摘要：[目的/意义]大规模肉羊畜舍人工消毒存在费时费力、覆盖不全和消毒不彻底的问题,为保持畜舍卫生和肉羊健康,本研究提出一种羊场自动导航喷药机器人。[方法]从硬件、语义分割模型和控制算法3个方面设计了自动导航喷药机器人。硬件部分包括履带底盘、摄像头和折叠式喷药装置。语义分割模型部分通过引入压缩通道网络注意力(Squeeze-and-Excitation Network, SENet)和基于场景改进的十字交叉注意力(Criss-Cross Attention,CCA)模块,提出一种双注意力ENet语义分割模型(Double Attention ENet, DAENet)。在控制算法方面,针对机器人在面对岔路时无法控制行进方向的问题,利用模拟真实道路的方法,在羊舍外的道路上绘出车道线,提出了道路中心点识别和车道线中心点识别两种算法来计算机器人行进过程中的导航点。为了实现上述两种算法,使用了两台摄像头并设计了摄像头切换算法,依靠此算法实现两台摄像头的切换,并控制喷药装置的开关;提出了一种偏移量与速度计算算法控制机器人履带左右轮速度,实现对于机器人行走的控制。[结果和讨论] DAENet模型在图像分割任务中的平均交并比(Mean Intersection over Union, mIoU)达到了0.945 3;摄像头切换算法测试结果表明摄像头的切换时间在15 s以内,机器人能正确、快速地带动喷药装置的开关;中心点与偏移量计算算法测试的结果表明,在处理多帧视频流时,算法平均处理一帧图片所用的时间为0.04~0.055 s,帧率为20~24 f/s,满足实际工作的实时性要求;羊场实地的整体测试结果表明,机器人完成了两个羊舍的自动导航和消毒任务,并且未碰撞路边料槽,行进轨迹偏移量未超过0.3 m。在0.2 m/s的行进速度下,药箱里的药液能够满足两个羊舍的消毒任务。机器人处理图像的平均帧率为22.4 f/s,对于信息处理的准确性和实时性能够满足实验指标要求。喷药覆盖圈舍地面超过90%,满足实验指标要求。[结论]本研究提出的羊舍自动导航喷药机器人以语义分割模型DAENet为基础,中心点识别算法为核心,通过与硬件设计和控制算法的相互配合,能够在确保安全性和实时性的前提下,实现在羊舍内的自动导航和全覆盖喷药。

摘要：反渗透隔膜增压泵中活塞的动力学特征对其工作性能有直接的影响。由于活塞还与膜片中的工作区域连接,运动中使膜片受到拉伸,决定了膜片的受力方式以及拉伸的大小,因此对膜片的寿命也有直接影响。为了了解反渗透隔膜增压泵活塞的运动特征,提高其设计精度,根据其结构特征以及设计原理建立动力学模型,通过活塞与偏心轮的相对运动关系分析了活塞在轴向以及径向的运动特征,通过理论分析和仿真得到活塞相对缸体的位移、速度、加速度运动规律,为反渗透隔膜增压泵的优化设计提供理论基础。

摘要：文章利用水位自回归与多元回归相耦合模型,建立了与开采量、降水量相关的水位递推方程;在地下水水位不低于设定水位的约束下,设计岩溶水合理开采量,讨论了外调水支持下的岩溶水开采策略,并对开采量与临界水位的动态关系进行了研究。结果表明,利用水位递推方程可以计算临界水位控制条件下的合理开采量,当采用7.5 m作为管理控制的临界水位,开采强度可控制在22.05×10^(4) m^(3)/d左右,可为未来外调水支持下淮北市岩溶水开采方案的制定提供一定的参考依据。

摘要：针对农业生产中难以现场、精准、快速获取水肥系统中养分离子含量的问题,该研究设计了一套针对水肥溶液与浇灌尾水中K^(+)、NO_(3)^(-)、NH_(4)^(+)、PO_(4)^(3-)4种养分离子的快检装置。该装置结合了毛细管电泳(Capillary Electrophoresis,CE)技术和电容耦合非接触电导检测(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection,C4D)技术,首先使用CE的方式实现养分离子快速分离,再利用C4D原理进行精准测量,在10 min内即可完成单个指标检测。装置由高压系统、C4D检测器、毛细管通道、数据采集卡和上位机组成,采用触摸屏控制,操作简便。为了提升检测效果,在C4D检测器的电路设计上引入了锁相放大技术,测试了其在不同幅值V_(p)和工作频率f下的输出特性曲线,确定了最优参数为f=490 kHz,V_(p)=75 V(阳离子),V_(p)=60 V(阴离子)。使用装置对K^(+)、NO_(3)^(-)、NH_(4)^(+)、PO_(4)^(3-)这4种离子的标准溶液进行检测分析,检测限均可达到1μg/L。最后,为了验证装置的有效性和现场适应能力,在安装了水肥系统的草莓种植温室中对水肥溶液与浇灌尾水样品进行了现场测试,仅需少量样品和简单操作即可快速得出结果,4种养分离子的检测结果相对标准偏差均小于7%,表明该研究提出的装置可以有效地实现配比后的水肥溶液与浇灌尾水的现场快速检测。研究结果为水肥系统的养分离子检测提供了一种可靠的方法与装置,可为设施农业的高效肥料管理提供数据支持。

摘要：为了解决柔顺恒力机构中正刚度模块的几何非线性问题,基于半圆型波纹周期梁设计了正刚度模块,负刚度模块采用双稳态梁,利用正负刚度叠加原理设计了柔顺恒力机构。采用莫尔积分法和柔度矩阵法建立了正刚度模块的理论模型,采用椭圆积分法建立了负刚度模块的理论模型,并通过ANSYS有限元仿真软件分析了柔顺恒力机构的力-位移曲线以验证理论模型,两者相对误差在10%以内。为了扩大恒力区间范围,采用响应面法对柔顺恒力机构的几何参数进行优化,并对影响恒力范围的几何参数进行了灵敏度分析。利用3D打印技术加工柔顺恒力机构样机进行实验验证,实验结果表明,机构能在输入位移1.1~6.2 mm的范围内保持约18.8 N的恒力,验证了所设计的柔顺恒力机构的可行性、优化方法的有效性和理论模型的准确性。

摘要：为检测水中运动目标的尾流特征,获取运动目标运动轨迹方向、几何尺寸等参数信息,通过模仿海豹使用胡须探测猎物的机理,提出了一种仿海豹胡须的尾流探测方法。首先,用3D打印技术制作了与海豹胡须形态相似的胡须模型,并结合压阻元件等材料制作了可感知水中运动目标尾流的传感器阵列。其次,设计尾流检测实验方案,并对0.5、1.0、1.5 m/s的均匀来流及具有微小波动的非均匀流场情况进行仿真分析,获取不同流场情况下的尾流速度场分布,分析S;的升力系数及频谱分布,并与理论计算得到的尾流漩涡脱落频率进行对比,验证实验方案的有效性。最后,在实验室条件下,采用该传感器阵列实现了对被测目标尾流特征的测量,并分析了仿海豹胡须夹角对尾流检测的影响。结果表明:在不同来流情况下,胡须模型升力系数波动较明显,经快速傅里叶变换获得的主频与尾流漩涡脱落频率理论值一致性较好;在尾流区内传感器探测尾流信号的平均电压值是非尾流区的3倍以上,由此可准确识别出尾流区和非尾流区。在此基础上,对平均电压值衰减的梯度方向进行分析,实现了对被测目标运动轨迹方向的估算。该传感器阵列测得尾流信号的最大响应频率接近数值仿真的主频,通过对该响应频率进行反演,实现了对被测目标直径尺寸的估计;仿海豹胡须夹角的大小会影响传感器涡激振动的产生,增加扰动信号,但对运动轨迹方向的估算及被测目标尺寸的估计无明显影响。

摘要：针对现有机器人在森林、山地、坍塌区域等复杂的非结构化环境中移动困难的问题,设计开发了一款可搭载侦察或营救设备、在崎岖环境下进行高效运动的弹跳机器人。该机器人总质量为97.1 g,最大弹跳高度为1.5 m,具有一定的负载能力,可搭载设备进行实际应用。首先,将设计的几种弹跳机构方案进行理论分析对比,最终设计出稳定性最好、能量利用率最高的方案。其次,为了使得弹跳机构能够瞬间释放能量,设计了一款精简可靠的能量控制机构。该机构可有效控制储能机构,进行能量的快速存储与瞬间释放,使得存储的弹性势能高效地转化为机器人的动能。最后,在机器人的系统集成方面,从两个角度进行理论分析,得出了机器人合理的质量分布。

摘要：在选区激光熔融成形过程中,飞溅与熔池包含了能够体现加工质量的重要特征信息,从成形过程采集到的熔池图像中,获得这些信息,实现选区激光熔融的过程监测是近年来研究的重点之一。为了更加精确且有效地从图像中提取熔池和飞溅的信息,提出了一种基于YOLOv5目标检测模型,实现了对成形过程图像中飞溅与熔池的实时定位与捕获。首先,以YOLOv5s目标检测网络为基础,调整骨干网络的深度与宽度,修改检测头的数量。之后,引入自校正卷积与CBAM注意力机制模块,设计了新的特征整合结构,通过上述步骤,提升了网络的检测性能。将工业相机采集到的图像制作为目标检测数据集,进行模型的训练与测试,结果表明该网络能够从原始图像中对飞溅与熔池目标进行准确的定位,在具有良好的检测精度的同时,网络模型的参数量极少,更加符合工业应用的需求。网络的检测精度mAP@0.5:0.95达到了0.466,为基于图像的选区激光熔融过程监测提供了一种新的方法。

摘要：面向重大传染性疾病护理工作中无人化护理作业需求,针对目前护理工作中医护人员感染风险高、劳动强度大等问题,设计了一种悬挂式轨道传染病房巡视护理机器人。机器人搭载图像分析等多种传感器,可以自动完成巡视任务,结合新型冠状病毒肺炎的临床特点监测、记录和分析病人体征信息,在实验室环境下,验证了样机的巡检、体征监测等功能。

摘要：针对现有警用巡逻机器人警情识别系统识别种类单一、识别率较低等问题,基于时空—图卷积网络(ST-GCN)和OpenPose算法的融合,面向跌倒(fall)、打砸(smash)和推搡(push)3种警情,设计了警用巡逻机器人警情识别系统。通过在真实场景测试,3种警情识别率分别为:跌倒85%,打砸80%,推搡83%;实时识别帧率为10 fps。实验结果表明:所设计的警情识别系统可以实现多种警情的实时、准确、可靠识别,具有较高的应用价值。