中国机械工程

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2024, 35(06): 0.

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面向智能车辆的路面凹凸障碍物识别方法研究

邹俊逸, 刘畅, 郭文彬, 严运兵, 冉茂平

2024, 35(06): 951-961. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.001

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对于智能车辆而言，如果感知设备可以准确快速地检测到车辆行驶前方道路上的凹凸障碍物，那就可为车辆悬架等底盘系统的控制提供重要的预瞄信息，从而实现车辆综合性能的提高和改善。针对路面上常见的凸块（减速带）、凹坑等典型的正负障碍物，提出了一种基于改进YOLOv7-tiny算法的识别方法。首先，在原YOLOv7-tiny算法的三个特征提取层引入SimAM模块，增强网络对特征图的感知能力；其次，在Neck部分采用更为平滑的Mish激活函数，增加更多的非线性表达；再次，使用CARAFE上采样算子替换最近邻上采样算子，使网络更有效地聚合上下文信息；最后，将WIoU作为定位损失函数，提高网络收敛速度以及鲁棒性。离线仿真实验结果表明：与原模型相比，改进后的模型在几乎相同参数量下，预测框与真实框交并比为0.5时的平均准确度提高了约2.5%。将改进后的模型部署到实车上，实车实验验证了模型能够有效检测出车辆前方路面出现的障碍物，说明所提出的算法模型能够准确提供障碍物检测的预前信息。

计及质心侧偏角动态自适应的无人驾驶汽车横坡弯道跟踪控制

张玮1, 高爱云1, 付主木2, 赵恩会1, 陈芊安1

2024, 35(06): 962-972. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.002

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针对无人驾驶汽车在横坡弯道处因发生偏离期望轨迹甚至严重侧滑而失去稳定性的问题，提出质心侧偏角动态自适应控制策略。为应对汽车垂直载荷发生变化而导致轮胎侧偏刚度改变的情况，通过多组数据拟合得到载荷匹配图，进而设计基于模型预测算法的横向轨迹跟踪控制器，根据汽车入弯速度选择预测时域并结合道路弯度选择瞬态、稳态质心侧偏角，通过在线优化生成最佳前轮转角。最后搭建CarSim/Simulink联合在线仿真系统和实车系统进行验证，结果表明：所提控制策略能够保证汽车在横坡倾角为7%左右及弯道路面下不会出现严重的侧滑，从而提高了无人驾驶汽车在横坡弯道跟踪任务中的跟踪精度，使汽车具有良好的横向稳定性。

基于鲸鱼优化算法支持向量回归的汽车运动状态估计

尤勇1, 2, 孟云龙1, 2, 吴景涛1, 2, 王长青3

2024, 35(06): 973-981，992. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.003

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为了不依赖动力学模型精度而准确地获取车辆运动状态信息，提出一种基于鲸鱼优化算法支持向量回归(WOA-SVR)的车辆状态估计算法。首先通过分析车辆动力学基本特性，设计了侧向速度、横摆角速度与车速分离的支持向量回归估计架构；然后对支持向量回归（SVR）模型进行多种行驶工况组成的数据集训练，在训练过程中运用鲸鱼优化算法对松弛变量中的惩罚因子c与核函数参数g进行寻优；最后对估计算法进行单移线、扫频试验虚拟仿真和实车ABS制动、双移线试验验证。结果表明，该算法有效提高了估计精度，且对车速的变化具有鲁棒性，可以实现准确的不依赖动力学模型精度的汽车运动状态估计。

自动驾驶电动车辆基于参数预测的径向基函数神经网络自适应控制

陈志勇, 李攀, 叶明旭, 林歆悠

2024, 35(06): 982-992. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.004

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针对具有不确定性的自动驾驶电动车辆的运动控制问题，提出了一种基于参数预测的径向基函数（RBF）神经网络自适应协调控制方案。首先，考虑系统参数的不确定性及外部干扰的影响，利用预瞄方法建立可表征车辆循迹跟车行为的动力学模型；其次，采用RBF神经网络补偿器对系统不确定性进行自适应补偿，设计车辆横纵向运动的广义协调控制律；之后，考虑前车车速及道路曲率影响，以车辆在循迹跟车控制过程中的能耗及平均冲击度最小为优化目标，利用粒子群优化（PSO）算法对协调控制律中的增益参数K进行滚动优化，并最终得到一系列优化后的样本数据；在此基础上，设计、训练一个反向传播（BP）神经网络，实现对广义协调控制律中增益参数K的实时预测，以保证车辆的经济性及乘坐舒适性。仿真结果证实了所提控制方案的有效性。

麻雀搜索算法-粒子群算法与快速扩展随机树算法协同优化的智能车辆路径规划

张志文1, 2, 刘伯威3, 张继园1, 唐杰1, 张天赐1, 2

2024, 35(06): 993-999，1009. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.005

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针对智能汽车在面对多样化工作场景时其路径规划算法存在响应时间长、规划效率低的问题，提出了多元协同优化策略。首先，融合麻雀搜索算法(SSA)的警惕机制与粒子群算法(PSO)的种群寻优特性，对PSO算法中的惯性权重因子和学习因子进行优化；其次，提出“三角布线”搜索规则，对快速扩展随机树算法（RRT）进行双向优化（RRT-Connect）；然后，基于MATLAB软件建立了复杂环境道路仿真模型，对上述优化方案进行了仿真验证。结果表明，相较于单一的优化方案，协同优化算法在路径长度与规划时间上均具有显著的优势。对两种协同优化方案的应用场景进行了实车试验，结果显示：在局部路径规划中，SSA-PSO算法响应时间更短，规划效率更高，而在全局路径规划中，“三角布线”RRT-Connect算法更具优势。

基于优化动力学模型的路径跟踪控制研究

何智成1, 王煜凡1, 韦宝侣1, 2, 李智1, 卜腾辰1

2024, 35(06): 1000-1009. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.006

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针对一般路径跟踪模型预测控制器在高速大曲率工况下适应性差的问题，提出了一种基于优化动力学模型的自适应预测时域控制策略。首先，为解决经典动力学模型在较高侧向加速度工况下精度不足的问题，建立了包含侧倾转向和变形转向特性的优化模型，实现了车辆状态的较高精度预测；其次，为解决高速大曲率工况下固定预测时域控制效果不佳的问题，提出了基于二维高斯函数的自适应预测时域策略，以低算法复杂度实现了预瞄距离的实时调整；最后，通过CarSim/Simulink联合仿真实验验证了控制器在双移线道路上的控制效果，结果表明，横向位置峰值误差降低45.1%，横摆角峰值误差降低72.4%，设计的控制器对极限工况有更好的适应性。

斜齿轮啮合弯矩对风电齿轮箱行星轮滑动轴承瞬态润滑性能影响分析

李浩1, 谭建军1, 朱才朝1, 孙义忠2, 孙章栋3, 王红霞3

2024, 35(06): 1010-1022. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.007

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风电齿轮箱行星轮滑动轴承常被设计为以行星轮内孔和销轴分别作为轴套和轴颈，然而斜齿轮啮合弯矩容易使行星轮与销轴之间产生轴线不对中，导致边缘接触风险高，影响运行寿命。以6 MW级传动链齿轮箱行星轮滑动轴承为研究对象，考虑滑动轴承径向载荷、弯矩以及转速的动态影响，建立了行星轮滑动轴承瞬态摩擦动力学耦合模型，并以风电机组传动链SIMPACK动力学模型提取的行星轮动态啮合力与时变转速作为行星轮滑动轴承的载荷与运动边界输入，分析了斜齿轮啮合弯矩、输入扭矩和滑动轴承半径间隙对行星轮滑动轴承润滑性能的影响规律，并进行了实验验证。研究结果表明，行星轮动态啮合力及其产生的啮合弯矩会造成行星轮轴心位置与偏斜角产生动态循环变化，并且随着载荷的增加，行星轮滑动轴承油膜/固体接触压力与不对中弯矩会逐渐增大；减小行星轮滑动轴承半径间隙可以有效提高其瞬态润滑性能。

双转台五轴数控机床旋转轴位置无关几何误差辨识

张文斌, 刘焕牢, 王宇林, 周恒宇

2024, 35(06): 1023-1033. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.008

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针对双转台五轴数控机床旋转轴几何误差辨识精度问题，提出一种在机床坐标系下的旋转轴位置无关几何误差(PIGEs)辨识模型。建立了刀具球与工件球在机床坐标系下的实际初始坐标，通过逆矩阵得到工件球在所测轴的实际初始位置，基于4种测量模式建立了包含球杆仪安装误差与旋转轴PIGEs的杆长变化量数学模型。仿真分析了PIGEs对测量模式的影响，结果表明刀具球在两旋转轴轴线交点位置时，平行度误差不影响球杆仪杆长变化量。最后，通过实验辨识出旋转轴8项PIGEs，并对旋转轴PIGEs的4项位置误差进行补偿。实验结果表明，补偿后的位置误差最大绝对值由203.5 μm减小至5.1 μm，所提出的辨识模型可以有效提高五轴机床精度。

无力传感器的操纵手柄自适应变阻抗控制

倪涛1, 2, 张泮虹1, 2, 赵泽仁1, 2

2024, 35(06): 1034-1043，1051. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.009

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设计了一款轻量化和紧凑型的二自由度操纵手柄，并基于该操纵手柄提出了一种无力传感器的自适应变阻抗控制策略。根据操纵员操纵力大小对阻抗参数进行相应的调整以适应操纵员不同的操纵习惯；除了保证精确的位置控制外，加入了操纵手柄末端的速度控制，增强了操纵员的操纵感受。另外，在变阻抗柔顺控制的基础上加入了操纵力估计控制策略，从而避免了由于加装力传感器的额外接线导致系统复杂度增加以及由此带来的测量噪声。证明了所提控制策略在Lyapunov意义下的稳定性，说明了控制误差是收敛的，整个闭环系统的信号响应是一致极限有界的。最后,通过仿真实验以及实际台架实验验证了上述策略的有效性和稳定性。

旋翼桨叶扭角的数字化柔性检测方法

唐毓阳, 陈龙, 肖庆东

2024, 35(06): 1044-1051. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.010

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旋翼桨叶扭角直接影响着桨叶的性能和使用寿命，而传统扭角检测多依赖于专用的工装和量具，检测方法柔性度低、检测效率低、重复精度低。针对此问题，提出了旋翼桨叶扭角的数字化柔性检测方法，设计并构建了旋翼桨叶扭角检测系统，实现了旋翼桨叶扭角的自动化检测，可在较大程度上提高检测效率和精度，满足不同类型桨叶的检测需求。提出了一种基于关键截面局部轮廓配准的扭角计算方法，利用激光扫描传感器采集旋翼桨叶表面点云，采用基于主成分分析(PCA)算法的粗配准和基于K维树改进的迭代最近点(KD-ICP)算法的精配准相结合的点云配准方式，准确、高效地计算了扭角数值，为旋翼桨叶扭角的计算提供了一种通用有效的计算方法。最后，以某类型旋翼桨叶为检测对象进行了实验，结果表明扭角检测最大误差为54″，重复精度为18″，验证了系统的有效性和准确性。

基于VMD-SSA-LSTM考虑刀具磨损的数控铣床切削功率预测模型研究

王秋莲1, 欧桂雄1, 徐雪娇1, 刘锦荣1, 马国红2, 邓红标2

2024, 35(06): 1052-1063. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.011

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传统的切削过程功率获取需要基于复杂的切削功率模型且很少考虑刀具磨损的影响，针对此设计了一种基于变分模态分解（VMD）、麻雀搜索算法（SSA）、长短时记忆（LSTM）神经网络的考虑刀具磨损的数控铣床切削功率预测模型，该模型无需解构数控铣床运行过程的能耗机理，基于一次性的历史实验数据即可实现数控铣床切削过程功率的高精度预测。首先，采用人工智能机器视觉技术对刀具磨损图片进行分析处理，获取刀具磨损图像的数字化特征，从而得到刀具最大磨损量；然后，建立基于VMD-SSA-LSTM考虑刀具磨损的数控铣床切削功率预测模型，利用VMD对数控铣床运行数据进行分解，采用SSA算法对LSTM神经网络超参数进行寻优，并将分解出的铣床运行数据分量输入到LSTM神经网络中，接着将每个分量的预测值相加，得到切削功率预测值；最后以面铣加工为例，将所提出的预测模型与BP神经网络、LSTM神经网络和传统模型进行对比分析，验证了所提模型的有效性和优越性。

二阶锥约束规划的机器人视觉闭环位姿自协调方法

仲训杲1, 4, 罗家国1, 田军2, 仲训昱2, 彭侠夫2, 刘强3

2024, 35(06): 1064-1073. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.012

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将机器人“手眼”位姿自协调视为无标定约束规划问题,提出一种基于二阶锥约束规划的视觉闭环控制方法。在图像平面和笛卡儿空间分别建立基于图像与基于位姿的视觉伺服控制算法;在路径约束和局部极小约束准则下构建二阶锥凸优化模型,实现了图像特征轨迹和机器人运动路径折中最优;将所提出的二阶锥约束规划模型嵌入自适应状态估计器，实现了机器人雅可比矩阵在线映射学习,解决了“手眼”标定参数和视觉深度信息未知问题；最后通过无标定机器人视觉定位证明了二阶锥约束规划模型的有效性,真实环境抓取操作表明了机器人位姿自协调控制的可行性。

异常点云干扰下的车身构件鲁棒性配准方法

丁涛1, 2, 吴浩1, 2, 朱大虎1, 2

2024, 35(06): 1074-1085. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.013

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点云配准是大型车身构件位姿参数测量的关键方法，但现有算法在大量异常点云干扰下难以配准至有效位姿，从而导致匹配失真，进而无法保证后续机器人作业质量。针对此问题，提出一种能够有效抑制异常点云干扰的车身构件鲁棒性配准算法——鲁棒函数加权方差最小化(RFWVM)算法。建立鲁棒函数加权目标函数，通过施加随迭代次数可变的动态权重来抑制配准过程中异常点云的影响，并由高斯牛顿法迭代完成刚性转换矩阵的求解。以高铁白车身侧墙、汽车车门框为研究对象的试验结果表明，较经典的最近点迭代(ICP) 算法、方差最小化(VMM) 算法、加权正负余量方差最小化(WPMAVM)算法和去伪加权方差最小化(DPWVM)算法，所提出的RFWVM算法配准精度更高，能够有效抑制各种异常点云对配准结果的影响，并具有更好的稳定性和鲁棒性，能够有效实现各类车身构件点云的精确配准。

基于小样本数据驱动的弹壳打凹平底成形工艺参数优化决策方法

梁强1, 李雄2, 王海洋3, 王伟任2, 徐永航1, 刘新2, 杜彦斌1

2024, 35(06): 1086-1096. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.014

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针对某外贸款弹壳在调试生产中加工质量差和模具寿命短的问题，提出一种基于小样本数据驱动的弹壳打凹平底成形工艺参数多目标优化与决策方法。首先，利用中心复合试验法设计试验，将各试验方案代入有限元模型中进行数值模拟，以仿真结果为基础采用随机森林算法建立弹壳打凹平底成形工艺参数与打凹下冲头最大等效应力、平底上冲头最大等效应力和平底成形后弹壳内圆角的多目标优化模型。其次，应用改进多目标灰狼优化算法对多目标优化模型进行寻优并获得非劣解集，采用主客观综合熵权优劣解距离法评价决策出最优工艺参数组合。最后，采用该优化工艺参数组合进行数值模拟和工艺试验，结果显示，模拟结果与工艺试验结果吻合，弹壳底部内圆角充填饱满，模具使用寿命得到提高。

残余应力对GH3230层板焊缝热疲劳寿命影响规律研究

董志波1, 李承昆1, 王程程1, 韩放1, 张植航1, 滕俊飞2, 吕彦龙2

2024, 35(06): 1097-1102. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.015

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为了探究残余应力对层板冷却结构焊缝服役寿命的影响规律，首先对GH3230层板在常规条件下的激光焊接过程进行有限元模拟与实验验证，然后在此基础上对预拉伸、温差拉伸等焊接残余应力调控方法开展模拟。基于焊后残余应力模拟结果研究了层板服役过程的温度及等效应力变化规律，并将多个模型之间不同残余应力下服役状态进行对比分析，最后利用Morrow修正的Coffin-Manson方程对焊缝后续服役寿命进行评估。研究结果表明，焊接残余应力的存在大幅降低了层板结构焊缝区域热疲劳寿命，通过残余应力调控技术可有效改善焊缝区域服役过程中的应力幅或平均应力，使其分别下降70%与25%，焊接残余应力调控对提高层板结构热疲劳寿命具有重要意义。

36MnVS4和46MnVS5连杆裂解性能差异性研究及质量缺陷分析

孔彦坤1, 邓伟1, 金国忠2, 雷基林1, 陈丽琼3, 贾德文1

2024, 35(06): 1103-1111，1119. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.016

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针对高强度的36MnVS4和46MnVS5两种裂解连杆用非调质材料，开展了连杆裂解加工性能的对比分析，探究了影响连杆裂解质量的原因，并对连杆裂解加工的边界作出了优化，分析了连杆结构对裂解加工性能的影响。根据连杆实际裂解加工特性，设置了有限元模拟的边界条件。通过分析裂解槽根部的主应力和塑性应变的分布特征，获得了不同材料连杆的裂纹萌生位置；用ABAQUS和FRANC3D两个有限元软件模拟了连杆裂解的裂纹扩展过程，并进行了对比分析；优化了36MnVS4材料裂解加工的加载速度；分析了连杆结构对裂解性能的影响。研究结果表明：在相同边界条件下，46MnVS5材料裂解性能较好，裂纹萌生位置趋向于唯一，缺口敏感性低、断裂脆性较好、裂解速度较快，所需的裂解载荷更大；在25 mm/s的加载速度下，36MnVS4材料的裂解性能得到优化；理论断裂面面积较小的连杆结构裂解性能相对较好。

小半径曲线上P75钢轨打磨廓形设计及应用研究

刘永乾1, 2, 任尊松1, 侯银庆2, 吴潇2, 王军平2

2024, 35(06): 1112-1119. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.017

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以国内某重载铁路R400 m曲线P75钢轨为研究对象，建立了轮轨接触模型和轮径差曲线描述模型，选取代表性车轮踏面和钢轨廓形，采用轮径差曲线逆向求解法优化了轮轨接触区域钢轨廓形，并依据打磨量最小化原则设计得到了曲线钢轨打磨廓形。建立了实测参数下的车辆轨道多体动力学仿真模型，对比分析了实测廓形和设计廓形匹配下的动力学指标。按钢轨廓形设计要求，在该R400 m曲线上实施了钢轨打磨试验和轮轨动力学测试。研究结果表明，优化后轮径差曲线趋于平滑，车辆曲线通过能力得到提高，抗脱轨能力得到保持；轮轨关系得到显著改善、轮轨接触点交叉跳跃和集中问题得到缓解;轮轨横向力减小20%以上，脱轨系数减小16%以上，钢轨法向接触应力减小32%以上，轮轨蠕滑力减小26%以上;实施打磨后，轮轨横向力减小34%以上，脱轨系数减小35%以上，钢轨振动加速度减小35%以上；打磨后3个月轨面疲劳伤损未见明显发展,钢轨使用寿命由前一换轨周期的8个月延长至13.5个月。仿真分析和打磨试验验证了钢轨廓形设计方法在重载铁路小半径曲线的应用效果。

复合型径向机构在地铁车辆上的适用性研究

郑阳, 代亮成, 池茂儒, 郭兆团, 曾鹏程

2024, 35(06): 1120-1128. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.018

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设置径向机构是解决铁道车辆蛇行稳定性与曲线通过性能之间矛盾的主要措施，然而，传统的杠杆式迫导向转向架在低等效锥度状态下运行时，由于连杆的存在加剧了车辆的一次蛇行，进而导致车辆的稳定性下降。针对传统杠杆式迫导向转向架存在的上述缺陷，提出了一种复合型径向机构，该径向机构使车辆在小半径曲线运行时具有迫导向的功能，车辆在大半径曲线或直线上运行时迫导向功能失效，从而克服了传统杠杆式迫导向转向架存在的不足。基于复合型径向机构的工作原理，建立了该机构的数值仿真模型和控制模块，然后采用MATLAB/Simulink对复合型径向机构数学模型和地铁车辆动力学模型进行联合仿真，研究它对车辆系统动力学性能的影响，并进行了台架试验验证。结果表明，复合型液控径向机构不但可以保证车辆具有良好的曲线通过性能，而且可大幅度提高车辆的稳定性。

基于等效结构应力法的铝合金无钉压铆接头疲劳分析与试验研究

曾维和, 苟黎刚, 王明庆, 王磊, 俞荣贵

2024, 35(06): 1129-1139. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.019

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以无钉压铆连接铝合金接头为研究对象，通过测试三组料厚不等的搭接试样拉伸强度和疲劳力学性能，研究了铝合金无钉压铆接头失效断裂行为，获得压铆连接试样力寿命（F-N）分布规律。根据试样疲劳测试条件建立等效有限元模型,并计算等效结构应力幅ΔSs，对实测的疲劳寿命散点数据进行Weibull分析,并基于最小二乘法拟合得到无铆连接ΔSs-N（主S-N）曲线关键参数。应用拟合的主S-N曲线进行纯电车型全铝合金引擎盖动态关闭无钉压铆连接疲劳损伤预测，结果表明：无钉压铆接头疲劳开裂发生在颈部位置，其ΔSs-N曲线满足幂函数关系，经连接点数量和位置优化设计，铝合金引擎盖关键区域无钉压铆连接最大损伤由1.08降低至0.78，满足了引擎盖动态关闭耐久性能设计要求。开发的计算方法和主S-N曲线参数可为车身领域无钉压铆连接疲劳仿真与优化提供理论依据。

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2024, 35(06): 1140.

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