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最新刊期
2023 年 第 5 期
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基于动态空腔膨胀模型的土壤Mohr-Coulomb参数反演方法
摘要：为实现土壤原位力学参数的精准、快速解译，定量评估军事装备机动性，本文利用冲击贯入过程中测得的阻力-速度曲线、加速度时程曲线、速度时程曲线以及贯入深度-初速度关系，基于动态空腔膨胀模型建立了土壤Mohr-Coulomb参数的反演方法。本文分析表明准确拟合贯入阻力系数是反演Mohr-Coulomb参数的关键，而利用冲击贯入过程中的速度时程曲线进行拟合能够对Mohr-Coulomb参数进行准确的反演。针对Forrestal等人报道的实验结果，利用本文方法对土壤内聚力进行反演的相对误差为2.14%，对土壤内摩擦角反演的相对误差为9.77%。本文进一步给出了动态空腔膨胀模型下Mohr-Coulomb参数反演的可解域，讨论了参数敏感性。本文提出的反演方法突破了传统半经验解译方法中物理图像不清晰、经验参数依赖性强的问题，可为复杂地质环境下土壤Mohr-Coulomb参数快速确定及土壤承载力评估提供一个新的方法和途径。关键词：动态空腔膨胀模型;土壤强度;Mohr-Coulomb准则;参数反演- 206
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发布时间：2023-03-22 -
复杂地面车辙识别试验与验证
摘要：火星表面地形地貌复杂，为了保证火星车行驶安全，需要对巡视器周边土壤的图像信息进行判别和分类。首先，根据试验场地和图像信息等对图像进行预处理，建立鸟瞰图像。接着，以鸟瞰图像为基础建立图像块并建立数据集，建模集和预测集分别包含315组和135组数据。然后，在划分的数据集基础上建立神经网络模型，并对数据进行训练和分类。最后，根据得到的分类模型对图像进行分类，得到感兴趣区域。分类结果表明：应用ResNet50得到的模型其建模集和预测集的分类准确率分别为75.56%和81.48%。该方法可实现巡视器周边地表类型的分类，并提取图像的感兴趣区域，以便实现更为精准的判别，可用于实现火星车通过性感知、风险预测和路径规划，为未来智能星球车移动系统研制和探测提供理论和技术支持。关键词：火星车;通过性;车辆地面力学;机器视觉;滑转率- 126
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发布时间：2023-03-22 -
土壤原位触探技术与贯入机理研究进展
摘要：土壤原位触探技术是一种获取土壤物理力学参数的重要方法，具有准确、快速、可连续测试等优点，在海洋岩土勘探、行星表面地质探测、军用车辆越野路面机动性评估等领域具有广阔的应用背景。本文系统地概述了土壤原位触探技术的发展历程、仪器组成与基本原理，并介绍了其在民用与国防领域的应用。基于圆锥静力触探和自落式动力触探这两种典型的原位触探技术，总结了理论分析方法、数值模拟方法和试验方法在贯入机理研究方面的进展。最后，对土壤原位触探技术进行了展望，为土壤原位触探技术未来的发展提供了理论依据和工程技术参考。关键词：土壤原位触探技术;土壤物理力学参数;圆锥静力触探;自落式动力触探;贯入机理- 131
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发布时间：2023-03-22
地面力学
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基于自适应惯导辅助特征匹配的视觉SLAM算法
摘要：为提高视觉同步定位与建图系统的定位、建图精度，克服传统算法中特征匹配搜索半径为固定值导致视觉里程计在高动态运动时特征误匹配率高的问题，本文提出一种搜索半径自适应的惯导辅助图像特征匹配方法。该方法首先对双目相机左右两帧图像进行特征提取与匹配，并获取地图点三维坐标，然后通过预积分惯性测量单元的量测值预测相机位姿，再根据误差传播定律计算预测位姿的协方差，最后利用预测位姿将地图点投影至图像得到对应像素坐标，从而根据像素坐标中误差确定地图点最有可能出现的区域半径。实验结果表明，该方法可有效缩小特征匹配的搜索半径，显著提高图像特征匹配的准确度，使跟踪线程位姿精度提高约38.09%，系统整体位姿精度提高约16.38%。该方法可为每个特征点提供自适应区域约束，提高特征点匹配的准确度，进而提升系统位姿估计精度，构建更高精度的稠密地图。关键词：计算机视觉;视觉里程计;特征匹配;自适应阈值;惯性导航- 93
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发布时间：2023-03-22 -
ICESat-2数据背景光子特性及滤波方法研究
摘要：ICESat-2（Ice， Cloud and Land Elevation Satellite-2）是世界首颗采用光子计数模式的激光测高卫星，可快速获得高精度、大尺度地面三维数据。光子探测机制使得数据中除了地面信号外，还包含大气散射等背景信号，需要通过滤波才能获得地形等信息。为分析ICESat-2背景和信号光子的分布特点及点云滤波算法的效果和适用性，本文首先选取了六种地表覆盖类型（城市、海冰、沙漠、植被、海洋及冰盖/冰川）及不同观测条件的数据，对其背景光子率进行统计分析。分析结果表明：白天观测数据的背景光子率平均为106（点/秒）数量级，远高于夜晚观测数据的背景光子率——104（点/秒）数量级，弱波束的背景光子率与强波束背景光子率相当，六种地表覆盖类型中，冰盖/冰川的背景光子率最高。然后，根据统计结果筛选出21组测高数据，并选取七种具有代表性的点云滤波对其进行去噪实验，分析精度后得出结论：改进局部密度法的去噪效果最佳，算法召回率、精准度和F值均大于0.90，算法较为稳定。最后，对所选取各滤波算法的精度、特点与适用性等性质进行了总结与分析，可为后续该数据的使用和滤波算法的选择提供参考。关键词：ICESat-2;激光测高;光子计数激光雷达;点云去噪;背景光子率- 84
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发布时间：2023-03-22 -
采用独立分支网络的多源遥感数据自适应融合地物分类
摘要：针对现有基于深度学习的地物分类方法大多面向遥感影像，而对点云数据的空间信息利用不足，特别是对点云和影像这种异源特征融合不够充分的问题，提出了一种采用独立分支网络结构的多源遥感数据自适应融合地物分类方法。首先，对配准好的LiDAR点云和遥感影像分别采用三维网络和二维网络提取各模态的空间几何特征和语义特征；其次，在点云空间对影像特征进行交叉模态采样和特征对齐得到基于点的多源特征；最后，采用一种基于注意力机制的非线性自适应特征融合方法实现二、三维语义特征的融合。实验结果表明，本文方法通过网络训练能够实现自适应数据特征的多源遥感数据融合分类，针对ISPRS多源遥感数据集的植被、建筑物和地面三类地物平均分类精度达到85.87 %，相较三维点云语义分割的分类精度提高了10.12%。本文提出的独立分支融合网络能够实现二、三维数据的交互学习与深度融合，为遥感多源数据地物分类提供了一种新的思路。关键词：LiDAR点云;遥感影像;多源数据;独立分支网络;自适应特征融合- 68
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发布时间：2023-03-22 -
旋转不变的2D视图-3D点云自编码器
摘要：点云的无监督表征学习对于理解和分析点云至关重要，基于三维重建的自动编码器是无监督学习中的重要架构。针对现有的自编码器存在旋转干扰和特征学习能力不足的问题，本文提出一个旋转不变的2D视图-3D点云自编码器。首先，设计局部融合全局的旋转不变特征转换策略。对于局部表示，利用手工设计特征对输入点云进行转换，生成旋转不变的点云表征；对于全局表示，提出一个基于主成分分析（Principal Component Analysis， PCA）的对齐模块，将旋转点云对齐同一姿态下，在补充全局信息的同时排除旋转干扰。然后，在编码器设计局部和非局部特征提取模块，充分提取点云的局部空间特征和非局部上下文相关性，并建模不同层次特征之间的语义一致性。最后，提出一个基于PCA对齐的2D-3D 重构的解码方法，重建对齐后的三维点云和二维视图，使编码器输出的点云表征集成来自3D点云和2D视图的丰富学习信号。实验结果表明：本算法在随机旋转的合成数据集ModelNet40和真实数据集ScanObjectNN上的识别精度分别为90.84%和89.02%，学习的点云表征在没有任何标签监督的情况下实现了良好的可辨别性，并且具有较好的旋转鲁棒性。关键词：三维点云;自编码器;表征学习;旋转不变性- 71
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发布时间：2023-03-22 -
三维补全关键技术研究综述
摘要：从部分观测信息中推断出完整三维形状与语义场景信息对自动驾驶、机器人视觉、元宇宙生态体系构建等而言是至关重要的，因此，主要围绕三维形状补全、三维场景补全和三维语义场景补全任务而展开的三维补全技术被广泛研究。本文围绕上述三维补全任务，对近年来的相关研究工作进行了系统性的分析和总结。首先，针对三维形状补全任务，对基于传统方法的形状补全和基于深度学习的形状补全这两个方面的研究进展进行了综述。其次，针对三维场景补全任务，对基于模型拟合的场景补全和基于生成式的场景补全方法这两个方面的研究进展进行了综述。再次，针对三维语义场景补全任务，深入分析了场景补全和语义分割两大任务之间的耦合特性，并根据输入数据的不同类型，对基于深度图的语义场景补全方法、基于深度图联合彩色图像的语义场景补全方法、以及基于点云的语义场景补全方法这三个方面的研究进展进行了综述。最后，对三维补全任务目前面临的主要问题及未来发展趋势进行了分析和展望，旨在为三维视觉中这一新兴领域的相关研究者提供一些有益的参考。关键词：形状补全;场景补全;语义场景补全;三维视觉- 89
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发布时间：2023-03-22
三维地形测绘
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高折展比载人月球应急返回车设计与分析
摘要：月球探测用应急返回车的相关技术研究是我国未来载人登月探测的重要任务。根据应急生保和月面短距离移动需求，本文从安全舒适性、操作可靠性和工作空间出发，设计了一种立方体载人月球应急返回车，对车身构型、折展模式、驱动方式、底盘结构、悬挂转向和车轮等多个模块进行了设计优化，并进行了试制和试验。结果表明，整车能够实现自动折展，具有较高的展/折比（大于17），满足行驶、转向、越障、爬坡等移动需求。关键词：应急返回车;折展;结构设计- 92
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发布时间：2023-03-22 -
基于CDEM-MPM耦合的软地面车辆侵入规律研究
摘要：载荷装备通过软土地面会引起了软土地面的变形，车轮侵入软土的深度是软土地面装备通行性评估的重要参数。本文提出了连续-非连续单元法（Continuum-discontinuum Element Method， CDEM）与物质点法（Material Point Method， MPM）耦合的数值计算方法，建立了车轮-软土地面耦合模型，模拟了车轮和软土地面相互作用过程，定量分析车轮载重、软土弹性模量、软土强度参数（黏聚力、摩擦角）与软土表面压应力、侵入深度等参数之间的关系，获得车轮侵入软土深度的变化规律。研究表明：软土侵入深度与车轮载重接近线性正相关，相对改变量约为179%；与弹性模量非线性负相关，相对改变量约为23%；与强度参数非线性负相关，相对改变量约为164%。当车轮载重一定时，非线性变化的车轮侵入深度对软土强度参数更敏感。建立强度参数（黏聚力、摩擦角）和侵入深度变化的三维关系，可为软土地面装备通行性评估中现场待测的关键参数提供理论依据。关键词：CDEM-MPM;软土变形;侵入深度;软土强度;通行性- 84
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发布时间：2023-03-22 -
履带装备超湿黏土壤土地面通过性研究
摘要：本文针对超湿黏土壤土地面履带装备通过性问题，研究了履带装备黏土壤土通过性的评价指标。首先，采集了黏土壤土的土壤样本和地面高程信息，进行了黏土壤土的力学特性实验，获取了土壤力学特性参数，构建了地面不平度功率谱密度函数；其次，结合某履带装备结构参数，构建了履带装备超湿黏土壤土地面通过性仿真模型，以负重轮沉陷量为评价指标，得出负重轮最大沉陷量315.01 mm小于装备离地间隙的结论；研究了履带装备通过性的影响因素，得出了履带装备在超湿黏土壤土上的通过性随装备行驶速度、履带预张紧力、地面等级、土壤黏聚模量的变化规律。本文的研究成果具有较强的工程实践意义，可为履带装备的设计研发和优化升级提供理论指导和技术支撑。关键词：黏土壤土;履带;通过性;评价指标- 80
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发布时间：2023-03-22 -
火星车通过性评估技术现状与展望
摘要：火星表面地形地貌复杂，且覆盖有松软的火星土壤，这使得火星车在巡视探测时面临大沉陷、高滑转，甚至不能通过的风险。因此，火星车通过性分析和路径规划对巡视探测至关重要。本文调研了美国索杰纳号、勇气号、机遇号、好奇号、毅力号和我国祝融号火星车的通过性评估策略与方法，并分析基于多信息融合、深度学习和数据驱动的通过性评估研究新进展。最后，对未来火星车通过性判断发展方向进行了展望。关键词：火星车;通过性;地面力学;滑转率;行星探索- 87
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发布时间：2023-03-22
车辆通行评估
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车轮-地面耦合动力学行为的CDEM-DEM分析
摘要：越野车辆在软土路面上行驶时，其车轮-地面相互作用的动态力学行为极其复杂，车轮的下陷程度和通行能力均为车辆地面力学研究的重点。为探究车轮在软土路面通行时的动力学性能，本文提出了一种连续-非连续单元法（Continuous-discontinuous Element Method， CDEM）与颗粒离散元法（Discrete Element Method， DEM）相结合的耦合计算方法。该方法中，车轮采用CDEM单元进行描述，软土路面采用DEM颗粒进行描述，CDEM单元与DEM颗粒之间采用罚弹簧进行耦合，通过在车轮上施加动态扭矩，实现了车轮在软土路面上摩擦、滚动及前行过程的精确模拟。借助CDEM与DEM的耦合，探讨了车轮花纹、路障对车辆行驶过程中动力学行为的影响规律。研究结果表明：花纹车轮及光面车轮均在软土路面留下清晰可见的车辙；花纹轮胎较光面轮胎表现出更强的通行能力；花纹车轮转动速度较小，但其车轮平动速度远高于光面车轮，花纹车轮平动与其线速度之比约为12.78%，而光面车轮比值仅为2.80%；车轮在软土路面行驶过程中，相同质量下的光面车轮下陷深度远高于花纹车轮；车辆在含路障路面通行时，地面起伏度与车辆行驶能耗之间密切相关，起伏度越大，所需能量越大。关键词：车轮下陷;软土路面;CDEM;DEM;数值模拟- 118
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发布时间：2023-03-22 -
面向智能汽车的地下停车场定位与路径规划
摘要：为了解决智能车辆在全球定位系统（Global Positioning System， GPS）信号缺失的地下停车场中的定位与路径规划问题，本文使用双目离线建图、单目在线定位的视觉方法在场景中进行定位，并使用改进的路径规划算法规划全局行驶路线。首先，利用双目相机在地下停车场中的多个节点位置进行场景采集，节点的不同信息分层存储入视觉多层级地图。然后，利用单目相机进行由粗到精的地图匹配和位姿计算实现快速高精度定位。最后，使用改进的路径规划算法在地图中对各路口位置进行检测并生成路口路径图（Intersection Roadmap， IRM），全局可行驶路线根据定位结果和路径图规划得到。实验结果表明：使用单目相机的视觉定位平均误差为1.3 m，平均误差率为7.4%，基于路口路径图的规划算法相比概率路径图（Probabilistic Roadmap， PRM）算法，规划时间由5 s左右缩短至0.2 s以内，路径长度缩短了约9.56%。定位导航系统能够实时准确地实现车辆在停车场环境中的定位与路径规划，具备良好的实用性。关键词：智能汽车;室内定位;停车场导航;路径规划;路口路径图- 76
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发布时间：2023-03-22 -
基于Bekker理论改进遗传算法的野外路径优化方法研究
摘要：随着装备智能化的发展，复杂野外环境下车辆的路径规划已成为关键技术之一，为军事力量发展、军事装备智能化提供重要保障。野外环境中有多种影响车辆行驶的因素，如障碍物、路面坑洼和泥泞等，传统城市道路的路径优化算法大多针对既有道路，难以满足在存在多种未知威胁的复杂野外环境下的路径优化要求。同时，目前路径优化算法对于野外复杂的土壤地质条件考虑较少，因此本文基于Bekker地面力学理论，结合改进的遗传算法，提出了一种考虑土壤对车辆行驶影响的改进遗传算法，该方法以路径行驶时间最短为优化目标，建立了适合野外环境的路径优化算法。含障碍物和含多种土壤的野外环境建模和路径优化结果表明：该优化算法建立了地面力学特性与车辆行驶的耦合作用，综合考虑了野外环境下的障碍物、土壤特征和车辆特性等因素，在复杂的野外环境下得到了车辆可以安全、高效和畅通通行的野外路径，为建立地形力学与路径优化算法的联系提供了参考。关键词：野外环境;路径优化;Bekker理论;遗传算法- 72
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发布时间：2023-03-22 -
装备野外通行路径优化算法研究进展
摘要：随着野外装备智能化的不断发展，野外环境下的装备路径优化成为近年来研究的重要领域之一，其在促进军事力量的发展和推动军事智能化的进程等方面起到重要作用。目前国内外对于既有道路下车辆优化方法的研究和总结较为成熟，但由于野外环境的复杂性和未知性，基于既有道路的优化算法无法在野外路径优化中直接应用。因此，本文基于国内外野外环境下的装备路径优化技术的研究现状，从环境建模和路径优化算法两个研究层面进行了归纳总结，并将野外路径优化算法分为单装备路径优化和多装备路径优化，阐述了各方法的适用范围与利弊，针对野外环境下的动力学问题，重点阐述了动力学约束下的装备路径优化算法，最后对未来野外路径优化算法的发展方向进行了展望。关键词：野外环境;智能化;环境建模;路径优化- 77
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发布时间：2023-03-22
路径规划
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