当期目录

2017年 第23卷 第1期    刊出日期：2017-02-28

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无人艇

基于速度障碍法和动态窗口法的无人水面艇动态避障

张洋洋, 瞿栋, 柯俊, 李小毛

2017, 23(1):  1-16.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2016.07.021

摘要 ( 2235 )   PDF (16419KB) ( 1217 )  

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速度障碍法是一种普遍应用在无人水面艇(unmanned surface vehicle, USV)上的动态避障方法, 但传统的速度障碍法未考虑无人水面艇运动学性能与障碍物运动信息误差的影响,也未明确何时开始避障与结束避障. 在速度障碍法的基础上, 用椭圆表示无人水面艇与障碍物, 给出一种求解椭圆切线的方法; 将动态窗口法与速度障碍物法相结合, 考虑无人水面艇的运动学性能, 只使用无人水面艇在给定时间内能到达的速度和方向进行避障计算; 通过比较碰撞时间与无人水面艇避开障碍物所需的时间来确定何时开始避障, 并提出一种结束避障的判断方法; 为了减小障碍物运动信息误差的影响, 提出了一种虚拟障碍物方法. 最后, 通过仿真实验验证了该避障方法的可行性与有效性.

无人水面艇岛礁海域完全遍历路径规划

钟雨轩, 葛磊, 张鑫, 彭艳, 杨毅, 李小毛

2017, 23(1):  17-26.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2016.07.020

摘要 ( 1642 )   PDF (3863KB) ( 375 )  

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针对无人水面艇(unmanned surface vehicle, USV)对岛礁海域自主测绘时存在的任务计算量大、场景复杂等问题, 提出了一种考虑主动方向的动态栅格法与启发式搜索算法. 该方法基于动态栅格法进行环境建模, 利用优先级启发式算法选择进行遍历的路径点, 并在无人水面艇陷入死锁时通过启发式搜索算法产生走出死锁点的最优路径. 仿真实验结果表明, 该方法能使路径规划的性能得到较大的提升, 且规划出的路径更为合理有效, 满足无人水面艇对岛礁区域测绘时的路径需求.

基于3D激光雷达的无人水面艇海上目标检测

李小毛, 张鑫, 王文涛, 瞿栋, 祝川

2017, 23(1):  27-36.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2016.07.022

摘要 ( 2213 )   PDF (9428KB) ( 660 )  

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无人水面艇(unmanned surface vehicle, USV) 实现自主导航避障需要实时感知周围的环境信息, 检测出威胁无人水面艇航行的障碍物, 而3D激光雷达在无人系统障碍检测中起重要作用. 提出了一种基于3D激光雷达的障碍检测算法, 即将一个周期内的3D激光点云投影到2.5D栅格地图中, 对障碍物进行聚类分割；对栅格中的原始点云数据进行特征提取, 表示为椭圆障碍物. 而多帧激光数据采用最近邻数据关联识别出其中的动态障碍物, 并用卡尔曼滤波实时跟踪. 基于电子海图的仿真激光数据验证了该方法在无人水面艇障碍检测中的有效性.

一种海水采样对接传输装置的设计

杨超1, 郭伟其2, 金左文3, 杨毅4, 李小毛4, 刘明确4, 彭艳4

2017, 23(1):  37-46.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2016.07.008

摘要 ( 969 )   PDF (6655KB) ( 202 )  

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为解决采样海水从吊放式采水器到储存分配系统对接传输问题, 根据海水取样要求, 提出了一套海水从采水器到分配储存系统的对接传输装置设计方案. 对接传输装置由上定对接头和下对接座组成, 其中上定对接头的导向爪组与下对接座的锥钢套采用杆锥方式的粗对接,以补偿上定对接头滑套中心底锥孔与下对接座导向锥管的二次精对接定位误差, 降低其定位精度要求. 这样, 从机械结构上保证了采水器到分配储存系统的海水偏心流道的O形密封圈装配要求. 为了消除对接过程中各种变差对系统的影响, 该装置采用了弹簧阻尼减震, 再配以波纹管柔性连接补偿轴向位移及径向偏心, 目的是为延长装置寿命. 基于SolidWorks Motion仿真还原了整个对接系统定心过程, 揭示了装置中各种变差对系统的影响. 再基于SolidWorks Simulation仿真了导向爪组在对接过程中的受力状态, 验证了整个装置结构设计的合理性.

基于结构森林边缘检测和Hough变换的海天线检测

徐良玉1, 马录坤1, 谢燮1, 彭艳1, 彭艳青2, 崔建祥1

2017, 23(1):  47-55.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2016.07.018

摘要 ( 1878 )   PDF (20904KB) ( 556 )  

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海天线是海面环境图像所具有的重要特征之一, 海天线的检测对划分海空、海界区域以及目标检测有重要作用. 提出了一种结合结构森林快速边缘检测和概率Hough变换的海天线检测方法. 首先通过高斯低通滤波来减小海面浪纹、光照反射等局部纹理影响, 然后使用已完成训练的结构化随机森林为每个像素贴上边缘标签——二值化, 最后通过Hough变换原理拟合海天线. 实验结果表明, 该方法可以较好地忽略局部干扰边缘, 强化边界提取, 对复杂海天背景下的海天线检测具备鲁棒性和高准确性.

无人水面艇仿真系统设计与实现

胡辛明1, 张鑫1, 钟雨轩1, 彭艳青2, 杨毅1, 姚骏峰1

2017, 23(1):  56-67.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2016.07.019

摘要 ( 1340 )   PDF (7648KB) ( 279 )  

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无人水面艇(unmanned surface vehicle, USV)的海上调试成本高、难度大、效率低.为了减少海上调试工作量, 设计了仿真系统, 规划了仿真流程, 为无人水面艇控制系统的测试和分析提供了平台. 该仿真系统包括5 个模块: 显控模块用于全局路径规划和综合信息监控; 数据仿真模块模拟障碍检测传感器与位置和姿态传感器数据; 障碍处理模块对检测数据进行预处理、栅格化、聚类和拟合, 并对拟合后的动态障碍进行跟踪; 导航和避障模块嵌入视线制导(line of sight, LOS)导航和椭圆聚类-碰撞锥推演的动态避障算法; 运动控制模块采用广义预测控制-比例积分(generalized predictive control-proportion-integral-derivative, GPC-PID)串级控制方法. 各个仿真模块具有独立性, 可根据不同需求替换. 仿真实验结果表明了该系统设计的正确性和合理性.

快报

对称张量特征值问题的一种预处理迭代算法

顾传青, 李龙

2017, 23(1):  68-72.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2016.07.009

摘要 ( 792 )   PDF (491KB) ( 181 )  

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移位对称高阶幂法(shifted symmetric high order power method, SS-HOPM)是一种求解张量Z-特征值的著名迭代算法. 用Newton法对该算法实施初值预条件处理, 得到了对称张量特征值问题的一种Newton预条件移位对称高阶幂法(preconditioning SS-HOPM, PSS-HOPM). 用两个数值例子验证并得出, 与SS-HOPM相比, 该算法在几乎不增加计算时间的条件下能计算出更多的特征值.

研究论文

硅油中Ostwald系数的测定

徐毅1, 徐言言1, 袁彬2

2017, 23(1):  73-80.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.04.011

摘要 ( 777 )   PDF (3589KB) ( 294 )  

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随着中国对电力建设的投入不断增加, 硅油作为一种电绝缘性能优良、环境友好的绝缘油受到业内普遍关注. 利用目前技术比较成熟的气相色谱检测方法, 对硅油作为变压器绝缘介质油中的溶解性气体的奥斯特瓦尔德系数进行了检测, 得到了多组平行性较好的硅油的奥斯特瓦尔德系数, 填补了国内硅油作为变压器绝缘油缺乏相应的检测参数的空白.

高校餐厨垃圾制沼气与中水回用联合改造系统

马振1, 万皓2, 张萌2

2017, 23(1):  81-90.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.04.010

摘要 ( 760 )   PDF (4174KB) ( 254 )  

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针对高校餐厨垃圾与生活污水的处理现状, 提出了构建餐厨垃圾制沼气与生活污水回用良性互补的联合节能改造系统的思路, 为高校节能工作创建了新的改造模式. 在不同的餐厨垃圾与污泥混合比例条件下进行了产沼气实验, 当混合比为1:1 时, 40 d 后的累积沼气产率最大, 为621 mL/(g·VS), 挥发性固体(volatile soild, VS) 含量去除率高达67.5%, 产甲烷效率为78.6%, 为最佳混合比例. 1:1 混合底物反应后溶解性化学需氧量(solluted chemical oxygen demand, SCOD)、溶解性碳水化合物及蛋白质的去除率分别为55.7%, 68.7%, 22.7%, 较餐厨垃圾的发酵显著提高, 底物的pH 值基本在6.8~7.2 之间. 通过对上海大学南区进行的节能估算可知, 改造后每年可节省耗能费约26 万元, 具有较好的经济效益.

气相色谱-质谱联用技术定向筛查在用液体类油田化学助剂中8种有机氯化物

胡志猛1, 夏凌燕2, 邵红云2, 蒋绍辉2, 赵俊桥2, 郑柯文1, 陈征1, 任国发1

2017, 23(1):  91-100.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.03.015

摘要 ( 619 )   PDF (9350KB) ( 165 )  

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采用气相色谱-质谱联用技术建立了一种适用于定向筛查在用液体类油田化学助剂中8种有机氯化物的分析方法, 考察了样品制备及仪器分析参数对分析过程的影响. 该方法确定8种目标化合物的线性范围为2~100 ng/μL, 相关系数均大于0.99, 仪器检出限范围为10~120 ng/mL. 在3个基质加标实验中, 各目标化合物的回收率范围为77.2%~93.5%, 相对标准偏差小于7%, 适合实际样品中目标化合物的定向筛查. 应用该方法对胜利油田提供的液体类油田化学助剂混合样品进行了有机氯化物的定向筛查, 结果表明混合样品中无相关有机氯化物检出, 并对产生这一结果的原因进行了解析.

道路灰尘中多环芳烃的污染特征、来源解析及其健康风险评估

李红, 沈鑫豪, 王玉洁, 唐量, 吴明红, 马静

2017, 23(1):  101-111.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.03.017

摘要 ( 1452 )   PDF (8867KB) ( 229 )  

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采用网格布点法在上海中心城区采集了夏冬两季112 个道路灰尘样品, 用以评估上海市中心城区道路灰尘中多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs) 的浓度水平及其对人体健康的潜在影响, 同时定性解析了路面灰尘中多环芳烃的来源. 着重分析了美国环保署优先控制的16 种多环芳烃, 测得夏季PAHs 浓度范围为0.817~21.800 μg/g, 平均值为10.400 μg/g; 冬季PAHs 浓度范围为4.08~59.90 μg/g, 平均值为23.70 μg/g. 对于功能区差异的研究显示, 冬夏两季PAHs高值均出现在交通枢纽、施工区和商业区等区域, 而低值则出现在近江区、空旷区和近绿地区等区域, 且冬季PAHs 浓度与人口密度有一定的相关性.通过特征比值法解析来源, 发现夏冬两季道路灰尘中PAHs 的主要来源存在一定的差异. 而健康风险评估显示, 虽道路灰尘中多环芳烃不具有潜在致癌风险, 但也存在一定的危害人体健康风险. 此外, 冬季道路灰尘中PAHs 的终生致癌风险(incremental lifetime cancer risk, ILCR)明显高于夏季, 且灰尘中PAHs 对成年人的终生致癌风险高于儿童.

顶空固相微萃取联合气相色谱法测定土壤中30种卤代烃化合物的方法

裴永强, 樊占春, 赵静, 岳建伟, 李永青, 李焕峰

2017, 23(1):  112-120.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.03.012

摘要 ( 621 )   PDF (10273KB) ( 147 )  

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采用顶空固相微萃取(head space solid phase micro-extraction, HS-SPME)技术测定土壤中30种卤代烃类化合物, 全面分析了影响目标物萃取效率的因素, 确定了最佳萃取条件. 采用顶空固相微萃取联合气相色谱法(HS-SPME gas chromatography, HS-SPME-GC)测定土壤中30种卤代烃化合物, 该方法在0.25~50.0×10³ ng/L范围内线性较好, 检出限为0.04~3.58×10³ ng/kg. 空白加标回收率为62.7%~122.0%, 相对标准偏差(relative standard deviation, RSD)为0.7%~14.9%.

非饱和南阳膨胀土的剪切强度及其预测

孙红云, 孙德安

2017, 23(1):  121-127.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.018

摘要 ( 729 )   PDF (7567KB) ( 254 )  

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膨胀土是一种随含水率变化而具有吸水膨胀、失水收缩特性的特殊土, 与普通黏土相比, 含水率对其强度特性影响更为显著. 为了探讨含水率对膨胀土强度的影响, 对压实南阳膨胀土进行了一系列直剪试验, 得到了在相同干密度及不同含水率条件下的抗剪强度. 试验结果表明, 南阳膨胀土的抗剪强度和黏聚力均随含水率的增大而减小, 内摩擦角受含水率的变化影响不大. 此外, 把宏观饱和度引入Bishop非饱和土强度公式中, 对试验结果与修正强度公式的计算值进行比较, 结果表明修正后的Bishop非饱和土强度公式可以较为精确地预测出非饱和膨胀土的强度.

拉压不同模量矩形板的双向弯曲问题

张良飞, 姚文娟

2017, 23(1):  128-137.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.02.003

摘要 ( 691 )   PDF (3085KB) ( 178 )  

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拉压不同模量矩形板的双向弯曲的中性轴可以从两个弯曲方向考虑. 基于不同模量理论, 利用静力平衡方程推导了不同模量矩形板的中性轴位置, 再利用Kantorovich变分法求解了不同模量矩形板的挠曲线方程, 并将得到的数值解和有限元解进行比较, 二者较为吻合. 计算结果表明, 当拉压不同模量的差异较大时, 不同模量弯曲矩形板的挠度不宜采用相同模量经典板壳理论. 该方法为分析不同模量矩形板和其他结构形式的板的弯曲问题提供了求解思路,并为其在工程中的应用提供了一定的理论参考.

基于训练序列的OOFDM采样时钟频率偏差估计算法

张镇, 宋英雄, 张俊杰, 顿涵, 郭松霖, 薛子威

2017, 23(1):  138-146.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.02.011

摘要 ( 1355 )   PDF (9872KB) ( 227 )  

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研究了光正交频分复用(optical orthogonal frequency division multiplexing, OOFDM)系统中采样时钟同步问题, 提出了一种基于训练序列互相关特性的易于硬件实现的采样时钟频偏估计算法. 算法的主要思想是对接收到的训练序列与本地已知训练序列作互相关, 利用该相关值周期性变化一次产生一个采样点数差的特性, 由少量加法器和一个除法器得到采样时钟频率偏差(sampling clock frequency offset, SCFO)值. 通过在一个强度调制直接检测的光正交频分复用(intensity-modulation and direct-detection-OFDM, IMDD-OFDM)系统上的实验, 验证了该算法具有较好的准确度和抗噪性能.

新型三阶SIR高阻带抑制双通带滤波器

姜逸飞1,2, 孟令琴1,2, 杨广立1

2017, 23(1):  147-154.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.019

摘要 ( 838 )   PDF (6005KB) ( 946 )  

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采用三阶信噪比(signal to interference ratio, SIR)干扰谐振器作为基本谐振单元, 通过调整阻抗比控制主频和第一杂散频率的位置, 设计了一种新型高阻带抑制双通带滤波器. 滤波器第一通带由主谐振频率产生, 第二通带由第一杂散频率产生. 运用三角耦合结构作为该滤波器的拓扑结构, 使得整体滤波器呈现出带外传输零点和阻带的高抑制度. 使用交指型耦合结构实现输入/输出端的强耦合, 得到较高的外部品质因数. 该滤波器的两个通带中心频率分别为1.57 GHz (GPS)和2.5 GHz (4G), 3 dB带宽分别为4.0%和2.4%. 结果表明, 测量结果和仿真结果基本吻合.