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Journal of Zhejiang University SCIENCE C

ISSN 1869-1951(Print), 1869-196x(Online), Monthly

2018 Vol.19 No.9 P.1063-1202

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Research Articles

Convergence analysis of distributed Kalman filtering for relative sensing networks

Che Lin, Rong-hao Zheng, Gang-feng Yan, Shi-yuan Lu

DOI: 10.1631/FITEE.1700066 Downloaded: 2459 Clicked: 6809 Cited: 0 Commented: 0(p.1063-1075) <Full Text><PPT> 1866

Chinese summary   <25>  相对传感网络分布式卡尔曼滤波器的收敛性分析

摘要：严格分析了相对传感网络中分布式卡尔曼滤波问题。用无向图对相对传感网络建模，并假设网络中各节点具有相同动力学模型。给出整个系统可观测性的充要条件，并详细证明。通过局部信息和测量通信，设计了一种基于卡尔曼滤波技术的分布式次优估计器，并与集中式最优估计器比较。给出系统收敛对应的网络拓扑充分条件，并结合系统参数给出n个线性矩阵不等式（linear matrix inequality, LMI）方程的数值解。数值仿真验证了所提算法的有效性。

关键词组：相对传感网络；分布式卡尔曼滤波；Schur稳定；线性矩阵不等式

Physical human-robot interaction estimation based control scheme for a hydraulically actuated exoskeleton designed for power amplification

Yi Long, Zhi-jiang Du, Wei-dong Wang, Long He, Xi-wang Mao, Wei Dong

DOI: 10.1631/FITEE.1601667 Downloaded: 2627 Clicked: 7340 Cited: 0 Commented: 0(p.1076-1085) <Full Text><PPT> 1888

Chinese summary   <26>  一种应用于功率放大液压驱动外骨骼的基于物理人机交互估计的控制策略

摘要：提出一种能通过生物医学或机械传感器测量人机交互信号感知人体运动的用于助力的下肢外骨骼，并估计人体步态轨迹以快速准确地实施相应动作。提出安装在外骨骼上的力矩传感器直接获得物理人机交互（physical human-robot inter action，pHRI）力矩信息。采用卡尔曼平滑器消除噪声并平滑信号，定义了从pHRI力矩到人体步态轨迹的映射关系。通过外骨骼在运动期间的实时状态推导该映射，并通过基于地面反作用力的阈值方法识别人体运动相位。基于相位识别，通过所提算法估计人体步态，将步态辨识结果作为控制器的参考输入。用一种常规比例-积分-微分（proportional-integral-derivative，PID）控制策略控制外骨骼跟随人体步态运动。测试人员穿戴外骨骼以自然速度在水平面进行行走实验，实验结果验证了所提策略的有效性。

关键词组：外骨骼；物理人机交互；力矩传感器；人体步态；卡尔曼平滑器

Adaptive output feedback formation tracking for a class of multiagent systems with quantized input signals

Jing-lin Hu, Xiu-xia Sun, Lei He, Ri Liu, Xiong-feng Deng

DOI: 10.1631/FITEE.1601801 Downloaded: 2419 Clicked: 7842 Cited: 0 Commented: 0(p.1086-1097) <Full Text><PPT> 1710

Chinese summary   <26>  考虑量化输入信号的多智能体系统自适应输出反馈编队跟踪控制

摘要：针对带有不确定性和量化输入信号的多智能体系统的编队跟踪控制问题，提出一种自适应输出反馈控制方法。利用非线性模型描述智能体系统，其中包含未知参数和不可测状态。建立一个高增益状态观测器以估测系统不可测状态。在高增益观测器和迟滞量化器基础上，设计自适应输出反馈控制方法，并确定控制系统的参数设置方法。稳定性分析证明该控制方法能使多智能体系统跟踪参考航迹并保持编队队形。同时，闭环系统中的所有信号均能保持有界。最后，仿真实验表明该控制方法的有效性。

关键词组：多智能体系统；自适应输出反馈；编队跟踪；迟滞量化

Stochastic stability analysis of networked control systems with random cryptographic protection under random zero-measurement attacks

Meng-zhou Gao, Dong-qin Feng

DOI: 10.1631/FITEE.1700334 Downloaded: 2965 Clicked: 9331 Cited: 0 Commented: 0(p.1098-1111) <Full Text><PPT> 2028

Chinese summary   <25>  随机零值攻击下基于随机加密防护的网络化控制系统随机稳定性分析

摘要：近年来，网络化控制系统的安全问题受到广泛重视。安全防护需要额外的能量消耗、计算资源负荷以及时间延迟，使得实时、能量受限系统受到影响。因此，采用随机加密防护技术，该技术相比持续性加密防护技术在计算负荷、时间和能量消耗方面代价较小。针对能力较弱的攻击者，即系统经验知识较少，攻击能力有限，同时又有攻击欲望，考虑了一种随机零值攻击，即恶意地将测量值篡改为零信号。随机加密防护与随机零值攻击分别服从于两个相关的伯努利分布随机变量，该情况下网络化控制系统变成随机系统；基于线性矩阵不等式法开展了随机稳定性分析。所提的随机稳定性分析结果有助于确定一定攻击概率的随机零值攻击下所需的随机加密防护概率。最后，基于某垂直起降飞行系统进行仿真实验。仿真结果表明该方法的有效性、鲁棒性与适用性。此外，结果表明在选择合适防护技术时，应考虑延迟的影响；在确定系统采样周期时，应考虑采样周期对增加攻击鲁棒性的作用。

关键词组：网络化控制系统；安全；网络攻击；随机稳定性；加密防护

Deep learning compact binary codes for fingerprint indexing

Chao-chao Bai, Wei-qiang Wang, Tong Zhao, Ru-xin Wang, Ming-qiang Li

DOI: 10.1631/FITEE.1700420 Downloaded: 2963 Clicked: 8124 Cited: 0 Commented: 0(p.1112-1123) <Full Text><PPT> 1926

Chinese summary   <27>  基于深度学习紧致二进制编码的指纹索引

摘要：随着指纹数据库迅速发展，有必要开发一种卓越的指纹索引方法满足系统高效性和准确性要求。实值特征的指纹索引已进行广泛研究，但二进制编码特征的研究相对较少，并且二进制编码特征更适合大规模指纹数据库的高效检索。首先，提出高效的有区分度的深度紧致二进制细节点圆柱体编码（deep compact binary minutia cylinder code，DCBMCC）作为指纹索引特征。具体分析了最新细节点圆柱体编码（minutia cylinder code，MCC），并发现其缺点。提出一种新颖的深度神经网络学习指纹索引特征DCBMCC，设置网络倒数第二层直接输出为二进制编码。将独立性、平衡性、量化损失最小和相似性保持等重要属性结合在学习过程中。最后，设计了基于多索引哈希（multi-index hashing，MIH）的指纹索引模式，从而在汉明空间中进行高效精确的搜索。此外，许多公开数据库上的实验表明，本文提出的方法是一个卓越的指纹索引方法，在穿透率非常低的情况下仍然具有非常小的错误率。

关键词组：指纹索引；细节点圆柱体编码；深度神经网络；多索引哈希

Optical plasma boundary reconstruction based on least squares for EAST Tokamak

Hao Luo, Zheng-ping Luo, Chao Xu, Wei Jiang

DOI: 10.1631/FITEE.1700041 Downloaded: 2846 Clicked: 7484 Cited: 0 Commented: 0(p.1124-1134) <Full Text><PPT> 1695

Chinese summary   <26>  基于最小二乘法的EAST托卡马克光学等离子体边缘重建

摘要：重建等离子体位形是托卡马克装置中一个非常重要的课题。平衡与反演编码（equilibrium and fitting, EFIT）是部分托卡马克中常用的等离子体边缘重建方法。然而，这种磁方法有一些不可避免的缺点。提出一种光学等离子体边缘重建算法，将EFIT编码结果作为标准值学习光学重建模型。在边缘提取方面，传统边缘检测方法不能提取较清晰的等离子体边缘。因此，提出一种基于全局对比度的方法在图像平面提取等离子体边缘。这种方法对光照有很好的鲁棒性。用一个同阶多项式和一个转换矩阵拟合提取等离子体边缘和EFIT重建等离子体边缘。为在没有相机标定的前提下获取转换矩阵，用最小二乘法最小化光学边缘和EFIT重建边缘误差，得到一个数学模型，该数学模型将提取的等离子体边缘从一个图像平面转换到托卡马克极向平面。一旦获得这个转换矩阵，便可在捕获的任意图像重建光学等离子体边缘。展示了所提方法和EFIT之间的误差，并讨论不同多项式阶数的实验结果。

关键词组：光学等离子体重建；边缘检测；全局对比度；最小二乘法；EAST托卡马克

A novel forwarding and routing mechanism design in SDN-based NDN architecture

Jia Li, Ren-chao Xie, Tao Huang, Li Sun

DOI: 10.1631/FITEE.1700698 Downloaded: 2233 Clicked: 5816 Cited: 0 Commented: 0(p.1135-1150) <Full Text><PPT> 1724

Chinese summary   <24>  一种基于SDN的NDN路由转发机制设计

摘要：近年来，命名数据网络（named data networking，NDN）和软件定义网络（software defined networking，SDN）的结合被认为是网络架构创新的重要趋势，吸引了大量关注。虽然关于两者结合已有大量研究成果，但未能解决传统NDN的转发机制存在兴趣包泛洪和丢弃的固有问题。基于SDN在NDN架构设计了一种新型转发机制，在架构中分布式部署集中控制器，进行全局路由决策，并设计了兴趣包和数据包的具体转发流程。基于设计的转发机制，提出一种基于服务质量（quality of service，QoS）的新型路由算法，综合考虑资源消耗和网络负载均衡，并利用改进遗传算法求解。仿真结果表明所提路由转发机制有良好性能。

关键词组：基于SDN的NDN；转发机制；QoS路由；遗传算法

Performance analysis of two EM-based measurement bias estimation processes for tracking systems

Zhi-hua Lu, Meng-yao Zhu, Qing-wei Ye, Yu Zhou

DOI: 10.1631/FITEE.1800214 Downloaded: 2278 Clicked: 6589 Cited: 0 Commented: 0(p.1151-1165) <Full Text><PPT> 1745

Chinese summary   <27>  针对目标跟踪的两种基于最大期望算法测量值偏差估计过程的性能分析

摘要：在现实目标跟踪问题中，传感器采集的测量值，比如系统缺陷，可能存在一定程度偏差。为正确估计目标的运动轨迹，测量值偏差的识别与估计将成为首要任务。首先，提出两种状态空间模型，分别把测量值偏差视为随机变量和常数。其次，假设测量值样本数足够大，基于最大期望算法，利用扩展卡尔曼滤波和平滑，针对两种模型提出不同的循环迭代偏差估计过程。最后，分析这两种估计过程的全局收敛结果，揭示其内在联系。结果表明，第二种估计过程比第一种估计过程更简单准确，并且收敛速度更快。批量处理测量值样本后，可同时获得目标运动轨迹和测量值偏差的估计结果。

关键词组：非线性状态空间模型；测量值偏差；扩展卡尔曼滤波；扩展卡尔曼平滑；最大期望算法

A multi-modular shunt active power filter system and its novel fault-tolerant strategy based on split-phase control and real-time bus communication

Qun-wei Xu, Jin-xiang Zhan, Long Xiao, Guo-zhu Chen

DOI: 10.1631/FITEE.1601296 Downloaded: 2745 Clicked: 8176 Cited: 0 Commented: 0(p.1166-1179) <Full Text><PPT> 1862

Chinese summary   <26>  多模块并联有源电力滤波器系统及其基于分相控制和实时总线通讯的新型容错控制策略

摘要：首先，提出一种适用于大容量补偿的多模块并联有源电力滤波器系统。该系统中每个模块具备相同的电路拓扑、功能及控制器设计，有助于模块间协同控制的实现。模块指令信号由总指令信号与相应的分配系数相乘所得。其次，提出一种基于a-b-c坐标系下分相控制和实时总线通讯的新型容错控制策略。当某一相发生故障时，所提策略仅隔离故障桥臂而非停运整个模块，同时重新计算分配系数，将故障相的补偿容量转移到其他正常模块的相同相，使故障模块得以持续运行以及剩余可用功率器件优化利用。故障后电路的稳态分析证明系统具备高稳定性及控制可靠性，保证其工程应用价值。最后，搭建了实验样机，实验结果验证了所提多模块系统及其容错控制策略的可行性和有效性。

关键词组：并联有源电力滤波器；容错拓扑；分相控制；总线通讯

Synchronization of two different chaotic systems using Legendre polynomials with applications in secure communications

Saeed Khorashadizadeh, Mohammad-Hassan Majidi

DOI: 10.1631/FITEE.1601814 Downloaded: 2842 Clicked: 7701 Cited: 0 Commented: 0(p.1180-1190) <Full Text><PPT> 1815

Chinese summary   <27>  利用勒让德多项式同步两种不同的混沌系统及其在安全通信中的应用

摘要：提出一种新的由状态反馈控制器和鲁棒控制项组成的混沌同步控制器，采用勒让德多项式补偿不确定性，还考虑截断错误。由于正交函数定理，勒让德多项式可逼近任意小的近似误差的非线性函数。因此，勒让德多项式可取代模糊系统和神经网络来估计和补偿控制系统中的不确定性。勒让德多项式具有比模糊系统和神经网络更少的调整参数，它的调整过程更为简单。与模糊系统的参数类似，使用从稳定性分析获得的自适应规则在线估计勒让德系数。假设主系统和从系统分别是Lorenz混沌系统和Chen混沌系统。安全通信系统需要基于观测器同步，因为主系统通过信道只发送一个状态变量。讨论了使用基于观测器同步获得其他状态变量的方法。仿真结果表明该方法的有效性。与模糊滑模控制器的比较表明，所提的控制器表现出优异的瞬态响应。此外，解释了安全通信问题，并测试了安全通信中控制器的性能。

关键词组：基于观测器同步；混沌系统；勒让德多项式；安全通信

Correction of array failure using grey wolf optimizer hybridized with an interior point algorithm

Shafqat Ullah Khan, M. K. A. Rahim, Liaqat Ali

DOI: 10.1631/FITEE.1601694 Downloaded: 2716 Clicked: 7035 Cited: 0 Commented: 0(p.1191-1202) <Full Text><PPT> 1784

Chinese summary   <26>  采用内点算法的灰狼优化程序阵列纠错

摘要：设计了一个采用内点算法的灰狼优化程序以纠错天线阵列。若单个传感器故障，整个阵列辐射功率图在旁瓣电平（side lobe level，SLL）和深零度电平（null depth level，NDL）方向受干扰，零点被破坏并发生偏离。可通过设计新的适应函数解决这些问题，并减小预期辐射功率图与零限值之间的偏差。该混合算法用于控制天线阵列的辐射功率图。仿真实验使用了由21个传感器组成的天线阵列。仿真结果表明，与现有的SLL和NDL方法相比，所提方法具有良好性能。

关键词组：故障纠错；灰狼优化器；内点算法；旁瓣电平；深零度电平

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