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关键词： 动态无线电能传输   稳定输出   磁耦合机构   变补偿网络   移相控制  

摘要： 充电基础设施是电动汽车用户绿色出行的重要保障,也是促进新能源汽车产业发展与助力双碳目标实现强有力的支撑。与传统的传导式充电相比,动态无线电能传输技术通过电磁耦合的形式为行驶中的电动汽车进行非接触式供电,具备便捷性、安全性与高效性等优势。而在动态无线电能传输技术的实际应用中:电动汽车在行驶时导致磁耦合机构接收线圈的空间位置变化,其互感难以维持稳定;车载电池通常采取恒流-恒压的充电方式,在整个充电过程中,随着车载电池的荷电状态的上升,其等效负载阻值也大幅增长。面对空间位置与负载时变的电动汽车,如何实现其高空间自由度且稳定的恒流-恒压充电是动态无线电能传输技术研究的关键。为此,本文重点研究了在空间上具备稳定耦合的动态无线电能传输磁耦合机构,以及具备抗耦合变化与负载变化的变补偿网络拓扑。通过磁耦合机构与电路拓扑的结合,旨在提升动态无线电能传输系统工作时的空间自由度与输出稳定性。本论文的具体研究工作如下:(1)提出了一种具备大传输距离且接收线圈在行进与偏移方向上移动时具备稳定耦合的动态无线电能传输磁耦合机构。分析了几种常见的长轨道型磁耦合机构的空间磁场分布,当发射轨道为接收线圈于空间上提供定向(方向固定)且稳定的有效磁场时,可以实现接收线圈在行进与偏移时与发射轨道相对稳定的耦合。通过在管型铁氧体沿行进方向上单向绕制发射线圈以消除发射轨道在行进与偏移方向上的磁极,并为H型接收线圈在行进与偏移时提供沿行进方向上的定向且稳定的有效磁场,从而实现接收线圈空间位置大范围变化时磁耦合机构较为稳定的耦合。该方法采用单相线圈的形式构建发射轨道与接收线圈,避免了多相线圈间的交叉耦合以及额外的补偿网络与逆变或整流电路。最后结合LCC/S(inductor-capacitor-capacitor/series)型补偿网络进行电路实验,验证了该磁耦合机构的耦合具备较高的空间自由度,以及在接收线圈空间位置时变的情况下动态无线电能传输系统具备相对稳定的输出。(2)提出了一种基于变补偿网络的动态无线电能传输系统抗耦合波动与负载波动的恒流-恒压输出拓扑。针对几种常见的补偿网络所具备天然的恒输出特性进行讨论,并通过补偿元件与开关管复用的思想对基于半有源整流桥控制的S/S(series/series)型补偿网络与基于交流开关控制的S/LCC(series/inductor-capacitor-capacitor)型补偿网络进行分析与整合,同时采用移相控制对由系统寄生参数、互感波动与输出电流断续所造成的输出波动进行调控以实现动态无线电能传输系统在接收线圈空间位置大范围变化下的恒流-恒压输出。针对变补偿网络在模式切换时补偿电感支路的切除,提出了无需电流采样即可实现电感零电流切除的切换策略,该方法简化了系统控制并实现充电模式间的快速切换。最后通过实验验证了该变补偿网络拓扑与切换策略的有效性。本文从磁耦合机构、补偿网络变换、移相控制与切换策略等四个角度实现了动态无线电能传输系统高空间自由度的稳定恒流-恒压输出。论文所做的理论分析与实验结果表明,所提出的磁耦合机构与变补偿网络拓扑降低了动态无线电能传输系统的成本,简化了系统复杂度并实现了系统高空间自由度的稳定输出。

关键词： 量子计算   量子逻辑门   多自由度   光子系统  

摘要： 量子计算是依照量子力学的原理进行测量和控制量子信息单元,并进行并行计算的新型计算模式,其最主要目标是在大规模可扩展的量子系统上实现超高精度的多量子比特相干操作。目前,量子计算作为“量子信息和量子精密测量”的核心研究内容之一,已被《“十四五”国家科技创新规划》列为国家重点发展战略前沿研究之一,具有极高的学术、商业和军事价值。以最少的量子资源实现最高效的量子逻辑门是量子计算的核心任务,采用多自由度超并行量子计算模型,即对光子系统多个自由度同时进行并行计算操作,具有简化量子计算线路和提高量子计算速度和节省量子资源等优势。本硕士论文主要研究两自由度超并行高效光量子计算实现和优化,已取得一些有意义的研究成果:基于微腔固态体系的量子态选择性的反射特性,我们设计了一种可避错的极化-空间两自由度之间的超并行三光子Toffoli门模型。它等同于同时作用的两个单自由度(极化或者空间)Toffoli门的级联,具有增加量子操作、节省量子资源和抑制光子散射噪声等优点,在超纠缠态的产生和分析中具有重要的应用。另外,该模型在整个操作过程中,其中两个光子反向传输,从而极大地节省了操作时间。进一步,利用现有的实验技术,即使在弱耦合条件下,该模型也可实现快速灵敏的量子操作。传统单自由度两Toffoli的合成需要12个CNOT门,而我们的方案需要的量子资源则减半,且对不完美参数引起的操控免疫,保真度理论上可达100%。此外,由于我们构建的超并行Toffoli门的模块化线路具有很高的灵活性,可直接用于构建三种类型的杂化超并行Toffoli门,与超并行Toffoli门具有相同的保真度和效率。因此,有望实现用于多比特量子计算的超并行模块。基于Λ型三能级原子腔系统构建的两光子极化交换门,我们设计了一个两光子两自由度超并行CNOT门模型和一个三光子两自由度超并行Toffoli门模型,分别需要低于理论下限的2和4个交换门就可实现。此外,这两个量子门模型可以被灵活地扩展在(m+1)个光子和(n+1)个光子上,分别只需要4m和4n个极化交换门即可构建2m-target-qubit超并行CNOT门和2n-control-qubit超并行Toffoli门,这极大地降低了构建多比特量子门的成本,并且弥合光量子计算的理论下限和最佳合成之间的鸿沟。此外,构建量子门的唯一辅助原子不需要初始化和测量,因为在超平行量子计算之后原子的量子态保持不变,其仅仅作为临时量子存储器,所以它也可以在相干时间内重复使用。基于单光子与Λ型三能级原子腔系统相互作用的反射规则,我们在杂合系统上设计了两比特CNOT门、三比特Fredkin门和Toffoli门模型,其中三个量子逻辑门的第一个控制量子位编码在单光子上,其余的量子位则编码在腔中原子上。此外,这些量子门都可以灵活地扩展用于构建最佳的高维多量子比特CNOT门、Fredkin和Toffoli门,只需要O(n)个线性光学元器件,且不需要辅助任何单光子或原子。进一步,单量子比特操作通过光学元器件仅仅作用在光子上,这使得我们构建的多比特逻辑门在当前实验条件下是可行的。

关键词： 广义惩罚众数回归模型   稳健性   线性约束   参数估计   自由度  

摘要： 均值和中位数回归模型因其完整的理论成果和丰富的算法设计，已在实际工作领域中被广泛应用。但是当数据的分布存在多峰，重尾或有偏等现象时，均值和中位数回归函数就不能很好的刻画条件分布的中心特征。在现实生活中，人们收集到的数据多是不对称分布的，尤其是在生物医学、环境科学、金融、经济等研究领域。变量选择和估计问题是回归分析中的研究重点，高维数据模型通常假设具有稀疏性，即只有少量预测变量对于响应变量有影响。而传统的统计分析方法是基于模型的维数小于样本量的情形，对于模型数据是高维的情况，这些方法并不适用。在许多应用领域中，先验知识可以作为参数约束加入变量选择与估计中从而改善其效果与表现。　　为了弥补传统回归模型在这种情况下的不足，近年来众数回归模型重新引起理论研究和实际应用领域的关注。在复杂数据情况下，众数回归函数不仅能更好的抓取数据分布的中心信息，而且比均值回归函数有更强的稳健性，能良好的抵抗异常观测值对估计结果的影响。本文提出了带线性约束的广义惩罚众数回归模型，将先验知识囊括于模型之中，进而将其应用于回归分析中变量选择与估计问题。由于目标函数没有显式解，本文设计带线性约束的广义惩罚众数期望最小化(LC-GPEME)算法来估计回归系数。在特定线性约束下，本文证明了带线性约束的广义l1范数惩罚可以被转化为带线性约束的Lasso问题。该目标函数也可以看成优化问题，进而得出关于该优化问题的KKT条件，推导出待估计参数的显式解。本文也探讨了该问题的解路径。与此同时，本文得到了自由度的表达式并且构建了模型选择准则用以选取最佳调和参数。最后，本文将通过仿真实验与一个实际数据案例证明所提出方法的有效性。

关键词： 远程运动中心机构   运动学分析   动力学分析   性能分析   尺度优化  

摘要： 微创外科的理念正日益为广大医患人员所认识和重视,已经成为外科手术发展的大趋势。因为它与传统的开放式手术相比,拥有很多优势,例如减小病人术后疼痛、缩减术后恢复时间、降低感染等。但由于微创手术的操作原理,医生在手术操作过程中会存在一些操作问题,如手术器械操作难度系数高、手和眼睛不易相互协调,医生不能够全面看到患者体内脏腑组织情况等。为了克服上述困难,可通过手术辅助设备解决这些问题。手术辅助设备主要使用远程运动中心机构(RCM)夹持手术器械,在MIS过程中操作手术工具需要的自由度特征和RCM机构的自由度特征吻合,故在MIS过程中RCM机构可以承担夹持手术刀具功能。本文选择两种基于平行四边形结构的平面1R1T-RCM机构,完成两构型的运动学和动力学分析、性能分析以及尺度优化等工作,搭建了样机开展了运动与精度实验。首先,在平行四边形结构基础上设计出了一些能够在平面内一转动一移动的1R1T-RCM机构,并优选出其中两构型展开后续分析。通过螺旋理论分析两构型自由度,说明两构型能够满足微创手术所需要的自由度要求。其次,对两构型开展运动学分析,先位置分析得到了两构型位置正解和反解解析式。根据位置正解解析式,求导开展速度分析。利用速度分析得到的雅可比矩阵,分析两构型的奇异性。通过数值搜索的方法求得两构型的工作空间,证明工作空间可满足微创手术的需求。通过建立两构型的连续接触模型得到运动误差综合模型。再次,通过Lagrange方程法开展动力学分析,建立了两构型的动力学模型。使用ADAMS软件仿真,结果可以说明两构型动力学模型的正确性。之后,对两构型展开性能分析,包括运动/力传递性能、灵巧度以及运动精度,得到了目标工作空间内各指标分布情况。选用图谱法和粒子群算法,基于全域传递性能指标、全域灵巧度指标以及全域运动精度指标,完成两构型尺度优化,根据优化结果,选择双平行四边形1R1T-RCM机构完成样机设计。最后,设计和搭建了双平行四边形1R1T-RCM机构的原理性样机。其中包括样机的机械和电气部分的设计。通过实验证明样机可以完成工作任务其精度也达到使用标准。

关键词： 六自由度并联调姿机器人   自动对接   多轴联动调姿模式   轨迹规划  

摘要： 随着我国航天事业的蓬勃发展,航天器制造业的产量逐年增加,相应的制造装备需求量亦日益增多,航天器也在向着更大载荷、更大体积、多样性和智能化的方向发展。随着航天器尺寸的不断增加,载荷的增加,加上其需要有极高的精度和可靠性,使得并联调姿机构成为了一种理想的解决方案,它可以有效地满足高精度装配的需求。基于对接装配任务在对接精度、效率、平稳性和避免干涉等方面的需求,开展设备多轴联动调姿模式研究,为调姿装备的研发、调姿工艺的优化奠定理论基础。通过科学的规划机构的运动轨迹和调整模式,可以有效地降低机构在运动过程中产生的冲击和振动,从而确保最终的定位精度,大大提升装配对接的效率。首先,综合分析并联调姿机构对接装配的工作特点及工程需求,以4-PPPS六自由度并联调姿机器人为研究对象,建立机构位置坐标系,研究并联调姿机器人的位置反解、位置正解以及工作空间,从而绘制机构末端任意点的位置和姿态空间图谱。其次,根据螺旋理论分析六自由度调姿机器人单个自由度以及多个自由度共同运动时各个支链关节的运动情况,枚举各个自由度运动时所有驱动模式,确立并联调姿机构驱动方式简单、高效率、低能耗的多轴联动调姿模式。然后,对舱体上可能发生干涉的部位进行合理简化,构建障碍物碰撞检测模型,采用RRT算法规划舱体对接点运动路径,并引入平滑处理等手段对生成的路径进行优化,获得最优路径。采用B样条曲线对路径进行插值,获得光滑、连续的运动轨迹曲线,通过遗传算法以时间最优和急动度最优为优化目标,对轨迹曲线进行优化,在满足运动学约束的条件下,获得性能指标最优的对接点运动轨迹。最后,针对并联调姿机构对接装配运动,通过运动学仿真,研究其末端及各个支链的运动曲线,采用合理的多轴联动调姿模式,使用ADAMS对航天器舱段的调姿和对接过程进行运动学仿真,从而验证本文调姿模式和轨迹规划方法的有效性。

关键词： 非线性压电能量采集器   谐波平衡法   非线性电路   耦合动力学特性  

摘要： 在过去的十年里,微机器人技术、无线传感技术和物联网技术的飞速发展,使得诸如无线传感器节点的低功耗电子产品得到广泛的应用。当前,大部分低功耗电子产品主要以传统电池供电,传统电池供电不仅成本高、体积大、使用寿命短、更换不方便,且回收不当就会对环境造成污染。压电能量采集器(Piezoelectric energy harvester,简称PEH)是一种将低功耗电子产品工作环境中的振动能转化为电能的新型机电耦合器件,它具有体积小、能量密度高、环保等优点,非常适合于微电子设备的供电需求。如何高效的将环境中的振动能量转换为电能是微能源领域研究的热点。本文主要研究内容包括以下三部分:(1)为了克服单自由度能量采集器工作频带窄、能量转换效率低的问题,提出一种基于磁场增强和弹性放大融合的双自由度多稳态压电能量采集器。介绍了该新型能量采集器的结构原理和主要工作机理。研究结果表明:增大激励幅值、水平磁矩和质量比可以有利于提高系统的有效带宽和输出功率,并且能够引起阱间运动的最小频率在不断减小。相反增大刚度比和外部磁铁间距并不利于系统在低频激励作用下进入阱间运动,且引起阱间运动的频带范围明显减小。最后,研制了原理样机,搭建实验测试平台,实验证明了仿真分析结果的正确性。(2)为了将采集后的交流电能转换成直流电能,为后续低功耗电子产品提供直流供电,基于上述建立的双自由度多稳态压电能量采集器模型,提出了一种基于二极管整流-滤波的非线性标准DC接口转换电路。研究结果表明:增大负载电阻,输出电压快速增大至某个值后趋于稳定,输出功率先快速增大再缓慢减小,且随着激励频率的增大,整流电压呈现先增大后减小的变化趋势。弱机电耦合系数下,对位移振幅影响不大,交流电路的输出功率高于标准整流电路;而对于机电耦合系数较高时,标准整流电路的振幅要高于整流电路接口的振幅且随着耦合系数的增大而明显减小,同时交流电路的功率要高于整流电路的功率。(3)为了进一步提升接口电路的能量提取效率,设计了基于并联同步开关电感电路(Parallel synchronized switching harvesting on inductor,简称P-SSHI电路)和串联同步开关电感电路(Series synchronized switching harvesting on inductor,简称S-SSHI电路)的两种接口转换电路。研究结果表明:AC电路和DC电路的具有阱间运动的机电耦合系数的范围较大,而P-SSHI电路和S-SSHI电路以缩小耦合系数范围为代价来提高其功率;在弱耦合系数下,S-SSHI电路在激励频率较低和负载电阻较小时要优于P-SSHI电路,在激励频率较高和负载电阻较小时时,P-SSHI电路更具有优势;在强耦合系数下,不同电路能够对系统位移幅值产生影响,四种接口转换电路中,DC电路相对于其他三种电路具有较高的位移幅值、整流电压和输出功率。接着研制了原理样机,搭建实验测试平台,实验证明了仿真分析结果的正确性。最后,综合上述四种电路AC、DC、P-SSHI和S-SSHI,论文综合进行了四种电路的性能比较与分析,分别确定了四种电路的最佳工作条件,为如何选取合适的接口电路提供了理论和实验指导依据。

关键词： Covering systems   Goldbach type   Lattice points   Number theory  

摘要： This dissertation considers three different topics. In the first part, we prove that if the least modulus of a distinct covering system is 4, its largest modulus is at least 60; also, if the least modulus is 3, the least common multiple of the moduli is at least 120; finally, if the least modulus is 4, the least common multiple of the moduli is at least 360. The constants 60, 120, and 360 are best possible, they cannot be replaced by larger constants. We also show that there do not exist distinct covering systems with all of the moduli in the interval [n, 9n] for n ≥ 3. In the second part, we obtain a lower bound for the maximum distance between any three distinct points in an affine lattice which are close to a helix with small curvature and torsion. This is a generalization of analogous results in two dimensions. In the final part, we prove that every positive integer n which is not equal to 1, 2, 3, 6, 11, 30, 155, or 247 can be represented as a sum of a squarefree number and a prime not exceeding √ n.

关键词： 液压机械臂   变阻抗控制   遥操作示教   位置误差   非线性刚度  

摘要： 随着计算机、控制、机械等学科的飞速发展，机器人技术已经广泛应用于国民生产生活中，并崭露出强大的生命力。各种类型的应用场景将机器人代入了复杂的环境，阻抗控制是机器人技术中的一种重要力控方法，可以帮助机器人在非结构化环境中作业时避免较大的冲击力。更进一步，变阻抗控制可以根据周围环境的变化来调节机器人的行为，通过在线适应能力来避免未知环境下的意外事件。另一方面，机器人的认知能力可以通过遥操作来增强，遥操作将操作员融入机器人的决策和控制回路中，使其能够在恶劣和难以实操的环境中执行任务。基于遥操作的示教学习称为遥操作示教，该方法有利于将人类的技能传递给机器人，提升机器人智能化水平。基于上述分析，本文主要以混联仿人液压机械臂为研究对象开展阻抗控制研究，并且结合遥操作示教对操作员提供辅助，对提高安全性、任务效率有一定的工程应用价值。　　本文的主要研究内容如下：　　第一章，首先概述了机器人阻抗控制技术的发展状况，之后详细描述了针对不同场景下的变阻抗控制策略。然后论述了结合遥操作的机器人变阻抗控制策略的研究现状，最后提出本文的研究内容和意义。　　第二章，为了减少操作员在作业环境的直接参与，设计了搭载双液压机械臂的整机控制策略，分别从结构设计、电控系统、无线控制方案展开论述。利用总线通讯方式实现整机指令发送和信息采集。设计了液压机械臂主从位置映射的遥操作控制方法，通过实验验证其位置跟踪性能。　　第三章，针对液压机械臂非线性、动力学建模复杂的问题，采用虚拟分解控制方式对其进行运动学动力学建模，然后设计了液压动力学控制策略。基于上述建模方式采用基于位置误差的变阻抗控制方法，开展了与定刚度方式的对比研究，验证了机械臂能够在自由空间和接触空间下表达需求的阻抗行为。　　第四章，为提升救援任务中的作业效率以及操作员的作业舒适性，在主、从遥操作的控制方式下，通过示教学习生成参考的名义轨迹，然后提出一种通过非线性刚度项调节引导力的自适应虚拟夹具框架。并且引入基于能量池的方法来确保系统稳定性。通过对比实验验证所提出的方法在提升安全性、任务效率的有效性。　　第五章，在第四章研究内容的基础上，将实验场景应用至三维空间下，采用遥操示教方法，从端采用七自由度机械臂。在主端添加自适应虚拟夹具的框架上，从端机械臂根据位置误差非线性改变刚度。通过对比实验中验证所提出的方法可使从端机械臂在位置跟踪精度以及柔顺性取得良好权衡。

关键词： 字典对学习   标签一致性   松弛矩阵   变换学习   局部约束   图像分类系统  

摘要： 字典学习旨在生成有效反映图像包含事物颜色和纹理等多种特征本质的描述信息,一直是图像分类和识别研究的重点问题。近年来,标签一致性字典学习(Label Consistent Dictionary Learning,LCDL)方法因标签信息的嵌入能有效提高字典对图像的判别性,受到研究者的关注。然而,大多LCDL方法表示系数因采用严格的“0-1”结构,尽管使同类图像具有相同的特征表示,却忽略了图像本身的独特信息,造成图像表示不准确、分类效果不佳的问题。松弛矩阵可使严格的二元约束拥有更宽的自由度,能够扩大图像特征的选取范围。但随着字典规模的增大,在影响算法训练效率的同时,会削弱图像的类内相似性。在特征编码过程中,如果能够增加局部约束机制,则可有效保持各类内样本的邻域关系。因此,面对图像分类任务,为有效提高字典的判别能力和训练效率,本文对基于松弛和约束的标签一致性字典学习方法进行了深入研究。主要研究工作如下:(1)针对标签一致性字典学习算法中,同类图像独有特征信息利用不充分导致的表示系数判别性不高、分类效果不佳的问题,提出一种基于松弛标签一致性字典对学习(Slack Label Consistent Dictionary Pair Learning,SLC-DPL)的图像分类算法。首先,利用投影字典对样本数据进行线性投影,使编码表示系数在保持稀疏性的同时,获取更有效的编码特征;其次,引入标签一致性矩阵,将标签信息和每一个字典项相关联;最后,学习一个松弛矩阵将标签一致性进行动态优化,使学习到的表示系数更加灵活,进而提高字典对算法的可判别性。通过在AR数据集、CMU PIE数据集和USPS数据集上进行实验,验证了该算法可有效提高图像分类的精度。(2)研究(1)提出的SLC-DPL算法,尽管充分利用了稀疏编码系数的结构信息,提高了分类效果,但采用字典对学习的方法使得字典规模较大,且当字典规模增大到一定程度时,训练阶段耗费时间较长,图像类内相似性降低。为进一步提高图像分类的精度和效率,提出一种局部约束和松弛标签一致性变换学习(Local Constraint and Slack Label Consistency Transform Learning,SLCTL)的图像分类算法。首先,在松弛标签一致性字典学习的基础上,利用变换矩阵对样本数据进行表示,以快速捕获样本更多的有效特征;其次,学习一个自适应权值对表示系数进行局部约束,提高类内表示的相似性,使学习到的字典更具判别性;最后,在USPS数据集、Scene15数据集和CMU PIE数据集上验证了该算法在图像分类精度和训练效率方面都优于SLC-DPL算法。(3)基于(1)和(2)的研究方法,在Matlab平台上设计并实现了一个基于标签一致性字典学习的图像分类系统。