上海交通大学学报

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高超声速飞行器线性变参数一体化式控制律设计

杨庶, 钱云霄, 杨婷

2022,56 (11): 1427-1437.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.190

摘要 ( 1042 )

HTML ( 352 )

PDF(2903KB) ( 789 )

针对高超声速飞行器的三维航迹控制问题,采用线性变参数(LPV)输出反馈控制和极点配置理论,基于高度-水平航迹控制概念,在马赫数包线内设计高超声速飞行器一体化式LPV控制律.该控制律不区分常规飞行控制律的内外控制回路,根据速度、高度、侧滑角和偏航角指令对飞行器纵向和横航向运动进行综合控制,在L₂诱导范数意义下实现飞行器三维航迹的鲁棒最优控制.在地心地固参考系内建立高超声速飞行器的数学模型,考虑地球自转、地球扁率、地球引力二阶简谐效应对飞行器运动特性的影响.通过数值仿真检验LPV控制律的控制性能,仿真结果表明:高超声速飞行器闭环系统具有D-稳定性,能够在典型机动中保持良好的航迹控制性能,并且在扰动和测量噪声下具有良好的鲁棒性.

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基于相对速度和位置辅助的无人机编队协同导航

郭鹏军, 张睿, 高关根, 许斌

2022,56 (11): 1438-1446.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.232

摘要 ( 1052 )

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PDF(1260KB) ( 673 )

惯性导航系统的误差随时间累积,仅依靠惯性导航系统进行定位的无人机编队无法在长航时飞行中获取高精度导航信息.针对这一问题,面向主从式无人机编队提出一种协同导航方案.首先,在无人机上配置相对导航传感器,测量主从无人机编队成员之间的相对速度和相对位置信息;其次,考虑编队成员之间的相对位姿,研究空间统一转换方案,将编队各成员依靠惯性导航系统测量的绝对导航信息与相对传感器测量的相对导航信息统一到同一导航坐标系下;最后,给出基于相对速度和相对位置辅助的协同导航方案.30 min仿真结果表明,采取该方案后,从机各方向上的速度和位置误差分别收敛至0.1 m/s和5 m,证实该方案相较于惯性导航系统更适用于长航时飞行场景.

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基于PF-UKF组合滤波的SINS/GPS组合导航系统空中对准方法

高红莲, 尤杰, 曹松银

2022,56 (11): 1447-1452.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.167

摘要 ( 705 )

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PDF(1969KB) ( 504 )

针对捷联式惯性导航系统(SINS)/全球定位系统(GPS)组合导航系统模型的误差以及粒子滤波(PF)存在的粒子退化问题,结合无迹卡尔曼滤波(UKF)算法,提出一种基于PF-UKF组合滤波的SINS/GPS组合导航系统空中对准方法.由误差四元数代替姿态角,以SINS和GPS的位置差和速度差作为观测量,建立新的组合导航系统误差方程.所提出的PF-UKF组合滤波算法将采样粒子分为随机粒子和确定粒子,其中随机粒子为概率密度函数所采集,确定粒子为UKF中采集Sigma点后所求取的系统状态值.由此降低了PF处理粒子时的复杂程度以及粒子退化的程度.仿真结果表明:相比于UKF算法,该方法有效提高了组合导航系统的精度,具有较好的鲁棒性.

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基于增益自适应超螺旋滑模理论的无人机控制

周齐贤, 王寅, 孙学安

2022,56 (11): 1453-1460.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.238

摘要 ( 926 )

HTML ( 17 )

PDF(1184KB) ( 590 )

以无人机为研究对象,针对无人机系统非线性强和飞行过程中外界干扰产生的不确定性,设计一种基于增益自适应滑模控制的无人机姿态控制器.该方法无需观测器对不确定性进行估计就可以实现对给定无人机姿态的跟踪控制,同时滑模控制中的抖振情况可以得到有效抑制.首先介绍无人机模型,给出其数学模型;其次,以误差为状态量,设计稳定收敛的滑模面,采用增益自适应超螺旋滑模算法设计能够有限时间收敛的无人机姿态控制器;再采用Lyapunov第二法证明闭环无人机系统的稳定性;最后对所提控制方法进行仿真验证.结果表明:该控制方法具有可靠的控制性能.

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深空探测器接近段自主导航的滑动窗口自适应滤波方法

张文佳, 马辛

2022,56 (11): 1461-1469.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.233

摘要 ( 730 )

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PDF(2984KB) ( 561 )

当深空探测器接近目标行星时,由于目标行星引力快速增加,轨道动力学模型会出现较快的加速度变化.由于噪声协方差不完全已知,所以传统的滤波方法无法获得导航参数的最优估计,难以满足接近段导航系统的性能要求.为满足系统高稳定性和高精度需求,提出一种基于系统噪声协方差的滑动窗口自适应非线性滤波方法.通过构造系统噪声协方差更新函数,使用滑动窗口对噪声协方差平稳化处理,将速度噪声引起的误差与位置噪声引起的误差隔离开,实时更新所使用的滤波参数信息,自适应调节系统噪声协方差.以火星探测器为例进行仿真,仿真结果表明,相对于传统的无迹卡尔曼滤波方法,该方法获取的位置精度和速度精度分别提高90.97%和66.17%,抑制了系统模型上快速变化的积分误差,并解决传统滤波方法的发散问题.此外,分析了滤波周期和窗口大小对导航性能的影响,为深空探测自主导航提供了一种可行的自适应滤波新方法.

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基于伪谱法的再入可达域影响因素分析

李兆亭, 周祥, 张洪波, 汤国建

2022,56 (11): 1470-1478.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.256

摘要 ( 766 )

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PDF(1383KB) ( 580 )

再入可达域是飞行器机动能力的重要体现,可为轨迹规划与制导、着陆点选择等提供依据.为此,研究了一种基于伪谱法的可达域快速生成方法,并对可达域的影响因素进行仿真分析.将攻角、倾侧角同时作为控制量被离散化而形成非线性规划问题,并通过求解若干个不同纵程条件下的最大横程问题得到可达域.基于上述方法对影响可达域的相关因素进行仿真与分析.仿真结果表明,飞行器质量、气动参考面积、大气密度等在一定范围内不会导致可达域的变化;超出一定范围后,会对短纵程轨迹产生明显影响,影响可达域的左半部分,而基本不影响可达域的右半部分;升阻比对可达域的影响较大,其大小与可达域范围成正相关.

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基于累积前景理论和三支决策的无人机态势评估

李伟湋, 高培雪, 陈进, 路玉卿

2022,56 (11): 1479-1490.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.400

摘要 ( 717 )

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PDF(1395KB) ( 672 )

现有的无人机态势评估方法没有考虑复杂外界环境对决策者的影响,并且通常只能得到评估的排序结果,决策者需要在短时间内进行决策,常出现误判或错失打击窗口期.针对该问题,提出一种基于累积前景理论的三支决策模型.首先,通过直觉模糊接近于理想值的排序方法求取目标的条件概率, 得到态势评估结果;之后基于累积前景理论对无人机获取的直觉模糊态势信息进行计算,得到每个目标执行不同动作时对应的累积前景价值;最后,基于累积前景价值最大化的原则,推导出新的三支决策规则,对态势评估结果进行三支划分.实验分析表明:该方法不仅得到了目标威胁排序,而且对目标威胁等级进行客观分类;同时在评估过程中考虑决策者的心理,得到符合决策者特质的目标威胁评估结果,为复杂多变的空战提供一种合理的决策支持.

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基于线性矩阵不等式的线性/非线性切换自抗扰控制系统的稳定性分析

万慧, 齐晓慧, 李杰

2022,56 (11): 1491-1501.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.203

摘要 ( 657 )

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PDF(1537KB) ( 592 )

针对一类连续线性标称多输入多输出(MIMO)系统,设计基于线性/非线性切换自抗扰控制(SADRC )的解耦控制器.介绍系统模型,并针对设计的SADRC解耦控制器提出一种基于线性矩阵不等式(LMI)技术的绝对稳定性分析方法,最后通过数值仿真验证了该方法的有效性.

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双轴驱动式人造肛门括约肌系统经皮无线供能

华芳芳, 颜国正, 王立超, 柴川页, 肖敦玺

2022,56 (11): 1502-1508.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.216

摘要 ( 629 )

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PDF(3519KB) ( 383 )

作为植入式医疗设备的一种,双轴驱动式人造肛门括约肌(BAAS)系统的经皮无线供能(TET)系统在植入活体后,受到增生包裹等体内环境的影响,面临耦合性能明显低于体外实验的问题,降低了其在医疗中的实用价值.结合现有BAAS的TET系统实验结果,针对受增生包裹导致的传输角度等问题,对现有TET系统的参数进行分析研究,得出了传输角度与传输效率的关系曲线.实验结果表明,在传输距离为30 mm时,传输效率仍可达到60%以上.在传输距离为30 mm条件下,传输角度为20° 时,传输效率的均值可达到66.65%;传输角度为30° 时,传输效率的均值可达到59.96%.发射线圈充电温度最大值为23 ℃,充电温度不会对人体造成低温烫伤的情况,满足BAAS系统性能要求,达到了在传输距离较远时仍可高效率传输能量的目的.

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基于点云语义分割算法的下颌角截骨面设计

吕超凡, 言颖杰, 林力, 柴岗, 鲍劲松

2022,56 (11): 1509-1517.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.103

摘要 ( 660 )

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下颌角截骨手术是近年来较为热门的颅面整形手术.现阶段,下颌角截骨的术前方案设计通常由具有一定年资的医生完成,过程繁琐且耗时较长.为了提高截骨手术术前规划效率,提出一种基于点云语义分割网络的下颌角截骨面设计方法.对颅骨电子计算机断层扫描(CT)数据进行三维重建和表面点采样,将下颌骨三维模型转换为点云数据,然后通过基于Transformer的点云语义分割网络预测下颌骨点云中的截骨区域,最后根据点云分割结果计算出下颌角截骨平面.所提网络主要包括两个部分:一是基于注意力机制的本地特征提取层,用于提取细粒度局部结构信息;二是基于Transformer的非本地特征提取层,用于提取点云的全局上下文信息.在构建的下颌骨语义分割数据集上,将所提算法与其他点云语义分割算法进行比较.结果表明:所提算法能实现最佳的下颌角截骨区域预测,优于目前常见的点云语义分割算法.

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外源性脉冲电磁场干扰下的心脏起搏器“窗口效应”及防护

卢武, 丁苒苒, 赵文彬, 黄冬, 王哲铭

2022,56 (11): 1518-1531.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.326

摘要 ( 1005 )

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PDF(24935KB) ( 760 )

现代电网和医疗环境中广泛存在的脉冲电磁场对起搏器佩戴者潜在的电磁干扰不容忽视,但目前缺乏对此类暂态电磁干扰发生机制和防护措施的系统研究.将猪肉组织浸入0.9%氯化钠溶液,构建起搏器术后人体等效离体模型,采用快波前特性电流模拟常见电力设备投切过程和低频脉冲式医疗设备产生的脉冲电磁场对起搏器佩戴者的影响.基于脉冲形成线理论,对脉冲电磁场在胸腔结构中的波型压缩特性进行分析.进一步通过有限元软件建立起搏器与组织结构结合的参数化生物电磁暂态模型.研究结果表明,起搏器在脉冲电磁场中会产生心电图P波尖顶、过感知等故障,通过改变囊袋中导线缠绕方式发现起搏器在电磁干扰环境下,囊袋回路存在“窗口效应”.基于此发现,提出使用复合材料进行“窗口”屏蔽的防护策略,并通过仿真验证该方法可将脉冲电磁场对起搏器的电磁干扰强度有效降低80 dB,初步印证了该防护措施的理论可行性.最后,为电网环境和医疗环境下起搏器佩戴者制定了安全距离.

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不同送风方式下大客车内飞沫传播特性研究

陈志鑫, 汪怡平, 杨亚锋, 苏建军, 杨斌

2022,56 (11): 1532-1540.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.318

摘要 ( 594 )

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PDF(32872KB) ( 639 )

为了研究大客车内携带病毒飞沫的扩散特性,预测客车中空气传播病毒感染乘客的风险概率,基于计算流体力学的数值仿真与Wells-Riley方程相结合,建立夏天制冷空调开启状态下大客车的数值模型.通过对车内流场的组织特性分析,结合拉格朗日方法,计算车内病毒携带者咳嗽产生飞沫的扩散过程,分析对比在4种送风方式下携带病毒的飞沫对车内乘客的感染风险.研究发现,车内纵向气流是影响飞沫扩散的关键因素,相较于非对称布置的圆形送风口,客车采用条缝型送风口能够减少车内的纵向气流;采用置换通风的客车内,仅6%的乘客有高于5%概率感染疾病,置换通风在降低飞沫传播感染的风险方面更有效.研究成果可以为客车送风系统的结构设计和降低飞沫传播感染风险提供指导作用.

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源重构近远场变换的探头补偿算法

袁浩波, 董欣欣, 张瑞雪, 鲁榄埔, 陈曦

2022,56 (11): 1541-1546.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.221

摘要 ( 642 )

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PDF(1218KB) ( 504 )

源重构近远场变换方法在天线测量、天线诊断以及成像等方面的应用越来越多.该方法将待测天线的近场分布等效为包围待测天线的一个平面上的磁流作用,从而进行近远场变换,但现有源重构方法由于没有合适的探头补偿算法而精度较低.对此,首先根据互易定理给出等效磁流和探头接收信号之间的积分方程;然后用矩量法将其转化为矩阵方程,并求解出磁流分布;最后得到待测天线的方向图.波导探头测量喇叭天线的例子表明:所提方法得到的方向图的均方根误差仅为现有无补偿方法方向图均方根误差的1/3,该探头补偿算法准确有效.

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多层LCP电路板过孔互联电路模型快速构建

刘维红, 刘烨

2022,56 (11): 1547-1553.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.308

摘要 ( 866 )

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PDF(2713KB) ( 606 )

液晶高分子聚合物(LCP)以其优异的微波毫米波特性,被广泛应用于高频多层电路板.在多层电路板结构中,为了实现不同层电子器件以及传输线结构的高效互联,设计电学特性优异的过孔互联结构显得尤为重要.近年来,随着多层电路板使用频率的不断升高,过孔互联结构的不连续性问题愈发凸显,因此对其进行快速、准确的电磁建模,可以大大提高微波毫米电路的设计效率.基于4层LCP电路板,针对接地共面波导-带状线-接地共面波导(GCPW-SL-GCPW)结构,提出一种高效、快速的多层电路过孔建模方法.通过对多层结构进行分段建模,在寄生参数提取过程中引入快速收敛算法,建立过孔的集总参数等效电路结构;基于微波网络级联法,完成GCPW-SL-GCPW结构等效电路模型的快速构建.与三维高频电磁软件(HFSS)全波仿真结果进行对比,发现该建模方法过程简单、求解速度快.利用LCP多层工艺,制备了GCPW-SL-GCPW电路结构,测试结果表明,在10 MHz~40 GHz的宽频范围内,测试结果和等效电路分析结果具有高度一致性,验证了该过孔互联建模方法的有效性.

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基于预训练语言模型的语法错误纠正方法

韩明月, 王英林

2022,56 (11): 1554-1560.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.079

摘要 ( 815 )

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自然语言处理中的语法错误纠正 (GEC) 任务存在着低资源性的问题,学习GEC模型需要耗费大量的标注成本以及训练成本.对此,采用从掩码式序列到序列的预训练语言生成模型 (MASS) 中的迁移学习方式,充分利用预训练模型已提取的语言特征,在GEC的标注数据上微调模型,结合特定的前处理、后处理方法改善GEC模型的表现,从而提出一种新的GEC系统(MASS-GEC).在两个公开的GEC任务中评估该系统,在有限的资源下,与当前GEC系统相比,达到了更好的效果.具体地,在CoNLL14 数据集上,该系统在强调查准率的指标F_0.5上表现分数为57.9;在JFLEG数据集上,该系统在基于系统输出纠正结果与参考纠正结果n元语法重合度的评估指标GLEU上表现分数为59.1.该方法为GEC任务低资源问题的解决提供了新视角,即从自监督预训练语言模型中,利用适用于GEC任务的文本特征,辅助解决GEC问题.

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