J Shanghai Jiaotong Univ Sci

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2025 (6): 1073-1084.
doi: 10.1007/s12204-023-2645-4

摘要 ( 31 )

PDF(2107KB) ( 33 )

近年来，卷积神经网络的最新进展促进了物体识别和语义分割领域的进步，进而提高了高光谱图像分类的性能。然而，高维度的特征提取和训练样本的不足严重阻碍了高光谱图像分类的未来发展。在本文中，我们提出了一种基于三维卷积和特征金字塔网络的新算法3D-FPN，用于高光谱图像分类。该框架包含主成分分析、特征提取结构和逻辑回归三部分。首先利用三维卷积构建的特征金字塔结构不仅充分保留了三维卷积提取光谱-空间特征图的优势，而且更关注细节信息，最后进行多尺度的特征融合。该方法避免了模型的过度复杂，能适用于具有不同类别和不同空间分辨率的小样本高光谱分类。为了测试我们提出的3D-FPN的性能，我们对三个公共高光谱数据集和高分五号卫星的高光谱数据进行了严格的实验分析。定量和定性结果表明，我们提出的方法在与其他最先进的端到端深度学习方法比较中展现了最佳性能。

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基于李雅普诺夫奖励塑造的移动机器人自适应LSAC-PID控制方法

2025 (6): 1085-1102.
doi: 10.1007/s12204-023-2631-x

摘要 ( 25 )

PDF(2455KB) ( 22 )

为了解决复杂多变环境下多输入多输出（MIMO）系统的控制问题，本文针对移动机器人的自动控制提出了一种基于深度强化学习（RL）的无模型自适应LSAC-PID方法。根据环境反馈，作为上层控制器的RL智能体将最优参数输出给下层MIMO PID控制器，实现实时最优控制。首先，提出了一种无模型自适应MIMO PID混合控制策略，通过强化学习中最先进的软演员评论家（SAC）算法来实现控制参数的实时最优整定。其次，为了提高RL的收敛速度和控制性能，基于李雅普诺夫理论设计了一种适用于非策略RL算法的奖励塑造方法，并基于此确定了一种基于李雅普诺夫奖励的自适应LSAC-PID整定方法。通过软策略迭代的策略评估和策略改进，从数学上证明了提出的LSAC-PID算法的收敛性和最优性。最后，基于所提出的奖励塑造方法，针对循线机器人系统设计了奖励函数来提高其稳定性。仿真和实验结果表明，在不依赖控制系统模型和解耦控制回路的情况下，提出的自适应LSAC-PID方法可以实现MIMO PID参数的实时最优整定，具有收敛速度快、泛化性强和实时性高等优点。

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基于深度学习序列方法的多人姿态估计用来检测人体与关键点位置

2025 (6): 1103-1113.
doi: 10.1007/s12204-023-2658-z

摘要 ( 29 )

PDF(1005KB) ( 25 )

多媒体和计算机视觉最新研究主要集中于利用图像分析人类行为和活动。骨架估计，又称姿态估计，受到广泛关注。对于人体姿态估计，深度学习方法主要强调关键点特征。相反，在遮挡或不完整姿势情况下，关键点特征不够丰富，尤其是当一个画面里有很多人的时候。除了关键点特征外，其他特征，如身体边界和可见性条件，也有助于姿态估计。利用掩码区域卷积神经网络（Mask-RCNN），模型框架集成了多个特征，即可以作为关键点位置估计约束的人体掩模特征，人体关键点特征，和关键点可见性。在整个结构中共享多个特征以形成一个连续的多特征学习设置，而在Mask-RCNN中，唯一可以通过系统共享的特征是区域感兴趣特征。共享权重过程的双向放大产生了掩码，另外解决了使用Mask-RCNN时分割不当、小入侵和对象丢失的问题，例如分割。准确率由正确关键点的百分比来表示，还有模型可以识别出86.1%正确关键点。

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基于生成式对抗网络的红外单像素成像

2025 (6): 1114-1124.
doi: 10.1007/s12204-023-2654-3

摘要 ( 15 )

PDF(1008KB) ( 19 )

成像领域中对图像的分辨率要求越来越高，对于红外制导系统，始终存在导引头灵敏度与分辨率之间的矛盾。为解决在高灵敏度的红外玫瑰线点扫描方式下尽可能地提高图像分辨率，补全未扫描到的缺失信息，本项工作使用玫瑰线扫描的方式进行物理方式压缩成像。使用光学透镜替代传统的光学反射系统可以有效减少光路传输中损耗，同时结合深度学习神经网络进行控制，通过改进的生成式对抗网络，训练出一个集稀疏算法与恢复算法为一体的红外单像素成像系统。在红外空中目标数据集上的实验表明：输入为玫瑰线采样后的稀疏图像时，最终实现红外图像的单像素恢复成像，在保证高灵敏度的同时提高了图像分辨率。

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基于EEPPO的四足机器人步态学习方法复现

2025 (6): 1125-1133.
doi: 10.1007/s12204-023-2666-z

摘要 ( 27 )

PDF(1430KB) ( 16 )

基于强化学习方法来实现四足机器人仿生步态学习已成为一种新的研究方向；其中近端策略优化（proximal policy optimization, PPO）算法由于存在奖励稀疏等问题，PPO算法从零开始学习到成功的步态概率不高。为解决上述问题，本文提出一种融合先验知识进化引导的四足机器人步态学习算法EEPPO（experience evolution proximal policy optimization）算法。EEPPO算法将进化策略训练成功样本作为先验知识，用于引导学习方向以提高学习算法成功概率。为验证提出的EEPPO算法有效性，在Pybullet平台上进行了四足机器人步态学习任务仿真实验。实验结果表明：使用机器人的速度、姿态与关节等关键信息，对CPG-RBF网络和策略网络同时更新以实现四足机器人的仿生对角小跑步态学习任务。为进一步验证本文算法优越性，将EEPPO算法与传统SAC（soft actor-critic）算法进行比较；该方法能够在平地地形中学习到更加稳定的对角小跑步态。

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多机器人协调吊运系统动力学分析与轨迹求解

2025 (6): 1134-1143.
doi: 10.1007/s12204-023-2649-0

摘要 ( 15 )

PDF(771KB) ( 16 )

针对多机协调吊运系统的欠约束特性，柔索只能对被吊运物提供单向约束力，导致吊运系统的动态响应不能完全控制。以固定基多机器人协调吊运系统的运动学为基础，利用牛顿-欧拉方程和Udwadia-Kalaba方程建立吊运系统的动力学模型。为了得到稳定性高且控制性强的运动轨迹，对吊运系统的运动轨迹进行了优化。在吊运过程中，将柔索松弛状态和张紧状态的转变过程视为被吊运物与机器人末端的碰撞。通过分析吊运系统在单自由度变量和多自由度变量求解的运动轨迹，结果表明优化后的运动轨迹更接近实际，真实反映了柔索对被吊运物的约束。研究结果为该吊运系统的轨迹规划和协调控制提供了依据。

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钢丝绳巡检机器人研究综述

2025 (6): 1144-1161.
doi: 10.1007/s12204-023-2641-8

摘要 ( 20 )

PDF(2596KB) ( 16 )

钢丝绳巡检机器人是钢丝绳状态监测和维护的重要工具，能够对钢丝绳损伤进行准确定位和程度判别。钢丝绳巡检机器人也可以用于缆索检测。首先，综述了钢丝绳巡检机器人爬行结构和爬行方式，分析了每种爬行方式的特点以及存在的问题。接着，论述了钢丝绳巡检机器人的驱动方式，介绍了其常用电机的类型，对比了驱动电机的优缺点以及控制方式。再接着，阐述了钢丝绳巡检机器人无损探伤检测的方法和原理，对比了目前常用的检测方法以及存在的不足。然后，对通信方式的类型进行对比分析，同时也介绍了无线通信方式的种类。最后，归纳了目前钢丝绳巡检机器人存在的问题，并展望了钢丝绳巡检机器人未来的发展趋势。

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浮动式多机器人协调吊运系统负载稳定性分析

2025 (6): 1162-1170.
doi: 10.1007/s12204-023-2634-7

摘要 ( 19 )

PDF(1557KB) ( 14 )

目前海上使用的起重机在灵活性、效率和安全性上存在不足，因此提出一种浮动式多机协调吊运系统来弥补海上吊运的需求。针对浮动式多机协调吊运系统很难用传统的方法分析稳定性，本文首先分别以吊运系统柔索的最小拉力与刚度矩阵的最小奇异值对负载的稳定性进行了分析，并且探讨了两种稳定性分析方法的优缺点。然后对两种稳定性分析方法进行数据归一化和加权处理，得出了最小拉力值与刚度最小奇异值的方法，综合分析了负载的稳定性。最后以三组不同的加权系数，分析了加权系数对负载稳定性的影响，并通过与单一分析方法做对比，最终得到了合理的评价负载稳定性的加权系数。研究结果为该吊运系统的运动规划和协调控制提供了基础。

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可抑制激光抖动与目标倾斜的双聚焦型激光位移传感器

2025 (6): 1171-1178.
doi: 10.1007/s12204-023-2636-5

摘要 ( 20 )

PDF(1009KB) ( 14 )

激光位移传感器的测量精度受制于各种因素，其中激光抖动和目标倾斜将直接导致激光光斑的位置移动和形状改变，造成位移测量误差。国内外研究人员在光斑定位补偿算法上做大量研究，但却治标不治本。本文从问题源头出发，提出双聚焦双峰成像方案，利用反射镜改变光路方向，使得两光路的像斑聚焦在同一CMOS上，形成双峰结构，当激光抖动和目标倾斜发生时，两个光斑中心虽产生偏移，却是同向移动，他们的相对位置不变，于是由两光斑相对位置表征位移量，激光抖动和目标倾斜从根源上得到抑制。但CMOS上的两个光斑形成非高斯分布的双峰结构，常规的光斑中心定位算法已不再适用，为此提出了双峰自适应阈值波形提取法与灰度重心法相结合的光斑定位算法，兼具了激光抖动和目标倾斜从源头上的抑制，以及光斑定位的准确性也即测量精度的提高，并进行了实验验证。

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基于仿真的新型比例导数/H∞混合控制器用于改进双连杆机械臂轨迹跟踪

2025 (6): 1179-1187.
doi: 10.1007/s12204-023-2660-5

摘要 ( 15 )

PDF(707KB) ( 18 )

为提高串联双连杆机器人手臂的跟踪性能，提出了一种将比例导数（PD）和H∞控制方法相结合的混合控制策略。H∞控制器能够在存在干扰和不确定性的情况下实现高性能和鲁棒性，而PD控制器在稳定机械臂方面是有效的。Matlab和Simulink仿真结果表明，该混合控制器综合了PD控制器和H∞控制器的优点，具有在第二连杆上升时间最短、两连杆稳定时间最短、两连杆峰值时间最短、误差响应衰减最快的特点。此外，混合控制方案的均方误差值也最低，比H∞控制器提高了53.3%，比PD控制器提高了91.8%，表明了与纯PD和纯H∞控制器相比，混合控制方案的轨迹跟踪性能有所提高。第二连杆的积分绝对误差、积分平方误差、积分时间绝对误差和积分时间平方误差最小，而第一连杆的误差值令人满意，表明混合控制器的性能分别优于PD和H∞控制器。

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基于少样本的核电厂电子卡件寿命预测

2025 (6): 1188-1194.
doi: 10.1007/s12204-023-2669-9

摘要 ( 15 )

PDF(472KB) ( 17 )

在小样本故障数据情形下，对核电厂电子板卡剩余寿命进行预测研究，可以为核电厂运维提供必要的决策依据，提升核电厂机组运行的经济性和安全性。为了解决小样本故障问题，本文采用威布尔模型来预测在核电厂电子卡件寿命，并利用阿伦尼斯方程揭示了电子卡寿命预测与环境温度之间的关系。首先采用截尾数据来扩充故障样本，通过删失数据与故障数据之间的权重比来进一步优化威布尔模型的尺度参数和形状参数；并利用秩回归拟合方程的方法获得卡件的特征寿命；采用小样本分组实验的方法来获取阿伦尼斯模型参数。通过对堆外中程高压电子卡的案例研究表明，在小样本故障场景下，结合威布尔模型和阿伦尼斯模型，可以对核电厂电子卡的寿命进行成功预测。该方法可以为核电厂电子卡件的预防性维修周期制定提供决策依据。最后利用温度-寿命模型可以为卡件的运维提供参考建议。

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考虑运动学和动力学特性的凸轮轮廓集成优化方法：以胶印机开闭牙机构为例

2025 (6): 1195-1207.
doi: 10.1007/s12204-024-2714-3

摘要 ( 17 )

PDF(1468KB) ( 17 )

为了高效地搜索出最优的凸轮轮廓，提出了一种考虑凸轮机构运动学和动力学特性的软件集成优化方法，并以胶印机开闭牙机构凸轮轮廓优化为例，验证了该方法的有效性。分别研究了从动件的加速度曲线和残余振动模型。设计了对称谐梯形曲线来控制从动件的加速度，以及提出了一种单自由度集中参数扭转振动模型来描述从动件的残余振动。据此，分别开发了从动件的运动曲线设计软件和Simulink振动模型，并与iSIGHT一同集成到自动优化平台中。在该平台内采用NSGA-II算法完成了以从动件的加速度最小和残余振动最小为目标的多目标优化。从Pareto前沿中选取加速度和残余振动均较低的一点作为从动件运动曲线的最优解。基于从动件的新运动曲线，在COSMOSMotion软件中进行逆运动学仿真，生成了实际的凸轮轮廓。安装了新设计凸轮的胶印机比原胶印机的振动更小，胶印机在印刷速度为15000 r/h时的最大实测加速度降低了7.7%。

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基于自适应鲁棒扩展卡尔曼滤波器的北斗三号PPP-B2b性能综合分析

2025 (6): 1208-1219.
doi: 10.1007/s12204-023-2664-1

摘要 ( 14 )

PDF(1134KB) ( 16 )

北斗三号导航系统使用B2b信号为中国及周边地区的用户提供实时精确点定位服务（PPP）。本文首先对PPP-B2b服务的性能进行了实验分析，然后建立无电离层模型。为了解决PPP收敛慢的传统问题，开发了一种自适应鲁棒扩展卡尔曼滤波（AREKF）算法。与误差补偿模型不同，它通过调整测量值的协方差矩阵和状态向量的权重矩阵实时反映噪声信息。最后，对实验结果进行了分析。实验评估结果表明，PPP-B2b校正可以显着降低广播星历更新引起的轨道和时钟的不连续性误差。定位结果表明，AREKF在静态和仿动态条件下均优于EKF。精确度提高了约20%，收敛速度提升了约25%，这对PPP的研究具有重要价值。

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无人机协助和用户协作的非线性能量收集移动边缘计算系统资源分配方法

2025 (6): 1220-1231.
doi: 10.1007/s12204-023-2624-9

摘要 ( 21 )

PDF(1003KB) ( 14 )

针对能量收集和计算卸载过程中，远距离用户群遭受大范围内的双重远近问题和远近用户群中存在的小范围内的双重远近问题，提出了一种无人机（UAV）协助和用户协作的非线性能量收集移动边缘计算（MEC）系统资源分配方法。引入搭载MEC服务器的无人机为远距离用户群提供能量和计算服务，以缓解其遭受的大范围双重远近问题。通过用户协作来缓解远近用户群中存在的小范围双重远近问题。具体的用户协作策略是：靠近基站或UAV的用户作为中继，将远离基站或UAV的用户的计算任务转移到MEC服务器进行计算。通过联合优化用户卸载时间、用户发射功率和无人机悬停位置，将资源分配问题建模成以最大化计算效率为目标的非线性规划问题。采用差分进化算法得到次优解。仿真结果表明，与基于遗传算法的资源分配方法和无用户协作的方法相比，提出的方法具有更高的计算效率。

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基于多种影响因素的电动汽车充电负荷建模方法

2025 (6): 1232-1241.
doi: 10.1007/s12204-023-2663-2

摘要 ( 23 )

PDF(1937KB) ( 13 )

电动汽车的充电负荷时空分布受到多种因素影响，预测的准确性还有待提高，建模的完备性比较缺乏。为此，提出了基于多种因素影响的电动汽车充电负荷建模方法。首先深入地分析了影响电动汽车充电负荷的因素，基于影响因素构建了电动汽车单位里程耗电量模型，然后分别建立了电动汽车、充电站、交通网、配电网模型，利用各模型之间的信息交互和耦合关系构建了车-站-路-网统一模型，最后以采集的某区域真实数据为例模拟了电动汽车充电负荷时空分布。结果表明：所构建的模型能够较为准确的模拟电动汽车不同时空分布的充电需求；不同车流量以及不同区域对充电负荷分布具有明显的影响。

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双平台联合作业混合式系泊系统水动力特性

2025 (6): 1242-1254.
doi: 10.1007/s12204-023-2640-9

摘要 ( 15 )

PDF(2804KB) ( 16 )

随着海洋资源的不断开发需求，双平台联合作业形式得到了越来越多的重视。本文基于双平台靠泊作业时系泊布置空间和相对运动限制，基于悬链线式和张紧式锚泊特性，设计出一种“X+浮筒”组合的新型混合式锚泊系统。运用数值模拟与试验相结合的方法开展新型锚泊系统的水动力特性分析。运用时域全耦合分析方法，研究了该锚泊系统在不同波浪高度和不同波浪周期的规则波以及畸形波作用下的水动力特性。通过研究可以发现，双平台在0°浪向下的布置是最优的，本文设计的“X+浮筒”组合系泊系统在不同规则波和畸形波作用下，双平台之间具有良好的跟随性。两个平台之间的相对运动响应能够得到有效控制，最终实现双平台联合作业的定位。本文的研究成果为我国深海海洋平台的水动力性能分析和安全评估提供了理论依据和技术支撑。

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基于模型预测控制的欠驱动USV自主航行模型

2025 (6): 1255-1264.
doi: 10.1007/s12204-023-2674-z

摘要 ( 19 )

PDF(585KB) ( 14 )

为了实现欠驱动无人水面船舶(USV)的航迹跟踪和避碰功能，构建了基于模型预测控制的自主导航模型，其中包括航迹偏移、速度变化和规则遵从性作为评估函数，以及动态/静态导航障碍的船舶领域和机械特性限制作为约束条件。通过多组仿真实验验证了该模型在多船遭遇情况下以及存在动态和静态障碍物的复杂水域中对USV自主导航的有效性。仿真结果表明，所提出的模型能够在复杂水域下实现欠驱动USV自主导航。

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冷空气驱动下冰水池结冰过程的数值模拟

2025 (6): 1265-1275.
doi: 10.1007/s12204-023-2627-6

摘要 ( 17 )

PDF(4175KB) ( 14 )

冷空气是影响冰水池结冰过程的关键因素之一。采用流体体积法模拟了带有冷空气入口的冰水池冻结过程，计算了冰水池内的温度场分布，比较了不同典型瞬间冰水池的温度场，分析了冷空气驱动下冰水池结冰过程的主要特点，研究了冷空气入口数量对冷冻过程的影响。数值结果表明，随着冷空气入口数量的增加，冰水池的温度场变得更加均匀。冷空气的速度对冰的产生有很大的影响。这项工作可以为冰水池的设计和结冰过程的控制提供参考。

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考虑时间窗和灵活返回基地的拖船调度研究

2025 (6): 1276-1288.
doi: 10.1007/s12204-023-2657-0

摘要 ( 16 )

PDF(883KB) ( 13 )

在港口，进出港船舶通常需要拖船的协助来提供靠泊、移泊和离泊服务。拖船调度问题不仅涉及船舶的周转时间，还涉及拖船的运营成本。我们建立了拖船调度问题的混合整数规划模型，考虑了船舶动态到达和离开港口、拖船的功率约束、拖船同时服务以及灵活的返回基地方式等实际条件，最大限度地减少规划期内拖船产生的总成本。模型通过具有三维编码的遗传算法来求解，算例实验验证了所提出的模型和求解方法在实践中的有效性。本研究有助于为港口管理者提供适当参考和意见，以帮助找到满足实际约束的最佳调度方案。

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钝尾缘水翼单自由度涡激振动与锁频特性研究

2025 (6): 1289-1298.
doi: 10.1007/s12204-023-2693-9

摘要 ( 13 )

PDF(1729KB) ( 10 )

水翼涡激振动关系到水力机械和海洋工程的结构安全与辐射噪声，因此开展不同工况下水翼振动特性研究具有重要的实际意义。基于数值模拟方法，计算了在俯仰方向上弹性支撑的钝尾缘水翼的涡激振动响应问题，探究了结构固有简约频率、质量比、初始攻角和雷诺数对振动特性的影响。结果表明，随着结构固有频率的变化，在特定的结构固有频率范围内发生了锁频现象。此外，随着质量比的增加，锁频范围减小。当初始攻角从0°增加到6°，锁频范围随之减小。三种雷诺数下(6×105, 9×105, 12×105)，锁频范围几乎保持不变。此外，对于给定的结构固有频率值，通过改变质量比、初始攻角以及雷诺数可以有效减小振幅。

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