动压力振幅呈先减小后增大趋势；随着反馈通道截面比的增加，脉冲频率逐渐增大，而脉动压力振幅基本保持不变；涡流换向圆直径的变化对脉冲频率和脉动压力振幅影响较小；脉冲频率随来流雷诺数的增大而增大，雷诺数大于3.56×10⁵时频率基本不再增大，但脉动压力振幅随来流雷诺数的增大而不断增大.
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  静电雾化液滴的周期性释放过程

  蒋轶敏， 王贞涛， 夏磊

  2022, 43(4): 481-487. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.016

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   通过带有显微变焦镜头的高速摄像机，对无水乙醇和去离子水通过金属单毛细管时产生的静电雾化现象进行可视化研究，探讨单毛细管典型的静电雾化模式及液滴产生规律.通过改变施加电压和液体流量，获得不同雾化模式下液滴的释放频率特性，并研究不同流量下液滴释放频率的变化规律，从而获得非连续射流模式下液滴的释放周期特性与施加电压、流量的关系.研究结果表明：随着施加电压的增大，液滴从毛细管末端释放的频率逐渐增大；液滴释放频率存在一个突增阶段，无水乙醇和去离子水产生突增的施加电压阈值分别为3.0 kV和5.0 kV，突增段液滴的释放频率从几赫兹迅速增大到几百赫兹；通过比较无水乙醇与去离子水的液滴释放周期特性，可知液体表面张力和电导率都会影响液滴的释放频率；通过理论分析,得出液滴最大释放频率的预测公式，其预测值与理论值基本吻合.
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  基于对冲火焰的碳烟辐射光谱测量及误差分析

  李磊， 温大新， 王宇

  2022, 43(4): 488-496. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.04.017

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  基于碳烟多光谱辐射法(SSE)，测量了乙烯对冲火焰温度和碳烟体积分数分布.为了有效地降低SSE试验的测量误差，提高试验精度，利用数值模拟的方法，定量地研究了多个因素对于对冲火焰温度和碳烟体积分数测量的影响.研究表明：光谱仪信噪比导致低温区温度和碳烟体积分数的测量严重失真；忽略碳烟的自吸收效应，碳烟体积分数将被高估，温度将被低估，且利用较长波段的辐射数据，可以在一定程度上降低由于忽略自吸收效应所带来的影响；标定源温度误差所导致的辐射强度标定误差只影响温度测量的精度，光阑孔径偏差只影响碳烟体积分数的测量精度；碳烟吸收函数的不确定性是温度和碳烟体积分数测量误差的主要来源.