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2024年 第45卷 第10期    刊出日期：2024-10-31

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海上有人/无人协同系统及其关键技术综述

王童豪, 彭星光, 胡浩, 徐德民

2024, 45(10):  3317-3340.  doi:10.12382/bgxb.2024.0327

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海上有人/无人协同系统对进一步提升海军作战效能有重要作用,是现代海军装备发展的重要方向。立足未来海上作战,以海上有人/无人协同系统的实际应用为牵引,综述国外相关项目发展现状,厘清海上有人/无人协同系统的主要特点,凝练并分析其中科学问题与关键技术,总结海上有人/无人协同系统的发展方向、矛盾与挑战。未来,智能化、模块化和稀疏化将成为海上有人/无人协同系统的重要发展方向,但由于系统自主性与可控性间、智能化发展与海上约束间、海上有人/无人协同特点与现有协同任务体系间存在一定的发展矛盾,故系统还将面临系统规模、平台多样性、系统安全性及信息化与智能化等方面的发展挑战。

战术级任务规划方法研究综述

杜伟伟, 陈小伟

2024, 45(10):  3341-3355.  doi:10.12382/bgxb.2023.0719

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随着武器装备向多元多能和体系化运用发展,现代战争对指挥决策全局性、时效性和科学性等方面的要求越来越高,各军事强国任务规划系统建设需求迫切,且发展很快。为更好地推进任务规划系统研究,对战术级任务规划方法进行全面综述。总结任务规划系统的发展历程、战术级任务规划的方法框架,重点综述战术级任务规划主要实现方法及未来发展方向。在主要实现方法方面,重点围绕任务描述、任务分解、任务分配、方案评估等业务中涉及的主要方法进行综述和分析;在未来发展方向方面,从规范性、通用性、可信性等方面提出发展建议。

导弹等离子体合成射流流动控制技术综述与展望

张小兵, 李晋峰

2024, 45(10):  3356-3370.  doi:10.12382/bgxb.2023.0894

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在反导技术不断发展的背景下,为提高导弹的命中率,需要对导弹的机动性、快响应性等提出更高的要求。近年来,由于响应时间短、无机械部件、工作频带宽等优势,基于等离子体合成射流激励器的主动流动控制技术成为兵器科学与技术以及航空航天领域的研究热点。该技术在导弹的快响应气动力控制、横向主流干扰控制、激波控制、激波/边界层干扰控制等流动控制领域均展现出巨大的应用前景,为减小导弹的阻力、提高导弹的机动性、快响应性等提供了技术保障。结合近二十年来国内外的相关文献资料,以及多年的研究经验,对导弹等离子体合成射流流动控制技术的原理内涵、发展状况、关键问题等进行阐述和总结,以便为相关研究人员提供帮助。

速度对射弹垂直破冰入水空泡流动特性的影响

黄振贵, 王浩, 蔡晓伟, 刘想炎, 陈志华, 秦健, 郝戌龙

2024, 45(10):  3371-3384.  doi:10.12382/bgxb.2024.0420

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探究冰层对高速射弹入水过程的影响机理对发展适用于冰区海域的先进跨介质武器具有重要指导意义。基于耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Euler-Lagrange, CEL)方法对圆柱射弹以不同初速度垂直高速破冰入水过程进行研究。研究结果表明:射弹初速度较低时(50m/s),撞击所形成的冰孔尺寸较小,严重阻碍了外界气体涌入,空泡扩张发展受阻,导致提前发生颈缩,且不再出现无冰时的表面闭合现象,空泡更快发生深闭合;射弹初速较高时(≥100m/s),撞击所形成的冰孔尺寸较大,外界空气能够持续涌入,延迟空泡闭合,冰层与无冰的空泡尺度差异随初速增加而减小;随着入水速度增加,碎冰对气流干扰程度加剧,增强了空泡内部流场的非线性和湍流特性;射弹在无冰环境入水受力峰值为同速度下破冰入水(冰厚为二分之一射弹直径)的70%。当速度达到 150m/s 时,破冰入水过程中的弹体头部会发生微弱塑性应变,在设计新型冰区跨介质武器时,应着重提高射弹头部结构强度。

基于演员-评论家框架的层次化多智能体协同决策方法

傅妍芳, 雷凯麟, 魏佳宁, 曹子建, 杨博, 王炜, 孙泽龙, 李秦洁

2024, 45(10):  3385-3396.  doi:10.12382/bgxb.2023.0862

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针对复杂作战环境下多智能体协同决策中出现的任务分配不合理、决策一致性较差等问题,提出一种基于演员-评论家(Actor-Critic,AC)框架的层次化多智能体协同决策方法。通过将决策过程分为不同层次,并使用AC框架来实现智能体之间的信息交流和决策协同,以提高决策效率和战斗力。在高层次,顶层智能体制定任务决策,将总任务分解并分配给底层智能体。在低层次,底层智能体根据子任务进行动作决策,并将结果反馈给高层次。实验结果表明,所提方法在多种作战仿真场景下均取得了较好的性能,展现了其在提升军事作战协同决策能力方面的潜力。

电传动履带车辆电气系统稳定性分析及优化提升策略

李耀恒, 盖江涛, 张楠, 成城, 李翠芬, 帅志斌, 刁利军

2024, 45(10):  3397-3414.  doi:10.12382/bgxb.2023.0766

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为提高电传动履带车辆电气系统稳定性,利用基于阻抗模型的小信号分析法对电传动履带车辆电力电子源网荷储所构建的直流微电网系统进行建模并结合电传动履带车辆工况条件开展分析,获取系统不同工况及不同参数变化下的稳定性规律和机理。在稳定性的理论分析基础上,分别在发动机-发电机组和DC/DC控制回路中设计基于电压的反馈通道和虚拟电容控制环节,所设计的控制环节能够自适应电压波动情况对电气系统进行控制,进而提升电传动履带车辆电气系统稳定性。通过仿真对控制算法进行了验证,证明了控制算法的有效性。

不同入水攻角下高速射弹的流固耦合特性

刘想炎, 于楠, 黄振贵, 陈志华, 马长胜, 邱荣贤

2024, 45(10):  3415-3429.  doi:10.12382/bgxb.2024.0007

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高速入水时弹体结构响应(变形)大小关系射弹能否安全入水。当前,基于刚体模型的高速入水数值计算方法无法深入揭示初始扰动影响下射弹入水过程中复杂多相流、水动力与弹体结构响应等之间的相互耦合作用规律。为解决上述难题,基于流体力学和结构动力学,建立一种高速入水流固耦合数值计算方法,重点研究攻角对某型射弹高速入水过程的影响,分析攻角影响下空泡演化、冲击载荷、弹体运动与结构变形的相互耦合作用机理。研究结果表明:随攻角增大,弹体下表面与空泡壁面逐渐产生强烈撞击,迫使空泡壁面弯曲;对该型射弹,当攻角>3°时,射弹会因尾翼拍击液面出现第2次载荷峰值,此时射弹因沾湿产生弯矩,迫使射弹出现塑性应变,随入水深度增加,射弹形成明显的尾翼弯折,因沾湿产生的表面压力最大值超过10MPa;攻角为2°时,射弹虽因弹头尾翼同时受力产生弯矩,但内部应力未超过弹体材料的屈服强度,未出现塑性变形,因此,对该型射弹,其安全入水攻角≤2°。

基于深度置信网络效能拟合的火控系统精度全局敏感性分析

汪强龙, 高晓光, 李新宇, 闫栩辰, 万开方

2024, 45(10):  3430-3444.  doi:10.12382/bgxb.2023.0659

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针对当前航空火控系统的精度研究对数据完备性要求较高,且仅能分析系统内单误差源影响因素的问题,提出一种全新的基于深度置信网络(Deep Belief Network,DBN)效能拟合的火控系统精度全局敏感性分析(Global Sensitivity Analysis via Deep Belief Network,GSADBN)算法。从全局敏感性分析算法的优劣点出发,分析传统的全局敏感性分析算法在不完备数据下存在的局限性。利用DBN优异的特征提取能力,并采用无监督训练和有监督微调相结合的算法,搭建并训练火控系统效能拟合模型。研究结果表明:与传统Sobol算法、经典傅里叶振幅敏感性检验(Fourier Amplitude Sensitivity Test, FAST)算法以及最新的基于贝叶斯网络的Sobol(Bayesian Neural Sobol, BNSobol)算法相比, GSADBN算法不仅可以满足精度要求,同时还可以在不完备数据下达到传统算法在完备数据下精度分析的效果;该算法可以在火控系统不完备数据下取得较好的精度分析结果,同时在设计火控系统各模块时,给出精度方面的合理方案,从而为火控系统的设计及作战效能的提高提供参考和理论支撑。

海上无人化试验训练体系构建问题研究

王来贺, 崔雪静

2024, 45(10):  3445-3461.  doi:10.12382/bgxb.2023.0633

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战争无人化的发展趋势下,无人化作战力量的培育与运用已成为试验与训练领域的重要拓展方向。综合分析海上无人作战系统的技术特点与无人化新型作战能力的生成属性,构建完成海上无人化试验训练体系总体框架;围绕海上无人化试验训练任务组织实施问题,阐述领域发展背景,探讨促进领域快速发展的关键举措;面向新时期实战化、体系化的试验训练任务组织实施需求,分析信息化、无人化技术发展背景下,海上试训蓝军和海战场试验训练资源建设的整体规划与主要思路,形成海上无人化试验训练任务组织实施方法论和海战场试验训练装备体系支撑。研究结果可为海上无人化试验训练任务组织实施、装备建设管理、试训蓝军组织运用等相关活动的开展提供参考与借鉴。

多脉冲飞秒激光切割加工炸药装药过程的热响应

伍俊英, 姚雨乐, 郑富德, 刘嘉锡, 李钧剑, 王健宇, 陈朗

2024, 45(10):  3462-3473.  doi:10.12382/bgxb.2023.0795

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为分析多脉冲飞秒激光切割加工炸药过程的安全性,建立多脉冲飞秒激光切割加工炸药装药的二维数值计算模型,对飞秒激光切割加工HMX、TATB、RDX和TNT 4种炸药装药的情况进行数值计算,获得不同加工状况下炸药装药的热响应规律。实验结果表明:飞秒激光切割加工炸药装药过程中,当激光光斑的移动速度为80~300mm/min时,4种炸药均未发生点火,反应光斑移动速度越慢,热累积效应越明显,且HMX相比其他3种炸药,动态分析区内HMX的热累积效应最明显;当激光重复频率和能量分别为0.1~200kHz和50~200μJ/pulse时,提高飞秒激光的重复频率和能量对切割速率提升效果呈先上升后降低趋势;飞秒激光对炸药装药的切割加工速率和安全性,会受到炸药的性能参数的影响,切割速率与炸药的激光吸收系数呈正相关,切割安全性与炸药的热感度呈负相关。

一种半监督学习潜艇规避防御智能决策方法

杨静, 吴金平, 刘剑, 王永洁, 董汉权

2024, 45(10):  3474-3487.  doi:10.12382/bgxb.2023.0684

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潜艇水下作战行动中,受到水下弱可观测环境影响,获取的目标信息呈现稀疏特性。机动规避是潜艇水下防御的重要战术方法,现有机动规避参数仿真与优化方法在建模时不可避免引入观测误差,缺乏对态势演变的应对手段,且由于军事专家的稀缺性,获取军事专家标签的战术对抗样本代价十分昂贵。针对上述困难提出一种基于自编码与主动Q学习策略结合的半监督学习智能决策方法。通过引入对比预测编码自编码器,最大化时序输入与上下文间互信息熵,提高对稀疏时序输入的表征能力。将表征输入与主动强化学习任务相结合,降低智能体的标签需求率,提高规避决策时对环境反馈的能力。基于3a采集的指挥员战法研练复盘数据构建上帝视角、红方视角数据集。实验结果表明:所提算法与不采用稀疏时序自编码器的算法消融实验,在完全信息、红方视角条件下决策精度分别达到98%、78%,而标签需求率仅为4%、44%;相比于经典的时序分类算法决策精度提高了14%、9%,与有监督算法相比在标签需求率降低为原来的24%~44%条件下,决策精度误差与有监督算法仅差1%,说明所提算法在保证决策精度的同时可大幅降低标签需求量,从而为少量样本条件下的军事智能决策提供一种通用的技术框架。

基于特征波段偏振成像的差异增强伪装目标检测

沈英, 黄伟达, 周则兵, 黄峰, 王舒

2024, 45(10):  3488-3498.  doi:10.12382/bgxb.2023.0761

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光谱偏振探测技术利用目标多维度信息,提高伪装目标检测的精度和可靠性。现有的光谱偏振成像系统产生的高维度数据难以实时解算,复杂场景下光谱偏振探测的性能不佳。为此,提出一种基于特征波段偏振成像系统的伪装目标检测算法。针对目标场景筛选特征波段,定制751nm窄带滤光片结合快照式偏振阵列相机,构建特征波段偏振图像采集系统,实时获取目标图像。提出差异增强和交织序列融合检测算法,设计偏振参数图像,增强特征波段偏振图像的目标对比度;融合差异增强和交织序列映射结果,对目标图像背景噪声进行抑制,进一步突出目标特征;通过阈值分割提取伪装目标。实验结果表明:所提的伪装目标检测算法在不同场景下的综合评价指标F均在0.90以上,检测速度达到20帧/s,实现了复杂场景下伪装目标的快速精准探测。

基于势场增强烟花算法的二维全局路径规划

孙鹏耀, 黄炎焱, 王凯生

2024, 45(10):  3499-3518.  doi:10.12382/bgxb.2023.0697

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高质量路径是未来无人自主作战的重要前提,针对复杂障碍环境下路径规划问题,提出基于势场增强烟花算法(Potential-field Enhanced Fireworks Algorithm, PEFWA)的路径规划方法。建立规划空间模型与动态维数路径描述模型,设立包含可行性因素与长度因素的目标函数,将路径规划问题转化为最优化问题;设计动态维数烟花初始化与维度增删操作,使相邻维度个体满足距离约束;提出基于障碍空间信息的爆炸幅度计算方法和连续维度选择方法,生成改进爆炸火花,提高全局搜索能力;引入势场引导策略,生成势场增强爆炸火花,让所选维度在合力方向上多次搜索,提高局部优化能力;采用交叉组合策略生成变异火花,并对超出规划空间的维度个体进行删减操作,提高多样性烟花高效产生能力;提出基于余弦相似度的双层锦标赛选择策略,提高烟花特征延续能力。采用相同基准函数,将PEFWA与烟花算法(Fireworks Algorithm, FWA)、粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)算法、遗传算法(Genetic Algorithm, GA)进行对比。研究结果表明:PEFWA的优化性能更强;在相同复杂障碍环境下进行多次路径规划仿真实验,验证了PEFWA中各个模块的有效性,与PSO算法、GA、A^*算法相比,PEFWA在规划成功率、路径长度、路径光滑度、结果鲁棒性等方面均有优势;PEFWA在二维全局路径规划问题上具有有效性与优越性。

基于技术关联模型的前沿技术对作战效能影响评估方法

王晓悦, 陈科, 郭牧天, 刘大卫, 熊涛

2024, 45(10):  3519-3529.  doi:10.12382/bgxb.2023.0525

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前沿技术对作战效能的影响评估在武器装备发展论证、技术体系决策建设等方面具有重要意义。从前沿技术发展决策的实际需求出发,开展前沿技术对作战效能评估方法研究。通过研究国内外技术评估流程及方法,建立前沿技术对军事应用价值的评估流程,设计技术关联模型与二次效应模型,提出基于指标体系与技术关联模型的前沿技术评估方法。在典型作战场景下,通过构建前沿技术评估指标体系、前沿技术对作战能力影响评估指标体系、大数据统计分析、专家经验校对打分,进行10项典型前沿技术对作战效能影响评估。评估结果表明,新设计的基于指标体系与技术关联模型的评估方法可以有效地实现对前沿技术作战效能影响的评估。

基于幂律方程的PBT/A3/AP体系抗拉强度分析

沈业炜, 邢书敏, 杨茂发, 张哲, 徐纪琳, 赵双良, 张现仁, 徐森

2024, 45(10):  3530-3537.  doi:10.12382/bgxb.2023.0686

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为解决3,3-双(叠氮甲基)氧杂环丁烷/四氢呋喃共聚醚(Poly(3,3'-Bis(azidomethyl)oxetane-co-Tetrahydrofuran),PBT)固体推进剂力学性能预估难的问题,分析PBT/双(2,2-二硝基丙醇)缩乙醛/双(2,2-二硝基丙醇)缩甲醛等质量比混合物(A3)/高氯酸铵(Ammonium Perchlorate,AP)体系的拉伸断裂行为,建立描述该体系抗拉强度的幂律方程,并获得界面相、分散相、连续相对抗拉强度的影响规律。实验结果表明:随着氧化剂粒径减小,体积分数增加,推进剂弹性模量、抗拉强度均升高。界面相作用对推进剂抗拉强度起主导作用,数值上与 v_{\mathrm{f}}^2/r(v_f为体积分数,r为氧化剂粒径)正相关。当氧化剂粒径小于100μm时,界面相的主导作用越发明显。分散相的作用随着氧化剂粒径的增大而增大,数值上与v_fr⁵正相关。当粒径大于100μm时,分散相的作用开始变得明显;当粒径大于150μm时,分散相的作用已经接近界面相的作用,这时颗粒间的相互作用不可忽略。相对而言,连续相对推进剂抗拉强度的贡献较小,数值上与(1-v_f)⁵正相关,与界面相相比几乎可以忽略不计。建立的PBT/A3/AP体系抗拉强度幂律方程拟合结果与实验结果吻合度高(R²>0.99),可以为推进剂配方设计提供理论指导,缩短推进剂配方研制周期,降低人力和物力成本。

针对机动目标的三维领从协同制导律

王伟, 于之晨, 林时尧, 杨婧, 王宏

2024, 45(10):  3538-3554.  doi:10.12382/bgxb.2023.0777

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针对多飞行器协同拦截机动目标的实际需求,提出一种三维领从时空协同制导律。在视线方向上,基于齐次度理论和固定时间稳定理论设计一种领从协同制导律,确保从飞行器与领飞行器的相对距离和相对速度在固定时间内趋于一致,并且给出一致性误差收敛时间的上界,实现多飞行器的同时刻拦截。在视线法向上为实现以特定的碰撞角度拦截目标,设计一种固定时间收敛的非奇异终端滑模制导律,实现攻击角度的固定时间收敛,并避免了制导指令奇异引起的控制饱和问题。考虑到目标的机动对制导系统产生的不利影响,引入固定时间扰动观测器对目标加速度进行前馈补偿。运用李雅普诺夫稳定性理论来证明系统的固定时间稳定特性。通过仿真实验验证所设计制导律可以有效控制多飞行器在领从框架下同时打击机动目标,并以期望的终端角度攻击目标。

履带车辆油气弹簧生热机理和热模型研究

聂维, 何洪文, 孙宇, 万义强

2024, 45(10):  3555-3563.  doi:10.12382/bgxb.2023.0626

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为研究油气弹簧工作过程中的生热机理,建立油气弹簧参数化热模型。采集试验数据对油气弹簧阻尼示功特性进行数值拟合,得到活塞运动速度-阻尼力关系的数学表达式。对油气弹簧的传热路径和换热特点分析,建立油气弹簧热阻网络模型,计算得到工作过程中油气弹簧2种工作介质的温度变化特性。设计试验对油气弹簧的热模型计算结果进行验证。试验结果表明:阻尼力做功是油气弹簧温度升高的主要热量来源,油液温度比气体温度上升更快、平衡温度更高,该模型可以准确地计算出油气弹簧不同工作介质的温升情况,为油气弹簧热-机耦合动力学研究提供了参考。

基于神经网络优化直/气复合控制导弹迅捷转弯

裴新月, 于勇, 李政, 李佳讯, 于剑桥

2024, 45(10):  3564-3576.  doi:10.12382/bgxb.2023.0901

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空空导弹迅捷转弯控制是在保证导弹稳定飞行的前提下,在尽可能短的时间内完成整个机动过程。为实现上述战术指标,考虑到导弹迅捷转弯的快时变性、强非线性和大干扰性,设计基于滑模变结构控制和模糊逻辑的直/气复合控制器。针对实际飞行中可能出现的初值不确定和外界干扰过大等现象,引入固定时间收敛理论和扩张状态观测器,有效避免干扰带来的控制输入抖振并保证导弹姿态角能在固定时间内快速稳定收敛。利用神经网络对滑模变结构控制的设计参数进行优化,在保证导弹迅捷转弯的同时减轻导弹侧向发动机的质量。通过仿真验证新提出的控制和分配方案的有效性。研究结果表明,所设计的控制器在存在模型不确定性和外部干扰等复杂情况下具一定的鲁棒性、稳定平滑的控制效果、较强的抗干扰能力以及优异的姿态跟踪性能,同时参数优化后的控制算法跟踪效果更优,在降低了原收敛时间的12.6%的同时,降低了原最大控制力的9.6%。

定载荷条件下树脂基材料高温收缩量实时测量

王丽燕, 高扬, 陈伟华, 刘波, 徐芸, 张亮

2024, 45(10):  3577-3584.  doi:10.12382/bgxb.2023.0158

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为研究树脂基材料高温收缩量,提出一种测量定载荷条件下复合材料高温收缩量的方法,根据此方法自行设计搭建了复合材料高温收缩过程试验测量装置。以不同树脂基复合材料为研究对象,进行定载荷条件下树脂基复合材料高温收缩过程试验测量,获得碳板热面处及压头冷面处位移变化,得出树脂基复合材料的高温收缩量及冷却后收缩量。研究结果表明:试验装置能够实现定载荷条件下树脂基材料高温收缩量实时测量;无论加热过程或冷却后,试验件最大变形绝对量不超过0.37mm;加热过程中编织石英酚醛复合材料最大变形率不超过6.43‰,石英杂化酚醛复合材料最大变形率不超过3.76‰;冷却后编织石英酚醛复合材料最大变形率不超过4.57‰,石英杂化酚醛复合材料不超过6.87‰;试验结果验证了该测量方法的正确性及有效性,并为该类材料的高温收缩及匹配分析提供了基础物性数据。

基于Kriging模型的某高射速自动机内抽壳滑板疲劳优化

田恒旭, 林圣业, 李浩, 巫英豪, 王茂森, 戴劲松

2024, 45(10):  3585-3595.  doi:10.12382/bgxb.2023.0722

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为提高抽壳滑板的疲劳寿命,进而满足射速在1500发/min左右的某10连发高射速自动机寿命达1000发的最低寿命要求,提出一种基于Kriging回归的代理模型用于抽壳滑板的疲劳优化。在与试验结果相符的有限元模型基础上,通过拉丁超立方采样设置初始样本点,构建与样本点相对应的结构模型,并计算每一组样本的理论寿命。根据初始样本点构建Kriging代理模型的同时,采用以改善期望准则为加点准则、遗传算法为子优化求解算法的代理优化算法来对目标函数进行寻优。优化后抽壳滑板的疲劳寿命提高到1193发,且经试验验证,优化结果满足自动机战术技术指标。研究结果表明,通过基于Kriging和遗传算法的代理优化算法能够快速有效地寻优得到全局最优解,适用于高射速自动机内破断零部件的疲劳优化,对工程应用具有一定的借鉴意义。

DSC法与流变学法在测定HTPB基PBX代料固化动力学参数中的应用对比

王泓, 王天翔, 尹艳华

2024, 45(10):  3596-3607.  doi:10.12382/bgxb.2023.0786

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为优化高聚物黏结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)制备工艺并深入理解其性能,探寻适用于研究PBX炸药固化动力学的最佳方法,分别采用非等温差示扫描量热(Differential Scanning Calorimetry,DSC)法、流变学等温法及流变学非等温法对HTPB/TDI/Na₂SO₄/Al体系的固化反应动力学进行深入研究,得到在这3种测试条件下的固化反应动力学方程。同时,针对目前广泛使用的流变学非等温法进行合理优化。实验结果表明: HTPB与TDI间的固化反应遵循自催化模型;使用Kissinger法和Ozawa法获得的固化反应活化能相近,二者相差不超过3%;PBX代料体系的恒温固化表现为起始温度423.29K,峰值温度440.23K,终止温度444.49K;流变学研究固化动力学过程中,需考虑温度对储能模量的影响,不能仅用测量值表征固化度,需要对数据进行修正;DSC法与流变学法各有优劣,若仅需获得固化动力学参数,DSC法是一个更好的选择,但欲了解固化过程中药浆内部结构变化,必须借助流变学法。

存在幅相误差下的稳健稀疏贝叶斯二维波达方向估计

王绪虎, 金序, 侯玉君, 张群飞, 徐振华, 王辛杰, 陈建军

2024, 45(10):  3608-3618.  doi:10.12382/bgxb.2023.0778

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为减小传感器幅相误差的影响,提升方位估计性能,针对L型传感器阵列提出一种存在幅相误差下的稳健稀疏贝叶斯二维波达方向(Direction-Of-Arrival, DOA)估计方法。引入一个辅助角,将二维DOA估计问题转化为两个一维角度估计问题。利用L型阵列两子阵数据互协方差矩阵的对角线元素向量,构造一个含有幅相误差的稀疏表示模型,采用期望最大算法推导未知参数表达式并进行迭代运算,进而获得离网格和信号精度,利用二者构建新的空间谱函数,通过谱峰搜索估计出辅助角;将求得辅助角代入含有幅相误差的阵列接收数据稀疏表示模型,再次运用稀疏贝叶斯学习方法,估计出入射信号的俯仰角;根据3个角之间的关系,估计出方位角。研究结果表明:该方法实现了方位角和俯仰角的自动匹配,进一步克服了幅相误差对估计性能的影响,提高了方位估计的精度和角度分辨力,尤其是在高信噪比和幅相误差较大情况下优势更明显;仿真结果验证了该方法的有效性。

无人机自抗扰控制的调相补偿改进设计与抑扰实现

周浩, 暴小鹏, 张洪刚

2024, 45(10):  3619-3630.  doi:10.12382/bgxb.2023.0742

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为解决非线性自抗扰控制应用中无人机位姿跟踪控制响应相位滞后的问题,利用非线性函数的滤波特性与相位补偿机理完成调相补偿器设计,解决了跟踪微分器实际滤波与相位跟踪之间的矛盾,进而提出调相补偿改进后的自抗扰控制(Phase Compensation ADRC,PCADRC),将其应用于四旋翼无人机飞控作业中的姿态与轨迹跟踪。通过由空中避障圆角矩和锥形螺旋组成的复合轨迹跟踪分析PCADRC应用的飞航控制性能优势,并设计无人机轨迹跟踪抗扰实验,对自抗扰控制的调相补偿改进效果进行验证。仿真与实验结果表明,对于平面或空间、平缓或陡变不同性质的轨迹,PCADRC能在确保抑扰性能前提下提高位姿跟踪的准确性、时效性与鲁棒性,能更好满足其稳健的飞控需求。

融合注意力机制和多层动态形变卷积的多视图立体视觉重建方法

孙凯, 张成, 詹天, 苏迪

2024, 45(10):  3631-3641.  doi:10.12382/bgxb.2023.0740

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针对现有多视图立体视觉(Multi-View Stereo, MVS)技术提取弱纹理区域和非郎伯体曲面特征信息不充分及重建效果不理想问题,提出一种融合注意力机制和多层动态形变卷积的AMDC-PatchmatchNet方法。构建一种融合坐标注意力的特征提取网络,能更准确地捕捉重建对象的边缘形状和纹理特征,同时融合一种基于动态形变卷积的自适应感受野模块,根据不同尺度的特征自适应调整感受野的大小和形状,获得兼具全局和细节的特征表示。在DTU数据集上的测试结果表明,所提方法相较于主流MVS方法,点云重建整体性指标提高2.8%,并且在航空影像数据集上验证了模型的泛化能力。

基于MPC的电动复合增压柴油机进气压力控制

王天翔, 崔涛, 张付军, 赵彦凯

2024, 45(10):  3642-3653.  doi:10.12382/bgxb.2023.0694

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涡轮增压技术是提高发动机动力性和经济性的主要途径之一,而传统废气涡轮增压在低速区间存在滞后性。电动增压技术能有效弥补涡轮增压技术不足,但增加了控制自由度,电复合增压控制策略是保证其性能的关键,为此提出一种基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的电复合柴油机进气控制策略。基于电动增压器数学物理方程,建立了离散预测控制模型和涡轮增压状态观测器与流量观测器;通过联合仿真平台,对控制策略和控制参数进行标定验证;对比不同工况下MPC与传统PID控制效果以及抗电源电压扰动能力。研究结果表明:基于所设计的观测器,控制算法能在不加装额外涡轮转速传感器的前提下,实现对进气压力的有效控制,最大稳态误差≤1%;能有效自适应正常工况下废气涡轮增压器的响应特性,提高低速响应,起步工况下5.2s内达到目标进气压比;与传统PID控制算法相比,具有更好抗干扰性和控制精度,动态误差降低42%。

动态可重构自适应无人车辆编队系统

贾一飞, 蒋朝阳

2024, 45(10):  3654-3673.  doi:10.12382/bgxb.2023.0879

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为研究无人车编队系统的编队保持、队形重构及队形变换功能,提出一种混合式领航跟随策略,以降低对领航车的依赖并确保编队完整性。开发基于车间(Vehicle to Vehicle,V2V)通信的跟随车独立避障功能,并设计了实时管理编队成员属性并支持人机交互的编队节点管理系统。提出一种三维空间下的三次样条曲线动态扩展轨迹规划方法,结合V2V通信获取前车位姿信息生成跟随轨迹并实现避障。利用Frenet坐标系解耦车距保持与轨迹跟踪问题,采用PID控制器和线性二次调节(Linear Quadratic Regulator,LQR)控制器分别进行纵向控制和横向轨迹跟踪。研究结果表明:所搭建的仿真环境可快速验证方法性能,显示该方法具有良好的性能;通过实车验证了车辆编队系统的3种功能,通过车距稳定保持,证实所提方法具备良好实时性,能够实现多车编队的有效跟随,通过多种队形的变换以及成员入队离队场景,显示出高度的智能拓展性和适应性。

模块化机器人最优越野构型神经网络规划方法

党婉莹, 周乐来, 李贻斌, 张辰

2024, 45(10):  3674-3685.  doi:10.12382/bgxb.2023.0713

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轮式模块化机器人在满足人类对于无人自主任务需求时具有很多优势,机器人组合体构型在搬运物资、山地越障等方面更具有独特优势,为此提出一种多模块机器人构型优化规划方法。构建数字化地形表达,建立参数化地形辨识模型,运用遗传算法构建能耗与时间加权组合的最优构型,改变约束条件在不同地形下进行大量平行运行得到大量地形-最优构型参数结果对,将地形集合构建为输入集,将最优构型集合构建为输出集,训练借助神经网络技术快速得到面向任意地形的最佳组合体构型,使得组合体在面对三维复杂地形时实现高成功率、高可靠性越障运动,同时将能耗成本和时间成本降至最低。通过物理引擎平台仿真搭建仿真野外地形,对规划得到的构型进行通过性验证和性能测试,各构型均能完成地形跨越,同时验证规划算法的优化能力;搭建模块化机器人样机实物进行实验,以6×1刚性连接构型完成了2倍轴距宽沟壑的跨越。研究结果表明,所提方法能够高效地规划各类地形下满足通过性要求和时间能耗最优的组合体越障构型。

高氮钢超音频脉冲GMA增材制造熔滴过渡特性

马立, 范霁康, 从保强, 杨东青, 彭勇, 王克鸿

2024, 45(10):  3686-3695.  doi:10.12382/bgxb.2023.0721

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针对高氮钢增材制造熔滴过渡过程中氮元素逸出及飞溅问题,进行超音频脉冲熔化极气体保护(Ultrasonic Frequency Pulsed Gas Metal Arc,UFP-GMA)增材制造熔滴过渡试验,研究不同超音频脉冲电流叠加模式和脉冲电流频率对高氮钢熔滴过渡稳定性的影响,获取能够实现高氮钢增材稳定熔滴过渡的工艺参数。试验结果表明:在脉冲熔化极气体保护(Pulsed Gas Metal Arc,P-GMA)增材工艺条件下可以实现一脉一滴过渡,但是过渡稳定性较差,飞溅明显;在P-GMA基值阶段或基值和峰值阶段都叠加超音频脉冲电流均不利于熔滴过渡,容易出现短路、熔滴爆炸等问题;在P-GMA峰值阶段叠加低频(20kHz)脉冲电流时,对熔滴过渡影响较弱,叠加中频(40~60kHz)脉冲电流能抑制高氮钢熔滴过渡中大颗粒飞溅生成,提高熔滴过渡稳定性,但是当频率超过60kHz时在过渡中会形成许多小飞溅。

侵彻战斗部-引信宽频域加载特性

赵慧, 程祥利, 刘军, 刘波, 吴学星

2024, 45(10):  3696-3705.  doi:10.12382/bgxb.2023.0736

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为揭示侵彻过程中战斗部对引信边界载荷的影响规律,建立战斗部动力学模型和有限元模型。通过有限元差分法计算和数值模拟分析战斗部在不同频率半正弦信号激励下对引信的瞬态加载特性,并采用数值模拟和打靶试验研究弹靶作用时弹体和引信体的过载时域响应特性,通过冲击响应谱数值计算得到引信过载在频域范围的响应放大倍数。研究结果表明:侵彻战斗部在宽频域范围具有明显的轴向振动放大特性。引信过载频响特性与谐响应分析结果表明,侵彻战斗部在宽频域范围轴向振动放大特性的根本原因是战斗部1阶或多阶轴向振动固有频率的谐振,为指导弹载产品的抗高过载优化设计提供了依据。

基于堆叠稀疏自编码器的多缸喷油器堵塞定位算法

王健, 黄英, 高晓宇, 王拓, 王绪, 惠嘉赫

2024, 45(10):  3706-3717.  doi:10.12382/bgxb.2023.0764

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燃油喷射系统的工作质量直接影响柴油机工作过程及性能,针对多缸机不同喷油器发生堵塞故障且故障程度不一时,传统故障诊断方法难以精准定位故障喷油器的问题,提出一种基于堆叠稀疏自编码器(Stacked Sparse Autoencoder, SSAE)的故障定位算法。通过SSAE提取不同喷油器发生堵塞故障时轨压信号的深层特征,以softmax网络实现故障部件定位。以一维轨压信号为输入,故障喷油器定位为输出,并研究算法超参数对算法精度的影响。研究结果表明,此算法能精准定位发生堵塞故障的喷油器,且精度不受堵塞程度的影响,故障诊断正确率可达96.7%。

基于地形特征时频变换的无人特种车辆速度自适应控制方法

王亮, 汪首坤, 牛天伟, 王军政

2024, 45(10):  3718-3731.  doi:10.12382/bgxb.2023.0823

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为提高复杂环境下无人特种车辆安全性、自主性及作业能力,面向在崎岖地形下无人特种车辆应用需求,提出一种基于地形特征时频变换的速度自适应控制方法。通过度量地形特征崎岖度、建立崎岖度和车速数学模型,实现无人特种车辆在崎岖地形的自主、自适应车速规划。针对崎岖地形和坡度引起的点云数据失真问题,融合惯性测量单元传感器数据对点云进行补偿,获得了车辆前方地形的精准点云数据;针对可视距离与跟踪精度冲突问题,不同于传统横向曲率计算方式,采用以线到面的方式,将激光雷达纵向剖面点云数据进行时频变换后,在频域内选取次频区域的积分面积作为崎岖度量化值,实现对不同地形下的崎岖度量化;此外,基于上述获得的崎岖度,采用迭代搜索的方式建立速度与崎岖度数学模型,并采用滑动窗口的方式更新崎岖度,实现车速到崎岖度之间的连续映射。以可控震源野外勘探特种车为研究对象,采用上述方法在实际野外地形环境中进行多次实验。实验结果表明,所提出的方法在崎岖地形具有良好的安全性、自主性,可以识别地形和自适应控制车速。

扬尘寿命试验中某小口径步枪的特性参数变化

周昊, 顾桐光, 苑大威, 刘科言, 李朋超, 贾陆阳, 王永娟

2024, 45(10):  3732-3743.  doi:10.12382/bgxb.2023.0852

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扬尘环境对枪械的性能与可靠性有着重要影响,依照扬尘试验标准开展全枪寿命试验,得到枪械特性参数的变化规律并分析原因。利用高速摄影与光幕靶记录枪械初速、射频、特征点速度的变化情况,分析解释参数变化对步枪性能退化的影响。将试验用枪设置为对照组,分析枪支的保养对枪械性能的维持效果。试验结果表明:在扬尘环境下弹簧的预压力、自由长度随射弹量增加呈下降趋势,但刚度并没有明显变化,同时弹簧性能退化幅度活塞簧>复进簧>击锤簧;步枪随着射弹量增加会出现明显的挂铜现象,导致导气室的结构参数发生变化;对摩擦副的磨损会导致构件之间的运动间隙增大,但涂油保养会减缓这一退化。基于全枪寿命试验,为阐明扬尘环境下自动机运动特性和故障的影响机理提供了试验验证,对研究小口径步枪性能变化规律提供了数据支撑。

JUST回转支承故障试验数据分析

周宏根, 任小蝶, 孙丽, 李国超, 文思钊, 彭展, 刘寅飞

2024, 45(10):  3744-3753.  doi:10.12382/bgxb.2023.0756

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回转支承作为军用雷达的关键部件,对保证设备安全使用、提高效益具有重大作用。通过数据驱动方法对回转支承运行状态进行实时监测与诊断,已成为该技术领域的研究热点。然而回转支承面临服役工况复杂、故障试验样本稀少等问题,使其故障诊断技术研究一直饱受数据不足的困扰,也严重制约了军用机械装备寿命预测与健康管理技术的发展与应用。为此开展了回转支承故障试验,通过对回转支承运转过程中的多向振动、声发射信号进行采集,形成了故障试验数据集。该数据集包含回转支承在9种工况下的多向振动信号和声发射信号,且明确标注了回转支承的信号采集时间、故障标签、转速、负载、采集次数等多种相关信息,为基于数据驱动的回转支承故障诊断与雷达伺服系统健康管理提供数据支撑和技术保障。

基于THUMS模型的人员胸部爆炸冲击波致伤机理

王泽华, 潘腾, 刘瀚, 周宏元, 黄广炎, 张宏

2024, 45(10):  3754-3764.  doi:10.12382/bgxb.2023.0724

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为获得爆炸冲击波下人员胸部损伤机理,借助高保真数字假人模型(Total Human Model for Safety,THUMS),使用Load_Blast_Enhanced方法与任意拉格朗日欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)方法构建了人体-爆炸流场数值模型,对爆炸冲击波下人体胸部的损伤情况开展数值计算,结合爆炸事故验证模型的有效性;基于冲击波峰值超压准则和Axelsson损伤模型判别6个工况下人员伤情等级,发现仅在TNT当量1500g、爆距4m时人员有轻伤风险。基于皮肤、骨骼、心肺的动态响应细致分析人员各组织器官的损伤类型,揭示了人员轻伤时的损伤模式及爆炸冲击波的致伤机理,研究结果可为爆炸致伤人员损伤评估的研究及相关防护装备的设计提供参考。