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江苏大学学报（自然科学版）
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江苏大学学报（自然科学版）
 
2024年 45卷 3期
刊出日期：2024-05-10
车辆工程
农业与机械工程
计算机与通信工程
能源与动力工程
土木工程
材料与环境工程
   
车辆工程
249 李胜琴， 邢佳祁
基于模型预测和转角补偿的智能汽车换道轨迹跟踪控制算法
为了提高自动驾驶跟踪过程中路径跟踪的精确性和车辆的操纵稳定性，提出了一种基于模型预测控制原理并结合转角补偿的轨迹跟踪控制方法.将整体控制结构分为上下两层：上层为轨迹跟踪控制层，根据获得的道路信息及车辆行驶状态，利用模型预测控制算法得出车辆的前轮转角控制量；下层采用滑模控制理论设计转角补偿器，以汽车的横摆角速度误差为控制目标，实现精确跟踪.结果表明：与单点预瞄策略相比，模型预测+转角补偿的轨迹跟踪控制策略能更好地控制车辆实现轨迹跟踪，且横摆角速度和质心侧偏角峰值明显降低，稳定性更好.
2024 Vol. 45 (3): 249-256 [摘要] ( 50 ) [HTML 1KB] [PDF 1955KB] ( 877 )
257 梁军1， 李哲宇1， 张星1， 华国栋2
智能车横向跟踪控制模式切换策略及评价方法
针对智能车横向跟踪控制算法传统切换策略中模型匹配策略总是处于激活状态，占用计算资源和运动平顺性变差的问题，设计了一种基于最小二乘支持向量机（least squares support vector machine, LSSVM）的控制模式切换策略，在不同工况下根据误差判断策略切换控制模式.从安全性、舒适性和跟踪精度3个方面构建控制效果评估函数，并根据多目标优化数学模型实时执行系统最优控制量.仿真试验结果表明：该切换策略能够保证智能车在不同工况下具有优秀的横向跟踪性能，路径跟踪偏差范围为±0.1 m，横摆角速度波动范围为±2 （°）/s，jerk值的范围为±10 m/s3,与传统的单一控制算法相比，具有更好的跟踪精度、稳定性和舒适性.
2024 Vol. 45 (3): 257-264 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 1658KB] ( 552 )
265 吴麟麟， 胡迎香， 汪若尘， 罗丁
汽车尾气温差发电系统瞬态回收性能分析
为了预测温差发电(thermoelectric generator，TEG)系统的动态特性，基于COMSOL Multiphy-sics建立了用于求解温差发电系统温度场分布的瞬态计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）模型和用于研究温差发电模块瞬态响应特性的分析模型，提出了混合瞬态CFD-分析模型，并经过瞬态试验验证.结果表明：由于热惯性的影响，TEG系统的转化效率会出现一个瞬时的较高值；相较于尾气温度和质量流量的瞬态波动，热电半导体的热端温度和冷端温度会存在时滞；在美国环保局的高速公路燃油经济性测试（highway fuel economy test，HWFET）模式循环工况下，瞬态模型求解得到整个温差发电系统的平均输出功率、平均转化效率分别为35.63 W和3.40%，瞬态模型的输出电压平均误差为6.41%；该模型能够以较高的精度及较短的计算时间预测温差发电系统在瞬态热源激励下的瞬态响应特性.
2024 Vol. 45 (3): 265-272 [摘要] ( 41 ) [HTML 1KB] [PDF 8868KB] ( 440 )
273 肖哲， 王宇宁， 赵国强， 黄斌
燃料电池汽车动力系统匹配及能量管理
为了分析燃料电池汽车动力系统参数匹配设计以及能量管理方案对整车性能的影响，以某款燃料电池汽车为研究对象，对其主要动力系统部件进行了参数匹配.以提升整车经济性能为目标，提出了功率跟随式能量管理策略和基于模糊控制的能量管理策略，并采用滑动平均滤波算法对模糊控制策略输出量进行优化.基于AVL-Cruise和Simulink建立了联合仿真平台，搭建整车及能量管理系统模型，验证了整车动力性能，对比分析了3种控制策略下的整车经济性能.结果表明：经过优化后的能量管理策略燃料电池输出功率曲线更加平滑，且一直处于高效率输出区间内，基于燃料电池优先保护原则，经过优化后的能量管理策略性能最佳.
2024 Vol. 45 (3): 273-280 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 4064KB] ( 509 )
281 刘光军1， 吴思齐2
基于分段聚合和卡尔曼滤波的锂电池组SOC估算
针对原有的锂电池组荷电状态（state of charge，SOC）估算方式是在电池放电后进行测量，在电池内阻数值较大时难以获取明确的开路电压，导致其在锂电池组SOC估算上具有误差等问题,设计了基于分段聚合和卡尔曼滤波的锂电池组SOC估算方法.在构建等效电路模型的基础上，辨识锂电池参数，并定义开路电压等锂电池组SOC估算指标.分段聚合切换锂电池反馈路径，利用卡尔曼滤波线性递推估算锂电池组SOC数值.结果表明：以锂电池脉冲放电过程为测试条件，提出的方法估算结果与实际SOC值基本一致，在SOC为0.6时，该方法能将SOC估算相对误差控制在0~0.4%.
2024 Vol. 45 (3): 281-285 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 1277KB] ( 459 )
农业与机械工程
286 王梓衡1， 沈继锋1， 左欣2， 武小红1， 孙俊1
基于特征级与决策级融合的农作物叶片病害识别
针对单网络模型存在对数据产生学习偏好的缺陷，提出了一种基于多模型融合的农作物病害识别方法.该方法首先对4种主流卷积神经网络ResNet50、DenseNet121、Xception和MobileNetV2进行单模型性能评估，然后对这4种单模型分别进行特征级和决策级多模型融合，最终输出识别结果.特征级融合方法分别对每个子网络的最后输出特征层进行平均化、最大值化和拼接压缩融合，实现异质特征的高效互补；而决策级融合方法分别对每个子网络的输出概率进行最大化和平均化融合，实现概率分布决策的高效联合.在农作物病害数据集PDR2018上的试验结果表明：特征级融合明显优于决策级融合和单模型方法，且拼接压缩特征融合方法具有最高的识别准确率，达到了98.44%.此外该模型在PlantDoc数据子集和实际拍摄图像的跨库试验结果同样表明：特征融合方法比单模型方法具有更好的精度和泛化性能.
2024 Vol. 45 (3): 286-294 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 2412KB] ( 432 )
295 孙龙霞1， 吕宁2， 於锋1， 葛迅一1， 胡双燕1
蘑菇采摘机器人的结构设计及优化
针对工厂化蘑菇种植中人工采摘费时、费力等问题，研制了一款蘑菇采摘机器人.首先，采用模块化设计了采摘机器人机械结构，基于D-H法推导机器人运动学正解和逆解，并进一步分析了采摘手臂的动力学性能；以采摘效率为目标建立了手臂尺寸的多目标优化模型，并用遗传算法求最优解；然后建立Adams虚拟样机模型，对优化前后的机器人模型分别进行采摘动力学仿真试验，结果表明，在电动机输出转矩相同情况下，大臂关节和小臂关节最大角速度分别提高22.9%和18.6%，单次采摘时间由1.60 s缩短到1.36 s ，速度提高15%；最后研制原理样机并进行采摘试验，试验结果表明，所研制的机器人可适用于工厂化蘑菇种植模式下多层菇床中狭小、大面积作业的自动化采摘，单次蘑菇采摘时间约为2.0 s.
2024 Vol. 45 (3): 295-301 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 5065KB] ( 504 )
计算机与通信工程
302 范晶晶1，2， 刘壮1，2， 陈超1，2， 黄晨3
基于动态密钥的车载以太网安全通信方法
针对车载以太网通信数据安全和密钥安全问题，创新设计了基于动态密钥的车载以太网安全通信方法.建立车载以太网安全威胁攻击树模型，分析其面临的安全威胁.构建应对安全威胁的车载以太网安全通信方法总体架构.设计动态密钥算法模型，生成隐式动态密钥.设计基于动态密钥的安全通信方法，将原始数据通过动态密钥加密传输，生成摘要并在接收端进行摘要对比处理.通过Linux上位机、I.MX6ULL单片机和Windows设备模拟域间通信及网络攻击过程，将密钥、密文、明文进行差异度对比，同时对通信过程进行攻击，借助Wireshark软件分析通信过程中的数据交互.结果表明：该方法能有效保证密钥安全及车载以太网数据的机密性、新鲜性、真实性和完整性，且能有效应对篡改攻击与重放攻击.
2024 Vol. 45 (3): 302-308 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 7224KB] ( 400 )
309 王悦1， 鲍煦1， 林锋2
层流信道中基于模型驱动的信道建模方法
针对已有的层流信道模型不能直接应用于存在目标的复杂层流信道的问题，提出一种基于模型驱动的信道建模方法.研究了存在目标的层流扩散信道的系统模型，在无目标平流模型的基础上加入参数，考虑层流和目标对接收分子的影响.结合仿真结果，将有目标的复杂层流信道近似为两个稳定的层流信道，建立有目标的点源-接收机层流扩散信道模型.结合神经网络使用Levenberg-Marquardt 算法对信道模型参数进行学习和预测，同时提出基于数据和模型驱动结合（combination of data and model driven，CDMD）的检测方法对目标进行检测.结果表明：通过公式数据与仿真数据对比验证了其信道模型的准确性，所有数据的相关系数为0.999 15，该神经网络模型具有可行性；使用神经网络二分类算法验证提出的目标检测方法，检测准确率达到98.8％时，提出的CDMD检测方法所需数据量约为基于数据检测方法的1/6.
2024 Vol. 45 (3): 309-315 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 4288KB] ( 329 )
316 夏晓南, 尹治林, 李春， 张鑫磊， 吴嵩
具有输入时滞和预设性能的非线性系统有限时间动态面控制
针对一类具有输入时滞和动态不确定性的非严格反馈非线性系统的跟踪问题,提出一种新的基于预设性能的有限时间自适应跟踪控制方案.利用Pade逼近和辅助中间变量将有时滞系统转化为无时滞系统,采用由一阶辅助系统生成的动态信号处理未建模动态，引入双曲正切函数实现预设性能跟踪控制，并给出基于动态面控制方法的稳定性分析.在MATLAB环境中，以具有未建模动态和输入时滞的二阶非线性系统为例，对所提出的控制策略进行数值仿真.结果表明：所提出的控制方案能够避免现有有限时间控制所出现的虚拟控制求导奇异性问题，所有信号有限时间有界, 跟踪误差收敛到预设的时变区间，可见控制算法切实有效.
2024 Vol. 45 (3): 316-322 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 1495KB] ( 449 )
323 王海燕1， 侯康2,3,4
基于图像识别的输电线路轨道运输装备安全检测系统
为了提高林区山地输电线路轨道运输装备运行安全性，搭建基于图像识别的轨道运输装备安全检测系统.首先给出整个林区山地输电线路轨道运输装备电控系统；其次介绍了感知模块系统所用到的各类传感器；然后基于拆分注意力网络和自校准卷积的融合，采用Faster-RCNN算法得到更好的特征提取，并采用此改进的Faster-RCNN算法进行装备周围人员识别试验；最后基于QT开发输电线路轨道运输装备远程控制软件，并实现对装备的远程操控.结果表明：改进的Faster-RCNN算法在林区山地强光照和复杂环境下能够大幅度提高识别装备周围人员的准确性，图像识别平均精度均值mAP可达87.13%，高于常规Faster-RCNN的74.35%和级联Faster-RCNN的76.28%，充分证明改进的Faster-RCNN算法具备优良识别能力，保障林区山地输电线路轨道运输装备安全运行.
2024 Vol. 45 (3): 323-329 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 19319KB] ( 473 )
能源与动力工程
330 葛凤华， 蔡鸿志， 张源
基于TRNSYS的主动式建筑相变蓄冷空调系统模拟
以夏热冬冷地区的办公建筑为例，利用瞬态系统仿真程序（transient system simulation program，TRNSYS）构建主动式相变蓄能地板模块，建立了主动式相变蓄能地板空调系统和常规风机盘管加新风空调系统的仿真模型，对其节能性和经济性进行模拟计算.以典型日和供冷季晚间蓄冷运行工况为条件，研究冷冻水温对主动式相变蓄能地板的蓄释能特性、室温波动与热泵制冷系数的影响.结果表明：夜间相变蓄冷工况下，在满足每平方米冷负荷为74.78 W情况下，9 ℃为最佳供水水温；采取晚间低电价时段间歇运行蓄冷热泵的方案，能够有效提高热泵运行时的制冷系数，并降低运行费用；主动式相变蓄能地板空调系统供冷季的能耗相比于常规风机盘管加新风空调系统减少30.5%，运行费用减少44.24%，夏季制冷综合能效比达到了2.38.
2024 Vol. 45 (3): 330-336 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 3157KB] ( 512 )
337 王芳群, 钱锋, 高宇, 李子健， 王少俊
基于FPCB绕组的导管泵用电动机设计及损耗分析
基于无槽无刷直流电动机具有体积小、功率密度高、无齿槽转矩的特点，采用柔性印刷电路板（FPCB）技术设计了一种导管泵用无槽无刷微型直流电动机，提出了基于3D多物理场耦合模型分析方法，对导管泵用无槽无刷微型直流电动机进行了损耗分析和优化设计.结果表明：导管泵用无槽无刷微型直流电动机的铜损占整个电动机损耗的88%左右，是导致电动机发热的主要原因；在温度场仿真中，温度变化会改变电动机损耗，影响电动机输出转矩；在流场仿真模型中，电动机温度会使人体血液温度升高，影响血液相容性；流动的血液会带走部分热量，降低电动机温度；绕组优化后的导管泵用电动机输出转矩得到提高，损耗得以降低.
2024 Vol. 45 (3): 337-345 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 5955KB] ( 421 )
土木工程
346 孙泽阳1， 刘阳1， 杨俊锋2， 吴必涛3， 赵启林4
抢险车对92 m跨度复合材料桁架桥动态响应的影响
为研究大跨径桁架式纤维增强复合材料（FRP）应急抢修桥梁成桥后的动力性能，基于导梁推送施工92 m跨度的FRP桁架桥模型，编制FRP桁架桥的车桥耦合算法，研究抢险车辆的车速、质量及路面不平顺对FRP 桁架桥的跨中竖向位移、竖向加速度和关键杆件轴向应力等指标的影响.结果表明：路面越不平顺，车辆对桥梁结构的冲击作用越大，且路面等级对竖向位移的影响大于对关键杆件轴向应力的影响；车速为20~50 km/h 时，车速变化对冲击系数影响较小，但车速超过50 km/h时，车速的影响逐渐增大；车辆质量对桥梁各项指标动力响应的峰值曲线呈线性增大趋势.当车辆质量为2.80×104 kg，车速30 km/h 时，最大跨中竖向位移为167 mm，未超过抢修桥梁位移限值（L/120），表明该桥梁的设计可以满足抢险的通行要求.
2024 Vol. 45 (3): 346-353 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 3176KB] ( 399 )
354 吴成龙1, 尚育卿1， 郑灵枫1, 王其辉1, 潘昊1, 赵飞2， 王明2
预制可更换人工塑性铰连接的非线性有限元分析
为提高装配式框架节点的抗震性能，基于仿生学设计，提出一种具有结构“保险丝”功能的可更换人工塑性铰连接构造，设计了9个不同参数的可更换人工塑性铰试件.利用Abaqus软件，对可更换人工塑性铰试件施加低周往复荷载，探究该构造的破坏模式、滞回性能、刚度退化等抗震特性.研究结果表明：可更换人工塑性铰构造的破坏位置主要集中于翼缘屈曲可更换连接板处，破坏模式为翼缘屈曲可更换连接板屈曲变形和抗剪耗能杆的剪切变形破坏；梁端弯矩-层间位移角的滞回曲线饱满，且有螺栓滑移现象，等效黏滞阻尼系数为0.30~0.45，延性系数为3.64~14.00，表现出良好的塑性变形和耗能能力.
2024 Vol. 45 (3): 354-361 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 19102KB] ( 328 )
材料与环境工程
362 姜燕， 程振华， 宋娟
退火处理对CVD生长石墨烯薄膜功函数的影响
通过退火处理去除了石墨烯薄膜上的吸附气体和杂质，改变了石墨烯表面吸附情况.利用原子力显微镜和开尔文扫描探针显微镜，对退火处理前后的石墨烯薄膜表面进行了原位扫描，分别得到其退火前、后的表面形貌和表面接触电势差图.根据表面接触电势差测量结果进一步计算其功函数，并对退火处理导致的功函数变化机理进行分析.结果表明：退火处理使得石墨烯薄膜与SiO2衬底间的水分子层逸出，从而导致石墨烯薄膜与SiO2衬底间距减小，降低了石墨烯薄膜的P型掺杂水平，使得费米能级上升、石墨烯薄膜功函数减小.
2024 Vol. 45 (3): 362-366 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 8845KB] ( 508 )
367 解清杰1， 姜姗1， 管向伟2， 常铖炜1， 熊新港1， 王帆1
基于小球藻的浅层藻床反应器对市政污水厂二级出水的净化效果
基于浅层藻床反应器，在不同的温度、光照强度、光暗比、CO2体积分数以及动态试验中的水力停留时间等条件下，研究了普通小球藻（Chlorella vulgaris）对市政污水处理厂二级出水中碳、氮和磷元素的净化效果，探究了水质波动下长期稳定运行的小球藻浅层藻床反应器的深度处理效能.研究结果表明：温度为26 ℃，光照强度为6 000 lx，光暗比为14 h∶10 h，加富CO2体积分数为1%，为小球藻深度处理污水最适宜的环境条件；在此最佳运行条件下，将反应器持续稳定运行，水力停留时间为1.0~1.5 d时，对二级出水中化学需氧量（COD）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）及总氮（TN）的去除率分别达到52.0%~86.8%、75.6%~87.4%、59.1%~75.9%及64.0%~68.0%.
2024 Vol. 45 (3): 367-372 [摘要] ( 39 ) [HTML 1KB] [PDF 1566KB] ( 438 )
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