基于数据融合的模拟低重力步态识别方法

针对有动力航天服在进行主动助力时对人机系统下肢行走状态感知的需求,提出了基于数据融合的步态识别方法。首先设计了同步多源传感采集方案,分析了模拟低重力下的运动特点;将多源传感信息进行数据融合,针对不同运动模态和行走步态提取特征,基于模糊有限状态机进行步态相位划分。最后,在搭建的模拟低重力试验系统进行了运动测试验证,实测验证了本方法适用于平地行走和上下台阶等不同运动模式,获得了较高的识别准确率。     

登月助力航天服下肢关节迟滞模型建立与动力学仿真

针对未来航天员月面行走的需要,对登月助力航天服下肢关节进行动力学仿真分析。基于月面行走的登月助力航天服结构设计理论,分析了航天服下肢关节阻力矩迟滞特性,采用Preisach迟滞模型对关节阻力矩进行仿真计算,得到关节阻力矩随角度变化曲线;按照登月航天服下肢运动角度、关节长度及质量分布,利用ADAMS建立航天员下肢二连杆动力学模型,得到登月航天服下肢关节驱动力矩随步态周期变化曲线。仿真结果表明,1个步态周期内航天服下肢关节阻力矩在驱动力矩所占比例可达50%,登月助力航天服下肢关节的迟滞特性能更准确地描述关节活动力矩特性,计算所得模型可为下肢驱动机构设计与运动控制系统提供理论依据。     

人体下肢行走运动特征及肌肉肌腱参数研究

为了提高舱外航天服运动性能,保证航天员舱外活动的灵活性与舒适性,从生物学出发,以人体行走为例,研究了下肢膝关节运动特征及肌肉肌腱参数。首先从解剖学角度对人体下肢肌骨模型进行分析,其次对人体下肢关节的运动学、肌肉肌腱参数与动力学特征等进行研究,最后分析下肢膝关节力矩、角加速度与关节惯量的关系。结果表明:人体下肢膝关节处于最大屈曲位时,关节角加速度几乎同时达到最大;内外侧腓肠肌与股直肌分别在支撑期与摆动期提供重要力量;行走运动中的人体膝关节力矩与角加速度未呈现较好线性关系,但关节惯量与周期(时间)序列可完成较好线性拟合。该结果可为太空环境下的相关研究及舱外航天服的设计提供一定参考。     

舱外航天服-航天员下肢系统动力学建模与分析

针对未来月球、火星等地外星体表面探测对舱外航天服下肢系统活动性的需求,探讨了充压航天服对航天员下肢运动的影响,进行了航天服下肢系统自由度配置、航天服-航天员下肢系统的建模、运动学和动力学分析。首先,结合人体生理结构特点和工效学要求,配置了具有12个自由度的航天服下肢关节系统。然后采用DH参数法,对单腿6自由度系统进行了正逆运动学分析,并利用拉格朗日方法建立了人服系统的动力学方程。最后,以直立行走和上下楼梯模拟不同路况,定量分析了航天员在未着服、着服未充压和着服充压状态下髋关节、膝关节和踝关节的力矩变化。结果表明,航天服质量、转动惯量和关节阻力矩将增加航天员的活动负荷;不同路况下,下肢各关节的力矩受到不同影响。未来星表探测航天服设计时,合理确定航天服质量、关节结构形式是非常必要的。     

能量辅助骨骼服NAEIES的开发

骨骼服是一种辅助人承受负载,有效增强人的负重能力,并帮助人们在各种地形条件下行走,结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的一种人机结合的机器人。文章介绍了海军航空工程学院开发的能量辅助骨骼服(NAEIES)的系统组成及工作原理。NAEIES采用上肢控制下肢的原理,通过测量上肢的运动信息,控制下肢膝关节的运动,而下肢髋关节的运动则通过气弹簧来巧妙地实现,良好的实现了骨骼服在承载的同时,跟踪人的行走步态。     

基于人机工程学的轻型运动飞机座椅设计方法研究

<正>引言轻型运动飞机(LSA)是美国FAA于2004年末提出的一种飞机分类名称。这类飞机的最大起飞质量不超过600kg,最大平飞速度不超过222km/h,最大失速速度不超过83km/h。这类飞机主要用于体育运动和培训飞行员,这就要求飞机驾驶舱具有良好的人机界面。     

一种多旋翼多功能空中机器人及其腿式壁面行走运动规划

 提出了一种既可实现飞行功能又可实现壁面运动的多旋翼多功能空中机器人。设计了机器人的结构,分析了其工作原理,研究了机器人腿式壁面行走模式下腿/足与壁面接触时的机体动力学。结合多旋翼推进的机理对机器人在壁面运动模式下的步态进行了规划,基于非线性轨迹线性化控制(TLC)法设计了空中机器人在步态过程中的姿态稳定控制器。在MATLAB环境下对机器人的腿式壁面运动进行了仿真分析研究,仿真结果表明了所设计的步态及其稳定控制方法的可行性。     

负荷运动和低压环境暴露对人体吸氧排氮效率的影响

针对与航天员出舱活动吸氧排氮方案关系重大的负荷运动和低压环境对吸氧排氮的影响问题,以7名健康男性青年(年龄18~22岁,身高173.8±4.2 cm,体重72.3±5.3 kg)为被试,进行了19人次实验;分为安静对照组(CN组,7人次,受试者安静坐位吸纯氧3 h)、20 W运动组(20 W组,6人次,受试者脚踏自行车吸纯氧连续2.5 h,自行车功率设置为20 W,速率为60 r/min)和3 km低压组(3 km组,6人次,受试者在低压舱模拟3 km高度安静坐位吸纯氧3 h)。分别测试和计算肺通气量、呼出气氮浓度、排氮速率和累积排氮量。实验发现:与CN组相比,20 W组和3 km组的排氮速率均在吸氧排氮期间前105 min有所增加,部分时间点增加显著;20 W组累积排氮量在吸氧排氮前120 min增加显著,3 km组的累积排氮量在吸氧排氮各时间段均显著增加;与3 km组比,20 W组的排氮速率和累积排氮量均无显著性变化。实验说明负荷运动和低压能有效提高吸氧排氮效率。     

基于室内合作场景智能识别的行人导航算法

基于足绑式惯性测量单元(IMU)的惯性导航系统被广泛应用于行人导航中,其通过零速修正(ZUPT)算法可对速度估计误差进行较好的补偿,然而其位置误差会随时间发散。针对于此,提出了一种基于室内合作场景智能识别的行人导航算法。通过随机森林算法,对行人在室内平地步行、上楼梯、下楼梯等不同步态进行训练与辨识,并结合室内先验地图对行人导航的结果进行校正。通过实验表明,行人在室内行走1100m时最大定位误差为1.85m(总行程0.17%),相对无场景识别的方法精度提高了6倍,可以有效提高行人导航精度。     

反推气流对大涵道比涡扇发动机进口流场影响的数值模拟研究

以一架配装有叶栅式反推装置的四发飞机为研究对象,数值模拟了不同着陆滑跑速度下的反推气流全机扰流流场,分析了反推气流在机身附近分布随滑跑速度的变化特点,和对内、外侧发动机进口流场的影响。结果表明:随着着陆滑跑速度的减小,反推气流对机身周围的影响区域逐渐扩大。当滑跑速度小于0.10马赫(约122 km/h)时,内、外侧发动机均会吸入反推气流,在发动机进口形成总温、总压畸变。该型反推装置的临界使用速度约为122 km/h,在反推装置飞行试验设计时应着重在该速度附近验证反推装置与发动机的匹配性;发动机进口流场总温分布能反映出反推气流的重吸入特征,测量方案设计应重点考虑发动机进口温度场的测量。     

过载环境下1.002mm管内流动沸腾传热的实验

通过地面离心转台模拟过载,对R134a在内径为1.002 mm管内的沸腾流动传热进行了实验研究。结果表明:管内流动沸腾传热特性随着重力的变化而变化；在重力为3.16g(g=9.8 m/s2)时,过载下的传热系数比常重力下的大；随着过载的增加,大多数情况下传热系数先增大后减小,转折点在1.1g~1.4g；在3.16g时,部分传热系数开始出现低于1g时的情况；干度对传热系数的影响特性因重力不同而不同。研究了常重力下流动沸腾预测模型对过载环境的适应性,鉴别出了对过载数据预测较好的公式。      

EVA手套在不同压力下的活动范围比较

为了研究航天员穿戴舱外活动(EVA)手套时活动范围的变化规律,在低压模拟舱中使用不同的手套充压条件,用摄像头提取了4种工况下12个手部关节设定动作的图像,通过标志点确定了特定关节角度,并测量了角度的数值,最后对数据进行了方差分析。结果表明:随着压力增大,压力对活动范围的影响越发显著;戴有压手套对掌指关节弯曲活动范围影响不大,而对近端指间关节和手腕的活动范围影响却很显著。压力对手套不同区域抑制作用并不完全一致,在未来的EVA手套工效学设计中,应更多地考虑除掌指关节之外其他关节的活动性。     

隧道空气动力学实车试验研究

为了指导既有线200km/h提速技术改造,为第六次大提速的顺利实施提供经验.2005年5月至6月在遂渝线的太和至北碚北路段进行了200km/h提速综合试验,隧道空气动力学是其中的重要测试内容之一.利用地面和车载测试系统,对列车车体表面、车厢内部、隧道壁面空气压力变化、隧道内列车风、隧道口微气压波和隧道壁面振动加速度等参数进行测试.测试结果表明:测点压力变化幅值与列车运行速度的1.7～2.4次方成正比,具体取值与车型和测点位置有关;隧道内列车风风速与列车运行速度成线性关系;隧道口微气压波幅值近似与列车运行速度的三次方成正比、与测点距隧道口距离成反比.列车以200km/h速度过隧道时,车厢内3s最大压力变化幅值为1875Pa,车厢内43%的人有明显耳痛感,显然英国标准(3000Pa/3s)过于宽松;200km/h速度下引起的列车风风速为14.8m/s,超过了人体安全风速值(14m/s),建议列车运行期间,不进行隧道作业.     

一种优化的零速检测行人导航算法

针对军事上对单兵定位和民用领域为行人提供位置服务的需求,提出了足部固定MIMU的行人导航算法.利用人体行走过程中脚部与地面相接触的静止时间段,采用零速更新(ZeroVelocity Update,ZVU)对INS继续对准或标定,而零速检测又是实现零速修正的基础.研究对比了在足部固定MIMU进行零速检测的常用方法,针对常用算法阈值自适应性差,无法检测步速变化转弯等一些异常情况对行人零速检测产生误判等问题,提出优化的零速判断算法,使得加速度计信号和陀螺仪信号综合应用到零速检测.最后,利用改进算法设计行人室内平地正常行走(大约5km/h)包含步速变化和转弯过程的实验.实验结果表明,优化的零速检测算法相比之前的常用算法,能更准确地检测零速并进行修正,对导航轨迹和导航误差有更好的修正效果.     

某微型车车外气动噪声仿真分析

对某微型车气动噪声进行了数值仿真分析。首先,采用大涡模拟（LES）对车外的瞬态外流场进行了仿真分析,然后,应用Lighthill-Curle声类比理论,采用FW-H声学模型,预测了其声学特性。根据流场和声学模拟结果,改进后视镜局部造型来降低气动噪声,最后进行了道路实验,测试了60km/h-120km/h整车噪声,测试结果表明,整车噪声有了明显降低,且最大降低了1.2dB(A)。     

爆轰驱动膨胀管性能研究

超高速流动一般指速度超过5 km/s的流动,由于流动具有高焓高速的特点,模拟超高速流动的地面试验设备面临极大挑战。膨胀管(风洞)是少数几种具备超高速流动模拟能力的地面试验设备之一。中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室(LHD)通过将正向爆轰驱动技术和膨胀管结合在一起,建成了可实现最高速度10 km/s超高速试验气流的爆轰驱动膨胀管(JF-16),并开展了典型模型试验。在此基础上对JF-16进行了改造升级工作,为其设计喷管增加了膨胀风洞运行模式,对其性能进行了相关试验测试研究。同时,对膨胀管相关数值方法进行了介绍,并开展数值模拟对试验状态进行辅助诊断和分析。     

探月返回器稀薄气体热化学非平衡特性数值模拟

通过发展直角/非结构混合网格下,适于复杂返回器含内能激发的五组元热化学非平衡稀薄气体直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法,数值模拟了钝体返回器稀薄流区7.5 km/s和10.6km/s再入速度下的非平衡流场特性和对物面气动力/热分布的影响。计算结果表明在月球返回速度下稀薄过渡流区存在着强烈的热化学非平衡,近连续滑移区仅在激波层区域存在着较大的平动、转动和振动非平衡度,而在高稀薄流区,热力学非平衡遍布绕流物体四周,包括整个压缩区和尾迹区。高温真实气体效应对表面热环境影响显著,对表面压力和摩擦力的影响相对较弱。计算结果显示探月返回器再入绕流过程100 km飞行高度仍需要考虑热化学非平衡的影响。     

基于概率反弹碰撞模型的进气粒子分离器两相流数值模拟

通过5点Gauss-Hermite积分拟合粒子与固壁碰撞后,反弹速度和角度的概率密度分布试验数据,建立粒子与固体碰撞/概率反弹模型.将该模型应用于直升机用整体式预旋与非预旋进气粒子分离器气固两相流场数值模拟,并与另外两种常用的粒子与固壁碰撞反弹模型(平均恢复系数模型、完全弹性碰撞模型)的计算结果进行了对比.结果表明:上述3种碰撞模型都能较好地预测AC粗砂的分离效率；对于C级砂,基于完全弹性碰撞模型的预测结果则过低；基于平均恢复系数模型的预测结果明显偏高,有预旋时尤其明显；而基于概率反弹模型的预测结果处于两者之间,与试验结果吻合更好.      

中心分级燃烧室贫油熄火试验研究与数值模拟

为研究三级旋流器下中心分级燃烧室贫油熄火性能，常压下针对在不同进气速度以及旋流器几何参数下中心分级燃烧室贫油熄火特性进行了试验研究与数值模拟，获得了在一定条件下的贫油熄火规律。试验结果表明：随着进气速度增大到35m/s时,贫油熄火油气比减小至0.0070,说明进气速度对贫油熄火起重要作用;值班级旋向相反时贫油熄火油气比(A方案为0.0066，B方案为0.0071)均小于同向时(C方案为0.0078，D方案为0.0074)，且A方案最小，说明值班级旋向对贫油熄火性能有明显的影响，值班级反向时熄火特性最好，且主燃级旋向对其作用不大，最佳旋向组合为A方案，即值班级1，2级叶片旋向反向，值班级2级叶片与主燃级叶片旋向相同；值班级1，2级叶片角度增大贫油熄火油气比分别下降了将近4%和9%，其熄火特性变好。数值模拟计算结果与试验结果熄火规律变化一致。     

外骨骼辅助行走中平衡控制技术的研究

外骨骼辅助行走中平衡控制是低重力环境下保持正常的平稳行走姿态以及行走安全性的关键,针对这一问题阐述了外骨骼辅助行走中基于位置控制与ZMP(零力矩点)控制相结合的综合平衡控制策略。首先通过建立ADAMS虚拟仿真模型,为控制策略的研究提供仿真模型和参考数据;建立了支撑域模型和ZMP检测模型,并设计了平衡控制策略,在基于地面外骨骼系统的演示验证中,将人机系统等效为两连杆支撑质点的模型,通过控制膝关节液压杆,使系统的ZMP始终处于稳定支撑域内,由此保证人机系统处于平衡状态;同时将位置控制与改进的ZMP控制结合在一起,设计综合控制策略,采用分段控制方式,不仅提高了人机系统的柔顺性及穿戴者的舒适度,同时也提高了人机系统运动的稳定性和安全性。